劉淑聰　蘇渤力　李亞南

摘 要 虛擬儀器是測(cè)控技術(shù)及儀器專業(yè)一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程。本文針對(duì)課程的特點(diǎn)結(jié)合項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式和案例式教學(xué)法對(duì)虛擬儀器課程的教學(xué)模式、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)方式進(jìn)行了研究和探索。實(shí)踐證明，學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力和綜合素質(zhì)明顯提高，教學(xué)效果十分理想。

關(guān)鍵詞 虛擬儀器 教學(xué)改革 實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2018.10.060

Abstract "Virtual Instrument" is a very practical professional course in measurement and control technology and instrumentation. Based on the characteristics of the course and the project-driven and case-based teaching methods， this paper studies and explores the teaching mode and experimental practice teaching mode of the "Virtual Instrument" course. Practice has proved that the students' practical ability and comprehensive quality are obviously improved， and the teaching effect is very satisfactory.

Keywords Virtual Instrument； teaching reform； practice teaching

0 引言

虛擬儀器是測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)等的進(jìn)步，虛擬儀器技術(shù)也得到了很大的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于航空、航天、自動(dòng)化、通訊、電子等各種領(lǐng)域。[1-2]該課程主要學(xué)習(xí)虛擬儀器及相關(guān)開(kāi)發(fā)軟件的基礎(chǔ)知識(shí)，使學(xué)生掌握有關(guān)虛擬儀器設(shè)計(jì)的技能和方法，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決測(cè)量、控制和儀器領(lǐng)域?qū)嶋H問(wèn)題的能力，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)課程和從事測(cè)試測(cè)量與儀器技術(shù)工作奠定基礎(chǔ)。[3-4]為了使學(xué)生今后能夠更好地從事工作，使學(xué)生具備社會(huì)和企業(yè)要求的能力，課程組根據(jù)虛擬儀器課程的專業(yè)性和實(shí)踐性，對(duì)課程的教學(xué)進(jìn)行了一些研究，嘗試新的教學(xué)方法和手段，探索了課程教學(xué)模式，結(jié)合項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式和案例式教學(xué)法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)。實(shí)際教學(xué)結(jié)果表明，教學(xué)改革取得了較好的效果。

1 教學(xué)模式探索

1.1 課堂講授與演示

虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的不同之處在于它由測(cè)試硬件完成信號(hào)的采集與控制，而將信號(hào)分析與處理、結(jié)果表達(dá)式與輸出讓計(jì)算機(jī)來(lái)完成。虛擬儀器的硬件是基礎(chǔ)，軟件是核心。應(yīng)用較廣泛的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)比較多，在教學(xué)中選擇圖形化語(yǔ)言編程語(yǔ)言LabVIEW 進(jìn)行講授。因此課程主要介紹LabVIEW語(yǔ)言以及利用LabVIEW設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和虛擬儀器的方法。

根據(jù)課程的特點(diǎn)，教學(xué)學(xué)時(shí)安排為上機(jī)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合。上機(jī)教學(xué)中時(shí)采取講練結(jié)合、邊講邊練、強(qiáng)調(diào)實(shí)際練習(xí)。教師先進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)講授，邊講授邊演示，帶著學(xué)生操作，讓學(xué)生盡快熟悉LabVIEW的編程方法。這是學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的階段，可減少學(xué)生自己摸索的時(shí)間。知識(shí)點(diǎn)講完了就可以帶著學(xué)生做一個(gè)實(shí)際的練習(xí)程序，既能讓學(xué)生掌握已經(jīng)學(xué)習(xí)的知識(shí)，又能讓他們體會(huì)成功的喜悅激發(fā)學(xué)生的熱情。課堂中有到很多不同功能的VI，學(xué)生經(jīng)常會(huì)覺(jué)得不夠直觀，不易理解，此時(shí)就需對(duì)具體實(shí)例進(jìn)行演示和驗(yàn)證，加強(qiáng)教學(xué)效果。課后還可以給學(xué)生布置課本上的練習(xí)題和上機(jī)題，讓學(xué)生消化所學(xué)內(nèi)容并掌握知識(shí)，根據(jù)學(xué)生掌握情況不同，布置不同難度的練習(xí)，學(xué)生在編程的過(guò)程中就會(huì)不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題。

