虚拟仪器设计课程的教学改革的探索与实践

王 耿 樊 磊 王 莹 王洪义

1.河南理工大学 河南焦作 454000

2.河南工业和信息化职业学院 河南焦作 454000

虚拟仪器设计课程的教学改革的探索与实践

王 耿1樊 磊2王 莹1王洪义1

1.河南理工大学 河南焦作 454000

2.河南工业和信息化职业学院 河南焦作 454000

针对虚拟仪器设计课程注重实践强调应用的特点，基于理论与实践融为一体的教学理念，结合河南理工大学的实际情况，围绕教学改革的必要性、教学目标与内容的改革、教学方式与方法的改革、课程考核体系的改革等方面对该课程的教学改革进行了探索和实践，使学生掌握虚拟仪器设计的基本理论与方法，提高学生解决实际工程问题的能力。在后续实践中，学生的动手能力和综合素质等明显提高，这表明本课程的教学改革取得了较好的效果。

虚拟仪器设计；实践教学；教学改革；教学方式

1 课程特点与教学改革的必要性

虚拟仪器设计是一门实践性很强的专业课程，属于众多工科专业的公共专业基础课程。目前，很多高校都开设有这门课程，并且也有相应的实验室和实验设备。目标是为社会培养虚拟仪器技术相关的专业人才，但是就目前来看效果依然不能令人完全满意。

该课程以实践性强为主要特点，属于应用导向型的课程。怎么才能在有限的学时下让学生高效掌握虚拟仪器的开发技术，面对新的应用领域时做到“心中有数”“快速上手”“能学会用”，是一个需要不断探索的问题。［1-5］然而受限于各种条件，在很多高校里该问题尚未得到切实有效地解决。其实际教学效果与预期的目标还有一定差距，要么是动手实验与编程能力很强却被简单的理论问题卡住无从下手分析，要么是理论知识学得很全面但面对一个简单的项目时却因动手能力差要耗时很久。针对此问题，我们分析了其各方面的原因，采取了相应的改进措施，在我们的教学过程中进行了摸索和实践。从效果来看，学生对本课程有了更加浓厚的兴趣，学习质量也得到明显改善。

2 教学目标与内容的改革

2.1 教学目标与要求

本课程属于动手型课程，实践与理论结合比较紧密。学完本课程，可以使学生获得虚拟仪器设计方面的基础知识和一定的动手能力，开阔学生视野，使得学生的综合应用知识的能力得到加强。教学目标是：通过理论教学和实验实践教学使学生在较短的时间内把握虚拟仪器设计的特征和特点，使学生掌握虚拟仪器的基础编程设计、虚拟仪器的通用数据采集设计、虚拟仪器特定行业设计的要领和方法，使学生在解决今后学习与工作中遇到的具体虚拟仪器问题时具备观念和方法上的优势。因此，要求本课程的规划和教学安排必须合理，改掉影响实现教学目标的不利因素，增加先进的更好的教学方式和方法，确保虚拟仪器设计课程的探索和实践取得成功。

2.2 教学内容的模块化设置

根据虚拟仪器课程注重实践强调应用的特点，如何让学生短时高效地掌握虚拟仪器软件的开发，面对新的项目和应用时做到“心中有数”“快速上手”“能学会用”，教学方法是关键，教学内容是基础。教师需要根据课程内容以及学生的特点而实施不同的教学手段，达到事半功倍的效果。在本课程学时比较少而目标又比较高的情况下，将课程内容划分成3个模块：基础概念与编程、通用数据采集系统、特定行业高级应用。知识结构与难度依次上升，越来越接近真实应用，更好地实现教学目标。

基础概念与编程模块：本部分要尽量压缩学时，做到少而精。第一是要强调重点内容部分的学习与掌握，包括程序的创建与调试、程序结构的实现、数组、簇和波形等。第二是要在前一部分学习的过程中重点掌握虚拟仪器程序的设计理念、学会查询帮助文件、具备自行学习一个新VI的能力，着重强调学习方法的掌握和独立学习与解决问题的观念。本部分重点在于理论和概念部分的讲授。

