虛擬儀器課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革探索

王靖　黃采倫

摘 要：本文介紹了本校測控專業(yè)虛擬儀器課程設(shè)計(jì)的開設(shè)情況，以及現(xiàn)階段課程設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)施中發(fā)現(xiàn)的若干問題并展開分析，探討了虛擬儀器技術(shù)課程設(shè)計(jì)的教改措施，提出了幾條有針對性的虛擬儀器課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革方法，還根據(jù)教學(xué)大綱提出了課程設(shè)計(jì)的成績評定方法。在現(xiàn)有的教學(xué)條件下，據(jù)此所進(jìn)行的課程改革，已經(jīng)取得了顯著的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器 課程設(shè)計(jì) 軟件工程 因材施教

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展和現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用激增需求的推動，基于儀器的測量和控制系統(tǒng)得到了迅猛發(fā)展，尤其是擴(kuò)展性良好的模塊化虛擬儀器技術(shù)。目前，虛擬儀器廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、交通、醫(yī)藥衛(wèi)生以及教學(xué)和科研等領(lǐng)域，尤其是在自動化程度高的一些行業(yè)，虛擬儀器技術(shù)逐漸成為主要的支撐技術(shù)。

筆者學(xué)校為適應(yīng)當(dāng)今技術(shù)發(fā)展和各行各業(yè)對于測控儀器人才新的需求，為了培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新性測控技術(shù)人才，在測控技術(shù)與儀器專業(yè)開設(shè)了虛擬儀器課程。由于本課程是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，因而又與此相配套地開設(shè)了虛擬儀器課程設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)安排在完成虛擬儀器課堂教學(xué)環(huán)節(jié)后，時(shí)間為兩周左右。該課程設(shè)計(jì)要求學(xué)生綜合所學(xué)的虛擬儀器技術(shù)、應(yīng)用傳感器技術(shù)、信號處理與測試技術(shù)和軟件工程等相關(guān)知識，設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面良好、軟件功能完備的虛擬儀器軟件系統(tǒng)。

一、教學(xué)過程中存在的問題

1.教師知識體系的不足。眾所周知，虛擬儀器技術(shù)是美國國家儀器公司在20世紀(jì)80年代末提出的，而在2000年左右進(jìn)入我國并廣泛推廣。據(jù)調(diào)查，國內(nèi)不少高校都是在2002年左右開始開設(shè)虛擬儀器課程，筆者任教的大學(xué)就是在2004年開設(shè)這門課程。虛擬儀器技術(shù)在我國的推廣應(yīng)用時(shí)間較短，相關(guān)高等院校開設(shè)本課程的時(shí)間也較短。講授這門課程的高校教師尤其老教師，在其求學(xué)期間并沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)過虛擬儀器課程。因此，目前講授這門課程的老師大都是通過自學(xué)摸索或是在其科研項(xiàng)目中使用到了虛擬儀器，而了解掌握相關(guān)知識的。因此，大部分的主講教師對于虛擬儀器設(shè)計(jì)的知識體系的掌握程度尚有一點(diǎn)欠缺，對于相關(guān)授課內(nèi)容的熟悉程度也還存在一定的不足。這些最終也會在虛擬儀器課堂教學(xué)和課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)工作中體現(xiàn)出來，并造成一些影響。

2.課程設(shè)計(jì)涉及的知識領(lǐng)域較廣。與傳統(tǒng)儀器技術(shù)不同，虛擬儀器技術(shù)是指包含相關(guān)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的計(jì)算機(jī)平臺上運(yùn)行的具有針對性的測試分析軟件系統(tǒng)，根據(jù)用戶的不同需求可以高效率地構(gòu)建起豐富多彩的測量系統(tǒng)。對大多數(shù)用戶而言，在完成基本數(shù)據(jù)采集的前提下，用戶主要的工作變成了軟件設(shè)計(jì)。虛擬儀器技術(shù)突破了單一功能儀器的局限，可以將多種信號處理的方法方便地應(yīng)用于測量中，甚至可以將用戶自己的一些分析方法融入到測試系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)“私人訂制”的測試系統(tǒng)。

從這里可以看出，虛擬儀器概念包含的范圍很廣，牽涉的知識內(nèi)容也非常多。因此，要完整系統(tǒng)掌握虛擬儀器的開發(fā)，使用者必須熟悉高等數(shù)學(xué)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、物理、電工電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、計(jì)算機(jī)硬件知識、計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)、數(shù)字信號處理等相關(guān)領(lǐng)域的知識，這對于本課程的講授者和學(xué)習(xí)者都提出了較高的要求。常言道：“授人以魚，必自知漁。”要能夠更好完成虛擬儀器課程設(shè)計(jì)的指導(dǎo)工作，指導(dǎo)教師必須多方面充實(shí)自己的知識體系，有針對性地?cái)U(kuò)展自己的知識領(lǐng)域，尤其是機(jī)械專業(yè)背景的教師，要多了解并掌握信息技術(shù)與計(jì)算機(jī)軟件工程的相關(guān)專業(yè)知識。

