《虛擬儀器技術》教學改革初探

王成　楊鎖昌　孟晨　范書義

摘要：根據虛擬儀器技術課程的教學特點，針對學員在學習過程中對課程存在的各種誤解，對該課程教學工作進行了探索性改革。在該課程講授過程中，通過運用項目化教學和案例式教學模式，學員能夠將虛擬儀器技術與計算機、裝備檢測等專業知識融會貫通；通過采用試探教學法和大實驗室概念，在課程實踐教學中培養了學員的動手和創新能力。實踐結果表明該課程的教學改革嘗試初步取得了預期效果。

關鍵詞：虛擬儀器技術；教學改革；項目化教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）04-0138-02

一、引言

“虛擬儀器技術”課程是軍械工程學院研究生測量計量技術及儀器專業選修課，該課程系統講述虛擬儀器技術基本概念、自動測試系統集成軟件邏輯架構、層次結構、技術規范和關鍵技術，以及各類虛擬儀器的硬件結構、驅動方式、性能指標、編程思路，是一門綜合技術應用課程。

隨著計算機軟硬件技術的發展，自21世紀初，“軟件即儀器”的全新理念方興未艾。LabView和LabWindows/CVI軟件用戶群越來越多，選修該課程的學員也越來越多。然而近幾年來，教學過程中發現選我院選修該課程的學員人數卻呈下降趨勢，而且學員學習興趣不夠濃厚。經過調查分析，發現學員在學習過程中對虛擬儀器技術存在以下誤解。

誤解1：進行電路仿真時才用虛擬儀器。部分學員認為只有在進行電路仿真時，才需要使用虛擬儀器，在他們心目中“虛擬儀器=MultiSim+LabView”，前者用于電路原理仿真，后者用于開發虛擬儀器界面。虛擬儀器最早由英文“Virtual Instrumentation”翻譯而來，“虛擬”一詞讓學員誤解為其應用只是純軟件仿真。

誤解2：只有VXI、PXI總線儀器才是虛擬儀器。部分學員認為VXI、PXI總線儀器才屬于虛擬儀器，而這些儀器大多在實驗室使用，在實際工程應用中比較少見，因目的性不強，導致他們學習動力不足。

誤解3：只有LabVIEW、LabWindows/CVI才可以開發虛擬儀器。部分學員認為這兩個軟件開發儀器界面比較簡單，但是在其他領域用處不大；還有部分學員認為其他開發工具不適用于虛擬儀器軟件開發，或者開發虛擬儀器難度太大。

針對上述學員存在的各種誤解，筆者在近兩年的教學實踐中進行了探索性教學改革，通過運用項目化教學和案例式教學模式，學員能夠將虛擬儀器技術與計算機、裝備檢測等專業知識融會貫通；采用試探教學法和大實驗室教學法，在課程實踐教學中培養了學員的動手和創新能力。

二、教學改革探索

1.虛擬儀器與面向對象技術結合進行項目化教學。項目教學模式，是師生通過共同實施一個完整的項目工作而進行的教學活動[1]。在以往虛擬儀器課程教學中，講授數字信號的異步串行通信時，主要講授數據串行傳送的概念、格式、波特率和時鐘、通信方式等，在講授數據串行傳送格式時，要求學員利用“串口調試助手”軟件進行數據發送，利用示波器進行數據監控，但是在實際教學過程中，由于示波器屏幕太小，教學時對數據格式分析不方便，另外部分學員認為有了“串口調試助手”軟件，自己無須關注串口數據通信格式，使得一些學員對相關知識掌握得不牢、不透。

針對上述情況，考慮到多數學員都已有C語言基礎，部分學員學習過C++語言和面向對象知識，而且對研究生學員應重點培養其自我學習能力與工程實踐能力。所以，在教學過程中設計了一個“利用C++開發串行通信協議分析軟件”的教學項目。要求學員在VC6開發環境下，設計串行通信協議分析類，能夠根據參數設置，自動繪制波形，并能夠分析波形。這樣通過實施完整的工程項目展開相關教學活動，一方面實現了將虛擬儀器與面向對象技術有機結合起來，使學員消除了“只有LabVIEW、LabWindows/CVI才可以開發虛擬儀器”的誤解，另一方面給研究生學員創造了在本科學習階段沒有的從事完整軟件開發項目的機會。因此極大地激發了學員的學習興趣。此外，在教學過程中注意引導學員運用軟件工程思想展開項目開發，即使學員能夠親身體驗“編寫需求文檔、面向對象分析、編寫程序、軟件調試”四個完整的軟件開發過程。經過兩個教學班次的努力，由學員開發的“串行通信協議分析軟件”完成了所有預期功能。

學員在項目開發過程中不僅對串行通信相關知識有了深刻理解，并且對于虛擬儀器具體應用和程序設計的能力都得到了加強，通過項目化教學模式，學員普遍認為達到了“在編程中學虛擬儀器，在虛擬儀器中學編程”的效果。

2.虛擬儀器與裝備檢測結合進行案例式教學。麻省理工、加州大學伯克利分校、加州大學洛杉磯分校等美國頂尖工程院校，均將虛擬儀器技術教學引入其學生培養的全階段之中，并且將其概念和方法滲透至其他多學科教學（如機械、電氣、通信、環境、自動化、土木、生物醫學等），同時在教學中采用理論教學、教學實驗與項目實踐相結合的模式，貫穿于整個高等教育階段[2]。

