虛擬儀器課程教學方法探索與實踐

摘要：針對虛擬儀器課程實踐性強、知識點多等特點，從課程教學內容、教學手段、考核方式等方面展開探索與實踐，并通過3屆學生實施。實踐證明，該教學體系提高了學生學習主動積極性和實踐動手能力，取得了較好的教學效果。

關鍵詞：虛擬儀器；教學手段；項目教學法

作者簡介：周小鳳（1982-），女，內蒙古赤峰人，包頭職業技術學院電氣工程系，講師。（內蒙古 包頭 014030）肖俊生（1981-），男，內蒙古豐鎮人，內蒙古科技大學信息工程學院，講師。（內蒙古 包頭 014010）

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）22-0150-02

隨著計算機技術、自動化測試技術的迅猛發展，虛擬儀器技術已逐步成為構建現代測量儀器與自動測試系統的重要手段，受到眾多科研與工程技術人員的廣泛關注，其應用領域遍及教育、交通、通信、工業、農業等各種行業。在此背景下，越來越多的高校開始開設虛擬儀器課程并組建虛擬儀器技術實驗室，以培養適應現代測控技術發展需求的虛擬儀器技術應用與科研人才。[1]包頭職業技術學院電氣工程系也于2010年將虛擬儀器課程作為檢測技術與應用的專業必修課開設，并組建了虛擬儀器實驗室。然而，虛擬儀器課程實踐性強，涉及到信號處理、總線技術、計算機技術、傳感器技術和軟件工程等多個學科領域，怎樣在有限的課程學時下讓學生掌握虛擬儀器的開發技能，做到“能用”、“會用”，是一個需要不斷探索的問題。為此，從2010年起課程組對虛擬儀器課程教學進行了一些有益的探索和實踐，并在3屆學生中實施，取得了良好的教學效果。

一、課程內容設置

虛擬儀器是以計算機和高性能測試模塊為硬件基礎，以高效靈活的軟件為核心構成的一種測試系統，具有性能高、擴展性強、無縫集成、開發時間少、功能由用戶定義和設計等優點。因此NI公司（National Instruments，美國國家儀器公司）提出“軟件即儀器”。由于NI公司的圖形化軟件開發平臺LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）具有易于學習掌握，開發周期短，應用廣，發展前景好等特點，因此課程組將LabVIEW虛擬儀器開發平臺、PCI-6221板卡和DELL計算機作為課程理論教學和實踐教學平臺。所開課程由理論教學和實踐教學兩部分組成。理論教學分為基礎篇和提高篇。基礎部分主要講述虛擬儀器的概念、組成結構及LabVIEW軟件編程的基本知識（如程序結構、數據操作、前面板設計和數據采集與儀器控制等）；提高部分講述LabVIEW項目開發及管理、動態程序控制、訪問數據庫、外部程序接口以及網絡編程等。實踐部分包括上機實驗及項目實訓。前者重點突出LabVIEW基本編程技能訓練，如虛擬示波器設計、虛擬函數發生器設計；通過實驗使學生掌握LabVIEW編程及調試的基本能力。后者結合測控專業先修課程特點設計了具體項目，如智能壓力、流量、溫度、物位等檢測儀表設計，交通燈控制系統，智能溫度監控儀，火電廠熱工參數監視系統等項目，通過實際項目的開發鍛煉學生的綜合設計和項目的開發能力。

二、教學手段

教學手段是否合理，直接影響學生對課程的學習興趣及學習效果。[2]虛擬儀器課程作為一門實踐性很強的教學課程，[3，4]其課題理論教學和實踐教學密不可分。在該課程教學過程中，根據需要逐漸嘗試了多媒體教學、實驗室教學、項目教學等不同的教學方法。

1.多媒體教學

虛擬儀器課程信息量大、學時少，而且圖形化編程軟件LabVIEW講解時范例較多，書寫不方便。因此，在教學過程中采用信息量傳遞大、效率高的多媒體教學方式。通過圖文并茂的多媒體課件和大量的程序實例來講解各知識點。為了提高學生的學習興趣，在開課初期要注重對學生展開積極的課程入門引導。首先向學生講明虛擬儀器的定義、組成、分類及發展，并通過具體的數據采集實例（如基于聲卡的函數發生器、虛擬示波器等）介紹LabVIEW的應用。通過具體例子展現LabVIEW編程高效、靈活、功能自己定義等特點，體會LabVIEW作為一門工程師的編程語言的優越性。從而，在該課程起始階段就激發學生的學習熱情。同時，向學生推介一些優秀的LabVIEW學習論壇和參考書，并提供一些比較有意思的LabVIEW程序（如基于聲卡的信號發生器和示波器、五子棋等）。教學過程中對于LabVIEW中種類繁多的功能控件、函數節點的用法，通過LabVIEW軟件平臺進行實際編程操作演示來講解。對于編程過程中的一些難點和重點內容，則有針對性制作短小精悍的VI（Virtual Instrument）案例。教學過程中，先將案例VI進行演示，指出演示過程中的重點、難點，再對源程序進行剖析講授。[1]最后，通過一些綜合性案例程序（如虛擬多路數字示波器、溫度采集與報警系統、任意波形發生器等）將LabVIEW中各知識點進行綜合運用并講解。所有案例程序均放置在課程網站上，供學生課后學習參考。然后在實驗課中，要求學生先將課堂上講過的實例自己編程練習，然后再做一些綜合性較強的實驗。

