焦圣喜 楊文明

摘 要： 虛擬儀器技術(shù)在現(xiàn)代教學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用，該課程的教學(xué)方式及考核方式也多有不同。本文對(duì)虛擬儀器課程的教學(xué)方法及考核方法進(jìn)行了總結(jié)與分析，探索了不同教學(xué)條件下的教學(xué)方法與考核方式，通過(guò)教學(xué)實(shí)踐驗(yàn)證了其合理性與有效性。

關(guān)鍵詞： 《虛擬儀器》 教學(xué)方法 考試方式

1.虛擬儀器

1986年美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments Corporation，NI）研發(fā)推出了圖形化編程環(huán)境的開(kāi)發(fā)平臺(tái)——LabVIEW軟件，并首先提出了虛擬儀器（Virtual Instruments，VI）的概念。作為以計(jì)算機(jī)軟件為核心的新型儀器系統(tǒng)，虛擬儀器具有功能強(qiáng)、測(cè)試精度高、測(cè)試速度快、自動(dòng)化程度高、人機(jī)界面優(yōu)異、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，通常被認(rèn)為是第三代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的同義語(yǔ)[1]。使用虛擬儀器系統(tǒng)可以避免儀器編程過(guò)程中的大量重復(fù)性勞動(dòng)，從而大大縮短復(fù)雜程序的開(kāi)發(fā)時(shí)間，并且客戶可以用不同的模塊構(gòu)造自己的虛擬儀器系統(tǒng)。虛擬儀器技術(shù)經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，如今正沿著總線與驅(qū)動(dòng)程序標(biāo)準(zhǔn)化、硬/軟件模塊化、編程平臺(tái)的圖形化和硬件模塊的即插即用方向發(fā)展。LabVIEW采用圖形化編程方案，是非常實(shí)用的開(kāi)發(fā)軟件，它整合了諸如GPIB、VXI、PXI、RS232、RS485及數(shù)據(jù)采集卡等硬件通信的全部功能，而且具有很強(qiáng)的分析處理能力。虛擬儀器的開(kāi)發(fā)廠家為了擴(kuò)大虛擬儀器的功能，在測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理、表達(dá)模式及其變換方面做了許多工作，建立了數(shù)據(jù)處理的高級(jí)分析庫(kù)和開(kāi)發(fā)工具庫(kù)，使虛擬儀器發(fā)展成為組建得極為復(fù)雜的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)[2]。

隨著PC、半導(dǎo)體和軟件功能的進(jìn)一步更新，虛擬儀器的功能和性能不斷提高，如今在許多應(yīng)用中它已成為傳統(tǒng)儀器的主要替代方式。虛擬儀器的各種優(yōu)點(diǎn)讓用戶可以放心地舍棄舊的傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備，接受更新型、以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的虛擬儀器系統(tǒng)。由于計(jì)算機(jī)的性價(jià)比不斷提高，虛擬儀器的價(jià)格更為大眾化，用戶不再受限于傳統(tǒng)儀器的使用限制和昂貴價(jià)格，進(jìn)一步降低了使用成本，減少了開(kāi)發(fā)費(fèi)用和系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用。此外，新型筆記本電腦把虛擬儀器的便攜性和強(qiáng)大功能推向一個(gè)新的水平。所有這些必將加快虛擬儀器的發(fā)展，它的功能和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嘣鰪?qiáng)和擴(kuò)大。