通用数据采集系统模块：本部分重点强调独立完成一个数据采集系统的搭建和实现，包括硬件搭建、软件设计及软硬件联调。在整个实验过程中自主学习软件编程需要用到的图形显示控件和字符串及文件I/O等，自主学会硬件的连接方式包括采集卡设置、采样方式、触发方式等。本部分以操作性和应用性为主，要求学生都能独立的搭建一个简单的数据采集系统，例如，室温采集系统等。根据项目的需求，反过来激发学生自主查找和学习数据采集过程中需要用到的软硬件知识。

特定行业高级应用模块：本部分精心选用不同行业的3个不同的综合性工程项目，采用项目驱动的教学方式。整个项目被分解成若干个简单的知识点，先局部讲解，然后进行综合分析和讲解，从而激发学生学习的兴趣，提高其学习动力。采用针对性强的项目，将知识点贯穿到具体的实例当中，使得学生可以融会贯通，举一反三。

3 教学方法与方式的改革

一门课程的教学方法与教学方式应该随着教学内容的改变而做出对应的改变。对于虚拟仪器这门注重实践的课程，改变其教学方法与方式应该基于一定的硬件设备来富有成效地开展实施。本单位具备的可提供给本课程教学用的基于LabVIEW的仪器设备平台包括TVI-SC虚拟仪器综合实验开发系统、TVI-ABF虚拟仪器与DSP集成实验开发系统、可重构实训平台、NIPXI集成自动化测控平台。在这些设备的基础上，开展相应的教学实践活动，能大大提高其动手能力，为学生今后走上工作岗位提供扎实的基础。本课程的教学活动根据当次教学内容自主选择在教室或实验室中进行。当在实验室内授课时，教师现场授课与学生动手实验有机结合，学生理解后动手甚至提问，同时教师指导答疑。

3.1 精简基础理论

针对基本概念和理论性内容，采用多媒体课件讲授。其形象直观的特性可以使学生快速理解与掌握。采用动画演示相应章节重点内容，如“波形”和“图形显示控件”的使用、调用数据采集卡驱动程序及采集卡的设置等。

3.2 加强上机操作

对于虚拟仪器设计这门课程来说，学生只有通过亲自进行程序设计、不断调试与改进设计方法，才能够较好地掌握相关知识和应用技术。我们采用在实验室内教学、每人一台实验仪器、教师讲解和学生练习相结合的方式进行基本概念的验证与学习。例如，在学习了数组、循环结构以后，要求学生完成“选择恰当的循环结构，创建一个实现二维数组的VI”等。在教师课堂讲授与演示的基础上，学生通过加强实践练习及时地掌握有关教学内容。

3.3 强化项目实验

基于“TVI-SC虚拟仪器综合实验开发系统”和“TVI-ABF虚拟仪器与DSP集成实验开发系统”，采用case教学法。在整个教学过程中，始终强调学以致用并在应用中提高学习效果。根据教学内容和教学要求，精心挑选出多个典型的实例，将所要学习的操作与技能等融入实例中，使学生加强对基本概念、原理、方法的理解。以虚拟示波器设计实验为例，主要讲述虚拟示波器的设计方法，介绍该示波器的硬件构成和软件设计思想及程序流程，分析设计和实现过程中需要注意的问题，该虚拟示波器软件如图1所示。case教学法的优点是以任务为导向，目的明确，激发学习热情，提高学生对知识的灵活应用能力，真正使学生能理解基本概念与原理，学会举一反三，能够融会贯通。

