虛擬儀器課程教學改革與實踐教學研究

劉淑聰　蘇渤力　李亞南

摘 要 虛擬儀器是測控技術及儀器專業一門實踐性很強的專業課程。本文針對課程的特點結合項目驅動式和案例式教學法對虛擬儀器課程的教學模式、實驗實踐教學方式進行了研究和探索。實踐證明，學生實際動手能力和綜合素質明顯提高，教學效果十分理想。

關鍵詞 虛擬儀器 教學改革 實踐教學

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2018.10.060

Abstract "Virtual Instrument" is a very practical professional course in measurement and control technology and instrumentation. Based on the characteristics of the course and the project-driven and case-based teaching methods， this paper studies and explores the teaching mode and experimental practice teaching mode of the "Virtual Instrument" course. Practice has proved that the students' practical ability and comprehensive quality are obviously improved， and the teaching effect is very satisfactory.

Keywords Virtual Instrument； teaching reform； practice teaching

0 引言

虛擬儀器是測控技術與儀器專業一門實踐性很強的專業課程。隨著計算機技術和電子技術等的進步，虛擬儀器技術也得到了很大的發展，廣泛應用于航空、航天、自動化、通訊、電子等各種領域。[1-2]該課程主要學習虛擬儀器及相關開發軟件的基礎知識，使學生掌握有關虛擬儀器設計的技能和方法，培養學生分析和解決測量、控制和儀器領域實際問題的能力，為進一步學習相關專業課程和從事測試測量與儀器技術工作奠定基礎。[3-4]為了使學生今后能夠更好地從事工作，使學生具備社會和企業要求的能力，課程組根據虛擬儀器課程的專業性和實踐性，對課程的教學進行了一些研究，嘗試新的教學方法和手段，探索了課程教學模式，結合項目驅動式和案例式教學法優化實驗實踐教學。實際教學結果表明，教學改革取得了較好的效果。

1 教學模式探索

1.1 課堂講授與演示

虛擬儀器與傳統儀器的不同之處在于它由測試硬件完成信號的采集與控制，而將信號分析與處理、結果表達式與輸出讓計算機來完成。虛擬儀器的硬件是基礎，軟件是核心。應用較廣泛的軟件開發平臺比較多，在教學中選擇圖形化語言編程語言LabVIEW 進行講授。因此課程主要介紹LabVIEW語言以及利用LabVIEW設計數據采集系統和虛擬儀器的方法。

根據課程的特點，教學學時安排為上機教學與實驗教學相結合。上機教學中時采取講練結合、邊講邊練、強調實際練習。教師先進行知識點講授，邊講授邊演示，帶著學生操作，讓學生盡快熟悉LabVIEW的編程方法。這是學生學習新知識的階段，可減少學生自己摸索的時間。知識點講完了就可以帶著學生做一個實際的練習程序，既能讓學生掌握已經學習的知識，又能讓他們體會成功的喜悅激發學生的熱情。課堂中有到很多不同功能的VI，學生經常會覺得不夠直觀，不易理解，此時就需對具體實例進行演示和驗證，加強教學效果。課后還可以給學生布置課本上的練習題和上機題，讓學生消化所學內容并掌握知識，根據學生掌握情況不同，布置不同難度的練習，學生在編程的過程中就會不斷發現問題并解決問題。

1.2 軟硬件綜合實驗

實驗教學可以為學生提供充分的動手實踐的時間，在教學中為學生安排了驗證性實驗，設計性實驗，還有開放性實驗，既有上機實驗，也有結合實驗箱的實驗。上機實驗學生進行親自編寫設計程序，上機調試和實驗，不斷改進設計方法，能夠較好地掌握軟件編程相關知識。實驗箱實驗結合具體的硬件和虛擬儀器軟件平臺整體設計系統，綜合性較強，根據目前實驗室具有的虛擬儀器實驗箱，為學生開設了虛擬儀器綜合性實驗和設計性實驗，學生可以從硬件電路搭建、軟件程序編寫到整體調試，綜合性地完成系統的設計，對提高學生實踐能力、綜合能力有重要的作用。

1.3 討論式與主動式結合

在教學的過程中發現，要實現一個功能很多時候可以用不同的結構來實現，有多種答案。因此在教學中，極大地鼓勵學生多思考多討論，用自己的思路自己的方法來實現功能。鼓勵學生從被動式的接受逐步到主動式的思考，充分調動學生的學習積極性，學習效果往往事半功倍。

