機械電子工程專業(yè)虛擬儀器設(shè)計課程教學(xué)改革與實踐

耿其東+王福元+王軍+李春燕

摘 要 虛擬儀器設(shè)計是一門專業(yè)課，因開設(shè)時間較晚，教學(xué)效果一直不好。為了改變現(xiàn)狀，從課程本身入手，對虛擬儀器設(shè)計課程進行初步的改革嘗試，分別從教學(xué)目標、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法上進行相應(yīng)的改進，最終取得一定的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 機械電子工程專業(yè)；虛擬儀器設(shè)計；教學(xué)改革；

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）22-0047-02

Teaching Reforms and Practices in Course of Design of Virtual Instrument in Machinery and Electrical Engineering//GENG Qidong， WANG Fuyuan， WANG Jun， LI Chunyan

Abstract The design of virtual instrument is a professional course， because the time of open is too late， the teaching effect is not good. In order to change the status quo， the design of virtual instrument has

been reformed from itself. Respectively from the teaching goal， tea-ching content， teaching methods on the corresponding improvement， finally has obtained a good effect.

Key words machinery and electrical engineering； design of virtual instrument； teaching reforms

1 引言

虛擬儀器技術(shù)是現(xiàn)代計算機技術(shù)與儀器技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它將測量技術(shù)、通信技術(shù)、信號與數(shù)據(jù)處理技術(shù)、傳感器技術(shù)等融為一體，在測控領(lǐng)域舉足輕重。虛擬儀器技術(shù)在教育、交通、通信、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各行業(yè)也有相應(yīng)的應(yīng)用。在短學(xué)時、少學(xué)時的課程背景條件下，如何提高教學(xué)質(zhì)量及增強學(xué)生實踐技能，一直是本課程不斷改革的方向。

鹽城工學(xué)院機械工程學(xué)院機械電子工程專業(yè)從2011年起開設(shè)虛擬儀器設(shè)計課程，主要講授虛擬儀器的結(jié)構(gòu)以及LabVIEW軟件使用。由于課時較少、硬件設(shè)施不全、學(xué)生基礎(chǔ)薄弱及主動性較差等原因，本門課程的教學(xué)效果不佳。從2015年起，虛擬儀器技術(shù)教學(xué)小組針對本課程的特點，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)實驗等環(huán)節(jié)開展教學(xué)改革，強化儀器技術(shù)的基本概念，增強學(xué)生的實踐能力。本文將介紹虛擬儀器設(shè)計課程教學(xué)改革過程及結(jié)果。

2 教學(xué)目標改革

在以往絕大多數(shù)教學(xué)中，教學(xué)目的以掌握本課程知識為根本。這在很大程度上導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)的目的性不強，為了掙學(xué)分而學(xué)習(xí)、為了拿學(xué)分而學(xué)習(xí)、為了考高分而學(xué)習(xí)。本門課程的改革首先從教學(xué)目的開始，將教學(xué)內(nèi)容引導(dǎo)到學(xué)科競賽及技能認證上。

在教學(xué)過程中，將教學(xué)內(nèi)容定位為競賽服務(wù)。從2009級起，本科生教育培養(yǎng)方案中要求學(xué)生在校期間完成相應(yīng)的素質(zhì)拓展學(xué)分。學(xué)科競賽是獲得本學(xué)分的主要形式，鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生參加虛擬儀器技術(shù)的相關(guān)競賽，既可以鍛煉能力，也能完成學(xué)分要求。

學(xué)生在就業(yè)過程中，技能認證的證書對于能否成功就業(yè)起到非常重要的作用。虛擬儀器設(shè)計的學(xué)習(xí)離不開NI（美國國家儀器公司）開發(fā)的相關(guān)平臺，該公司提供的助理工程師（CLAD）認證是虛擬儀器設(shè)計技術(shù)水平的一種考量。CLAD認證通過者能夠基本熟練地在測試和測量領(lǐng)域應(yīng)用虛擬儀器設(shè)計軟件，如LabVIEW、LabWindows/CVI等。CLAD認證的核心是對虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)全面和廣泛的了解，并能夠應(yīng)用相關(guān)知識運行、調(diào)試、維護所設(shè)計的虛擬儀器模塊。擁有此類證書，可以增強學(xué)生的就業(yè)選擇面，提升就業(yè)成功率。學(xué)生可以在測試及測量等相關(guān)領(lǐng)域?qū)ふ液线m的工作，同時在繼續(xù)深造方面選擇方向也增多。

