機械電子工程專業虛擬儀器設計課程教學改革與實踐

耿其東+王福元+王軍+李春燕

摘 要 虛擬儀器設計是一門專業課，因開設時間較晚，教學效果一直不好。為了改變現狀，從課程本身入手，對虛擬儀器設計課程進行初步的改革嘗試，分別從教學目標、教學內容、教學方法上進行相應的改進，最終取得一定的教學效果。

關鍵詞 機械電子工程專業；虛擬儀器設計；教學改革；

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）22-0047-02

Teaching Reforms and Practices in Course of Design of Virtual Instrument in Machinery and Electrical Engineering//GENG Qidong， WANG Fuyuan， WANG Jun， LI Chunyan

Abstract The design of virtual instrument is a professional course， because the time of open is too late， the teaching effect is not good. In order to change the status quo， the design of virtual instrument has

been reformed from itself. Respectively from the teaching goal， tea-ching content， teaching methods on the corresponding improvement， finally has obtained a good effect.

Key words machinery and electrical engineering； design of virtual instrument； teaching reforms

1 引言

虛擬儀器技術是現代計算機技術與儀器技術相結合的產物，它將測量技術、通信技術、信號與數據處理技術、傳感器技術等融為一體，在測控領域舉足輕重。虛擬儀器技術在教育、交通、通信、工業、農業等各行業也有相應的應用。在短學時、少學時的課程背景條件下，如何提高教學質量及增強學生實踐技能，一直是本課程不斷改革的方向。

鹽城工學院機械工程學院機械電子工程專業從2011年起開設虛擬儀器設計課程，主要講授虛擬儀器的結構以及LabVIEW軟件使用。由于課時較少、硬件設施不全、學生基礎薄弱及主動性較差等原因，本門課程的教學效果不佳。從2015年起，虛擬儀器技術教學小組針對本課程的特點，從教學內容、教學方法、教學實驗等環節開展教學改革，強化儀器技術的基本概念，增強學生的實踐能力。本文將介紹虛擬儀器設計課程教學改革過程及結果。

2 教學目標改革

在以往絕大多數教學中，教學目的以掌握本課程知識為根本。這在很大程度上導致學生學習的目的性不強，為了掙學分而學習、為了拿學分而學習、為了考高分而學習。本門課程的改革首先從教學目的開始，將教學內容引導到學科競賽及技能認證上。

在教學過程中，將教學內容定位為競賽服務。從2009級起，本科生教育培養方案中要求學生在校期間完成相應的素質拓展學分。學科競賽是獲得本學分的主要形式，鼓勵和引導學生參加虛擬儀器技術的相關競賽，既可以鍛煉能力，也能完成學分要求。

學生在就業過程中，技能認證的證書對于能否成功就業起到非常重要的作用。虛擬儀器設計的學習離不開NI（美國國家儀器公司）開發的相關平臺，該公司提供的助理工程師（CLAD）認證是虛擬儀器設計技術水平的一種考量。CLAD認證通過者能夠基本熟練地在測試和測量領域應用虛擬儀器設計軟件，如LabVIEW、LabWindows/CVI等。CLAD認證的核心是對虛擬儀器開發系統全面和廣泛的了解，并能夠應用相關知識運行、調試、維護所設計的虛擬儀器模塊。擁有此類證書，可以增強學生的就業選擇面，提升就業成功率。學生可以在測試及測量等相關領域尋找合適的工作，同時在繼續深造方面選擇方向也增多。

3 教學內容改革

教學內容在很大程度上決定了學生對本課程的喜愛程度。在實際教學中，往往發現這樣的問題，學生總是認為學習本課程沒有可用之處。因此，教學改革的重要工作就是對教學內容進行改革。在進行本課程教學前，給學生灌輸虛擬儀器技術課程的重要性，同時明確本課程的學習目的。將教學內容定位于學科競賽及技能認證，在內容上需要進行調整，分為軟件學習、軟件及硬件結合的項目設計學習和硬件資源學習。