2 案例式教學

在講授知識點時，可以有針對性地采用案例式教學，使教學內容更加豐富，學生學習更加直觀。案例式教學重在案例，因此各種案例是重點，這需要教師在教學中不斷總結，提煉出對學生學習有用的案例，課程組在多年的教學中逐漸形成了一套案例庫，并將課程做成了網絡課程，將案例上傳到課程中，一方面可以在教學中使用，另一方面也方便學生自學。比如在學習局部變量與全局變量時，除了課本的練習，還設計了一個溫度控制系統，系統程序分為主VI與子VI，在設計的過程中同時運用了局部變量與全局變量。

3 多門課程結合提高綜合能力

虛擬儀器是一門綜合性很強的應用型課程，學生要真正學懂虛擬儀器，設計采集與測試系統，還需要融合其他門課程的知識，因此在教學的過程中，不斷地注意結合其他課程的知識，如傳感器技術，測量電路設計，EDA技術等。在數據采集這部分內容的教學中，同時結合多門課程的內容，進行了環境監測系統的設計，系統采用溫度傳感器、濕度傳感器、光強傳感器結合NI公司的My-DAQ數據采集卡來實現。要完成這樣的系統，需要進行傳感器的選擇與性能測試，放大電路的設計，以及數據采集程序的設計，運用了多門課程的知識，最終形成了一個完整的測試測量系統。通過這樣的實際案例的學習與實踐動手，學生能夠較直觀地學會了數據采集這部分知識，以及虛擬儀器系統的設計方法，提高了動手能力以及實踐能力。

4 項目驅動式教學

虛擬儀器是專業性較強的一門課程，因此還為學生們開設了課程設計和暑期實習等實踐活動，從而提高學生的綜合能力。在相對集中的時間內，為了有效地將學習成果轉化，采用項目驅動式教學，形成以項目為主線，教師為引導，學生為主體，能力培養為基本特征的教學思路，提高學生動手能力，儀器設計能力，綜合能力。與傳統的知識滿堂灌的教學方式不同，項目驅動式教學對教師和學生的要求更高，教師在項目的選擇和方案實施等方面要起主導作用，學生也從被動的接受知識向主動式的應用知識，探索知識，解決問題轉變，對能力的要求更高，但是實踐證明這樣的學習方式對學生能力的提高有很大的幫助。結合具體的項目，今年課程組采用了項目驅動式教學，選擇了從易到難的3個項目進行實施，分別是溫度測量系統，光耦傳感器測量轉速系統，多通道數據采集系統。以光耦傳感器測量轉速系統設計為例（如圖1），項目的進行一般可分為5步。第1步是提出項目，教師提出項目任務和設計目標及要求。光耦傳感器測量轉速系統項目的設計要求就是利用光耦傳感器進行電機轉速的實時測量。第2步是分解項目，將項目分解成各子項目，再具體細化到各模塊，各知識點，引出教學內容。項目需要分解成傳感器的選擇及性能分析，預處理電路的設計，數據采集及顯示程序的設計等子模塊任務。第3步是講授概念、知識，設計子項目。第4步是項目實施，學生交流討論，動手完成。第5步是項目評定驗收，評價總結。溫度測量系統相對容易理解和實現，但是可以選擇的測量傳感器有多種，比如熱敏電阻，熱電偶，鉑電阻PT100，AD590等，學生可以自己選擇其中一種傳感器，設計相對應的測量電路，進行溫度測量系統的設計，在完成基本項目要求的同時還可以額外擴展，比較四種溫度傳感器的測量范圍和靈敏度。

經過以上項目驅動式的教學過程，學生對項目的設計有清晰的思路，在傳感器選擇，用戶界面設計，電路設計等多方面可以提出自己的想法，并通過自己動手實施完成，促進學生的學習主動性和自覺性，激發學生的潛能，提高了學生的動手能力，綜合能力，創新能力。

5 結束語

針對虛擬儀器課程的特點，運用項目化教學和案例式教學模式對課程的教學內容、教學方法和手段、課程考核方式進行了探索。在今后的教學中，應不斷總結經驗，在實踐中總結經驗，完善項目驅動案例式教學，改進教學方法和手段，提高教學質量。

基金項目：防災科技學院第八批重點課程資助項目；測控技術與儀器專業教學團隊（JT201702）

參考文獻

[1] 廖鳳依，藍會立.“虛擬儀器”課程的教學改革與實踐[J].科技信息，2011（36）：125-125.

[2] 劉淑聰，張瑾琳.基于虛擬儀器的實驗與實踐教學研究[J].科教導刊，2012（2）：45-47.

[3] 王耿，樊磊，王瑩，等.虛擬儀器設計課程的教學改革的探索與實踐[J].中國現代教育裝備，2015（13）：53-55.

[4] 王成，楊鎖昌，孟晨等.《虛擬儀器技術》教學改革初探[J].教育教學論壇，2016（4）：138-139.