農業院校《虛擬儀器》課程教學改革探索

潘立武

摘 要：虛擬儀器課程是農業機械化及自動化專業的一門重要課程，具有很強的實踐性。針對虛擬儀器課程的特點，結合我校教學的實際情況，文中指出了虛擬儀器課程教學中存在的問題，并圍繞存在的問題進行虛擬儀器課程教學改革。改革內容包括教學目標與內容、教學方式與方法、課程成績評定和教學資源庫的建設四個方面。實踐證明，通過不斷實踐與完善，教學效果有了很大的改善。

關鍵詞：農業院校；虛擬儀器；教學改革；實踐教學

中圖分類號：TP216；G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）12-0-02

0 引 言

虛擬儀器是基于通用計算機測試、測量和控制系統，以計算機和測試模塊硬件為基礎、以計算機軟件為核心，在計算機上顯示虛擬儀器面板上實現儀器功能的儀器[1]。可充分利用計算機豐富的軟硬件資源，因此虛擬儀器具有功能強大、結構靈活及性價比高的特點，可在較大范圍內代替傳統的測控儀器和設備，有效降低高校實驗室建設的成本。目前，很多農業類高校的自動化、機械等專業都開設了《虛擬儀器》課程。本文研究了虛擬儀器課程教學中存在的問題，并通過教學改革實踐探索出了提高虛擬儀器課程教學效果的有效途徑。

1 虛擬儀器課程教學中存在的問題

虛擬儀器課程實踐性強，接觸的多是工程實際問題。在農林院校，學好本課程可為學生掌握農牧業機械化設計和操作打下良好的基礎。因此，本課程的教學對引導學生理解測控技術、提高動手能力具有重要作用。

1.1 虛擬儀器課程特點

虛擬儀器是1986年由美國國家儀器公司首先提出的，是指通過程序編制將通用計算機與數量有限的功能板卡相結合所構成的功能靈活、模塊化、操作方便且可視化的軟件系統[2]。農業院校開設的虛擬儀器課程主要有以下特點：

（1）涉及知識面廣：虛擬儀器技術包括計算機軟硬件技術，涉及計算機、微電子、測量、光電和機械等學科的技術；

（2） 課程實踐性強：針對農業院校開設虛擬儀器課程，不僅要求學生具有計算機編程的實踐能力，還需要掌握農業機械的原理，具有很強的實踐性。

1.2 虛擬儀器課程教學中存在的問題

結合項目組成員多年的教學經歷，總結出虛擬儀器課程教學中普遍存在的問題[2-11]。

（1）偏向軟件學習：虛擬儀器課程教學涉及的軟件較多，如通用軟件編程環境、專用于虛擬儀器開發的圖形化編程（G語言）環境、文本編程環境等。限于實驗條件和教師的動手能力，很多高校的虛擬儀器課程大多講解如何使用 LabVIEW軟件，硬件綜合實驗很少涉及，在選擇實驗項目方面也偏向于軟件使用的練習和驗證。學生學過該課程后，很難和具體的硬件設計相結合，影響農業類應用型本、專科人才的培養。

（2）重理論輕實驗：目前，我國不少院校的虛擬儀器課程教學中存在重視課堂理論學習、輕視實驗教學的問題，實驗課的安排往往依附于理論課。一方面，實驗課滯后于理論教學進度，理論和實踐相脫離；另一方面，主講教師沒有精心設計和規劃實驗項目，導致學生認為實驗課沒有理論課重要。

（3）實驗內容設計單一：虛擬儀器課程的現有實驗項目主要包括軟件實驗和借助實驗箱操作的硬軟件實驗。軟件實驗過于簡單，不僅知識點運用單一、綜合性不強，而且知識點分配也不太合理。硬軟件實驗也存在很多問題，如學生只能按照實驗指導書給出的內容和步驟完成，在受到實驗箱硬件限制的同時，也限制了學生的主動性和創造性。

（4）授課方式需要改進：目前虛擬儀器的課堂教學主要由任課教師利用多媒體課件講解，學生在實驗課中再集中對所學內容進行練習。這種方式的缺點是講解與練習間隔時間過長，不能有效促進學生動手能力的提高。

（5）成績評定方式有待完善：虛擬儀器是一門實踐性、應用性較強的課程，傳統的考核方式（紙質試卷或課程論文+上機考試）不能完全考查出學生對虛擬儀器編程思想的掌握程度。因此，還需探索出一套靈活、有效的考核方式。

2 虛擬儀器課程教學改革研究

2.1 教學目標與內容的改革

根據一線教師的教學經驗與虛擬儀器課程教學大綱的要求，對課程教學目標進行研究并對教學內容進行改革。具體方案是將課程內容劃分成3個模塊，即基礎概念與編程、通用數據采集系統、特定行業高級應用。知識結構與難度依次上升，越來越接近真實應用，更好地實現教學目標[6]。