2.虛擬儀器在教學(xué)中的應(yīng)用

隨著虛擬儀器系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，越來(lái)越多的教學(xué)部門開(kāi)始用它建立教學(xué)系統(tǒng)，不僅大大節(jié)省開(kāi)支，而且由于虛擬儀器系統(tǒng)具有靈活、可重用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使得教學(xué)方法更靈活。教育的核心是素質(zhì)教育，實(shí)施素質(zhì)教育的重點(diǎn)是“培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力”。隨著高校擴(kuò)招及學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手要求的提高，出現(xiàn)了一些新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)問(wèn)題：（1）基于傳統(tǒng)儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足。當(dāng)前大多數(shù)高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍然是基于傳統(tǒng)儀器的教學(xué)方式，這種方式在一定程度上限制和阻礙了素質(zhì)教育在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)施，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：①學(xué)生需花費(fèi)較多的時(shí)間組織、連接甚至搬動(dòng)、更換儀器設(shè)備，一方面沒(méi)有把實(shí)驗(yàn)課的時(shí)間完全用于實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)提高，另一方面增加了儀器設(shè)備的損壞機(jī)會(huì)；②實(shí)驗(yàn)基本上都是驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)型、綜合型實(shí)驗(yàn)少，需要學(xué)生發(fā)揮主觀能動(dòng)性的少；③由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的更新跟不上儀器工業(yè)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程實(shí)際脫節(jié)。虛擬儀器在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用為解決這一問(wèn)題提供了一條有效途徑。（2）虛擬儀器技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用。虛擬儀器系統(tǒng)是測(cè)控技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它是全新的儀器概念，打破了傳統(tǒng)儀器的局限，在儀器的研究與制造中引起了一次重大的革新，是未來(lái)儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向，目前在測(cè)試、控制等領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用[3]-[5]。虛擬儀器的特點(diǎn)主要在于其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析與處理功能，并且，隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)與接口技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與控制功能不斷提升。一些高校對(duì)虛擬儀器在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，其中應(yīng)用得較為廣泛的有“ZK-3VIC型虛擬測(cè)試振動(dòng)與控制多驗(yàn)裝置”和“DRVI快速可重組虛擬儀器平臺(tái)”等。不論哪種虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，歸結(jié)起來(lái)，虛擬儀器應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要采用如下兩種方式：一種方式是純軟件的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)，如圖1所示，即從信號(hào)的產(chǎn)生到信號(hào)的分析、處理和存儲(chǔ)全音都由虛擬儀器進(jìn)行仿真模擬，這種方式主要應(yīng)用于理論驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)方式之一

另一種方式的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由“虛擬儀器+數(shù)據(jù)牙集卡+實(shí)測(cè)信號(hào)”組成，如圖2所示。這種方式適用于操作性實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求較高，除了PC機(jī)之外，還必須具備數(shù)據(jù)采集卡、實(shí)際被測(cè)對(duì)象和傳感鍬等。學(xué)生利用虛擬儀器平臺(tái)構(gòu)建掃頻信號(hào)發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集記錄分析儀等虛擬書(shū)器，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡控制激振器和采集傳感器的輔出信號(hào)，經(jīng)過(guò)記錄、分析，得出結(jié)論，完成實(shí)驗(yàn)。

圖2 虛擬實(shí)驗(yàn)方式之二

3.虛擬儀器的教學(xué)方法

“虛擬儀器”作為一門應(yīng)用技術(shù)課，其教學(xué)目標(biāo)是要求學(xué)生了解虛擬儀器技術(shù)及其在各領(lǐng)域的應(yīng)用，掌握虛擬儀器系統(tǒng)的基本構(gòu)成及設(shè)計(jì)思想，學(xué)會(huì)系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)工具LabVIEW，掌握虛擬儀器在測(cè)量?jī)x器、過(guò)程控制、信號(hào)分析、遠(yuǎn)程控制等方面的應(yīng)用技能，具有利用硬件設(shè)備快速構(gòu)建研究、開(kāi)發(fā)工作中需要的測(cè)試、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的能力。虛擬儀器具有軟件開(kāi)發(fā)與硬件設(shè)計(jì)結(jié)合緊密、應(yīng)用性強(qiáng)、涉及專業(yè)知識(shí)廣等特點(diǎn)，采取合適的教學(xué)方法是完成課程教學(xué)任務(wù)、提高教學(xué)質(zhì)量的重要途徑[6]-[8]。

