虛擬儀器課程教學(xué)方法探索與實(shí)踐

摘要：針對(duì)虛擬儀器課程實(shí)踐性強(qiáng)、知識(shí)點(diǎn)多等特點(diǎn)，從課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、考核方式等方面展開(kāi)探索與實(shí)踐，并通過(guò)3屆學(xué)生實(shí)施。實(shí)踐證明，該教學(xué)體系提高了學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)積極性和實(shí)踐動(dòng)手能力，取得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；教學(xué)手段；項(xiàng)目教學(xué)法

作者簡(jiǎn)介：周小鳳（1982-），女，內(nèi)蒙古赤峰人，包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，講師。（內(nèi)蒙古 包頭 014030）肖俊生（1981-），男，內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)人，內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，講師。（內(nèi)蒙古 包頭 014010）

中圖分類(lèi)號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）22-0150-02

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)已逐步成為構(gòu)建現(xiàn)代測(cè)量?jī)x器與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的重要手段，受到眾多科研與工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注，其應(yīng)用領(lǐng)域遍及教育、交通、通信、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各種行業(yè)。在此背景下，越來(lái)越多的高校開(kāi)始開(kāi)設(shè)虛擬儀器課程并組建虛擬儀器技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，以培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)發(fā)展需求的虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用與科研人才。[1]包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系也于2010年將虛擬儀器課程作為檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用的專(zhuān)業(yè)必修課開(kāi)設(shè)，并組建了虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室。然而，虛擬儀器課程實(shí)踐性強(qiáng)，涉及到信號(hào)處理、總線技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)和軟件工程等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，怎樣在有限的課程學(xué)時(shí)下讓學(xué)生掌握虛擬儀器的開(kāi)發(fā)技能，做到“能用”、“會(huì)用”，是一個(gè)需要不斷探索的問(wèn)題。為此，從2010年起課程組對(duì)虛擬儀器課程教學(xué)進(jìn)行了一些有益的探索和實(shí)踐，并在3屆學(xué)生中實(shí)施，取得了良好的教學(xué)效果。

一、課程內(nèi)容設(shè)置

虛擬儀器是以計(jì)算機(jī)和高性能測(cè)試模塊為硬件基礎(chǔ)，以高效靈活的軟件為核心構(gòu)成的一種測(cè)試系統(tǒng)，具有性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、無(wú)縫集成、開(kāi)發(fā)時(shí)間少、功能由用戶(hù)定義和設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。因此NI公司（National Instruments，美國(guó)國(guó)家儀器公司）提出“軟件即儀器”。由于NI公司的圖形化軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）具有易于學(xué)習(xí)掌握，開(kāi)發(fā)周期短，應(yīng)用廣，發(fā)展前景好等特點(diǎn)，因此課程組將LabVIEW虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)、PCI-6221板卡和DELL計(jì)算機(jī)作為課程理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。所開(kāi)課程由理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩部分組成。理論教學(xué)分為基礎(chǔ)篇和提高篇。基礎(chǔ)部分主要講述虛擬儀器的概念、組成結(jié)構(gòu)及LabVIEW軟件編程的基本知識(shí)（如程序結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)操作、前面板設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集與儀器控制等）；提高部分講述LabVIEW項(xiàng)目開(kāi)發(fā)及管理、動(dòng)態(tài)程序控制、訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)、外部程序接口以及網(wǎng)絡(luò)編程等。實(shí)踐部分包括上機(jī)實(shí)驗(yàn)及項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)。前者重點(diǎn)突出LabVIEW基本編程技能訓(xùn)練，如虛擬示波器設(shè)計(jì)、虛擬函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì)；通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握LabVIEW編程及調(diào)試的基本能力。后者結(jié)合測(cè)控專(zhuān)業(yè)先修課程特點(diǎn)設(shè)計(jì)了具體項(xiàng)目，如智能壓力、流量、溫度、物位等檢測(cè)儀表設(shè)計(jì)，交通燈控制系統(tǒng)，智能溫度監(jiān)控儀，火電廠熱工參數(shù)監(jiān)視系統(tǒng)等項(xiàng)目，通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)鍛煉學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)和項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)能力。

二、教學(xué)手段

教學(xué)手段是否合理，直接影響學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣及學(xué)習(xí)效果。[2]虛擬儀器課程作為一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的教學(xué)課程，[3，4]其課題理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)密不可分。在該課程教學(xué)過(guò)程中，根據(jù)需要逐漸嘗試了多媒體教學(xué)、實(shí)驗(yàn)室教學(xué)、項(xiàng)目教學(xué)等不同的教學(xué)方法。

