虛擬儀器課程設計教學改革探索

王靖　黃采倫

摘 要：本文介紹了本校測控專業(yè)虛擬儀器課程設計的開設情況，以及現(xiàn)階段課程設計教學實施中發(fā)現(xiàn)的若干問題并展開分析，探討了虛擬儀器技術課程設計的教改措施，提出了幾條有針對性的虛擬儀器課程設計教學改革方法，還根據(jù)教學大綱提出了課程設計的成績評定方法。在現(xiàn)有的教學條件下，據(jù)此所進行的課程改革，已經(jīng)取得了顯著的教學效果。

關鍵詞：虛擬儀器 課程設計 軟件工程 因材施教

隨著計算機技術發(fā)展和現(xiàn)代工業(yè)應用激增需求的推動，基于儀器的測量和控制系統(tǒng)得到了迅猛發(fā)展，尤其是擴展性良好的模塊化虛擬儀器技術。目前，虛擬儀器廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、交通、醫(yī)藥衛(wèi)生以及教學和科研等領域，尤其是在自動化程度高的一些行業(yè)，虛擬儀器技術逐漸成為主要的支撐技術。

筆者學校為適應當今技術發(fā)展和各行各業(yè)對于測控儀器人才新的需求，為了培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新性測控技術人才，在測控技術與儀器專業(yè)開設了虛擬儀器課程。由于本課程是一門實踐性非常強的課程，因而又與此相配套地開設了虛擬儀器課程設計，設計安排在完成虛擬儀器課堂教學環(huán)節(jié)后，時間為兩周左右。該課程設計要求學生綜合所學的虛擬儀器技術、應用傳感器技術、信號處理與測試技術和軟件工程等相關知識，設計人機交互界面良好、軟件功能完備的虛擬儀器軟件系統(tǒng)。

一、教學過程中存在的問題

1.教師知識體系的不足。眾所周知，虛擬儀器技術是美國國家儀器公司在20世紀80年代末提出的，而在2000年左右進入我國并廣泛推廣。據(jù)調(diào)查，國內(nèi)不少高校都是在2002年左右開始開設虛擬儀器課程，筆者任教的大學就是在2004年開設這門課程。虛擬儀器技術在我國的推廣應用時間較短，相關高等院校開設本課程的時間也較短。講授這門課程的高校教師尤其老教師，在其求學期間并沒有系統(tǒng)學習過虛擬儀器課程。因此，目前講授這門課程的老師大都是通過自學摸索或是在其科研項目中使用到了虛擬儀器，而了解掌握相關知識的。因此，大部分的主講教師對于虛擬儀器設計的知識體系的掌握程度尚有一點欠缺，對于相關授課內(nèi)容的熟悉程度也還存在一定的不足。這些最終也會在虛擬儀器課堂教學和課程設計指導工作中體現(xiàn)出來，并造成一些影響。

2.課程設計涉及的知識領域較廣。與傳統(tǒng)儀器技術不同，虛擬儀器技術是指包含相關數(shù)據(jù)采集設備的計算機平臺上運行的具有針對性的測試分析軟件系統(tǒng)，根據(jù)用戶的不同需求可以高效率地構(gòu)建起豐富多彩的測量系統(tǒng)。對大多數(shù)用戶而言，在完成基本數(shù)據(jù)采集的前提下，用戶主要的工作變成了軟件設計。虛擬儀器技術突破了單一功能儀器的局限，可以將多種信號處理的方法方便地應用于測量中，甚至可以將用戶自己的一些分析方法融入到測試系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)“私人訂制”的測試系統(tǒng)。

從這里可以看出，虛擬儀器概念包含的范圍很廣，牽涉的知識內(nèi)容也非常多。因此，要完整系統(tǒng)掌握虛擬儀器的開發(fā)，使用者必須熟悉高等數(shù)學、數(shù)理統(tǒng)計、物理、電工電子技術、傳感器技術、數(shù)據(jù)采集技術、計算機硬件知識、計算機軟件開發(fā)、數(shù)字信號處理等相關領域的知識，這對于本課程的講授者和學習者都提出了較高的要求。常言道：“授人以魚，必自知漁?！币軌蚋猛瓿商摂M儀器課程設計的指導工作，指導教師必須多方面充實自己的知識體系，有針對性地擴展自己的知識領域，尤其是機械專業(yè)背景的教師，要多了解并掌握信息技術與計算機軟件工程的相關專業(yè)知識。

