《虛擬儀器》課程教學方法與考試方式探討

焦圣喜 楊文明

摘 要： 虛擬儀器技術在現代教學中得到了廣泛應用，該課程的教學方式及考核方式也多有不同。本文對虛擬儀器課程的教學方法及考核方法進行了總結與分析，探索了不同教學條件下的教學方法與考核方式，通過教學實踐驗證了其合理性與有效性。

關鍵詞： 《虛擬儀器》 教學方法 考試方式

1.虛擬儀器

1986年美國國家儀器公司（National Instruments Corporation，NI）研發推出了圖形化編程環境的開發平臺——LabVIEW軟件，并首先提出了虛擬儀器（Virtual Instruments，VI）的概念。作為以計算機軟件為核心的新型儀器系統，虛擬儀器具有功能強、測試精度高、測試速度快、自動化程度高、人機界面優異、靈活性強等優點，通常被認為是第三代自動測試系統的同義語[1]。使用虛擬儀器系統可以避免儀器編程過程中的大量重復性勞動，從而大大縮短復雜程序的開發時間，并且客戶可以用不同的模塊構造自己的虛擬儀器系統。虛擬儀器技術經過二十多年的發展，如今正沿著總線與驅動程序標準化、硬/軟件模塊化、編程平臺的圖形化和硬件模塊的即插即用方向發展。LabVIEW采用圖形化編程方案，是非常實用的開發軟件，它整合了諸如GPIB、VXI、PXI、RS232、RS485及數據采集卡等硬件通信的全部功能，而且具有很強的分析處理能力。虛擬儀器的開發廠家為了擴大虛擬儀器的功能，在測量結果的數據處理、表達模式及其變換方面做了許多工作，建立了數據處理的高級分析庫和開發工具庫，使虛擬儀器發展成為組建得極為復雜的自動測量系統[2]。

隨著PC、半導體和軟件功能的進一步更新，虛擬儀器的功能和性能不斷提高，如今在許多應用中它已成為傳統儀器的主要替代方式。虛擬儀器的各種優點讓用戶可以放心地舍棄舊的傳統測量設備，接受更新型、以計算機為基礎的虛擬儀器系統。由于計算機的性價比不斷提高，虛擬儀器的價格更為大眾化，用戶不再受限于傳統儀器的使用限制和昂貴價格，進一步降低了使用成本，減少了開發費用和系統的維護費用。此外，新型筆記本電腦把虛擬儀器的便攜性和強大功能推向一個新的水平。所有這些必將加快虛擬儀器的發展，它的功能和應用領域將不斷增強和擴大。

2.虛擬儀器在教學中的應用

隨著虛擬儀器系統的廣泛應用，越來越多的教學部門開始用它建立教學系統，不僅大大節省開支，而且由于虛擬儀器系統具有靈活、可重用性強等優點，使得教學方法更靈活。教育的核心是素質教育，實施素質教育的重點是“培養學生的創新精神和實踐能力”。隨著高校擴招及學生實踐動手要求的提高，出現了一些新的實驗教學問題：（1）基于傳統儀器實驗教學的不足。當前大多數高校的實驗教學仍然是基于傳統儀器的教學方式，這種方式在一定程度上限制和阻礙了素質教育在實驗教學中的實施，主要表現在如下幾個方面：①學生需花費較多的時間組織、連接甚至搬動、更換儀器設備，一方面沒有把實驗課的時間完全用于實驗能力的培養提高，另一方面增加了儀器設備的損壞機會；②實驗基本上都是驗證型實驗，設計型、綜合型實驗少，需要學生發揮主觀能動性的少；③由于實驗設備的更新跟不上儀器工業的發展，實驗教學與工程實際脫節。虛擬儀器在實驗教學中的應用為解決這一問題提供了一條有效途徑。（2）虛擬儀器技術在教學中的應用。虛擬儀器系統是測控技術和計算機技術相結合的產物，它是全新的儀器概念，打破了傳統儀器的局限，在儀器的研究與制造中引起了一次重大的革新，是未來儀器產業發展的重要方向，目前在測試、控制等領域已被廣泛應用[3]-[5]。虛擬儀器的特點主要在于其強大的數據分析與處理功能，并且，隨著計算機硬件技術與接口技術的發展，虛擬儀器的實時數據采集與控制功能不斷提升。一些高校對虛擬儀器在實驗教學中的應用進行了開發，其中應用得較為廣泛的有“ZK-3VIC型虛擬測試振動與控制多驗裝置”和“DRVI快速可重組虛擬儀器平臺”等。不論哪種虛擬實驗系統，歸結起來，虛擬儀器應用于實驗教學主要采用如下兩種方式：一種方式是純軟件的虛擬儀器實驗，如圖1所示，即從信號的產生到信號的分析、處理和存儲全音都由虛擬儀器進行仿真模擬，這種方式主要應用于理論驗證性實驗。