3.目前課程設(shè)計(jì)選題較為局限。經(jīng)過筆者查閱相關(guān)資料，了解到這樣的情況。很多高校虛擬儀器課程設(shè)計(jì)的選題多年都沒有變化，較為陳舊。很多學(xué)生在課程設(shè)計(jì)開始之前，就從上一級的同學(xué)那里拷貝到了課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，起不到鍛煉學(xué)生綜合運(yùn)用虛擬儀器課程知識的作用。以我校為例，虛擬儀器課程設(shè)計(jì)題目分為兩大類，即一般信號分析的虛擬儀器設(shè)計(jì)和工程測試實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬儀器。其中一般信號分析的虛擬儀器設(shè)計(jì)如：基于譜分析技術(shù)的虛擬相位差計(jì)設(shè)計(jì)等。工程測試實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬儀器則包括：位移測試虛擬儀器設(shè)計(jì)和振動測試虛擬儀器設(shè)計(jì)等。

在題目分配時(shí)又一刀切，如：要求學(xué)生只能從兩大類中分別選取一題，作為其課程設(shè)計(jì)的題目。從虛擬儀器這門課程要求學(xué)生熟練掌握的內(nèi)容，如數(shù)組操作、文件操作、對話框操作，程序結(jié)構(gòu)控制和多種顯示方式的綜合運(yùn)用等重要的知識，則沒有包含在相關(guān)題目中，使學(xué)生失去了一次很好的鍛煉機(jī)會。

二、課程設(shè)計(jì)教學(xué)創(chuàng)新探索

虛擬儀器設(shè)計(jì)是一門較新的實(shí)踐性較強(qiáng)課程，目前開設(shè)該課程的各個(gè)高校還沒有一個(gè)完善的教學(xué)方式可以借鑒推廣。因此，各個(gè)高校應(yīng)該根據(jù)自己的發(fā)展現(xiàn)狀和儀器設(shè)備狀況，采取切實(shí)可行的改革與革新，建設(shè)好符合本校特色的虛擬儀器課程。在這個(gè)過程中，要適當(dāng)加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力培養(yǎng)，逐步摸索出一條好的方法，以改變當(dāng)前實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的現(xiàn)狀，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的目的。

1.目前課程設(shè)計(jì)選題較為局限軟件工程思維的引入。虛擬儀器的精髓是將專門硬件才能完成的一些測控功能，用通用計(jì)算機(jī)平臺搭載的相關(guān)測試軟件系統(tǒng)來代替。因此，課程設(shè)計(jì)的重要部分就是虛擬儀器上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

由于學(xué)校開設(shè)該門課程的學(xué)院是機(jī)電學(xué)院，學(xué)習(xí)該課程的學(xué)生都是機(jī)械背景的學(xué)生，雖然學(xué)生大都學(xué)過計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)和C語言程序設(shè)計(jì)等課程，但是沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)過軟件開發(fā)的課程。編寫一個(gè)小的測試或者分析程序尚可，但是對于較為大型的測試系統(tǒng)主程序，他們表現(xiàn)出的就是慌亂和無序。因此，從本課程的課堂授課開始，就要持續(xù)向同學(xué)們介紹成熟的軟件工程思維，教給他們軟件開發(fā)的流程。在整個(gè)虛擬儀器課程設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)與開發(fā)的過程中，指導(dǎo)教師可以遵循以下的步驟來指導(dǎo)和教育學(xué)生，養(yǎng)成良好的程序設(shè)計(jì)習(xí)慣。

首先是針對軟件設(shè)計(jì)的需求進(jìn)行系統(tǒng)分析與研究，搞清楚所要設(shè)計(jì)對象的具體需求，進(jìn)行詳盡的分析并對要求完成的功能給出一個(gè)詳細(xì)的列表。其次是進(jìn)行軟件系統(tǒng)的架構(gòu)。將需要設(shè)計(jì)的虛擬儀器系統(tǒng)，從功能模塊上劃分為若干個(gè)元件，進(jìn)而分析元件如何形成、相互之間如何通信，是關(guān)于這個(gè)系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)的重要信息。第三是進(jìn)行軟件開發(fā)：設(shè)計(jì)LabVIEW應(yīng)用程序，以確保它的具有良好的人機(jī)交互界面，良好的響應(yīng)速度。在開發(fā)較大的設(shè)計(jì)題目時(shí)，還要注意代碼重新使用性和互操作性。然后在設(shè)計(jì)的虛擬儀器系統(tǒng)部署前，先要進(jìn)行功能測試，執(zhí)行適當(dāng)?shù)木幋a方式來提高程序的可讀性和性能。測試LabVIEW應(yīng)用程序的正確性，修正所發(fā)現(xiàn)的BUG。在軟件正式使用前要進(jìn)行部署過程，也就是將最終的可執(zhí)行文件和安裝包進(jìn)行最終用戶部署。在用戶配置環(huán)境（包括硬件、軟件的安裝、環(huán)境變量的設(shè)置等）中提供軟件給用戶正常使用。

