基于設計任務驅(qū)動的信號檢測實驗課程教學探索

喻菲菲

摘 要：信號的測量與分析是工程測試中的重要內(nèi)容，涉及多門專業(yè)課程。為使信號檢測課程更具體生動和豐富多彩，在實際教學中采用基于設計任務驅(qū)動的信號檢測實驗課程教學方法。利用虛擬儀器技術(shù)特點和優(yōu)勢，針對信號測量任務，設計相應檢測系統(tǒng)進行測試分析。經(jīng)過設計過程的教學與實踐，學生對信號的產(chǎn)生原理、特點和測試方法等理解更深刻透徹，從而提高課程教學質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器 ?設計任務驅(qū)動 ?信號檢測 ?實驗課程 ?教學

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（a）-0165-02

信號的測量與分析是工程測試中的重要內(nèi)容，《工程測試技術(shù)》、《傳感器技術(shù)》、《汽車檢測與診斷維修技術(shù)》和《機電傳動技術(shù)》等多門課程和多個專業(yè)學科都有相關(guān)內(nèi)容涉及，其中包括基于光電傳感和磁電傳感的轉(zhuǎn)速測量、基于熱電偶和負溫度系數(shù)可變電阻的溫度測量、基于電壓變化的位移和位置測量、PWM信號脈寬測量、振動加速度信號測量、信號波形測量分析等。如果通過傳統(tǒng)儀器進行測量分析，不同類型的信號可能需要不同的測試儀器，其測量適應性是有限的，測試成本高。

筆者所在單位實驗室擁有相關(guān)虛擬測試平臺開發(fā)軟件和硬件系統(tǒng)，廠商配套了一些典型的測試解決方案，但與教材對接性較差，使用起來不方便，擴展性和可編輯性不強。所以，針對信號檢測實驗課程存在的不足，在實際教學中采用基于設計任務驅(qū)動的教學方法，利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)設計相關(guān)測試系統(tǒng)，實現(xiàn)信號的測量分析，可在一定程度上提高實驗課程教學質(zhì)量。

基于虛擬儀器技術(shù)的測試系統(tǒng)由軟件和硬件組成，軟件設計可依靠其專門圖形編程軟件進行開發(fā)[1]，圖形編程無需掌握復雜代碼，功能設計容易實現(xiàn);硬件只需要計算機和相關(guān)數(shù)據(jù)采集板卡及其聯(lián)接線。因此，多功能的測試系統(tǒng)搭建簡便快捷，成本低，功能強大;同時，可根據(jù)測量目標和任務進行針對性的開發(fā)設計，這是由于這樣的一個開發(fā)設計過程，使學生從中學到更豐富的知識。因為系統(tǒng)的搭建，需要對測試信號的產(chǎn)生原理和信號特點有更深入了解，比如信號類型、變化特點和范圍、頻率、幅值、相位信息等，根據(jù)信號性質(zhì)來進行實質(zhì)性測試開發(fā)設計;另一方面，通過系統(tǒng)搭建，對信號測試原理和分析了解更加深刻，可以從原理上掌握又一先進測試工具的運用，有利于為日后開發(fā)相關(guān)測試系統(tǒng)打下良好基礎，而且，學生對課程的興趣度可以提高;再有，通過虛擬儀器技術(shù)平臺進行開發(fā)設計，可以針對自身課程特點自由開發(fā)，不受實驗教材制約。因此，基于設計任務驅(qū)動的教學方法在信號檢測實驗課程教學中有重要的現(xiàn)實意義。

1 實驗資源條件分析及教學設計

所謂設計任務驅(qū)動教學法，是一種以設計性、實驗性、實踐性與操作性較強的教學內(nèi)容為一體的教學方法。它以豐富多彩的、能激發(fā)學生學習動機的情景為基礎，與教學內(nèi)容緊密結(jié)合的任務為載體，使學生在完成特定設計任務的過程中獲得知識與技能的一種教學方法[2-3]。從設計任務驅(qū)動教學法特點可知，該方法與信號檢測實驗課程教學搭配恰當，有利于充分發(fā)揮各自優(yōu)勢[4-5]。

1.1 實驗資源條件分析

隨著虛擬儀器技術(shù)的高速發(fā)展，通過虛擬儀器平臺搭建的測試系統(tǒng)，使各種測試功能高度集成，功能強大豐富，信號測量變得更加簡便，而硬件成本無需大幅提高。