（1）基礎概念與編程模塊：本部分重點在于概念和理論部分的講授，要盡量壓縮學時，做到少而精。第一是要強調重點內容的學習與掌握，包括程序的創建與調試、程序結構的實現、數組、簇和波形等。第二是要在前一部分學習的過程中重點掌握虛擬儀器程序的設計理念、學會查詢幫助文件、具備自行學習新虛擬儀器知識模塊的能力，著重強調學習方法的掌握、獨立學習與解決問題能力的培養。

（2）通用數據采集系統模塊：以操作性和應用性為主，重點強調獨立完成數據采集系統的搭建和實現，含硬件搭建、軟件設計及軟硬件聯調，要求學生能夠獨立搭建簡單的數據采集系統，如畜禽環境監測采集系統等。根據項目需求，激發學生自主查找、學習數據采集過程中要用到的軟硬件知識。

（3）特定行業高級應用模塊：本部分精選不同行業3個不同的綜合性工程項目，采用項目驅動教學方式，將項目分解成若干個簡單的知識點，先局部講解，然后進行綜合分析與講解，從而激發學生的學習興趣，提高其學習動力。選取針對性強的項目，將知識點貫穿到實例中，使學生能夠舉一反三。

2.2 教學方式與方法的改革

針對應用型本科學生的特點和培養目標，結合虛擬儀器課程的教學內容，項目組教師對教學方式與教學方法進行了改革嘗試，具體改革措施如下：

（1）精簡基礎理論：針對基本概念和理論性內容，采用多媒體課件講授。其形象直觀的特性使學生能夠快速理解與掌握教師所講內容。采用微課、動畫演示相應章節重點內容，例如“波形”和“圖形顯示控件”的使用，調用數據采集卡驅動程序及采集卡的設置等。endprint

（2）強化上機操作：采用在實驗室內教學、每人一臺實驗儀器及教師講解和學生練習相結合的方式進行基本概念的驗證與學習。例如，在學習了數組、循環結構以后，要求學生完成“選擇恰當的循環結構，創建一個實現二維數組的虛擬儀器項目”等。在教師課堂講授與演示的基礎上，學生通過加強實踐練習及時掌握有關教學內容。

（3）項目驅動，案例教學：教學基于“TVI-SC虛擬儀器綜合實驗開發系統”“TVI-ABF虛擬儀器與DSP集成實驗開發系統”“鷗鵬 OpenNC 教學與實訓平臺”。在整個教學過程中，始終強調學以致用，并在應用中提高學習效果。根據教學內容和教學要求，選出典型實例，將所要學習的操作與技能融入到實例中，加強學生對基本概念、原理及方法的理解。

2.3 課程成績評定方法

長期以來，考試成績多由卷面成績和平時成績兩部分組成，忽略了對實踐環節的檢驗。因此，在學院領導的大力支持下，針對虛擬儀器課程的考核評定進行了改革。改革后，課程總成績由作業成績（10%）、實驗成績（30%）、期末考試成績（50%）、實踐創新加分（10%）四部分組成。作業成績主要考核學生對課堂教學理論知識的掌握程度；實驗成績主要考核學生在各項實驗環節中的動手能力；期末考試主要考核學生對基礎知識的掌握情況及虛擬儀器的設計應用能力；實踐創新部分根據學生在學科競賽、電子大賽、申請的發明專利、撰寫的科技論文等實踐教學環節中的表現給予加分。

2.4 教學資源庫建設

通過對本課題的研究，項目組成員初步構建了虛擬儀器課程教學資源庫，以實現資源共享，減輕教師備課的工作量。教育資源庫中存有課件、教案、項目實例等教學中的常用資料。

3 結 語

虛擬儀器課程自改革以來在各類型技能競賽中獲得了獎項，為社會培養了合格的應用型人才。就業方面，不少學生參加了全國虛擬儀器設計大賽并取得了NI公司的實習資格；也有學生采用LabVIEW作為上位機開發軟件參與大學生科技創新計劃；還有學生因參與開發了畜禽養殖環境監測系統而被企業提前招聘。競賽方面，參加我院大學生創新科研項目獲二等獎；第十屆發明杯全國高職高專創新創業大賽一、二等獎；通過項目驅動教學指導學生參加了技能競賽，并獲得河南省第九屆高職技能大賽三等獎等。

通過開展虛擬儀器課程教學內容與實踐改革研究，不僅可以在某種程度上解決實驗室建設資金短缺、設備投入不足的問題，也促進了實驗教學和學生課后的自主學習；同時，還可以將教師現有的科研成果轉換為虛擬仿真實驗內容，豐富實驗教學，拓展學生思路，提高學生的創新能力和綜合素質。對虛擬儀器課程教學改革的研究，不僅有力推進了高校實驗室的建設，更為應用型本科和專科的教學及科研提供了有力支撐。

參考文獻

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