圖1 虛擬實驗方式之一

另一種方式的實驗系統由“虛擬儀器+數據牙集卡+實測信號”組成，如圖2所示。這種方式適用于操作性實驗，對實驗設備要求較高，除了PC機之外，還必須具備數據采集卡、實際被測對象和傳感鍬等。學生利用虛擬儀器平臺構建掃頻信號發生器、數據采集記錄分析儀等虛擬書器，通過數據采集卡控制激振器和采集傳感器的輔出信號，經過記錄、分析，得出結論，完成實驗。

圖2 虛擬實驗方式之二

3.虛擬儀器的教學方法

“虛擬儀器”作為一門應用技術課，其教學目標是要求學生了解虛擬儀器技術及其在各領域的應用，掌握虛擬儀器系統的基本構成及設計思想，學會系統軟件開發工具LabVIEW，掌握虛擬儀器在測量儀器、過程控制、信號分析、遠程控制等方面的應用技能，具有利用硬件設備快速構建研究、開發工作中需要的測試、實驗系統的能力。虛擬儀器具有軟件開發與硬件設計結合緊密、應用性強、涉及專業知識廣等特點，采取合適的教學方法是完成課程教學任務、提高教學質量的重要途徑[6]-[8]。

3.1課程內容的模塊化設置。教學方法是針對教學內容制定的，教師要根據課程內容的特點采用不同的教學手段，將課程內容劃分為三個模塊：基礎編程、應用開發、創新教學。基礎編程模塊：在介紹虛擬儀器的基本概念、構成和最新發展方向的基礎上，把虛擬儀器前面板設計和程序框圖設計、程序結構、圖形顯示、字符串與文件I/O、數據采集等作為教學的主要內容。應用開發模塊：課程的主要內容從理論講述轉變為應用，以操作性、應用性項目為主，設計出測試、應用等一系列實驗模塊。創新教學模塊：采用項目驅動教學方式，[1]-[3]教學內容取材于實際工程項目，根據知識點將整個項目分解開來，由簡單到復雜、由局部到整體、由分立到綜合。在整體結構上，將知識點與具體實例應用相融合，應用針對性更強。

3.2教學方法的選用。課程教學手段是否合理，直接影響學生對課程的學習興趣與學習效果。鑒于“虛擬儀器”課程實踐性強的特點，把課程教學由課堂搬到實驗室，把講授與學生動手實踐靈活地融合在一起，讓學生在實踐過程中提高技能技巧，從而提高學習效率。根據課程內容的三個模塊，以教、學、做為主線，以培養學生的實際動手能力為目標。

3.2.1講授模式：主要針對課程中的理論教學，包括虛擬儀器技術背景知識、圖形化編程語言原理、數據采集原理、硬件配置、儀器控制及軟件工程，其目的是講明講透虛擬儀器的基本理論、基本知識和基本方法，使學生知其所以然。（1）講練結合法，就是把教師講授和學生練習有機結合起來，使講和練互相促進，迅速而有效地實現教學目標。（2）實例教學法。實例教學法在教學過程中始終強調學以致用，在應用中學習。[4]根據教學內容和教學要求，設計多個精選實例，將所要學習的知識、操作、技能等融入實例中，通過對實例的分析、演示、講解、討論、學生練習及總結等環節，加深學生對基本概念、原理、方法的理解，提高學生的實際操作技能。

3.2.2實踐實練：在課程教學中樹立“理論重實踐、實踐重體驗”的教育思想。綜合能力的培養以一系列使用性、操作性、應用性項目為主，設計出認知、使用、測試、集成、應用等一系列實驗和練習模塊，讓學生自己完成編程，教師指導學生自己發現和解決問題，提高學生自主學習和主動探究的積極性，提高學生的動手和創新能力。在整個環節中，任務書是關鍵性開始，既要有明確的實驗目的和實驗內容，又要給出各種規范要求、數字信號處理的新技術等。