筆者實驗室現(xiàn)有DRLab快速可重組綜合試驗臺多臺，可同時容納多人多組進行轉(zhuǎn)子實驗臺測試、振動測試分析、環(huán)境監(jiān)測等，包含的主要測試內(nèi)容有光電、磁電傳感轉(zhuǎn)速測量，電渦流軸心位置，振動速度、加速度測量，噪聲測量，溫度測量等，其硬件還包括多個擴展通道可用于擴展開發(fā)，其提供的DRLab VI軟件平臺可進行自主設計開發(fā)，集成芯片式圖形編程降低了開發(fā)難度，有助于教學人員進行二次開發(fā)。另外，還可利用另一出色的虛擬儀器設計平臺美國NI公司的LabVIEW軟件進行測試系統(tǒng)開發(fā)，其應用性更廣泛、實用性更強。同傳統(tǒng)的編程語言相比，采用LabVIEW圖形編程方式可以節(jié)省大約80%的程序開發(fā)時間，而運行速度卻幾乎不受影響?；贚abVIEW的測試系統(tǒng)廣泛應用于系統(tǒng)監(jiān)測、控制等工業(yè)領(lǐng)域，各大高校、科研院所在研發(fā)、實驗教學等方面都有大量應用[6]。

因此，立足于提高學生的實際動手能力和對課程的興趣愛好程度，保證理論教學與實際操作技能同步提高，充分體現(xiàn)“高新、實用、實踐”的原則，結(jié)合先進測試手段和實驗室現(xiàn)有資源條件，開發(fā)設計任務驅(qū)動的信號測試實驗教學法完全可行，有較大發(fā)展空間和優(yōu)勢。

1.2 教學設計

結(jié)合實際條件和課程教學需要，基于設計任務驅(qū)動的信號檢測實驗課程教學方法在內(nèi)容和目標上主要包括以下3方面：完成虛擬測試系統(tǒng)設計的任務、變革教學模式、著力提高學生學習興趣。

（1）開發(fā)設計基于虛擬儀器的信號測試系統(tǒng)。

根據(jù)課程實驗需要，利用虛擬儀器技術(shù)圖形編程軟件LabVIEW等開發(fā)相關(guān)測試分析程序，用于《工程測試技術(shù)》、《傳感器技術(shù)》、《汽車檢測與診斷維修技術(shù)》等課程的實驗教學。主要包括以下幾部分：①開發(fā)設計一種簡便的多通道示波器，用于測量信號波形。并且具有計算信號頻率、幅值、占空比、平均值、最大值和最小值等功能，波形保存、回放功能，可以視測量信號情況任意選擇是否使用這些功能。這樣，可進行光電和磁電傳感器的轉(zhuǎn)速測量，PWM信號測量，信號電壓測量等。②設計一款基于熱電偶或可變電阻的溫度測量系統(tǒng)。③設計用于振動和噪聲信號頻譜分析的測試系統(tǒng)。④針對汽車發(fā)動機性能測試和傳感器信號測量，開發(fā)專門的測試分析系統(tǒng)。如：發(fā)動機無負荷測功系統(tǒng)，發(fā)動機噴油脈寬測試系統(tǒng)，發(fā)動機點火提前角測試系統(tǒng)，發(fā)動機傳感器信號波形測量系統(tǒng)等。

（2）充分利用設計任務的有利條件，改革教學模式。

由于圖形編程的簡便化，將開發(fā)設計過程作為一個重要知識點進行教學講解，結(jié)合測試實踐，使實驗成為設計性綜合實驗。打破傳統(tǒng)演示性實驗的局限性，有利于學生深入理解信號測試關(guān)鍵知識，增強實踐動手能力。endprint

（3）充分利用程序可編輯性提高學生學習積極性。

由于測試程序可進行二次開發(fā)和功能設計編輯，利用后臺程序修改的方式改變程序測試功能或參數(shù)設置，從而在信號測試實驗中體現(xiàn)新鮮元素和趣味性，可增強學生學習興趣和積極性。

