“虛擬儀器技術”課程教學改革探索與實踐*

謝啟　陳飛　徐偉（常熟理工學院電氣與自動化工程學院，江蘇常熟215500）

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“虛擬儀器技術”課程教學改革探索與實踐*

謝啟陳飛徐偉
（常熟理工學院電氣與自動化工程學院，江蘇常熟215500）

摘要：針對“虛擬儀器技術”課程的特點，結合我校教學實際情況，圍繞優化課程教學內容、改進教學方法與教學手段、開展科技創新訓練、創新課程考核方式等方面進行了課程教學改革探索與實踐，使學生掌握必要的虛擬儀器技術基本理論，提高學生綜合分析問題和解決問題的能力。實踐證明，教學改革激發了學生的學習興趣，增強了學生的實踐能力、應用能力和創新能力，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：課程建設；教學改革；虛擬儀器技術

Abstract:Aiming at the characteristic of Virtual Instrument Technology course, we have made some teaching reform and researches combing with the teaching practice of our school, such as optimizing the teaching content, enriching teaching methods and teaching means, developing technological innovation training, innovating examining method etc. In this way, the necessary theory on the course has been mastered, and the students' ability of analyzing and solving problems comprehensively has been improved. Practice has proved that the teaching reform has stimulated the students' learning interest, enhancing the students' practical ability, application ability and innovation ability, and achieved good teaching effect.

Keywords:course construction; teaching reform; virtual instrument technology

虛擬儀器技術是計算機技術、測試技術和通信技術等多門技術相結合的產物，是多門學科的最新技術的結晶，融合了測試理論、儀器原理和技術、計算機接口技術、高速總線技術以及圖形化軟件編程技術于一身，實現了測量儀器的集成化、智能化、多樣化及可編程化，代表了未來儀器的發展方向，是未來測試領域中的主流技術，具有重要的實用意義。如何普及、提高虛擬儀器技術已經引起國內高校的普遍重視，各高校相關學科專業紛紛開設與虛擬儀器技術相關的課程并將相應的課程作為一門重要的課程進行建設[1-3]。

常熟理工學院從2011年開始開設了“虛擬儀器技術”課程，作為測控技術與儀器專業的一門核心課程，該課程主要是針對區域裝備制造業企業對電子電氣設備檢測及產品測試崗位的需求，培養學生應用虛擬儀器技術構建基本測控系統，進行相關設備及產品測試的專業應用能力。針對“虛擬儀器技術”課程實踐性、綜合性、應用性強的特點，近幾年來，我們按照應用型人才培養的目標，對該課程教學不斷進行改革、探索和實踐，取得了較好的成效。文章主要圍繞優化課程教學內容、改進教學方法與教學手段、開展科技創新訓練、創新課程考核方式等方面介紹了對“虛擬儀器技術”課程教學改革進行探索與實踐過程中的工作與經驗。

一、優化課程教學內容，培養學生應用能力

“虛擬儀器技術”課程是利用LabVIEW軟件開發虛擬儀器的一門應用課程，本課程主要內容包括虛擬儀器的相關知識與LabVIEW入門，LabVIEW軟件的程序結構、數組、簇和波形、圖形顯示、字符串和文件I/O、數據采集、數學分析與信號處理、LabVIEW程序設計技巧、儀器控制等[4-6]。“虛擬儀器技術”課程的基本任務是：通過本課程的學習，讓學生學習和了解虛擬儀器的原理及開發技術，掌握虛擬儀器軟件平臺Lab-VIEW的基本編程方法及調試技術，基于虛擬儀器技術并結合多功能數據采集卡來完成相應的測控系統設計。

“虛擬儀器技術”課程教學內容改革的主導思想為：圍繞區域裝備制造業企業的電子電氣設備檢測及產品測試崗位對虛擬儀器技術的需求，課程教學內容由校企雙方共同制定，注重模擬和利用行業企業真實的生產工作狀況，與科學研究、工程實際和社會應用實踐密切聯系。以突出學生對測控系統的工程設計能力培養為主線，通過校企合作、教師科研成果向教學資源轉化，以及學生創新成果向教學資源轉化，提升課程建設水平。