3 教學(xué)內(nèi)容改革

教學(xué)內(nèi)容在很大程度上決定了學(xué)生對本課程的喜愛程度。在實際教學(xué)中，往往發(fā)現(xiàn)這樣的問題，學(xué)生總是認為學(xué)習(xí)本課程沒有可用之處。因此，教學(xué)改革的重要工作就是對教學(xué)內(nèi)容進行改革。在進行本課程教學(xué)前，給學(xué)生灌輸虛擬儀器技術(shù)課程的重要性，同時明確本課程的學(xué)習(xí)目的。將教學(xué)內(nèi)容定位于學(xué)科競賽及技能認證，在內(nèi)容上需要進行調(diào)整，分為軟件學(xué)習(xí)、軟件及硬件結(jié)合的項目設(shè)計學(xué)習(xí)和硬件資源學(xué)習(xí)。

軟件方面 LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由NI研制開發(fā)，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境。LabVIEW軟件是虛擬儀器設(shè)計最為流行的軟件，是測試及測量領(lǐng)域的設(shè)計核心。在教學(xué)中，以學(xué)習(xí)LabVIEW軟件為開始，逐步進入虛擬儀器技術(shù)的學(xué)習(xí)中。首先，熟練安裝LabVIEW軟件和熟悉軟件操作環(huán)境；其次，掌握運用基礎(chǔ)語言的編程技巧進行初步學(xué)習(xí)；最后，設(shè)計較為綜合的虛擬儀器程序。在實際教學(xué)中，從虛擬溫度計的設(shè)計開始，學(xué)習(xí)VI創(chuàng)建方法、隨機數(shù)產(chǎn)生方法、輸入輸出控件使用方法，進一步掌握了VI的創(chuàng)建、數(shù)學(xué)控件運用、報警、數(shù)據(jù)記錄存儲。虛擬溫度計設(shè)計是一個典型的虛擬儀器設(shè)計范例，通過教師課程上演示操作、課程自主學(xué)習(xí)以及實驗中自我體會等形式，最終掌握虛擬儀器設(shè)計的基本步驟及原理。

硬件資源 虛擬儀器是由軟件和硬件組成的，硬件資源好壞也是虛擬儀器設(shè)計成敗的關(guān)鍵?，F(xiàn)有實驗室資源是學(xué)生獲得的第一手硬件信息，NI提供的硬件資源以各種板卡為主，教學(xué)中主要介紹PCI模塊、CDIO、SCXI信號調(diào)理模塊，同時結(jié)合NI最新的產(chǎn)品做相關(guān)的介紹。NI為各大高校學(xué)生參加虛擬儀器設(shè)計大賽提供各種設(shè)備的租借服務(wù)，因此在硬件資源不足的情況下，可以通過此方式嘗試使用及掌握相關(guān)硬件模塊。在實驗室中，各個模塊的講解結(jié)合實驗進行，學(xué)生邊聽講邊實地觀察相關(guān)設(shè)備，有時還進行動手操作，以加強對模塊的印象。

綜合設(shè)計 在軟件操作及硬件資源都掌握的基礎(chǔ)上進行綜合設(shè)計。綜合設(shè)計涉及的知識較多，學(xué)生應(yīng)掌握信號處理技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)等相關(guān)知識。綜合設(shè)計首先以掌握數(shù)據(jù)采集卡項目為開始，逐步熟悉虛擬儀器設(shè)計步驟及規(guī)范，最后以實際項目為考核。

4 教學(xué)方法改革

教學(xué)方法的優(yōu)劣決定了教學(xué)的效果，改進現(xiàn)有教學(xué)方法，增強教學(xué)效果，也是教學(xué)改革成敗的關(guān)鍵。虛擬儀器設(shè)計課程教學(xué)的重點在于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力及解決實際問題的能力，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)本門課程比灌輸式教學(xué)更有效。

采用目標驅(qū)動式教學(xué)法，首先制定一個合理目標，然后實施教學(xué)活動，最后逐步檢驗?zāi)繕藢崿F(xiàn)情況并修正目標。整個教學(xué)改革分三個階段。

