《虛擬儀器技術》課程教學改革與實踐

李 梅 劉俊華 袁文菊

（中國地質大學（北京）地球物理與信息技術學院，北京 100083）

1 引言

虛擬儀器，是電子測量儀器發展的最新階段，是一種以計算機軟件為核心，利用飛速發展的計算機技術和網絡技術，加上必要的測試硬件模塊，把計算機屏幕作為儀器軟面板，由用戶來定義的基于計算機的儀器。目前，虛擬儀器發展迅速，在工業、交通、軍事、科研、教學等領域得到廣泛應用。本課程學習虛擬儀器開發軟件LabVIEW，掌握虛擬儀器的面板設計、程序框圖設計、信號分析與處理技術。由于本課程是一門新開課，對于如何在32 學時內讓學生掌握簡單虛擬儀器的設計，筆者在課程內容、授課模式和考核方式等幾方面做了一些探索[1]。

2 課程內容

鑒于這門課只有32 學時，而虛擬儀器技術內容非常豐富。虛擬儀器與傳統儀器的不同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、結果表達與輸出讓計算機來完成，編制具有某種測量功能的軟件就可構成具有該種功能的測試儀器。因此設計虛擬儀器的過程與主要工作內容就是編制應用軟件的過程。虛擬儀器軟件開發工具中最流行的是圖形化編程語言LabVIEW（Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench）。LabVIEW將繁瑣復雜的文本式語言編程簡化成用菜單提示方式選擇功能，各種功能用線條進行連接，并且提供眾多的源碼級的設備驅動程序、分析和表達庫函數，用戶可以快捷地構建自己所需要的儀器系統，它能夠節省85%以上的程序開發時間，而運行速度卻幾乎不受影響。因此本課程主要介紹LabVIEW 編程語言以及用LabVIEW作為軟件開發工具設計數據采集系統和虛擬儀器的方法。我們最后把講課內容定為介紹LabVIEW 語言的基礎知識，包括界面、菜單、工具、模塊、器件、函數等，并簡要介紹編程技巧及優化策略。通過本課程的學習，學生應掌握虛擬儀器設計的主要思想、圖形化編程語言的原理、方法和應用技術。具體內容為：LabVIEW 基礎、程序結構、字符串、數組、簇和矩陣、圖表和圖形、文件I/O、數據采集與儀器控制、LabVIEW 應用-信號處理、屬性節點和方法節點。這些內容是虛擬儀器編程的基礎，有了這些基礎知識，學生看范例或者他人的程序就比較方便。

課程內容安排最主要的措施是加強了實踐教學環節，理論與實際密切聯系。本課程安排一半學時也就是16 學時為教師講授的時間，邊講邊帶著學生操作，讓學生盡快熟悉LabVIEW 編程語言的內容、方法和技巧。另外16 學時為學生動手實踐的時間，學生在了解了基本原理和編程方法之后，必須通過上機實踐，編寫程序，上機聯調，才能真正掌握。同時，實踐教學對于提高學生綜合素質，培養學生的創新精神與實踐能力具有特殊作用。課堂教學全部在機房進行。

3 授課模式

傳統的教學模式是以傳授書本知識即間接經驗為主，幫助學生掌握課程的知識點和知識體系，掌握一定的學科思維方法，但是傳授的知識是死的知識，學生不會運用，這也就是目前很多軟件編程課學生學完以后仍然不會編程的原因。為了避免出現這種情況，我們最早是借鑒NI公司的商業培訓課的教學模式，把以系統傳授知識為主的傳統教學模式改變為完全以實戰練習為中心的新的教學模式，但是這種方法也有一個弊端，因為實戰練習的程序每一步都很清楚，學生跟著做完后其實仍然沒有掌握。我們認為，學生能力培養需遵循由淺入深、由簡單到復雜、從知識掌握到能力培養的順序漸進的過程。因此，采取講練結合，邊講邊練，強調實訓的教學方法是比較合適的，讓學生自己發現問題和解決問題。