2 教學實施

教學方法實施總體上分三部分進行，首先要完成圖1所示的教師授課前期工作，再進行圖2所示的實際教學實施，最后進行教學效果評價。

教師前期工作，就是教師根據(jù)相關(guān)課程關(guān)于信號測試方面的內(nèi)容，重點關(guān)注《工程測試技術(shù)》、《傳感器技術(shù)》、《汽車檢測與診斷維修技術(shù)》等課程的相關(guān)內(nèi)容，初步確定可開發(fā)設計的測試系統(tǒng);再利用實驗室現(xiàn)有資源，通過DRLab VI和NI LabVIEW平臺進行測試程序開發(fā)設計;對設計好的程序進行調(diào)試、運行和實際應用，并不斷完善其功能，實現(xiàn)設計任務的目標;編寫相關(guān)實驗學習教材或報告，以供學生學習和參考（圖1）。

第二步，教學實施。實驗教學前，讓學生先進行預習，并提前進行相關(guān)程序設計工作;實驗教學時，首先由教師進行程序開發(fā)設計的講解和測量示范;學生在教師指導下進行系統(tǒng)設計并應用于實際信號測試分析，可根據(jù)測量需要，修改和編輯程序，不斷進行調(diào)試測試，深入了解其測試原理及其實際應用，以此提高學生學習興趣和動手實踐能力（圖2）。

第三步，教學效果評價。實驗課程結(jié)束前，要留出適當時間進行教學效果檢查和評價?？赏ㄟ^讓學生講解設計和檢測過程、測量示范等方式進行檢查，對學生完成任務的過程和完成任務的結(jié)果作出客觀評價。另外，時間允許的話，挑選出較好的組別，對他們的設計和測量成果進行展示，以鼓勵和激發(fā)大家學習熱情。

3 結(jié)語

結(jié)合信號檢測實驗課程特點，采用基于設計任務驅(qū)動的教學方法，更能充分調(diào)動學生學習興趣度和積極性，再經(jīng)過實測練習，對專業(yè)知識點理解更加透切，從而使課程教學質(zhì)量得到實質(zhì)性提高。

參考文獻

[1] 張重雄，張思維.虛擬儀器技術(shù)分析與設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2] 郭紹青.任務驅(qū)動教學法的內(nèi)涵[J].中國電化教育，2006（7）：59.

[3] 劉琨，李愛菊，杜麗娟.淺談任務驅(qū)動式教學法在課程中的應用[J].北京聯(lián)合大學學報（自然科學版），2010，24（3）：87-92.

[4] 馮建成.任務驅(qū)動教學法在現(xiàn)代教育技術(shù)實驗教學中的應用[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2009（14）：90-92.

[5] 李志勇.“任務驅(qū)動”教學法在互動媒體設計與制作課程中的應用[J].中國職業(yè)技術(shù)教育，2012（11）：15-19.

[6] 雷振山.LabVIEW 7 Express實用技術(shù)教程[M].北京：中國鐵道出版社，2005.endprint

（3）充分利用程序可編輯性提高學生學習積極性。

由于測試程序可進行二次開發(fā)和功能設計編輯，利用后臺程序修改的方式改變程序測試功能或參數(shù)設置，從而在信號測試實驗中體現(xiàn)新鮮元素和趣味性，可增強學生學習興趣和積極性。

2 教學實施

教學方法實施總體上分三部分進行，首先要完成圖1所示的教師授課前期工作，再進行圖2所示的實際教學實施，最后進行教學效果評價。

教師前期工作，就是教師根據(jù)相關(guān)課程關(guān)于信號測試方面的內(nèi)容，重點關(guān)注《工程測試技術(shù)》、《傳感器技術(shù)》、《汽車檢測與診斷維修技術(shù)》等課程的相關(guān)內(nèi)容，初步確定可開發(fā)設計的測試系統(tǒng);再利用實驗室現(xiàn)有資源，通過DRLab VI和NI LabVIEW平臺進行測試程序開發(fā)設計;對設計好的程序進行調(diào)試、運行和實際應用，并不斷完善其功能，實現(xiàn)設計任務的目標;編寫相關(guān)實驗學習教材或報告，以供學生學習和參考（圖1）。