第一階段：將現(xiàn)有學(xué)時數(shù)進行調(diào)整，理論課時與實踐課時各占一半，主要目的是提高學(xué)生動手及實踐能力?，F(xiàn)階段的虛擬儀器設(shè)計教學(xué)內(nèi)容以理論教學(xué)為主，課堂氣氛較為沉悶，學(xué)生的積極性不高，因此教學(xué)效果不好。改變現(xiàn)有學(xué)時分配，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)虛擬儀器設(shè)計。

第二階段：要求學(xué)生進入虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)論壇初級課程學(xué)習(xí)，以通過網(wǎng)絡(luò)初級課程為考核通過標準。在學(xué)院資源有限的情況下，充分利用外界資源。利用NI提供的網(wǎng)絡(luò)平臺，組織學(xué)生進行學(xué)習(xí)，從基礎(chǔ)課程開始，逐步加深，以通過LabVIEW助理工程師（CLAD）考試為最終目標。同時鼓勵學(xué)生參加全國虛擬儀器設(shè)計大賽，以參賽為目的，鍛煉學(xué)生的設(shè)計能力。

第三階段：組織考核通過CLAD，目標通過率為5%；組隊參加虛擬儀器設(shè)計大賽，目標為三等獎。

5 教學(xué)改革的意義

長期以來，高等學(xué)校的專業(yè)教學(xué)以應(yīng)試為目的，注重理論教學(xué)而疏忽實踐及創(chuàng)新方面的教學(xué)。在這樣的培養(yǎng)模式下，學(xué)生走上工作崗位后，往往存在懂一點兒理論知識，而動手能力弱、毫無創(chuàng)造力的現(xiàn)象。針對這一狀況，需要從專業(yè)課的教學(xué)中做改進。專業(yè)課程的教學(xué)是學(xué)生離開學(xué)校前最后接收的知識，這一階段的教學(xué)內(nèi)容有助于學(xué)生認清自身優(yōu)勢。因此，要加強專業(yè)課程教學(xué)，促進學(xué)生理解專業(yè)概念，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。

虛擬儀器設(shè)計課程有一定的特殊性，在實際教學(xué)中存在硬件資源不足、軟件資源較陳舊的情況。面向?qū)W科競賽和技能認證的目標，旨在改革教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法，使學(xué)生能夠主動投入該課程的學(xué)習(xí)之中，利用現(xiàn)有資源，發(fā)揮自身的想象力和創(chuàng)造力。在網(wǎng)絡(luò)時代“人人為我，我為人人”的思想影響下，充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，可以參與各大論壇的學(xué)習(xí)及交流，參與網(wǎng)絡(luò)公開課程的學(xué)習(xí)，參與研討會的討論等。

虛擬儀器技術(shù)是儀器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)等相融合產(chǎn)生的。該技術(shù)一直處于發(fā)展之中，虛擬儀器設(shè)計課程的教學(xué)需要跟隨時代發(fā)展的腳步，通過對教學(xué)內(nèi)容、方法、目標進行改革，采用目標推進的方法，逐步實現(xiàn)改革目的。參考文獻

[1]謝川，辛昕，倪世宏.“虛擬儀器技術(shù)及應(yīng)用”課程教學(xué)改革與實踐[J].黑龍江教育：高教研究與評估版，2016（2）：

4-5.

[2]錢聲強，李晴.“虛擬儀器應(yīng)用技術(shù)”課程教學(xué)改革探索[J].職教通訊，2013（33）：17-19.

[3]鐘偉紅，李園，葉凌箭，等.基于學(xué)科競賽和專業(yè)認證的“虛擬儀器技術(shù)”課程教學(xué)改革與實踐[J].工業(yè)和信息化教育，2013（10）：44-46.

[4]吳愛華，茅靖峰，華亮，等.虛擬儀器技術(shù)課程教學(xué)的探索與實踐[J].中國教育技術(shù)裝備，2009（15）：30-31.

[5]李振豪，李琳，肖君.虛擬儀器課程教學(xué)方法的改革與實踐[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器，2012（5）：139-141.

[6]唐求，高云鵬，曹琳琳.虛擬儀器課程教學(xué)與實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的建設(shè)實施[J].實驗技術(shù)與管理，2012（4）.

[7]王耿，樊磊，王瑩，等.虛擬儀器設(shè)計課程的教學(xué)改革的探索與實踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2015（13）：53-55.