因此在教學內容的安排上，需要對課程知識點進行了梳理，根據應用型人才培養要求，以工程實踐能力培養為目標，以任務為導向，以項目為載體，將知識點融入到一個個具體的項目中去，形成教學模塊。根據項目的難易程度，分成基礎篇、設計篇和綜合篇三大塊內容。基礎篇主要介紹虛擬儀器的相關知識、LabVIEW軟件開發平臺使用、典型測控系統構成等基礎知識點，設計篇主要介紹LabVIEW軟件開發平臺編程方法與程序設計與調試，綜合篇主要講述基本測控系統設計概念，以常熟理工學院與依托企業合作完成的科研項目作為工程背景（即教學案例），圍繞虛擬儀器技術的典型應用（數據采集和儀器控制）提煉出多個典型工業應用案例，給出從硬件配置及接線到LabVIEW編程調試、整個系統的設計方案與實施過程及測控效果。調整后的每一個教學模塊包括理論教學和實驗教學兩部分內容，知識目標和能力目標明確，具有較好的系統性和相對獨立性，便于理實一體化教學的開展。

通過深化教學內容改革，優化教學內容體系，課程教學所用到的項目均源于依托企業提供的工業自動化實際應用或教師科研項目，具有很好的實際應用價值，項目之間既有關聯又相對獨立，并且具有行業針對性。所有的教學情境以真實測控對象為載體，解決了傳統教學軟硬件分離的問題，使得教學內容不僅僅局限于教材。采用演示——案例——互動教學法激發學生的學習興趣與積極性。教學內容深入淺出，循序漸進，突出重點和難點。

二、改進教學方法與教學手段，引導學生自主學習

“虛擬儀器技術”課程是一門實踐性很強的課程，其課堂理論教學與實踐教學不可分割[7-10]，根據學生的認知規律和教學規律，課程在教學方法與教學手段上進行了以下的嘗試。

（一）項目驅動法教學

教學內容以工程項目為教學主線，通過設計不同的教學項目，每個項目包含若干個任務，巧妙地將知識點和技能訓練融于各個項目之中，各個項目按照知識點與技能要求循序漸進地編排，形成理實一體化教學模塊。教學模塊的目標明確可達，項目貼近實際工程，控制效果直觀，項目驅動教學法明顯提高了學生學習的積極性和參與度。

（二）案例分析法教學

充分利用常熟理工學院與美國國家儀器有限公司聯合共建的先進測控技術聯合實訓中心和教師科研平臺，采用研究性教學方法中的案例教學法和基于問題解決的學習方法，注重實踐、科研和工程實際緊密結合，注重對學生理論知識應用能力的培養，以工程案例為主線，理論與實踐相結合的教學方法，將科研成果引入“虛擬儀器技術”課程教學，創設與現實相近的教學情境。

在教師的指導下，根據教學目標，將教學與工程實踐中的真實項目案例加以典型化處理，組織學生對案例進行思考、分析、討論，引導他們進行自主探究性學習，培養獨立思考和主動學習的能力。采用案例教學法充分調動了學生的學習積極性，使其思維空間得到開拓，提高了學習興趣；同時，使學生學會用所學的理論知識，分析和解決實際工程問題。

（三）理論與實踐一體化教學

對現有的理論教學和實驗教學進行改革，把理論教學與實驗教學環節整合在一起實施理論實踐一體化教學。理論實踐一體化教學在先進測控技術聯合實訓中心進行，教學過程中轉變教師與學生的角色關系，強調充分發揮教師的主導作用和學生的主體地位，通過設定教學目標和教學任務，讓師生雙方邊教、邊學、邊做、邊討論，豐富課堂教學和實踐教學環節，提高教學質量。

（四）構建課程網絡學習平臺

依托學校的教學資源建成了“虛擬儀器技術”網絡課程，把先進的信息技術手段應用到教學中。通過網絡教學平臺的使用，實現網上發布作業、網上答疑，學生很容易地與教師對課程學習中的問題，不受時空限制，進行遠距離的交流。任課教師加強課間或課外與學生的交流，輔以網上答疑，不僅能夠解決同學在學習中的疑問，通過個別交流還能了解學生對教學的個別需求，從而改進教學方法。