1.多媒體教學(xué)

虛擬儀器課程信息量大、學(xué)時(shí)少，而且圖形化編程軟件LabVIEW講解時(shí)范例較多，書(shū)寫(xiě)不方便。因此，在教學(xué)過(guò)程中采用信息量傳遞大、效率高的多媒體教學(xué)方式。通過(guò)圖文并茂的多媒體課件和大量的程序?qū)嵗齺?lái)講解各知識(shí)點(diǎn)。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在開(kāi)課初期要注重對(duì)學(xué)生展開(kāi)積極的課程入門(mén)引導(dǎo)。首先向?qū)W生講明虛擬儀器的定義、組成、分類(lèi)及發(fā)展，并通過(guò)具體的數(shù)據(jù)采集實(shí)例（如基于聲卡的函數(shù)發(fā)生器、虛擬示波器等）介紹LabVIEW的應(yīng)用。通過(guò)具體例子展現(xiàn)LabVIEW編程高效、靈活、功能自己定義等特點(diǎn)，體會(huì)LabVIEW作為一門(mén)工程師的編程語(yǔ)言的優(yōu)越性。從而，在該課程起始階段就激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。同時(shí)，向?qū)W生推介一些優(yōu)秀的LabVIEW學(xué)習(xí)論壇和參考書(shū)，并提供一些比較有意思的LabVIEW程序（如基于聲卡的信號(hào)發(fā)生器和示波器、五子棋等）。教學(xué)過(guò)程中對(duì)于LabVIEW中種類(lèi)繁多的功能控件、函數(shù)節(jié)點(diǎn)的用法，通過(guò)LabVIEW軟件平臺(tái)進(jìn)行實(shí)際編程操作演示來(lái)講解。對(duì)于編程過(guò)程中的一些難點(diǎn)和重點(diǎn)內(nèi)容，則有針對(duì)性制作短小精悍的VI（Virtual Instrument）案例。教學(xué)過(guò)程中，先將案例VI進(jìn)行演示，指出演示過(guò)程中的重點(diǎn)、難點(diǎn)，再對(duì)源程序進(jìn)行剖析講授。[1]最后，通過(guò)一些綜合性案例程序（如虛擬多路數(shù)字示波器、溫度采集與報(bào)警系統(tǒng)、任意波形發(fā)生器等）將LabVIEW中各知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行綜合運(yùn)用并講解。所有案例程序均放置在課程網(wǎng)站上，供學(xué)生課后學(xué)習(xí)參考。然后在實(shí)驗(yàn)課中，要求學(xué)生先將課堂上講過(guò)的實(shí)例自己編程練習(xí)，然后再做一些綜合性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)。

2.實(shí)驗(yàn)室教學(xué)

通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，課堂多媒體教學(xué)方式存在信息量過(guò)大，課堂講解與課后上機(jī)練習(xí)銜接不緊密等特點(diǎn)，致使學(xué)生上機(jī)時(shí)對(duì)所學(xué)內(nèi)容已經(jīng)遺忘，教學(xué)效果不是很理想。因此，課程組將虛擬儀器調(diào)整到新建的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行講解，并改用小班上課，保證每個(gè)學(xué)生一套實(shí)驗(yàn)設(shè)備。這樣，在講解簡(jiǎn)單程序時(shí)，學(xué)生同步和教師一起編程實(shí)現(xiàn)。對(duì)于一些綜合性強(qiáng)的程序，教師帶領(lǐng)學(xué)生一起分析其原理、前面板、程序框圖的設(shè)計(jì)思路，并調(diào)試運(yùn)行。然后，留出一定的時(shí)間，讓學(xué)生們?cè)谡n堂上自己編程實(shí)現(xiàn)，有問(wèn)題及時(shí)和教師交流，這樣講授和動(dòng)手實(shí)踐緊密融合在一起，邊講邊練，學(xué)生在課堂上就對(duì)所講內(nèi)容練習(xí)掌握，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高了學(xué)習(xí)效率。