3.1課程內(nèi)容的模塊化設(shè)置。教學(xué)方法是針對(duì)教學(xué)內(nèi)容制定的，教師要根據(jù)課程內(nèi)容的特點(diǎn)采用不同的教學(xué)手段，將課程內(nèi)容劃分為三個(gè)模塊：基礎(chǔ)編程、應(yīng)用開(kāi)發(fā)、創(chuàng)新教學(xué)。基礎(chǔ)編程模塊：在介紹虛擬儀器的基本概念、構(gòu)成和最新發(fā)展方向的基礎(chǔ)上，把虛擬儀器前面板設(shè)計(jì)和程序框圖設(shè)計(jì)、程序結(jié)構(gòu)、圖形顯示、字符串與文件I/O、數(shù)據(jù)采集等作為教學(xué)的主要內(nèi)容。應(yīng)用開(kāi)發(fā)模塊：課程的主要內(nèi)容從理論講述轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用，以操作性、應(yīng)用性項(xiàng)目為主，設(shè)計(jì)出測(cè)試、應(yīng)用等一系列實(shí)驗(yàn)?zāi)K。創(chuàng)新教學(xué)模塊：采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)方式，[1]-[3]教學(xué)內(nèi)容取材于實(shí)際工程項(xiàng)目，根據(jù)知識(shí)點(diǎn)將整個(gè)項(xiàng)目分解開(kāi)來(lái)，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由局部到整體、由分立到綜合。在整體結(jié)構(gòu)上，將知識(shí)點(diǎn)與具體實(shí)例應(yīng)用相融合，應(yīng)用針對(duì)性更強(qiáng)。

3.2教學(xué)方法的選用。課程教學(xué)手段是否合理，直接影響學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)效果。鑒于“虛擬儀器”課程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，把課程教學(xué)由課堂搬到實(shí)驗(yàn)室，把講授與學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐靈活地融合在一起，讓學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中提高技能技巧，從而提高學(xué)習(xí)效率。根據(jù)課程內(nèi)容的三個(gè)模塊，以教、學(xué)、做為主線，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力為目標(biāo)。

3.2.1講授模式：主要針對(duì)課程中的理論教學(xué)，包括虛擬儀器技術(shù)背景知識(shí)、圖形化編程語(yǔ)言原理、數(shù)據(jù)采集原理、硬件配置、儀器控制及軟件工程，其目的是講明講透虛擬儀器的基本理論、基本知識(shí)和基本方法，使學(xué)生知其所以然。（1）講練結(jié)合法，就是把教師講授和學(xué)生練習(xí)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，使講和練互相促進(jìn)，迅速而有效地實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。（2）實(shí)例教學(xué)法。實(shí)例教學(xué)法在教學(xué)過(guò)程中始終強(qiáng)調(diào)學(xué)以致用，在應(yīng)用中學(xué)習(xí)。[4]根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)要求，設(shè)計(jì)多個(gè)精選實(shí)例，將所要學(xué)習(xí)的知識(shí)、操作、技能等融入實(shí)例中，通過(guò)對(duì)實(shí)例的分析、演示、講解、討論、學(xué)生練習(xí)及總結(jié)等環(huán)節(jié)，加深學(xué)生對(duì)基本概念、原理、方法的理解，提高學(xué)生的實(shí)際操作技能。

3.2.2實(shí)踐實(shí)練：在課程教學(xué)中樹(shù)立“理論重實(shí)踐、實(shí)踐重體驗(yàn)”的教育思想。綜合能力的培養(yǎng)以一系列使用性、操作性、應(yīng)用性項(xiàng)目為主，設(shè)計(jì)出認(rèn)知、使用、測(cè)試、集成、應(yīng)用等一系列實(shí)驗(yàn)和練習(xí)模塊，讓學(xué)生自己完成編程，教師指導(dǎo)學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和主動(dòng)探究的積極性，提高學(xué)生的動(dòng)手和創(chuàng)新能力。在整個(gè)環(huán)節(jié)中，任務(wù)書(shū)是關(guān)鍵性開(kāi)始，既要有明確的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)內(nèi)容，又要給出各種規(guī)范要求、數(shù)字信號(hào)處理的新技術(shù)等。

3.2.3項(xiàng)目教學(xué)法：通過(guò)實(shí)施一個(gè)完整的項(xiàng)目而進(jìn)行的教學(xué)活動(dòng)，其目的是在教學(xué)過(guò)程中把理論與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力。項(xiàng)目教學(xué)法的內(nèi)容要求有綜合性、創(chuàng)新性和吸引力，因此，項(xiàng)目必須是精心設(shè)計(jì)和挑選的開(kāi)放式課題，具有應(yīng)用性或研究性，學(xué)生需要查閱資料、設(shè)計(jì)方案、軟硬件設(shè)計(jì)、提交報(bào)告、演示匯報(bào)等完成本項(xiàng)任務(wù)。