（五）重視多媒體課件的開發與應用

將任課教師的最新科學研究成果加以總結、提煉、制作成多媒體課件，以動畫、圖片、錄像的形式充實到相應的課程章節中，極大的豐富了教學內容，使得課堂中看似復雜的理論知識與現實生活中的實例結合起來，以便于提高學生學習的興趣，同時使學生能夠及時獲取最新的科研成果，拓寬本科生的知識面，為培養學生的創新思維打下良好的基礎。通過實際工程背景和問題情境吸引并維持學生的興趣，使他們積極尋找解決問題的方法，為他們將來進入社會更快地適應工作環境打下良好的基礎。

三、開展科技創新訓練，培養學生創新能力

為了鼓勵和支持學生在課余時間參加開放式實驗教學、科研和第二課堂活動，進一步加強素質教育和學生創新能力的培養，培養學生的實踐能力和創新精神，課程不斷探索學生創新能力培養新途徑，規范有序地做好先進測控技術聯合實訓中心的開放工作，逐步形成高素質應用型創新型人才培養機制，以學生自主學習能力、工程實踐能力、創新創業能力和大學生職業素養培養為核心，鼓勵學生進行創新訓練。

課程將興趣小組、科技創新項目、學科競賽三個不同層次的活動貫穿其中，為學生營造濃厚的科技文化創新氛圍，全方位培養技能型、創新型人才。

按照實驗室設備資源分為數據采集組、網絡通信組、機器視覺組、機械臂組與機器人組共五個興趣小組。學生針對自身的興趣愛好選擇進入實訓中心的相關的興趣小組。

1.數據采集組：借助于ElVIS和nextboard平臺完成對各種模擬信號和數字信號的采集，針對實際的應用場合，構成具有特定功能的監測系統。

2.網絡通信組：借助于nextboard平臺，配以WiFi模塊、GPS模塊、GPRS模塊、物聯網模塊開展研究。如：基于物聯網的智能家居系統設計與制作，基于WiFi的遙控飛行器、數據采集，基于GPS的盲人導航儀設計，基于gprs的無線安全報警系統的設計等。

3.性能測試實訓系統、機器視覺實訓系統、工業先進生產線實訓系統開展研究。如：基于LabVIEW的PCB板實時性能檢測系統設計，基于機器視覺的農產品、商標等的檢測等。

4.機械臂組：六軸機械臂的空間軌跡優化、物品抓取等。

5.機器人組：借助于實驗室Nao機器人，對機器人的感覺、思考、互動、控制、移動、自主進行學習，實現機器人的視覺追蹤、抓取及全身動作、導航定位、與人互動等。

課程積極支持學生開展大學生科技創新訓練計劃，學生參加科技創新活動踴躍，獲得的科技成果多。

定期舉辦校級虛擬儀器大賽，為學生提供挑戰自我、激發創新的平臺。從校級虛擬儀器大賽中涌現出很多精彩的學生作品，這些作品被充實到教學資源庫中；此外，通過大賽，還選拔了優秀學生參加校外的各項賽事如江蘇省虛擬儀器競賽，全國虛擬儀器大賽等賽事，學生在各類賽事中取得了優異的成績。

四、創新課程考核方式，促進學生全面發展

推進教師輔導和學生自主學習相結合的課程學習方式。選拔優秀學生進駐先進測控技術聯合實訓中心進行自主學習，對于常駐學生，要求他們按先進測控技術聯合實訓中心常駐學生專業知識與能力一體化訓練大綱要求設計實際作品對“虛擬儀器技術”課程進行學分抵修。考核方式以提交設計作品和設計報告的形式體現，學生所提交的作品要涵蓋該課程知識點的60%以上（由答辯老師認定），并且還應接受該課程建設小組的現場答辯，給出的成績作為其該課程的最終成績。先進測控技術聯合實訓中心常駐學生必須在本課程開課學期前結合先進測控技術聯合實訓中心提供的設備設計與提交一個包含課程主要訓練內容的系統作品的詳細實施方案（作品名稱與形式可以自擬，但不能包括游戲類作品，所提供的材料包括提供15頁以上的設計報告與軟件）方能抵修本門課程。系統功能實現必須涵蓋了本門課程常規教學大綱要求的主要知識點。具體步驟如下：

