《虚拟仪器》课程教学方法与考试方式探讨

焦圣喜 杨文明

摘 要： 虚拟仪器技术在现代教学中得到了广泛应用，该课程的教学方式及考核方式也多有不同。本文对虚拟仪器课程的教学方法及考核方法进行了总结与分析，探索了不同教学条件下的教学方法与考核方式，通过教学实践验证了其合理性与有效性。

关键词： 《虚拟仪器》 教学方法 考试方式

1.虚拟仪器

1986年美国国家仪器公司（National Instruments Corporation，NI）研发推出了图形化编程环境的开发平台——LabVIEW软件，并首先提出了虚拟仪器（Virtual Instruments，VI）的概念。作为以计算机软件为核心的新型仪器系统，虚拟仪器具有功能强、测试精度高、测试速度快、自动化程度高、人机界面优异、灵活性强等优点，通常被认为是第三代自动测试系统的同义语[1]。使用虚拟仪器系统可以避免仪器编程过程中的大量重复性劳动，从而大大缩短复杂程序的开发时间，并且客户可以用不同的模块构造自己的虚拟仪器系统。虚拟仪器技术经过二十多年的发展，如今正沿着总线与驱动程序标准化、硬/软件模块化、编程平台的图形化和硬件模块的即插即用方向发展。LabVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件，它整合了诸如GPIB、VXI、PXI、RS232、RS485及数据采集卡等硬件通信的全部功能，而且具有很强的分析处理能力。虚拟仪器的开发厂家为了扩大虚拟仪器的功能，在测量结果的数据处理、表达模式及其变换方面做了许多工作，建立了数据处理的高级分析库和开发工具库，使虚拟仪器发展成为组建得极为复杂的自动测量系统[2]。

随着PC、半导体和软件功能的进一步更新，虚拟仪器的功能和性能不断提高，如今在许多应用中它已成为传统仪器的主要替代方式。虚拟仪器的各种优点让用户可以放心地舍弃旧的传统测量设备，接受更新型、以计算机为基础的虚拟仪器系统。由于计算机的性价比不断提高，虚拟仪器的价格更为大众化，用户不再受限于传统仪器的使用限制和昂贵价格，进一步降低了使用成本，减少了开发费用和系统的维护费用。此外，新型笔记本电脑把虚拟仪器的便携性和强大功能推向一个新的水平。所有这些必将加快虚拟仪器的发展，它的功能和应用领域将不断增强和扩大。

2.虚拟仪器在教学中的应用

随着虚拟仪器系统的广泛应用，越来越多的教学部门开始用它建立教学系统，不仅大大节省开支，而且由于虚拟仪器系统具有灵活、可重用性强等优点，使得教学方法更灵活。教育的核心是素质教育，实施素质教育的重点是“培养学生的创新精神和实践能力”。随着高校扩招及学生实践动手要求的提高，出现了一些新的实验教学问题：（1）基于传统仪器实验教学的不足。当前大多数高校的实验教学仍然是基于传统仪器的教学方式，这种方式在一定程度上限制和阻碍了素质教育在实验教学中的实施，主要表现在如下几个方面：①学生需花费较多的时间组织、连接甚至搬动、更换仪器设备，一方面没有把实验课的时间完全用于实验能力的培养提高，另一方面增加了仪器设备的损坏机会；②实验基本上都是验证型实验，设计型、综合型实验少，需要学生发挥主观能动性的少；③由于实验设备的更新跟不上仪器工业的发展，实验教学与工程实际脱节。虚拟仪器在实验教学中的应用为解决这一问题提供了一条有效途径。（2）虚拟仪器技术在教学中的应用。虚拟仪器系统是测控技术和计算机技术相结合的产物，它是全新的仪器概念，打破了传统仪器的局限，在仪器的研究与制造中引起了一次重大的革新，是未来仪器产业发展的重要方向，目前在测试、控制等领域已被广泛应用[3]-[5]。虚拟仪器的特点主要在于其强大的数据分析与处理功能，并且，随着计算机硬件技术与接口技术的发展，虚拟仪器的实时数据采集与控制功能不断提升。一些高校对虚拟仪器在实验教学中的应用进行了开发，其中应用得较为广泛的有“ZK-3VIC型虚拟测试振动与控制多验装置”和“DRVI快速可重组虚拟仪器平台”等。不论哪种虚拟实验系统，归结起来，虚拟仪器应用于实验教学主要采用如下两种方式：一种方式是纯软件的虚拟仪器实验，如图1所示，即从信号的产生到信号的分析、处理和存储全音都由虚拟仪器进行仿真模拟，这种方式主要应用于理论验证性实验。