2.課程設(shè)計(jì)題目的創(chuàng)新。針對目前虛擬儀器課程設(shè)計(jì)題目乏善可陳等問題，可以從三個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。其一，可以充分利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室硬件測試資源，以此為平臺設(shè)計(jì)一些綜合性較強(qiáng)的課程設(shè)計(jì)題目。其二，可以結(jié)合教師自己的科研項(xiàng)目，選取其中的一部分，涉及幾個(gè)難度適中的課程設(shè)計(jì)題目。其三，可以鼓勵(lì)學(xué)生自主選題，擬訂方案，編寫程序，自行設(shè)計(jì)虛擬儀器檢測系統(tǒng)。

對于這些選題都要求與生產(chǎn)實(shí)際相聯(lián)系，能解決企業(yè)產(chǎn)品檢測方面的具體問題，培養(yǎng)他們勇于創(chuàng)新精神和獨(dú)立工作能力。同時(shí)鞏固和運(yùn)用已學(xué)LabVIEW語言的基礎(chǔ)知識、基本概念，并掌握LabVIEW程序開發(fā)的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，包括循環(huán)結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)、順序結(jié)構(gòu)等的具體使用方法和技巧，建立系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的思想，掌握設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)技巧。對于學(xué)生自行選擇題目，必須通過授課教師的審題。通過后方可進(jìn)行，以此來考查學(xué)生綜合運(yùn)用知識的能力與水平。積極拓展課本介紹的虛擬儀器技術(shù)基本應(yīng)用領(lǐng)域，將課程設(shè)計(jì)的選題擴(kuò)展到極點(diǎn)設(shè)備的監(jiān)控，流程工業(yè)的過程自動化控制，并用于數(shù)據(jù)信號采集和處理，全面促進(jìn)教學(xué)和科研水平。

3.課程設(shè)計(jì)成績評判的創(chuàng)新。隨著社會的發(fā)展和新時(shí)期工科教育的進(jìn)步，如何培養(yǎng)出現(xiàn)代社會急需的復(fù)合型和創(chuàng)新型人才，也就是既懂技術(shù)又懂管理的人才是教育工作者面臨的一個(gè)重大課題，對于測試技術(shù)與儀器專業(yè)也提出了這樣的要求。因此，對于虛擬儀器課程設(shè)計(jì)這樣一門實(shí)踐操作性非常強(qiáng)的課程，尤其要考慮到團(tuán)隊(duì)合作與團(tuán)隊(duì)開發(fā)管理工作。筆者在原有考察學(xué)生對虛擬儀器基本編程方法和基本知識掌握的基礎(chǔ)上增加了基于創(chuàng)新項(xiàng)目的綜合設(shè)計(jì)性教學(xué)改革，將學(xué)生通過自主組合和教師分配劃分為若干個(gè)小組，進(jìn)行課程設(shè)計(jì)題目的開發(fā)。

對學(xué)生評價(jià)體系改革也做了個(gè)大膽的嘗試，也就是相應(yīng)地要求學(xué)生自己去思考項(xiàng)目中的技術(shù)問題，合理分工，然后通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作去實(shí)現(xiàn)自己的想法和思路，更提倡學(xué)生自主學(xué)習(xí)，通過構(gòu)思設(shè)計(jì)模塊，細(xì)化工作，根據(jù)團(tuán)隊(duì)中各人的能力差異合理分工、相互合作去完成一個(gè)實(shí)際工程問題。通過這個(gè)過程的歷練以達(dá)到掌握基本知識點(diǎn)，同時(shí)培養(yǎng)善于思考、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力強(qiáng)、動手能力強(qiáng)的良好素質(zhì)。在整個(gè)課程設(shè)計(jì)開設(shè)過程及公開答辯中可以發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生都完成了教學(xué)目標(biāo)，一些團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一些思考和總結(jié)甚至超出教師的預(yù)期，學(xué)生對該實(shí)驗(yàn)的評價(jià)和心得也很好，可以看出改革是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一個(gè)進(jìn)步。

通過上述的分析可知虛擬儀器課程非常適合將理論學(xué)習(xí)和基于項(xiàng)目的課程設(shè)計(jì)兩個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)結(jié)合起來，全面培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和能力。通過在筆者的教學(xué)實(shí)踐活動中，綜合運(yùn)用以上的教學(xué)改革措施，改變了以往以機(jī)械測試為主體需求的課程設(shè)計(jì)教學(xué)方法，更加突出了以項(xiàng)目實(shí)踐結(jié)合的新方向，從而將傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)“小項(xiàng)目”擴(kuò)展為創(chuàng)新性和實(shí)踐性更強(qiáng)的“大項(xiàng)目”的概念。可以使學(xué)生真切地體會到做“工程”，從而改變傳統(tǒng)教育模式中“重理論 輕實(shí)踐”的偏向。通過上面這些舉措，提升了我校虛擬儀器課程設(shè)計(jì)的質(zhì)量和水平，取得了良好的實(shí)踐效果。

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（作者單位：湖南科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院）

責(zé)任編輯：潘中原