（1）學生填寫學分抵修申請表；（2）提交設計作品和設計報告；（3）平臺負責人提出初步意見，對作品做出真實、科學評價；（4）學院教學副院長、行政副院長召集課程建設小組成員對其進行現場答辯，按滿分100分給學生評價本門課程的最終分數，具體評分標準如下：針對學生訓練內容及本門課程的常規教學大綱要求提出3道應知應會必答題，總分共30分，若得分低于18分，學生將不能抵修本門課程；針對學生提交的作品進行答辯，共70分。（5）學院教學委員會進行審批；（6）學院網站公示抵修通過名單，并報學校教務處備案。

近三年來，來自先進測控技術聯合實訓中心的40位學生通過在實訓中心一年多的自主學習與創新，已熟練掌握了“虛擬儀器技術”課程教學大綱中要求的知識，最終在現場作品演示與介紹環節里，分別提供了溫度采集與控制、基于Lab-VIEW的多功能點菜機、多功能智能電梯、基于LabVIEW虛擬觸摸屏設計與基于LabVIEW的實驗室考勤管理系統等優秀創新成果，獲得了專家評委與現場學生的高度評價，最后經過現場提問答辯等環節，由專家評委打分，順利獲得了“虛擬儀器技術”課程的學分。

針對不是常駐先進測控技術聯合實訓中心進行創新訓練的學生，改革考核方法，注重過程性評價。“虛擬儀器技術”課程的學生總成績由平時成績、實驗成績和期末成績三部分組成，其中平時成績占總成績的20%，實驗成績占總成績的30%，期末成績占總成績的50%。平時成績由平時作業（占40%）、網絡課程自主學習（占20%）、上課考勤（占15%）、課堂完成項目情況（占25%）綜合評定。本課程的期末成績采用試卷（開卷、筆試與機考）考核方式來評定給出分數。這樣，能夠較為全面地評價學生的綜合素質，避免了學生平時不努力、考前突擊應付的現象。開展課堂教學方法和考核方法改革，采取集中考核和過程考核相結合、理論考核與實踐考核相結合的綜合考核方式改革。

五、結束語

根據“虛擬儀器技術”課程的教學要求，文章以工程實踐能力、創新能力和自主學習能力培養為核心，分別從優化課程教學內容、改進教學方法與教學手段、開展科技創新訓練、創新課程考核方式四個方面對該課程的教學進行了探索和實踐。近三年來的教學實踐結果表明：理實一體化教學模式和項目教學法的采用，學生學習的積極性和主動性大大增強；實踐平臺的開放和貼近工程實際的測控對象的引入給學生提供了很好的工程實踐平臺，學生的工程設計與應用能力得到了很大的提高；形式多樣、客觀、靈活的考核和評價機制促進了學生個性和創新能力的發展。教學成效在近三年來學生的科技創新、學科競賽和LabVIEW助理開發工程師認證（CLAD）中得到了充分體現，以常熟理工學院測控技術與儀器專業為例，2010級、2011級和2012級測控技術與儀器專業學生共獲得9項省級或校級科技創新項目，參與學生40人次；在第二屆江蘇省虛擬儀器競賽中，獲得了1項一等獎、1項二等獎、5項三等獎的優異成績，參與學生22人次；在第三屆全國虛擬儀器大賽中，獲得了1項二等獎的好成績，參與學生5人次。近三年來共有50多位學生通過本課程的學習，獲得了美國國家儀器有限公司的LabVIEW助理開發工程師認證。

該課程在歷年學生評教中，學生都充分肯定了教師的教學水平，教學評估成績都為優秀。學生普遍反映課程教學方法靈活、教學手段先進，教學內容能反映技術發展最新成果、學生自主學習興趣較濃厚。

實踐證明理實一體化教學是一種行之有效的方法，能提高學生解決問題和工程實踐的能力。但實施過程中還存在一些問題，如：教學項目設計還需進一步完善，使之能更符合企業的需求；團隊協作能力如何能更有效地進行評價等。這些問題還需要教學團隊在后續教學中摸索改進，從而進一步提高教學質量。

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作者簡介：謝啟（1974-），男，漢族，江西吉水人，碩士，副教授，主要從事計算機先進控制技術與先進檢測技術等方面的教學與科研工作。

*基金項目：江蘇省高校實驗室研究會立項研究項目（GS2013YB01），常熟理工學院教學團隊培育立項項目（jxnh2014100）

中圖分類號：G642

文獻標志碼：A

文章編號：2096-000X（2016）09-0161-03