基于專業(yè)認證的虛擬儀器課程教學改革與探討

崔鳳英 樊春玲 周春麗

摘 ?要 基于高等院校工程教育專業(yè)認證的基本理念，針對虛擬儀器課程綜合性強、實踐性強的特點以及學生缺乏學習主動性的現(xiàn)狀，對該課程的理論、實驗教學內(nèi)容、教學方式、課程設(shè)計和考核方式進行有效的改革探索，激發(fā)學生的學習興趣，改善教學效果，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 工程教育專業(yè)認證;虛擬儀器課程;LabVIEW;口袋實驗室;課程設(shè)計;教學改革

中圖分類號：TP391.9 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）14-0086-03

Abstract Based on the basic concept of engineering education certi-fication in colleges and universities， and in view of the comprehen-sive and practical characteristics of virtual instrument course and the current situation of students lack of learning initiative， an effective reform of the courses theory， experimental teaching content， tea-ching method， course design and examination mode is explored. The?reform has greatly stimulated the students interest in learning， im-proved the teaching effect and the quality of personnel training in colleges and universities.

Key words professional certification of engineering education; vir-tual instrument course; LabVIEW; pocket lab; course design; tea-ching reform

1 引言

虛擬儀器技術(shù)是一門新興的多學科融合的技術(shù)，它將測量技術(shù)、計算機和控制技術(shù)、信號處理技術(shù)等融為一體，是經(jīng)典的測量技術(shù)與現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，在測控技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)著越來越重要的位置[1]。青島科技大學自動化學院開設(shè)的虛擬儀器課程，主要講授虛擬儀器的概念和設(shè)計思想、LabVIEW軟件的使用及在數(shù)據(jù)采集方面的應(yīng)用。目前實驗室配置的主要設(shè)備是NI公司的ELVIS實驗平臺，但是設(shè)備臺套數(shù)較少。授課過程主要是完成軟件的學習和使用，以及軟件和硬件結(jié)合的內(nèi)容數(shù)據(jù)采集部分，但學生的側(cè)重點在軟件基本練習，對于其應(yīng)用和系統(tǒng)設(shè)計的能力比較薄弱。因為對學習的知識缺少實際應(yīng)用的機會，學生學習的主動性也不強。

工程教育專業(yè)認證的基本理念是“以學生為中心”“目標導向”和“持續(xù)改進”，這也是當前國際工程教育發(fā)展的趨勢[2]。目前，青島科技大學測控技術(shù)與儀器專業(yè)已順利通過工程教育專業(yè)認證，借此契機，探索和尋求提升測控學生工程實踐能力的途徑和平臺是非常重要的。虛擬儀器課程是測控專業(yè)的一門專業(yè)限選課程，有針對性地對其教學進行探索和改革勢在必行。

2 教學內(nèi)容改革：以學生為中心，精心設(shè)計教學內(nèi)容

目前，高校工程教育認證的基本標準之一是以學生為中心。本課程在教授內(nèi)容上以此標準進行精心設(shè)計，課程內(nèi)容既要體現(xiàn)大綱要求，又要根據(jù)學生的專業(yè)特點和需求添加新內(nèi)容，尤其是和后面實踐部分關(guān)系密切的內(nèi)容作為重點。整體上來講，學生的學習主要分為兩大部分，即軟件和硬件，對這兩個方面的教學內(nèi)容做了調(diào)整。

1）軟件方面。通過課堂教學，讓學生學習LabVIEW軟件編程特點和編程技術(shù)，熟悉軟件開發(fā)環(huán)境，掌握基本操作和基本功能;同時通過上機做練習和實驗，針對性地做編程練習，熟練運用LabVIEW軟件，具有整體的編程開發(fā)能力。

2）綜合應(yīng)用設(shè)計。通過綜合應(yīng)用設(shè)計，讓學生掌握虛擬儀器技術(shù)的設(shè)計方法，同時熟悉虛擬儀器在測量、控制、信號處理以及網(wǎng)絡(luò)遠程控制等領(lǐng)域的應(yīng)用，重點掌握數(shù)據(jù)采集卡PCI、PXI、USB等硬件平臺的使用，實現(xiàn)其綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性的應(yīng)用。

3 教學方式的改革

虛擬儀器課程是一門實踐性很強的課程，融合了多學科的知識，因此，課程的講授質(zhì)量直接決定了學生的應(yīng)用水平。近年來在教學方式上一直在探索和創(chuàng)新，希望學生能夠變被動為主動，通過“在做中學”來提高綜合應(yīng)用能力。

項目驅(qū)動教學法 ?在課堂教學中采用以課題研究為導向的教學法[3-4]，在課程上首先給學生展示大量的LabVIEW的應(yīng)用實例，使學生熟悉G語言編程的特點和虛擬儀器設(shè)計思路。其次是針對某一實例進行分析，給學生留下問題和要求，布置相應(yīng)任務(wù)。這樣給學生投放一個主動學習的引子，引導學生先有疑問和好奇心，從而去主動探討，會幫助學生更好地理解虛擬儀器設(shè)計思想，掌握虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成、編程環(huán)境和方法、編程技巧以及優(yōu)化策略，同時重在培養(yǎng)學生查閱資料的能力、運用學習資源的能力、同學間的合作能力、撰寫報告的能力、口頭表達能力以及綜合運用大學所學知識的能力和創(chuàng)新能力等。