4.虛擬儀器考試方式改革的探索

針對(duì)虛擬儀器課程的特點(diǎn)，結(jié)合本課程在我院幾年來(lái)授課及考試方式的探索，通過(guò)對(duì)以往考試方式的改革，總結(jié)出以下幾種考核方式，可以針對(duì)不同情況進(jìn)行選擇。

4.1上機(jī)操作考試。針對(duì)虛擬儀器課程操作性強(qiáng)的特點(diǎn)，首選上機(jī)操作考試，既能測(cè)試學(xué)生對(duì)軟件的掌握程度，又能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，充分體現(xiàn)實(shí)踐動(dòng)手能力培養(yǎng)的目的。如果班級(jí)比較多，而電腦臺(tái)數(shù)不足，就可以分上下場(chǎng)考試，每場(chǎng)間隔10分鐘，即第一個(gè)班級(jí)考完后，集體下課，第二個(gè)班級(jí)馬上進(jìn)入考場(chǎng)，使學(xué)生之間沒(méi)有交流的可能性，保證考題的保密性。當(dāng)一次上下場(chǎng)考試不能滿足需求時(shí)，可出多套難度相當(dāng)?shù)目碱}解決漏題問(wèn)題。

4.2半開(kāi)卷考試形式。針對(duì)學(xué)生過(guò)多而機(jī)器過(guò)少的情況，在上機(jī)考試沒(méi)有辦法保證保密性時(shí)，可選擇半開(kāi)卷形式?？闪顚W(xué)生在一頁(yè)A4紙正反面上，以手抄寫的形式記載自己不熟悉內(nèi)容，可供答題參考，期間不再提供任何形式的參考資料，該方式能夠杜絕學(xué)生為了一個(gè)公式而發(fā)生考試舞弊行為。在出題上，以機(jī)動(dòng)靈活的題目為主，充分培養(yǎng)學(xué)生分析與解決實(shí)際問(wèn)題的能力，既有嚴(yán)謹(jǐn)性又有機(jī)動(dòng)靈活性。

4.3采用課程論文。這種方式能夠培養(yǎng)學(xué)生利用因特網(wǎng)、數(shù)據(jù)檢索、處理資料及應(yīng)用所學(xué)知識(shí)分析問(wèn)題的能力。課程論文以設(shè)計(jì)性題目為主，以解決實(shí)際工程中的案例為主，可以使學(xué)生多方面多角度地對(duì)工程實(shí)際提出多種解決方案，發(fā)揮學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。不足之處是學(xué)生相互抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重，可通過(guò)答道形式進(jìn)行區(qū)別及判定。

4.4閉卷考試形式。這種考試形式有利于考查考生的識(shí)記、理解和應(yīng)用能力，也是對(duì)考生多方面基本能力素質(zhì)的考查，有利于培養(yǎng)學(xué)生思維的敏捷性和流暢性。閉卷考試側(cè)重考查的識(shí)記、理解、理論應(yīng)用諸方面的能力水平只能體現(xiàn)在書(shū)面表達(dá)和文字陳述之中，難以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力，學(xué)習(xí)的知識(shí)容易造成書(shū)本化。

5.結(jié)語(yǔ)

《虛擬儀器》的課程建設(shè)及教學(xué)實(shí)踐、課程的教學(xué)方式及考核方法都需要具體分析，機(jī)器多學(xué)生少時(shí)宜采用以上機(jī)為主、重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力的方式；機(jī)器少學(xué)生多時(shí)，宜采用以理論教學(xué)為主，上機(jī)操作相輔的方式。教學(xué)實(shí)踐證明，考核成績(jī)可以從多方面著手，平時(shí)成績(jī)體現(xiàn)學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)態(tài)度和對(duì)基本知識(shí)點(diǎn)的掌握程度；實(shí)驗(yàn)成績(jī)反映學(xué)生的實(shí)際操作能力和對(duì)知識(shí)點(diǎn)的靈活應(yīng)用設(shè)計(jì)能力；課程大作業(yè)反映學(xué)生的綜合分析能力和創(chuàng)新能力等。通過(guò)教學(xué)改革與嘗試，都取得了較好的教學(xué)效果。

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