《虛擬儀器技術(shù)》教學(xué)改革初探

王成　楊鎖昌　孟晨　范書義

摘要：根據(jù)虛擬儀器技術(shù)課程的教學(xué)特點，針對學(xué)員在學(xué)習(xí)過程中對課程存在的各種誤解，對該課程教學(xué)工作進(jìn)行了探索性改革。在該課程講授過程中，通過運用項目化教學(xué)和案例式教學(xué)模式，學(xué)員能夠?qū)⑻摂M儀器技術(shù)與計算機(jī)、裝備檢測等專業(yè)知識融會貫通；通過采用試探教學(xué)法和大實驗室概念，在課程實踐教學(xué)中培養(yǎng)了學(xué)員的動手和創(chuàng)新能力。實踐結(jié)果表明該課程的教學(xué)改革嘗試初步取得了預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器技術(shù)；教學(xué)改革；項目化教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）04-0138-02

一、引言

“虛擬儀器技術(shù)”課程是軍械工程學(xué)院研究生測量計量技術(shù)及儀器專業(yè)選修課，該課程系統(tǒng)講述虛擬儀器技術(shù)基本概念、自動測試系統(tǒng)集成軟件邏輯架構(gòu)、層次結(jié)構(gòu)、技術(shù)規(guī)范和關(guān)鍵技術(shù)，以及各類虛擬儀器的硬件結(jié)構(gòu)、驅(qū)動方式、性能指標(biāo)、編程思路，是一門綜合技術(shù)應(yīng)用課程。

隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，自21世紀(jì)初，“軟件即儀器”的全新理念方興未艾。LabView和LabWindows/CVI軟件用戶群越來越多，選修該課程的學(xué)員也越來越多。然而近幾年來，教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)選我院選修該課程的學(xué)員人數(shù)卻呈下降趨勢，而且學(xué)員學(xué)習(xí)興趣不夠濃厚。經(jīng)過調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)學(xué)員在學(xué)習(xí)過程中對虛擬儀器技術(shù)存在以下誤解。

誤解1：進(jìn)行電路仿真時才用虛擬儀器。部分學(xué)員認(rèn)為只有在進(jìn)行電路仿真時，才需要使用虛擬儀器，在他們心目中“虛擬儀器=MultiSim+LabView”，前者用于電路原理仿真，后者用于開發(fā)虛擬儀器界面。虛擬儀器最早由英文“Virtual Instrumentation”翻譯而來，“虛擬”一詞讓學(xué)員誤解為其應(yīng)用只是純軟件仿真。

誤解2：只有VXI、PXI總線儀器才是虛擬儀器。部分學(xué)員認(rèn)為VXI、PXI總線儀器才屬于虛擬儀器，而這些儀器大多在實驗室使用，在實際工程應(yīng)用中比較少見，因目的性不強(qiáng)，導(dǎo)致他們學(xué)習(xí)動力不足。

誤解3：只有LabVIEW、LabWindows/CVI才可以開發(fā)虛擬儀器。部分學(xué)員認(rèn)為這兩個軟件開發(fā)儀器界面比較簡單，但是在其他領(lǐng)域用處不大；還有部分學(xué)員認(rèn)為其他開發(fā)工具不適用于虛擬儀器軟件開發(fā)，或者開發(fā)虛擬儀器難度太大。

針對上述學(xué)員存在的各種誤解，筆者在近兩年的教學(xué)實踐中進(jìn)行了探索性教學(xué)改革，通過運用項目化教學(xué)和案例式教學(xué)模式，學(xué)員能夠?qū)⑻摂M儀器技術(shù)與計算機(jī)、裝備檢測等專業(yè)知識融會貫通；采用試探教學(xué)法和大實驗室教學(xué)法，在課程實踐教學(xué)中培養(yǎng)了學(xué)員的動手和創(chuàng)新能力。

二、教學(xué)改革探索

1.虛擬儀器與面向?qū)ο蠹夹g(shù)結(jié)合進(jìn)行項目化教學(xué)。項目教學(xué)模式，是師生通過共同實施一個完整的項目工作而進(jìn)行的教學(xué)活動[1]。在以往虛擬儀器課程教學(xué)中，講授數(shù)字信號的異步串行通信時，主要講授數(shù)據(jù)串行傳送的概念、格式、波特率和時鐘、通信方式等，在講授數(shù)據(jù)串行傳送格式時，要求學(xué)員利用“串口調(diào)試助手”軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，利用示波器進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控，但是在實際教學(xué)過程中，由于示波器屏幕太小，教學(xué)時對數(shù)據(jù)格式分析不方便，另外部分學(xué)員認(rèn)為有了“串口調(diào)試助手”軟件，自己無須關(guān)注串口數(shù)據(jù)通信格式，使得一些學(xué)員對相關(guān)知識掌握得不牢、不透。