針對我院學員課題研究方向大多圍繞裝備檢測展開，借鑒國外高校項目教學模式思路，在教學過程中將虛擬儀器與裝備檢測結合開展了案例式教學。案例教學是一種以案例為基礎的教學模式（case-based teaching）。案例本質是提出一種教育的兩難情境，沒有特定的解決指導，而教員于教學中扮演設計者和激勵者角色，鼓勵學員積極參與討論，而不像傳統的教學模式，教員是一位很有學問的人，扮演著傳授知識者的角色。

過去講述虛擬儀器中的數模轉換器（D/A）部分內容時，側重于介紹其基本概念和編程實現方法，缺乏應用環境的講述，使得部分學員覺得“數模轉換器可以產生電平，但驅動能力不如程控電源；可以產生波形，但功能不如任意波形發生器強大”。針對這種誤解，在教學過程中結合某型便攜防空導彈發射機構敵我識別功能檢測中需要一個恒流源的案例，引導學員圍繞如何產生恒流源進行分析。有學員認為可以直接購買一個恒流源，教員分析這種方案會使得成本和體積都大大增加。通過引導學員“數模轉換器可以實現電平的變化，而恒流源可以通過控制外圍電路電平的變化實現輸出電流的變化來實現”，最后和學員一起分析得到該案例的解決方案。由于所選案例緊貼裝備檢測，貼近學員課題研究與工作實際，他們有興趣參與案例分析。通過案例式教學，不僅使得學員對于數模轉換器的概念與應用有了深刻印象，而且提高了學員應用虛擬儀器分析問題、解決問題的能力。

3.試探教學法在虛擬儀器教學中的應用。隨著虛擬儀器技術的快速發展，虛擬儀器技術的應用也早已突破最初的儀器控制和數據采集的范疇，而向更加縱深的方向發展，而且研究生教育中應更加重視學員自學能力的培養，為此，在虛擬儀器教學過程中實踐了試探教學法。

試探教學法的基本觀點是“學生能嘗試，嘗試能成功，成功能創新”，特征是“先試后導，先練后講”。試探教學法的基本模式通常分七步進行：準備練習→出示嘗試題→自學課本→嘗試練習→學生討論→教師講解→第二次嘗試練習，這種教學方法最早應用在小學數學教育中取得了很好的效果，而后發展到語文、常識等學科，又從小學發展到中學、大學；從普教發展到幼教、特教、職教。大量的教學實踐充分證明：“學生能在嘗試中學習”帶有普遍意義。

在虛擬儀器技術課程的虛擬儀器板卡使用實驗課中采用了試探教學法。試驗題目是仿照NI—SWITCH軟件設計通用開關調試軟件。以往實驗課都是先由教員講述開關板卡使用方法和注意事項，學員完成程序編寫，教員檢查程序后，學員逐項完成試驗項目。采用試探教學法后改為學員學習使用NI—SWITCH軟件，閱讀開關卡使用說明書，編寫通用開關調試軟件，教員講評，學員修改的步驟。學員嘗試后普遍對于虛擬儀器技術的核心思想“通過軟件去定義硬件的功能”有了更深的認識。當然在學員嘗試過程中，由于學員設計不成熟也出現了個別開關板卡上的繼電器被燒壞的現象，此時，就需要將嘗試進行到底，即讓學員通過閱讀使用說明書定位故障繼電器，購置同型繼電器，自行修復板卡。通過這種嘗試使學員普遍反映工程實踐能力得到了極大提高，并且培養了學員的嘗試精神，為學員后續開展創新課題研究也產生了積極的影響。

4.將“大實驗室”的概念引入虛擬儀器實踐教學。國內外高校十幾年的教學實踐證明，虛擬儀器技術的教學非常適合將理論學習、課程實驗以及基于項目的動手實踐三者相結合，全面培養學生的各方面能力。為了更進一步提高學員學習興趣和實踐能力，將傳統的實驗室概念擴展為“大實驗室”概念，即讓學員利用課外時間在實驗室之外完成相關練習作業或創新項目，作為對實驗室實驗項目的有益補充。過去，受制于硬件設備的限制，學員在課外所能完成的主要是一些純軟件性質的編程練習。購置了泛華測控的nextBoard、nextKit、nextkit nano、nextPad軟硬件平臺后，數據采集模塊設計小巧，便于攜帶，而且I/O部分電路采用特別設計，即使連線錯誤也不會損壞數據采集硬件，教員可以放心地借給學員短期使用，也利于提高實驗室資源利用效率。

三、結語

經過兩期“虛擬儀器技術”的教學改革探索，使得學員擺脫了以往對虛擬儀器技術存在的各種誤解，通過項目化教學和案例式教學模式，達到了使學員將虛擬儀器技術與計算機、裝備檢測等知識融會貫通的學習目的，通過試探教學法和“大實驗室”概念，在課程實踐教學中提高了學員學習興趣和實踐能力，實現了學員課程學習與將來科研工作或實際工程地無縫銜接[3]。選修該課程學員人數的回升，學院對虛擬儀器技術授課質量評價的不斷提高，都表明該課程的教學改革嘗試初步取得了預期效果。

參考文獻：

[1]周立波，王凌云.突出技能培養的《CAD/CAM技術》課程改革[J].教育研究與實驗，2013，（04）：32-33.

[2]邱學華.嘗試教學研究50年[J].課程·教材·教法，2013，（04）：3-13.

[3]孫蓓.基于虛擬儀器技術的實驗教學改革研究[J].科技信息，2011，（31）：287，337.