選擇的項目根據(jù)課程內(nèi)容的設(shè)置分為兩類：一是軟件類，比如制作電子時鐘和計算器、信號發(fā)生器、十字路口交通信號燈的模擬等;二是軟件硬件結(jié)合類，比如溫度信號采集、電壓信號采集等。上課期間該課題就貫穿始終，逐步完善有關(guān)功能。如關(guān)于溫度信號采集的例子，要求學生完成VI和子VI的創(chuàng)建、溫度模擬、輸入輸出控件的使用、數(shù)學運算、采集信號、存儲和記錄信號等。學生把掌握的理論知識轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用，實現(xiàn)由傳感器、信號采集和調(diào)理、數(shù)據(jù)采集卡和PC（包括LabVIEW軟件）組成的硬件和軟件結(jié)合的虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計。目標驅(qū)動教學法強調(diào)的是“在做中學”，學生通過自己動手來體會和理解有關(guān)知識，大大激發(fā)學習興趣，培養(yǎng)了綜合運用知識的能力。

實踐環(huán)節(jié)強化：實驗課程為主 ?鑒于虛擬儀器課程實踐性強的特點，以實驗為主的教學方法成為改革必然，實踐動手+口袋實驗室的多平臺可選教學模式成為課程發(fā)展的必然趨勢。

虛擬儀器課程傳統(tǒng)的授課方式是課堂理論教學在教室上課，實驗課程在實驗室上課，理論教學和實驗分開進行。新的授課方式打破這種傳統(tǒng)方式，改為課堂講授和實驗一體化的教學方式，兩者都在實驗室進行，形成以具體事例為主導、以實驗練習為主線的課堂和實驗一體化教學。具體實施過程：將教學課堂搬到實驗室，充分利用實驗室資源;根據(jù)虛擬儀器課程的知識體系設(shè)計實驗內(nèi)容，實驗中以工程項目做引子，貫穿實驗內(nèi)容于其中，并把實驗內(nèi)容整理成實驗講義，每個實驗項目之間有連貫性，同時側(cè)重點不同;課堂講授時以實驗內(nèi)容為主、教材為輔。利用實驗室的硬件平臺設(shè)備進行演示，讓學生親眼看到實驗的過程及其結(jié)果，激發(fā)學生的興趣，把上課內(nèi)容由抽象變?yōu)榫唧w，由枯燥變得有趣。具體采用以下措施。

1）使用ELVISⅡ?qū)嶒炏洹I ELVIS II實驗箱既具備已集成的虛擬儀器功能（可以運行軟件NI ELVISmx Instru-ment Launcher），又可以使用LabVIEW軟件在平臺上開發(fā)新的儀器功能，比如可以設(shè)計針對不同學科的實驗，電子學和信號處理等方面。

2）選擇日常生活中學生可以接觸到的一些問題作為切入點，引起學生興趣，如解決運算困難的數(shù)學函數(shù)（解微分方程、貝塞爾函數(shù)等）、電路中的仿真功能、自動控制原理中的PID控制函數(shù)等，航空航天工程中應(yīng)用的界面設(shè)計和信號處理功能、機器人的設(shè)計等。在課堂上大量引用這些實例，將講授的知識與學生自己動手實踐相結(jié)合。在本次動手課程中，練習將覆蓋使用ELVIS II平臺涉及的各個基礎(chǔ)知識點。

課程設(shè)計改革：口袋實驗室 ?課程設(shè)計環(huán)節(jié)是大學某一課程的綜合性實踐教學環(huán)節(jié)，一般是完成一項涉及本課程主要內(nèi)容的綜合性、應(yīng)用性的設(shè)計。虛擬儀器的課程設(shè)計就是針對課程的教學大綱和教學計劃，使學生能夠根據(jù)要求設(shè)計出合理的虛擬儀器。

在本次課程設(shè)計中，和迪芝倫公司合作開展產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目，利用DIGILENT提供的口袋實驗室完成設(shè)計。公司提供的Diligent Analog Discovery 2是一個迷你型USB示波器和多功能儀器，是與Analog Devices聯(lián)合開發(fā)的產(chǎn)品。該產(chǎn)品的功能是方便地進行測量、讀取和生成信號、記錄和控制各種混合信號。這是一款便攜式產(chǎn)品，小巧實用，小到可以輕而易舉地放進口袋，功能卻強大到足以替代一堆實驗室設(shè)備。無論是在課堂上還是實驗室，Analog Discovery 2都能夠為測控專業(yè)的學生提供一個隨心所欲地開展動手項目的“口袋儀器實驗室”。