图1 虚拟实验方式之一

另一种方式的实验系统由“虚拟仪器+数据牙集卡+实测信号”组成，如图2所示。这种方式适用于操作性实验，对实验设备要求较高，除了PC机之外，还必须具备数据采集卡、实际被测对象和传感锹等。学生利用虚拟仪器平台构建扫频信号发生器、数据采集记录分析仪等虚拟书器，通过数据采集卡控制激振器和采集传感器的辅出信号，经过记录、分析，得出结论，完成实验。

图2 虚拟实验方式之二

3.虚拟仪器的教学方法

“虚拟仪器”作为一门应用技术课，其教学目标是要求学生了解虚拟仪器技术及其在各领域的应用，掌握虚拟仪器系统的基本构成及设计思想，学会系统软件开发工具LabVIEW，掌握虚拟仪器在测量仪器、过程控制、信号分析、远程控制等方面的应用技能，具有利用硬件设备快速构建研究、开发工作中需要的测试、实验系统的能力。虚拟仪器具有软件开发与硬件设计结合紧密、应用性强、涉及专业知识广等特点，采取合适的教学方法是完成课程教学任务、提高教学质量的重要途径[6]-[8]。

3.1课程内容的模块化设置。教学方法是针对教学内容制定的，教师要根据课程内容的特点采用不同的教学手段，将课程内容划分为三个模块：基础编程、应用开发、创新教学。基础编程模块：在介绍虚拟仪器的基本概念、构成和最新发展方向的基础上，把虚拟仪器前面板设计和程序框图设计、程序结构、图形显示、字符串与文件I/O、数据采集等作为教学的主要内容。应用开发模块：课程的主要内容从理论讲述转变为应用，以操作性、应用性项目为主，设计出测试、应用等一系列实验模块。创新教学模块：采用项目驱动教学方式，[1]-[3]教学内容取材于实际工程项目，根据知识点将整个项目分解开来，由简单到复杂、由局部到整体、由分立到综合。在整体结构上，将知识点与具体实例应用相融合，应用针对性更强。

3.2教学方法的选用。课程教学手段是否合理，直接影响学生对课程的学习兴趣与学习效果。鉴于“虚拟仪器”课程实践性强的特点，把课程教学由课堂搬到实验室，把讲授与学生动手实践灵活地融合在一起，让学生在实践过程中提高技能技巧，从而提高学习效率。根据课程内容的三个模块，以教、学、做为主线，以培养学生的实际动手能力为目标。

3.2.1讲授模式：主要针对课程中的理论教学，包括虚拟仪器技术背景知识、图形化编程语言原理、数据采集原理、硬件配置、仪器控制及软件工程，其目的是讲明讲透虚拟仪器的基本理论、基本知识和基本方法，使学生知其所以然。（1）讲练结合法，就是把教师讲授和学生练习有机结合起来，使讲和练互相促进，迅速而有效地实现教学目标。（2）实例教学法。实例教学法在教学过程中始终强调学以致用，在应用中学习。[4]根据教学内容和教学要求，设计多个精选实例，将所要学习的知识、操作、技能等融入实例中，通过对实例的分析、演示、讲解、讨论、学生练习及总结等环节，加深学生对基本概念、原理、方法的理解，提高学生的实际操作技能。

3.2.2实践实练：在课程教学中树立“理论重实践、实践重体验”的教育思想。综合能力的培养以一系列使用性、操作性、应用性项目为主，设计出认知、使用、测试、集成、应用等一系列实验和练习模块，让学生自己完成编程，教师指导学生自己发现和解决问题，提高学生自主学习和主动探究的积极性，提高学生的动手和创新能力。在整个环节中，任务书是关键性开始，既要有明确的实验目的和实验内容，又要给出各种规范要求、数字信号处理的新技术等。