針對上述情況，考慮到多數(shù)學(xué)員都已有C語言基礎(chǔ)，部分學(xué)員學(xué)習(xí)過C++語言和面向?qū)ο笾R，而且對研究生學(xué)員應(yīng)重點培養(yǎng)其自我學(xué)習(xí)能力與工程實踐能力。所以，在教學(xué)過程中設(shè)計了一個“利用C++開發(fā)串行通信協(xié)議分析軟件”的教學(xué)項目。要求學(xué)員在VC6開發(fā)環(huán)境下，設(shè)計串行通信協(xié)議分析類，能夠根據(jù)參數(shù)設(shè)置，自動繪制波形，并能夠分析波形。這樣通過實施完整的工程項目展開相關(guān)教學(xué)活動，一方面實現(xiàn)了將虛擬儀器與面向?qū)ο蠹夹g(shù)有機(jī)結(jié)合起來，使學(xué)員消除了“只有LabVIEW、LabWindows/CVI才可以開發(fā)虛擬儀器”的誤解，另一方面給研究生學(xué)員創(chuàng)造了在本科學(xué)習(xí)階段沒有的從事完整軟件開發(fā)項目的機(jī)會。因此極大地激發(fā)了學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣。此外，在教學(xué)過程中注意引導(dǎo)學(xué)員運用軟件工程思想展開項目開發(fā)，即使學(xué)員能夠親身體驗“編寫需求文檔、面向?qū)ο蠓治?、編寫程序、軟件調(diào)試”四個完整的軟件開發(fā)過程。經(jīng)過兩個教學(xué)班次的努力，由學(xué)員開發(fā)的“串行通信協(xié)議分析軟件”完成了所有預(yù)期功能。

學(xué)員在項目開發(fā)過程中不僅對串行通信相關(guān)知識有了深刻理解，并且對于虛擬儀器具體應(yīng)用和程序設(shè)計的能力都得到了加強(qiáng)，通過項目化教學(xué)模式，學(xué)員普遍認(rèn)為達(dá)到了“在編程中學(xué)虛擬儀器，在虛擬儀器中學(xué)編程”的效果。

2.虛擬儀器與裝備檢測結(jié)合進(jìn)行案例式教學(xué)。麻省理工、加州大學(xué)伯克利分校、加州大學(xué)洛杉磯分校等美國頂尖工程院校，均將虛擬儀器技術(shù)教學(xué)引入其學(xué)生培養(yǎng)的全階段之中，并且將其概念和方法滲透至其他多學(xué)科教學(xué)（如機(jī)械、電氣、通信、環(huán)境、自動化、土木、生物醫(yī)學(xué)等），同時在教學(xué)中采用理論教學(xué)、教學(xué)實驗與項目實踐相結(jié)合的模式，貫穿于整個高等教育階段[2]。

針對我院學(xué)員課題研究方向大多圍繞裝備檢測展開，借鑒國外高校項目教學(xué)模式思路，在教學(xué)過程中將虛擬儀器與裝備檢測結(jié)合開展了案例式教學(xué)。案例教學(xué)是一種以案例為基礎(chǔ)的教學(xué)模式（case-based teaching）。案例本質(zhì)是提出一種教育的兩難情境，沒有特定的解決指導(dǎo)，而教員于教學(xué)中扮演設(shè)計者和激勵者角色，鼓勵學(xué)員積極參與討論，而不像傳統(tǒng)的教學(xué)模式，教員是一位很有學(xué)問的人，扮演著傳授知識者的角色。

過去講述虛擬儀器中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A）部分內(nèi)容時，側(cè)重于介紹其基本概念和編程實現(xiàn)方法，缺乏應(yīng)用環(huán)境的講述，使得部分學(xué)員覺得“數(shù)模轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生電平，但驅(qū)動能力不如程控電源；可以產(chǎn)生波形，但功能不如任意波形發(fā)生器強(qiáng)大”。針對這種誤解，在教學(xué)過程中結(jié)合某型便攜防空導(dǎo)彈發(fā)射機(jī)構(gòu)敵我識別功能檢測中需要一個恒流源的案例，引導(dǎo)學(xué)員圍繞如何產(chǎn)生恒流源進(jìn)行分析。有學(xué)員認(rèn)為可以直接購買一個恒流源，教員分析這種方案會使得成本和體積都大大增加。通過引導(dǎo)學(xué)員“數(shù)模轉(zhuǎn)換器可以實現(xiàn)電平的變化，而恒流源可以通過控制外圍電路電平的變化實現(xiàn)輸出電流的變化來實現(xiàn)”，最后和學(xué)員一起分析得到該案例的解決方案。由于所選案例緊貼裝備檢測，貼近學(xué)員課題研究與工作實際，他們有興趣參與案例分析。通過案例式教學(xué)，不僅使得學(xué)員對于數(shù)模轉(zhuǎn)換器的概念與應(yīng)用有了深刻印象，而且提高了學(xué)員應(yīng)用虛擬儀器分析問題、解決問題的能力。

3.試探教學(xué)法在虛擬儀器教學(xué)中的應(yīng)用。隨著虛擬儀器技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用也早已突破最初的儀器控制和數(shù)據(jù)采集的范疇，而向更加縱深的方向發(fā)展，而且研究生教育中應(yīng)更加重視學(xué)員自學(xué)能力的培養(yǎng)，為此，在虛擬儀器教學(xué)過程中實踐了試探教學(xué)法。