我們現在的授課模式是，在授課過程中，新講授的內容基本是老師帶著學生操作，并且完成一個簡單的程序，這是學生熟悉新知識的階段。這個階段由老師帶著做，可以減少學生不必要的摸索時間。做一個簡單的程序，既能讓學生學習新知識的應用，又能讓他們體會成功的喜悅，激發他們的學習熱情。然后，給他們布置幾個題目，在課堂上讓他們自己編程完成。這時，學生需要消化吸收所學內容并將其應用，這是知識的掌握階段。這些題目有一定難度，但是學生經過思索后仍然可以解出，這種有一定挑戰性的題目，能提高他們的興趣，增強他們克服困難的信心。這些題目的完成結果計入平時成績，可以防止一些只準備混學分的同學偷懶。最后的課程設計，學生需要綜合運用所學知識開發出一個儀器或系統，學生需要掌握軟硬件設計與調試技術，并且需要結合以前學過的電路知識、傳感器、信號處理以及電子測量等課程的知識，在編程過程中學生會不斷發現問題和提出問題，自己嘗試著去尋求問題的答案，探索解決問題的途徑和方法，把積累知識的過程變成同時形成能力的過程，在增進知識的同時增進創新精神和創造能力，學生會受到較全面的訓練。這個階段學生也需要互相學習和探討，可以增強他們的團結互助精神。

我們曾經嘗試過半雙語教學[2]，也就是用英文的教材和教案，漢語授課，但是結果并不是太好，因為學生的英語水平沒到一定程度雙語教學會增加他們的學習難度，不利于提高他們的學習興趣。

4 考核方式

這門課程是一門實踐性很強的課程，因此考核方式也應該突出這一特點。原來采用期末課程設計加平時成績的方式，但是發現很多學生學得還是不夠扎實，理論知識不夠，因此采用了新的考核方法，增加了期末的筆試，開學伊始就向學生做了說明，促使學生重視這門課程認真學習，同時也能夠更全面更客觀地考察學生的知識和能力。

本課程的課程設計是讓每個學生綜合應用所學內容設計一個虛擬儀器，這是多門理論課程融合、理論與實踐結合的一個很好的環節，也是對學生的知識掌握、綜合設計能力、創新實踐能力以及文字語言表述能力進行全面的考核。采用開放式的考查方式，不限定具體的題目，學生可以自由發揮，選擇自己感興趣的課題，鼓勵學生在設計過程中的創造性工作，要求每個學生獨立完成避免抄襲現象的發生。同時考慮到有些學生能力所限，沒有自己選擇課題的能力，給這些學生提供一些參考選題。比如把數字電路、模擬電路、數字信號處理、高頻電子電路、通信原理的一些實驗用LabVIEW 編程實現。把這些實驗經過匯總和完善，可以在這些課程的課堂教學中用于演示或者代替傳統的實驗箱用于學生實驗。

5 結語

虛擬儀器是當前測量儀器發展的一個重要方向，它為各行業、各學科提供了一個通用的設計、研究、實驗環境，同時它也是學生多門理論課程融合、理論與實踐結合的一個很好的環節。

為了達到較好的教學效果，我們綜合對現行的軟件編程課的教學模式進行了改革，培養學生的創新精神、動手能力和解決問題的能力。經過幾年的實踐證明，這種教學方法較好的激發了學生的學習興趣，提升了他們的學習潛力。

“虛擬儀器技術“課程的開設，不僅使學生初步掌握了先進的測試技術，也帶動了學校實驗室設備和技術的更新以及教師教學觀念、方法和手段的改進。

[1]李梅，陳玉東，彭國華，劉慧芳.“虛擬儀器技術”課程教學方法的探索.煤炭高等教育，2004，(增刊)：75-76.

[2]李梅，沈海鴻，傅平.關于專業課雙語教學的思考.改革與探索（中國地質大學教育教學研究論文集）.2005，121-123.

[3]張水英.“通信原理”課程教學改革探索[J].電氣電子教學學報，2003，25(5)：12-14.