3.2.3項目教學法：通過實施一個完整的項目而進行的教學活動，其目的是在教學過程中把理論與實踐教學有機結合起來，充分發掘學生的創造潛能，提高學生解決實際問題的綜合能力。項目教學法的內容要求有綜合性、創新性和吸引力，因此，項目必須是精心設計和挑選的開放式課題，具有應用性或研究性，學生需要查閱資料、設計方案、軟硬件設計、提交報告、演示匯報等完成本項任務。

4.虛擬儀器考試方式改革的探索

針對虛擬儀器課程的特點，結合本課程在我院幾年來授課及考試方式的探索，通過對以往考試方式的改革，總結出以下幾種考核方式，可以針對不同情況進行選擇。

4.1上機操作考試。針對虛擬儀器課程操作性強的特點，首選上機操作考試，既能測試學生對軟件的掌握程度，又能培養學生的創造性思維，充分體現實踐動手能力培養的目的。如果班級比較多，而電腦臺數不足，就可以分上下場考試，每場間隔10分鐘，即第一個班級考完后，集體下課，第二個班級馬上進入考場，使學生之間沒有交流的可能性，保證考題的保密性。當一次上下場考試不能滿足需求時，可出多套難度相當的考題解決漏題問題。

4.2半開卷考試形式。針對學生過多而機器過少的情況，在上機考試沒有辦法保證保密性時，可選擇半開卷形式。可令學生在一頁A4紙正反面上，以手抄寫的形式記載自己不熟悉內容，可供答題參考，期間不再提供任何形式的參考資料，該方式能夠杜絕學生為了一個公式而發生考試舞弊行為。在出題上，以機動靈活的題目為主，充分培養學生分析與解決實際問題的能力，既有嚴謹性又有機動靈活性。

4.3采用課程論文。這種方式能夠培養學生利用因特網、數據檢索、處理資料及應用所學知識分析問題的能力。課程論文以設計性題目為主，以解決實際工程中的案例為主，可以使學生多方面多角度地對工程實際提出多種解決方案，發揮學生理論聯系實際的能力。不足之處是學生相互抄襲現象嚴重，可通過答道形式進行區別及判定。

4.4閉卷考試形式。這種考試形式有利于考查考生的識記、理解和應用能力，也是對考生多方面基本能力素質的考查，有利于培養學生思維的敏捷性和流暢性。閉卷考試側重考查的識記、理解、理論應用諸方面的能力水平只能體現在書面表達和文字陳述之中，難以培養學生的創造力，學習的知識容易造成書本化。

5.結語

《虛擬儀器》的課程建設及教學實踐、課程的教學方式及考核方法都需要具體分析，機器多學生少時宜采用以上機為主、重點培養學生的實踐動手能力的方式；機器少學生多時，宜采用以理論教學為主，上機操作相輔的方式。教學實踐證明，考核成績可以從多方面著手，平時成績體現學生對課程的學習態度和對基本知識點的掌握程度；實驗成績反映學生的實際操作能力和對知識點的靈活應用設計能力；課程大作業反映學生的綜合分析能力和創新能力等。通過教學改革與嘗試，都取得了較好的教學效果。

參考文獻：

[1]黃松嶺，吳靜.虛擬儀器設計基礎教程.清華大學出版社：2013.

[2]劉萍，曹慧，邱鵬.虛擬儀器的發展過程及應用.山東科學，2009，22（1）：80-83.

[3]劉成文，肖興明，劉初升.虛擬實驗在人才培養中的作用.淮海工學院學報，2003，1（2）：94-96.

[4]徐明.虛擬儀器在實驗教學中的應用研究[D].山東：山東師范大學，2005.

[5]胡乾苗，勵金祥，林劍輝.“虛擬儀器”課程“3P”教學方法探討.中國電力教育，2012，（22）：66-67.

[6]姜英秀.關于高校考試方法改革的幾點思考.現代教育科學，2009，（1）：68-69.

[7]趙晴.考試方法改革的研究與實踐.中山大學學報，2001，21（1）：144-146.

[8]孫鵬.淺析新形勢下的高校教學考試方法改革.遼寧工業大學學報（社會科學版），2008，10（6）：44-45.