另外，在教學形式上也進行了多元化嘗試，比如采取小組教學法、任務(wù)教學法;還嘗試了時下流行的微課教學形式以及利用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境授課等[5-6]。

將學生分成若干小組，以小組為單位完成任務(wù)，這樣的分組培養(yǎng)了學生的團隊精神，促進了小組成員之間的交流、分析和協(xié)作。給出項目要求，學生自己查閱資料，完成設(shè)計方案，進行相應(yīng)的硬件設(shè)計和軟件編程。針對設(shè)計內(nèi)容進行模塊化分析，把每一模塊和可能遇到的問題單獨錄制一堂課重點講授，學生遇到問題可以反復觀看。學生也可以注冊NI公司網(wǎng)站和DIGILENT網(wǎng)站，選擇感興趣的知識點和視頻資料進行學習鞏固，充分有效地利用互聯(lián)網(wǎng)豐富的課程資源，既拓展了知識面，又提高了自學能力和悟性。

利用口袋實驗室開發(fā)系統(tǒng)，開發(fā)板越來越小型化，學生可以將實驗板卡/系統(tǒng)帶到宿舍或其他實驗室以外的環(huán)境中，隨時隨地實踐，不再受到實驗室場地及開放時間的限制，大大提高了儀器的利用率，也加深了對課程內(nèi)容的理解，真正實現(xiàn)了理論知識和實踐應(yīng)用的無縫鏈接。

4 考核方式：側(cè)重過程

根據(jù)本課程實踐性強等特點，同時也是專業(yè)認證的要求，不斷探索有效的考核方式以配合課程內(nèi)容和教學方式方面的改革。傳統(tǒng)的考核方式是直接由理論考試成績決定，過于簡單，而且不能體現(xiàn)學生實踐能力的水平。因此，采用由平時成績、實驗成績和考試成績加權(quán)平均的形式。平時成績反映學生平時學習狀態(tài)，實驗成績包括實驗完成效果和實驗報告兩方面，占總成績的50%。這樣的方式評價全面合理，能夠真實反映出一個學生的水平;而且實驗成績比重加大，可以激勵學生功夫下在平時，講求學習過程的效果，只要平時功夫到，最后成績一定好。這樣的設(shè)置大大提高了學生實驗課的學習質(zhì)量。課程設(shè)計成績也由三部分組成，課程設(shè)計成果占70%，課程設(shè)計報告占20%，課程設(shè)計答辯占10%。在答辯過程中，各小組成員答辯，教師進行提問，避免了學生抄襲和蒙混過關(guān)的念頭，提高了教學質(zhì)量。

5 教學效果分析

對于教學效果分兩方面進行縱向?qū)Ρ取?/p>

通過學生成績評價 ?根據(jù)專業(yè)認證的要求，每一門課程要進行達成度分析。試卷中每一個題對應(yīng)課程的教學目標，根據(jù)學生答題統(tǒng)計分數(shù)，考查每一項教學目標的實現(xiàn)情況。如果達成度不理想，認真分析原因并提出改進措施，同時在下一次的學生考核中進一步認證，以這樣“考查—分析—改進”的方式達到持續(xù)改進的目的。近兩年的課程教學，從內(nèi)容到方法，理論教學和實踐教學時間合理分配，進行一系列嘗試，達成度指標有了大幅度提升。

通過提交的課程設(shè)計成果評價 ?在課程設(shè)計環(huán)節(jié)學生自主完成一個課題，授課模式也主要是以學生為中心的研究型課堂模式，教師主要工作是答疑和點評;課程考核側(cè)重課題完成過程，根據(jù)過程和最后作品運行情況打分。從近兩年學生提交的課程設(shè)計成果看，學生對于基礎(chǔ)知識掌握比較扎實，具有一定的分析問題能力，能夠根據(jù)要求完成相應(yīng)任務(wù)，滿足了課程教學目標，實現(xiàn)了專業(yè)培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求指標。

6 結(jié)語

在虛擬儀器課程教學中，始終堅持以學生為中心，以目標導向為準則，持續(xù)不斷創(chuàng)新，廣泛調(diào)研，不斷嘗試新方法，精心組織設(shè)計教學內(nèi)容，將課堂內(nèi)容和實踐無縫銜接，采用課題驅(qū)動法教學模式，不斷改革教學內(nèi)容、教學方法和考核方式，采用口袋實驗室，完成課程設(shè)計，達到預期的目標，取得滿意的成績。根據(jù)課堂表現(xiàn)，學生由原來的被動接受變?yōu)橹鲃訁⑴c，對于LabVIEW編程產(chǎn)生濃厚的興趣，教學效果明顯改善。在課程設(shè)計環(huán)節(jié)，學生具有較強的動手能力與創(chuàng)新意識，每個小組都能夠開發(fā)出具有一定功能的虛擬儀器，大大提高了學生對LabVIEW軟件的綜合應(yīng)用能力，提高了學生將來在社會上的競爭力。

參考文獻

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