軟件方面 LabVIEW是一種程序開發環境，由NI研制開發，類似于C和BASIC開發環境。LabVIEW軟件是虛擬儀器設計最為流行的軟件，是測試及測量領域的設計核心。在教學中，以學習LabVIEW軟件為開始，逐步進入虛擬儀器技術的學習中。首先，熟練安裝LabVIEW軟件和熟悉軟件操作環境；其次，掌握運用基礎語言的編程技巧進行初步學習；最后，設計較為綜合的虛擬儀器程序。在實際教學中，從虛擬溫度計的設計開始，學習VI創建方法、隨機數產生方法、輸入輸出控件使用方法，進一步掌握了VI的創建、數學控件運用、報警、數據記錄存儲。虛擬溫度計設計是一個典型的虛擬儀器設計范例，通過教師課程上演示操作、課程自主學習以及實驗中自我體會等形式，最終掌握虛擬儀器設計的基本步驟及原理。

硬件資源 虛擬儀器是由軟件和硬件組成的，硬件資源好壞也是虛擬儀器設計成敗的關鍵。現有實驗室資源是學生獲得的第一手硬件信息，NI提供的硬件資源以各種板卡為主，教學中主要介紹PCI模塊、CDIO、SCXI信號調理模塊，同時結合NI最新的產品做相關的介紹。NI為各大高校學生參加虛擬儀器設計大賽提供各種設備的租借服務，因此在硬件資源不足的情況下，可以通過此方式嘗試使用及掌握相關硬件模塊。在實驗室中，各個模塊的講解結合實驗進行，學生邊聽講邊實地觀察相關設備，有時還進行動手操作，以加強對模塊的印象。

綜合設計 在軟件操作及硬件資源都掌握的基礎上進行綜合設計。綜合設計涉及的知識較多，學生應掌握信號處理技術、傳感器技術、控制技術等相關知識。綜合設計首先以掌握數據采集卡項目為開始，逐步熟悉虛擬儀器設計步驟及規范，最后以實際項目為考核。

4 教學方法改革

教學方法的優劣決定了教學的效果，改進現有教學方法，增強教學效果，也是教學改革成敗的關鍵。虛擬儀器設計課程教學的重點在于培養學生的實踐能力及解決實際問題的能力，引導學生主動學習本門課程比灌輸式教學更有效。

采用目標驅動式教學法，首先制定一個合理目標，然后實施教學活動，最后逐步檢驗目標實現情況并修正目標。整個教學改革分三個階段。

第一階段：將現有學時數進行調整，理論課時與實踐課時各占一半，主要目的是提高學生動手及實踐能力。現階段的虛擬儀器設計教學內容以理論教學為主，課堂氣氛較為沉悶，學生的積極性不高，因此教學效果不好。改變現有學時分配，引導學生主動學習虛擬儀器設計。

第二階段：要求學生進入虛擬儀器網絡論壇初級課程學習，以通過網絡初級課程為考核通過標準。在學院資源有限的情況下，充分利用外界資源。利用NI提供的網絡平臺，組織學生進行學習，從基礎課程開始，逐步加深，以通過LabVIEW助理工程師（CLAD）考試為最終目標。同時鼓勵學生參加全國虛擬儀器設計大賽，以參賽為目的，鍛煉學生的設計能力。

第三階段：組織考核通過CLAD，目標通過率為5%；組隊參加虛擬儀器設計大賽，目標為三等獎。

5 教學改革的意義

長期以來，高等學校的專業教學以應試為目的，注重理論教學而疏忽實踐及創新方面的教學。在這樣的培養模式下，學生走上工作崗位后，往往存在懂一點兒理論知識，而動手能力弱、毫無創造力的現象。針對這一狀況，需要從專業課的教學中做改進。專業課程的教學是學生離開學校前最后接收的知識，這一階段的教學內容有助于學生認清自身優勢。因此，要加強專業課程教學，促進學生理解專業概念，培養創新精神。

虛擬儀器設計課程有一定的特殊性，在實際教學中存在硬件資源不足、軟件資源較陳舊的情況。面向學科競賽和技能認證的目標，旨在改革教學內容、教學方法，使學生能夠主動投入該課程的學習之中，利用現有資源，發揮自身的想象力和創造力。在網絡時代“人人為我，我為人人”的思想影響下，充分利用現有的網絡資源，可以參與各大論壇的學習及交流，參與網絡公開課程的學習，參與研討會的討論等。

虛擬儀器技術是儀器技術、網絡技術、信息技術、傳感器技術、控制技術等相融合產生的。該技術一直處于發展之中，虛擬儀器設計課程的教學需要跟隨時代發展的腳步，通過對教學內容、方法、目標進行改革，采用目標推進的方法，逐步實現改革目的。參考文獻

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