第二步，教學實施。實驗教學前，讓學生先進行預習，并提前進行相關(guān)程序設計工作;實驗教學時，首先由教師進行程序開發(fā)設計的講解和測量示范;學生在教師指導下進行系統(tǒng)設計并應用于實際信號測試分析，可根據(jù)測量需要，修改和編輯程序，不斷進行調(diào)試測試，深入了解其測試原理及其實際應用，以此提高學生學習興趣和動手實踐能力（圖2）。

第三步，教學效果評價。實驗課程結(jié)束前，要留出適當時間進行教學效果檢查和評價。可通過讓學生講解設計和檢測過程、測量示范等方式進行檢查，對學生完成任務的過程和完成任務的結(jié)果作出客觀評價。另外，時間允許的話，挑選出較好的組別，對他們的設計和測量成果進行展示，以鼓勵和激發(fā)大家學習熱情。

3 結(jié)語

結(jié)合信號檢測實驗課程特點，采用基于設計任務驅(qū)動的教學方法，更能充分調(diào)動學生學習興趣度和積極性，再經(jīng)過實測練習，對專業(yè)知識點理解更加透切，從而使課程教學質(zhì)量得到實質(zhì)性提高。

參考文獻

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[4] 馮建成.任務驅(qū)動教學法在現(xiàn)代教育技術(shù)實驗教學中的應用[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2009（14）：90-92.

[5] 李志勇.“任務驅(qū)動”教學法在互動媒體設計與制作課程中的應用[J].中國職業(yè)技術(shù)教育，2012（11）：15-19.

[6] 雷振山.LabVIEW 7 Express實用技術(shù)教程[M].北京：中國鐵道出版社，2005.endprint

（3）充分利用程序可編輯性提高學生學習積極性。

由于測試程序可進行二次開發(fā)和功能設計編輯，利用后臺程序修改的方式改變程序測試功能或參數(shù)設置，從而在信號測試實驗中體現(xiàn)新鮮元素和趣味性，可增強學生學習興趣和積極性。

2 教學實施

教學方法實施總體上分三部分進行，首先要完成圖1所示的教師授課前期工作，再進行圖2所示的實際教學實施，最后進行教學效果評價。

教師前期工作，就是教師根據(jù)相關(guān)課程關(guān)于信號測試方面的內(nèi)容，重點關(guān)注《工程測試技術(shù)》、《傳感器技術(shù)》、《汽車檢測與診斷維修技術(shù)》等課程的相關(guān)內(nèi)容，初步確定可開發(fā)設計的測試系統(tǒng);再利用實驗室現(xiàn)有資源，通過DRLab VI和NI LabVIEW平臺進行測試程序開發(fā)設計;對設計好的程序進行調(diào)試、運行和實際應用，并不斷完善其功能，實現(xiàn)設計任務的目標;編寫相關(guān)實驗學習教材或報告，以供學生學習和參考（圖1）。

第二步，教學實施。實驗教學前，讓學生先進行預習，并提前進行相關(guān)程序設計工作;實驗教學時，首先由教師進行程序開發(fā)設計的講解和測量示范;學生在教師指導下進行系統(tǒng)設計并應用于實際信號測試分析，可根據(jù)測量需要，修改和編輯程序，不斷進行調(diào)試測試，深入了解其測試原理及其實際應用，以此提高學生學習興趣和動手實踐能力（圖2）。

第三步，教學效果評價。實驗課程結(jié)束前，要留出適當時間進行教學效果檢查和評價?？赏ㄟ^讓學生講解設計和檢測過程、測量示范等方式進行檢查，對學生完成任務的過程和完成任務的結(jié)果作出客觀評價。另外，時間允許的話，挑選出較好的組別，對他們的設計和測量成果進行展示，以鼓勵和激發(fā)大家學習熱情。

3 結(jié)語

結(jié)合信號檢測實驗課程特點，采用基于設計任務驅(qū)動的教學方法，更能充分調(diào)動學生學習興趣度和積極性，再經(jīng)過實測練習，對專業(yè)知識點理解更加透切，從而使課程教學質(zhì)量得到實質(zhì)性提高。

參考文獻

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[5] 李志勇.“任務驅(qū)動”教學法在互動媒體設計與制作課程中的應用[J].中國職業(yè)技術(shù)教育，2012（11）：15-19.

[6] 雷振山.LabVIEW 7 Express實用技術(shù)教程[M].北京：中國鐵道出版社，2005.endprint