試探教學(xué)法的基本觀點是“學(xué)生能嘗試，嘗試能成功，成功能創(chuàng)新”，特征是“先試后導(dǎo)，先練后講”。試探教學(xué)法的基本模式通常分七步進(jìn)行：準(zhǔn)備練習(xí)→出示嘗試題→自學(xué)課本→嘗試練習(xí)→學(xué)生討論→教師講解→第二次嘗試練習(xí)，這種教學(xué)方法最早應(yīng)用在小學(xué)數(shù)學(xué)教育中取得了很好的效果，而后發(fā)展到語文、常識等學(xué)科，又從小學(xué)發(fā)展到中學(xué)、大學(xué)；從普教發(fā)展到幼教、特教、職教。大量的教學(xué)實踐充分證明：“學(xué)生能在嘗試中學(xué)習(xí)”帶有普遍意義。

在虛擬儀器技術(shù)課程的虛擬儀器板卡使用實驗課中采用了試探教學(xué)法。試驗題目是仿照NI—SWITCH軟件設(shè)計通用開關(guān)調(diào)試軟件。以往實驗課都是先由教員講述開關(guān)板卡使用方法和注意事項，學(xué)員完成程序編寫，教員檢查程序后，學(xué)員逐項完成試驗項目。采用試探教學(xué)法后改為學(xué)員學(xué)習(xí)使用NI—SWITCH軟件，閱讀開關(guān)卡使用說明書，編寫通用開關(guān)調(diào)試軟件，教員講評，學(xué)員修改的步驟。學(xué)員嘗試后普遍對于虛擬儀器技術(shù)的核心思想“通過軟件去定義硬件的功能”有了更深的認(rèn)識。當(dāng)然在學(xué)員嘗試過程中，由于學(xué)員設(shè)計不成熟也出現(xiàn)了個別開關(guān)板卡上的繼電器被燒壞的現(xiàn)象，此時，就需要將嘗試進(jìn)行到底，即讓學(xué)員通過閱讀使用說明書定位故障繼電器，購置同型繼電器，自行修復(fù)板卡。通過這種嘗試使學(xué)員普遍反映工程實踐能力得到了極大提高，并且培養(yǎng)了學(xué)員的嘗試精神，為學(xué)員后續(xù)開展創(chuàng)新課題研究也產(chǎn)生了積極的影響。

4.將“大實驗室”的概念引入虛擬儀器實踐教學(xué)。國內(nèi)外高校十幾年的教學(xué)實踐證明，虛擬儀器技術(shù)的教學(xué)非常適合將理論學(xué)習(xí)、課程實驗以及基于項目的動手實踐三者相結(jié)合，全面培養(yǎng)學(xué)生的各方面能力。為了更進(jìn)一步提高學(xué)員學(xué)習(xí)興趣和實踐能力，將傳統(tǒng)的實驗室概念擴(kuò)展為“大實驗室”概念，即讓學(xué)員利用課外時間在實驗室之外完成相關(guān)練習(xí)作業(yè)或創(chuàng)新項目，作為對實驗室實驗項目的有益補(bǔ)充。過去，受制于硬件設(shè)備的限制，學(xué)員在課外所能完成的主要是一些純軟件性質(zhì)的編程練習(xí)。購置了泛華測控的nextBoard、nextKit、nextkit nano、nextPad軟硬件平臺后，數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計小巧，便于攜帶，而且I/O部分電路采用特別設(shè)計，即使連線錯誤也不會損壞數(shù)據(jù)采集硬件，教員可以放心地借給學(xué)員短期使用，也利于提高實驗室資源利用效率。

三、結(jié)語

經(jīng)過兩期“虛擬儀器技術(shù)”的教學(xué)改革探索，使得學(xué)員擺脫了以往對虛擬儀器技術(shù)存在的各種誤解，通過項目化教學(xué)和案例式教學(xué)模式，達(dá)到了使學(xué)員將虛擬儀器技術(shù)與計算機(jī)、裝備檢測等知識融會貫通的學(xué)習(xí)目的，通過試探教學(xué)法和“大實驗室”概念，在課程實踐教學(xué)中提高了學(xué)員學(xué)習(xí)興趣和實踐能力，實現(xiàn)了學(xué)員課程學(xué)習(xí)與將來科研工作或?qū)嶋H工程地?zé)o縫銜接[3]。選修該課程學(xué)員人數(shù)的回升，學(xué)院對虛擬儀器技術(shù)授課質(zhì)量評價的不斷提高，都表明該課程的教學(xué)改革嘗試初步取得了預(yù)期效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]周立波，王凌云.突出技能培養(yǎng)的《CAD/CAM技術(shù)》課程改革[J].教育研究與實驗，2013，（04）：32-33.

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[3]孫蓓.基于虛擬儀器技術(shù)的實驗教學(xué)改革研究[J].科技信息，2011，（31）：287，337.