1.2 軟硬件綜合實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以為學(xué)生提供充分的動(dòng)手實(shí)踐的時(shí)間，在教學(xué)中為學(xué)生安排了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，還有開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)，既有上機(jī)實(shí)驗(yàn)，也有結(jié)合實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)。上機(jī)實(shí)驗(yàn)學(xué)生進(jìn)行親自編寫(xiě)設(shè)計(jì)程序，上機(jī)調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，能夠較好地掌握軟件編程相關(guān)知識(shí)。實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)結(jié)合具體的硬件和虛擬儀器軟件平臺(tái)整體設(shè)計(jì)系統(tǒng)，綜合性較強(qiáng)，根據(jù)目前實(shí)驗(yàn)室具有的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)箱，為學(xué)生開(kāi)設(shè)了虛擬儀器綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以從硬件電路搭建、軟件程序編寫(xiě)到整體調(diào)試，綜合性地完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)提高學(xué)生實(shí)踐能力、綜合能力有重要的作用。

1.3 討論式與主動(dòng)式結(jié)合

在教學(xué)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，要實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能很多時(shí)候可以用不同的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，有多種答案。因此在教學(xué)中，極大地鼓勵(lì)學(xué)生多思考多討論，用自己的思路自己的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)功能。鼓勵(lì)學(xué)生從被動(dòng)式的接受逐步到主動(dòng)式的思考，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，學(xué)習(xí)效果往往事半功倍。

2 案例式教學(xué)

在講授知識(shí)點(diǎn)時(shí)，可以有針對(duì)性地采用案例式教學(xué)，使教學(xué)內(nèi)容更加豐富，學(xué)生學(xué)習(xí)更加直觀。案例式教學(xué)重在案例，因此各種案例是重點(diǎn)，這需要教師在教學(xué)中不斷總結(jié)，提煉出對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)有用的案例，課程組在多年的教學(xué)中逐漸形成了一套案例庫(kù)，并將課程做成了網(wǎng)絡(luò)課程，將案例上傳到課程中，一方面可以在教學(xué)中使用，另一方面也方便學(xué)生自學(xué)。比如在學(xué)習(xí)局部變量與全局變量時(shí)，除了課本的練習(xí)，還設(shè)計(jì)了一個(gè)溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)程序分為主VI與子VI，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中同時(shí)運(yùn)用了局部變量與全局變量。

3 多門課程結(jié)合提高綜合能力

虛擬儀器是一門綜合性很強(qiáng)的應(yīng)用型課程，學(xué)生要真正學(xué)懂虛擬儀器，設(shè)計(jì)采集與測(cè)試系統(tǒng)，還需要融合其他門課程的知識(shí)，因此在教學(xué)的過(guò)程中，不斷地注意結(jié)合其他課程的知識(shí)，如傳感器技術(shù)，測(cè)量電路設(shè)計(jì)，EDA技術(shù)等。在數(shù)據(jù)采集這部分內(nèi)容的教學(xué)中，同時(shí)結(jié)合多門課程的內(nèi)容，進(jìn)行了環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用溫度傳感器、濕度傳感器、光強(qiáng)傳感器結(jié)合NI公司的My-DAQ數(shù)據(jù)采集卡來(lái)實(shí)現(xiàn)。要完成這樣的系統(tǒng)，需要進(jìn)行傳感器的選擇與性能測(cè)試，放大電路的設(shè)計(jì)，以及數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計(jì)，運(yùn)用了多門課程的知識(shí)，最終形成了一個(gè)完整的測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)這樣的實(shí)際案例的學(xué)習(xí)與實(shí)踐動(dòng)手，學(xué)生能夠較直觀地學(xué)會(huì)了數(shù)據(jù)采集這部分知識(shí)，以及虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，提高了動(dòng)手能力以及實(shí)踐能力。