3.2.3项目教学法：通过实施一个完整的项目而进行的教学活动，其目的是在教学过程中把理论与实践教学有机结合起来，充分发掘学生的创造潜能，提高学生解决实际问题的综合能力。项目教学法的内容要求有综合性、创新性和吸引力，因此，项目必须是精心设计和挑选的开放式课题，具有应用性或研究性，学生需要查阅资料、设计方案、软硬件设计、提交报告、演示汇报等完成本项任务。

4.虚拟仪器考试方式改革的探索

针对虚拟仪器课程的特点，结合本课程在我院几年来授课及考试方式的探索，通过对以往考试方式的改革，总结出以下几种考核方式，可以针对不同情况进行选择。

4.1上机操作考试。针对虚拟仪器课程操作性强的特点，首选上机操作考试，既能测试学生对软件的掌握程度，又能培养学生的创造性思维，充分体现实践动手能力培养的目的。如果班级比较多，而电脑台数不足，就可以分上下场考试，每场间隔10分钟，即第一个班级考完后，集体下课，第二个班级马上进入考场，使学生之间没有交流的可能性，保证考题的保密性。当一次上下场考试不能满足需求时，可出多套难度相当的考题解决漏题问题。

4.2半开卷考试形式。针对学生过多而机器过少的情况，在上机考试没有办法保证保密性时，可选择半开卷形式。可令学生在一页A4纸正反面上，以手抄写的形式记载自己不熟悉内容，可供答题参考，期间不再提供任何形式的参考资料，该方式能够杜绝学生为了一个公式而发生考试舞弊行为。在出题上，以机动灵活的题目为主，充分培养学生分析与解决实际问题的能力，既有严谨性又有机动灵活性。

4.3采用课程论文。这种方式能够培养学生利用因特网、数据检索、处理资料及应用所学知识分析问题的能力。课程论文以设计性题目为主，以解决实际工程中的案例为主，可以使学生多方面多角度地对工程实际提出多种解决方案，发挥学生理论联系实际的能力。不足之处是学生相互抄袭现象严重，可通过答道形式进行区别及判定。

4.4闭卷考试形式。这种考试形式有利于考查考生的识记、理解和应用能力，也是对考生多方面基本能力素质的考查，有利于培养学生思维的敏捷性和流畅性。闭卷考试侧重考查的识记、理解、理论应用诸方面的能力水平只能体现在书面表达和文字陈述之中，难以培养学生的创造力，学习的知识容易造成书本化。

5.结语

《虚拟仪器》的课程建设及教学实践、课程的教学方式及考核方法都需要具体分析，机器多学生少时宜采用以上机为主、重点培养学生的实践动手能力的方式；机器少学生多时，宜采用以理论教学为主，上机操作相辅的方式。教学实践证明，考核成绩可以从多方面着手，平时成绩体现学生对课程的学习态度和对基本知识点的掌握程度；实验成绩反映学生的实际操作能力和对知识点的灵活应用设计能力；课程大作业反映学生的综合分析能力和创新能力等。通过教学改革与尝试，都取得了较好的教学效果。

参考文献：

[1]黄松岭，吴静.虚拟仪器设计基础教程.清华大学出版社：2013.

[2]刘萍，曹慧，邱鹏.虚拟仪器的发展过程及应用.山东科学，2009，22（1）：80-83.

[3]刘成文，肖兴明，刘初升.虚拟实验在人才培养中的作用.淮海工学院学报，2003，1（2）：94-96.

[4]徐明.虚拟仪器在实验教学中的应用研究[D].山东：山东师范大学，2005.

[5]胡乾苗，励金祥，林剑辉.“虚拟仪器”课程“3P”教学方法探讨.中国电力教育，2012，（22）：66-67.

[6]姜英秀.关于高校考试方法改革的几点思考.现代教育科学，2009，（1）：68-69.

[7]赵晴.考试方法改革的研究与实践.中山大学学报，2001，21（1）：144-146.

[8]孙鹏.浅析新形势下的高校教学考试方法改革.辽宁工业大学学报（社会科学版），2008，10（6）：44-45.