图1 虚拟示波器软件

基于“可重构实训平台”和“NI-PXI集成自动化测控平台”，采用项目教学法。通过本过程可以培养学生的创新能力，教师布置多个题目供学生选择，以学生为主体，以实际工程项目或系统为内容，构建项目化教学内容体系。这些项目一般具有应用性，学生需要经过查阅资料、讨论汇报、动手实践、发现问题、解决问题、回顾总结等步骤来完成本项任务。通过一些有挑战性的题目，充分发掘学生的能动性，提高学生解决实际问题的综合能力，提高其成就感，行程良性学习导向。以“可重构实训平台”为例，首先讲述该平台的硬件构成和软件设计，硬件包括1#，2#，3#台的机械部分、电控驱动部分及其接口、传感器部分、ARM控制台部分等，然后讲述上位机LabVIEW软件的设计目标、设计思想、程序流程及其主要注意事项等。该可重构实训平台的控制软件界面如图2所示。学生可以在此软件基础上进行创新设计，也可以拆分出某一部分实现其功能，最终的目标是只要可以控制该平台完成响应的动作，达到预期的目标即可。

图2 可重构实训平台界面

4 课程考核体系的改革

长期以来，考试成绩由80%的卷面成绩和20%的平时成绩两部分组成，同时忽略了对实践环节的检验。因此，针对虚拟仪器课程的考核评定改革势在必行。改革后，课程总成绩由作业成绩（10%）、实验成绩（30%）、期末考试成绩（50%）、实践创新加分（10%）四大部分组成。作业成绩主要考核学生对课堂教学理论知识的掌握程度；实验成绩主要考核学生在各项实验环节中的动手能力；期末考试主要考核学生对基础知识的掌握情况和虚拟仪器的设计应用能力；另外，实践创新部分根据学生在学科竞赛、电子大赛、申请的发明专利、撰写的科技论文等实践教学环节中的表现给出加分。

5 改革效果总结

虚拟仪器设计课程自改革以来，学生反映强烈，兴趣很高。很多学生以虚拟仪器设计作为自己毕业设计的课题，也有学生参加了全国虚拟仪器设计大赛取得了NI的实习生资格，也有学生参与大学生科技创新计划采用LabVIEW作为上位机开发软件，还有学生因参与开发了基于NI FPGA硬件的机器人系统而提前收到企业的offer。实践表明，教学改革极大了释放了学生的潜能，提高了其动手能力和综合素质，教学效果十分理想。

［1］刘玉秋，曹生现.虚拟仪器技术课程教学实践研究［J］.实验技术与管理，2010（6）:156-157.

［2］郭杰，周祥才，张美凤.项目教学法在“虚拟仪器技术”课程教学中的应用研究［J］.科技信息，2011（18）:130-131.

［3］周小凤，肖俊生.虚拟仪器课程教学方法探索与实践［J］.中国电力教育，2013（22）:150-151.

［4］吴爱华，茅靖峰，华亮.虚拟仪器技术课程教学的探索与实践［J］.中国教育技术装备，2009（15）:30-31.

［5］杜慧勇，王站成，赵凯宾，刘建新，吴健.基于LabVIEW的工程热力学虚拟实验系统开发［J］.中国现代教育装备，2012（5）:10-12.

Exploration and Practice of Teaching Reform for the Course of Virtual Instrument Design

Wang Geng1， Fan Lei2，Wang Ying1， Wang Hongyi1
1.Henan Polytechnic University， Jiaozuo， 454000， China
2.Henan College of Industry & Information Technology， Jiaozuo， 454000， China

Facing practice and application， integrating theory and practice and combining the actual situation of Henan Polytechnic University，this teaching reform focused on the necessity of teaching reform， the reform of teaching objectives and content， teaching method reform，curriculum evaluation system reform and other aspects. The students can master the basic theory and method of virtual instrument design through the teaching reform and practice， which can improve the students' ability to solve practical problems. In the subsequent practice， the students' practical ability， innovation consciousness and comprehensive quality are all obviously improved， which shows that the curriculum teaching reform has achieved good results.

virtual instrument design； practice teaching； teaching reform； teaching methods

2015-01-04

王耿，博士，讲师。

河南理工大学博士基金（编号：60407/010）。