3.項(xiàng)目教學(xué)法

在實(shí)驗(yàn)室教學(xué)取得不錯(cuò)的效果后，課程組對(duì)項(xiàng)目教學(xué)法進(jìn)行了探索。項(xiàng)目教學(xué)法也稱(chēng)為“基于項(xiàng)目活動(dòng)的研究性學(xué)習(xí)方法”，突出特點(diǎn)在于學(xué)習(xí)過(guò)程中實(shí)踐和研究活動(dòng)相融合，旨在讓學(xué)生更加積極、有目的、自主在完成項(xiàng)目過(guò)程中達(dá)到知識(shí)的構(gòu)建。在項(xiàng)目的選取上，要求能突破課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，讓學(xué)生對(duì)問(wèn)題進(jìn)行深入的了解，充分發(fā)揮其積極性和創(chuàng)造性，又要著眼現(xiàn)實(shí)，讓學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，能夠順利完成。[5]在教學(xué)活動(dòng)中，教師將需要解決的問(wèn)題以項(xiàng)目的形式交給學(xué)生，從信息的收集、方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施，到完成后的評(píng)價(jià)由其獨(dú)立完成。通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)施，要使學(xué)生能夠了解和把握完成項(xiàng)目每一個(gè)環(huán)節(jié)的基本要求與整個(gè)過(guò)程的重點(diǎn)難點(diǎn)，教師在教學(xué)過(guò)程中起到咨詢(xún)與指導(dǎo)作用。[6]

在項(xiàng)目實(shí)施中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室具體情況課程組選擇了虛擬示波器、虛擬信號(hào)發(fā)生器、虛擬溫度測(cè)控系統(tǒng)等多個(gè)項(xiàng)目供學(xué)生選擇。學(xué)生也可根據(jù)自己的興趣愛(ài)好自選項(xiàng)目。選定項(xiàng)目后，學(xué)生借助查閱相關(guān)資料、收集信息，確定項(xiàng)目具體任務(wù)，并制定一個(gè)項(xiàng)目實(shí)施計(jì)劃表（項(xiàng)目總體時(shí)間安排，各階段任務(wù)及預(yù)期采用的手段），并得到教師的認(rèn)可。

項(xiàng)目實(shí)施計(jì)劃表制定完成后，具體實(shí)施過(guò)程如下：學(xué)生以小組形式討論，確定項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)方案及詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟，并非配任務(wù)。然后做硬件部分的學(xué)生查找滿(mǎn)足項(xiàng)目性能指標(biāo)要求的傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理模塊等，并共同協(xié)作完成硬件電路的搭建和調(diào)試；軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，每位學(xué)生負(fù)責(zé)一個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的模塊的設(shè)計(jì)及調(diào)試，各模塊調(diào)試完成后，軟件部分要進(jìn)行整體調(diào)試。最后進(jìn)行軟硬件結(jié)合，系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，不完善的地方要分析原因并改進(jìn)，最終完成設(shè)計(jì)要求。

項(xiàng)目完成后，小組成員通過(guò)實(shí)物演示、PPT答辯等手段來(lái)展示研究成果。教師通過(guò)課題選擇、計(jì)劃表的制定、成果展示、學(xué)生在完成項(xiàng)目過(guò)程中的表現(xiàn)來(lái)評(píng)定成績(jī)。在評(píng)定時(shí)，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力和綜合應(yīng)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，關(guān)注學(xué)生在項(xiàng)目教學(xué)中的知識(shí)進(jìn)步。

三、考核方式

課程教學(xué)組采用“平時(shí)成績(jī)+期末考試”的考核方式。平時(shí)成績(jī)來(lái)源于學(xué)生的課堂表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)的完成情況，體現(xiàn)學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)態(tài)度和實(shí)際動(dòng)手操作能力的強(qiáng)弱；期末考試采取開(kāi)放式上機(jī)的方式進(jìn)行，要求學(xué)生基于LabVIEW平臺(tái)在四周時(shí)間內(nèi)，完成一個(gè)較為綜合的測(cè)控系統(tǒng)（如雙容水箱水位監(jiān)控系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，功能可自由發(fā)揮。這部分主要考核學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力和創(chuàng)新能力。實(shí)踐證明，該方式比較適合虛擬儀器這種實(shí)踐性較強(qiáng)課程的考核，同時(shí)也能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)激情。

四、結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐，課程組通過(guò)合理選擇教學(xué)內(nèi)容、采用多媒體教學(xué)和項(xiàng)目教學(xué)方法、加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)和采取科學(xué)的考核方式等教學(xué)措施，取得了良好的教學(xué)效果，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力和實(shí)際解決問(wèn)題的能力。

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（責(zé)任編輯：劉輝）