4 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)

虛擬儀器是專業(yè)性較強(qiáng)的一門課程，因此還為學(xué)生們開(kāi)設(shè)了課程設(shè)計(jì)和暑期實(shí)習(xí)等實(shí)踐活動(dòng)，從而提高學(xué)生的綜合能力。在相對(duì)集中的時(shí)間內(nèi)，為了有效地將學(xué)習(xí)成果轉(zhuǎn)化，采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)，形成以項(xiàng)目為主線，教師為引導(dǎo)，學(xué)生為主體，能力培養(yǎng)為基本特征的教學(xué)思路，提高學(xué)生動(dòng)手能力，儀器設(shè)計(jì)能力，綜合能力。與傳統(tǒng)的知識(shí)滿堂灌的教學(xué)方式不同，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)對(duì)教師和學(xué)生的要求更高，教師在項(xiàng)目的選擇和方案實(shí)施等方面要起主導(dǎo)作用，學(xué)生也從被動(dòng)的接受知識(shí)向主動(dòng)式的應(yīng)用知識(shí)，探索知識(shí)，解決問(wèn)題轉(zhuǎn)變，對(duì)能力的要求更高，但是實(shí)踐證明這樣的學(xué)習(xí)方式對(duì)學(xué)生能力的提高有很大的幫助。結(jié)合具體的項(xiàng)目，今年課程組采用了項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)，選擇了從易到難的3個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)施，分別是溫度測(cè)量系統(tǒng)，光耦傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。以光耦傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例（如圖1），項(xiàng)目的進(jìn)行一般可分為5步。第1步是提出項(xiàng)目，教師提出項(xiàng)目任務(wù)和設(shè)計(jì)目標(biāo)及要求。光耦傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求就是利用光耦傳感器進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)測(cè)量。第2步是分解項(xiàng)目，將項(xiàng)目分解成各子項(xiàng)目，再具體細(xì)化到各模塊，各知識(shí)點(diǎn)，引出教學(xué)內(nèi)容。項(xiàng)目需要分解成傳感器的選擇及性能分析，預(yù)處理電路的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集及顯示程序的設(shè)計(jì)等子模塊任務(wù)。第3步是講授概念、知識(shí)，設(shè)計(jì)子項(xiàng)目。第4步是項(xiàng)目實(shí)施，學(xué)生交流討論，動(dòng)手完成。第5步是項(xiàng)目評(píng)定驗(yàn)收，評(píng)價(jià)總結(jié)。溫度測(cè)量系統(tǒng)相對(duì)容易理解和實(shí)現(xiàn)，但是可以選擇的測(cè)量傳感器有多種，比如熱敏電阻，熱電偶，鉑電阻PT100，AD590等，學(xué)生可以自己選擇其中一種傳感器，設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的測(cè)量電路，進(jìn)行溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在完成基本項(xiàng)目要求的同時(shí)還可以額外擴(kuò)展，比較四種溫度傳感器的測(cè)量范圍和靈敏度。

經(jīng)過(guò)以上項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)過(guò)程，學(xué)生對(duì)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)有清晰的思路，在傳感器選擇，用戶界面設(shè)計(jì)，電路設(shè)計(jì)等多方面可以提出自己的想法，并通過(guò)自己動(dòng)手實(shí)施完成，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和自覺(jué)性，激發(fā)學(xué)生的潛能，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，綜合能力，創(chuàng)新能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)虛擬儀器課程的特點(diǎn)，運(yùn)用項(xiàng)目化教學(xué)和案例式教學(xué)模式對(duì)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段、課程考核方式進(jìn)行了探索。在今后的教學(xué)中，應(yīng)不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，完善項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)案例式教學(xué)，改進(jìn)教學(xué)方法和手段，提高教學(xué)質(zhì)量。

基金項(xiàng)目：防災(zāi)科技學(xué)院第八批重點(diǎn)課程資助項(xiàng)目；測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)（JT201702）

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