2.實驗室教學

通過實踐發現，課堂多媒體教學方式存在信息量過大，課堂講解與課后上機練習銜接不緊密等特點，致使學生上機時對所學內容已經遺忘，教學效果不是很理想。因此，課程組將虛擬儀器調整到新建的虛擬儀器實驗室進行講解，并改用小班上課，保證每個學生一套實驗設備。這樣，在講解簡單程序時，學生同步和教師一起編程實現。對于一些綜合性強的程序，教師帶領學生一起分析其原理、前面板、程序框圖的設計思路，并調試運行。然后，留出一定的時間，讓學生們在課堂上自己編程實現，有問題及時和教師交流，這樣講授和動手實踐緊密融合在一起，邊講邊練，學生在課堂上就對所講內容練習掌握，激發了學生的學習興趣、提高了學習效率。

3.項目教學法

在實驗室教學取得不錯的效果后，課程組對項目教學法進行了探索。項目教學法也稱為“基于項目活動的研究性學習方法”，突出特點在于學習過程中實踐和研究活動相融合，旨在讓學生更加積極、有目的、自主在完成項目過程中達到知識的構建。在項目的選取上，要求能突破課程的重點和難點，讓學生對問題進行深入的了解，充分發揮其積極性和創造性，又要著眼現實，讓學生在教師的引導下，能夠順利完成。[5]在教學活動中，教師將需要解決的問題以項目的形式交給學生，從信息的收集、方案的設計與實施，到完成后的評價由其獨立完成。通過項目的實施，要使學生能夠了解和把握完成項目每一個環節的基本要求與整個過程的重點難點，教師在教學過程中起到咨詢與指導作用。[6]

在項目實施中，根據實驗室具體情況課程組選擇了虛擬示波器、虛擬信號發生器、虛擬溫度測控系統等多個項目供學生選擇。學生也可根據自己的興趣愛好自選項目。選定項目后，學生借助查閱相關資料、收集信息，確定項目具體任務，并制定一個項目實施計劃表（項目總體時間安排，各階段任務及預期采用的手段），并得到教師的認可。

項目實施計劃表制定完成后，具體實施過程如下：學生以小組形式討論，確定項目的總體設計方案及詳細設計步驟，并非配任務。然后做硬件部分的學生查找滿足項目性能指標要求的傳感器、數據采集卡、信號調理模塊等，并共同協作完成硬件電路的搭建和調試；軟件設計采用模塊化的設計方法，每位學生負責一個功能相對獨立的模塊的設計及調試，各模塊調試完成后，軟件部分要進行整體調試。最后進行軟硬件結合，系統聯調，不完善的地方要分析原因并改進，最終完成設計要求。

項目完成后，小組成員通過實物演示、PPT答辯等手段來展示研究成果。教師通過課題選擇、計劃表的制定、成果展示、學生在完成項目過程中的表現來評定成績。在評定時，強調培養學生自學能力和綜合應用知識解決實際問題的能力，關注學生在項目教學中的知識進步。

三、考核方式

課程教學組采用“平時成績+期末考試”的考核方式。平時成績來源于學生的課堂表現和實驗的完成情況，體現學生對該課程的學習態度和實際動手操作能力的強弱；期末考試采取開放式上機的方式進行，要求學生基于LabVIEW平臺在四周時間內，完成一個較為綜合的測控系統（如雙容水箱水位監控系統）的設計實現，功能可自由發揮。這部分主要考核學生對所學知識的綜合運用能力和創新能力。實踐證明，該方式比較適合虛擬儀器這種實踐性較強課程的考核，同時也能提高學生的學習激情。

四、結束語

經過多年實踐，課程組通過合理選擇教學內容、采用多媒體教學和項目教學方法、加強實踐教學和采取科學的考核方式等教學措施，取得了良好的教學效果，培養了學生的創新能力、動手能力和實際解決問題的能力。

參考文獻：

[1]吳愛華，茅靖峰，華亮，等.虛擬儀器技術課程教學的探索與實踐[J].中國教育裝備，2009，（15）：30-31.

[2]劉玉秋，曹生現.虛擬儀器技術課程教學實踐研究[J].實驗技術與管理，2010，27（6）：156-157，183.

[3]趙國忠.虛擬儀器課程與實驗室建設及教學實踐（一）[J].國外電子測量技術，2009，28（5）：14-16.

[4]趙國忠.虛擬儀器課程與實驗室建設及教學實踐（二）[J].國外電子測量技術，2009，28（6）：14-16.

[5]張艷，高軍萍，高振斌，等.《通信原理》實驗項目教學新模式探索[J].武漢大學學報（理學版），2012，58（S2）：157-159.

[6]郭杰，周祥才，張美鳳.項目教學法在“虛擬儀器技術”課程教學中的應用研究[J].科技信息息，2011，（18）：130-133.

（責任編輯：劉輝）