3.目前課程設計選題較為局限。經(jīng)過筆者查閱相關資料，了解到這樣的情況。很多高校虛擬儀器課程設計的選題多年都沒有變化，較為陳舊。很多學生在課程設計開始之前，就從上一級的同學那里拷貝到了課程設計的內(nèi)容，起不到鍛煉學生綜合運用虛擬儀器課程知識的作用。以我校為例，虛擬儀器課程設計題目分為兩大類，即一般信號分析的虛擬儀器設計和工程測試實驗教學虛擬儀器。其中一般信號分析的虛擬儀器設計如：基于譜分析技術的虛擬相位差計設計等。工程測試實驗教學虛擬儀器則包括：位移測試虛擬儀器設計和振動測試虛擬儀器設計等。

在題目分配時又一刀切，如：要求學生只能從兩大類中分別選取一題，作為其課程設計的題目。從虛擬儀器這門課程要求學生熟練掌握的內(nèi)容，如數(shù)組操作、文件操作、對話框操作，程序結(jié)構(gòu)控制和多種顯示方式的綜合運用等重要的知識，則沒有包含在相關題目中，使學生失去了一次很好的鍛煉機會。

二、課程設計教學創(chuàng)新探索

虛擬儀器設計是一門較新的實踐性較強課程，目前開設該課程的各個高校還沒有一個完善的教學方式可以借鑒推廣。因此，各個高校應該根據(jù)自己的發(fā)展現(xiàn)狀和儀器設備狀況，采取切實可行的改革與革新，建設好符合本校特色的虛擬儀器課程。在這個過程中，要適當加強學生的實踐能力培養(yǎng)，逐步摸索出一條好的方法，以改變當前實驗設備不足的現(xiàn)狀，達到培養(yǎng)學生的目的。

1.目前課程設計選題較為局限軟件工程思維的引入。虛擬儀器的精髓是將專門硬件才能完成的一些測控功能，用通用計算機平臺搭載的相關測試軟件系統(tǒng)來代替。因此，課程設計的重要部分就是虛擬儀器上位機軟件的設計與開發(fā)。

由于學校開設該門課程的學院是機電學院，學習該課程的學生都是機械背景的學生，雖然學生大都學過計算機文化基礎和C語言程序設計等課程，但是沒有系統(tǒng)學習過軟件開發(fā)的課程。編寫一個小的測試或者分析程序尚可，但是對于較為大型的測試系統(tǒng)主程序，他們表現(xiàn)出的就是慌亂和無序。因此，從本課程的課堂授課開始，就要持續(xù)向同學們介紹成熟的軟件工程思維，教給他們軟件開發(fā)的流程。在整個虛擬儀器課程設計程序設計與開發(fā)的過程中，指導教師可以遵循以下的步驟來指導和教育學生，養(yǎng)成良好的程序設計習慣。

首先是針對軟件設計的需求進行系統(tǒng)分析與研究，搞清楚所要設計對象的具體需求，進行詳盡的分析并對要求完成的功能給出一個詳細的列表。其次是進行軟件系統(tǒng)的架構(gòu)。將需要設計的虛擬儀器系統(tǒng)，從功能模塊上劃分為若干個元件，進而分析元件如何形成、相互之間如何通信，是關于這個系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)的重要信息。第三是進行軟件開發(fā)：設計LabVIEW應用程序，以確保它的具有良好的人機交互界面，良好的響應速度。在開發(fā)較大的設計題目時，還要注意代碼重新使用性和互操作性。然后在設計的虛擬儀器系統(tǒng)部署前，先要進行功能測試，執(zhí)行適當?shù)木幋a方式來提高程序的可讀性和性能。測試LabVIEW應用程序的正確性，修正所發(fā)現(xiàn)的BUG。在軟件正式使用前要進行部署過程，也就是將最終的可執(zhí)行文件和安裝包進行最終用戶部署。在用戶配置環(huán)境（包括硬件、軟件的安裝、環(huán)境變量的設置等）中提供軟件給用戶正常使用。

2.課程設計題目的創(chuàng)新。針對目前虛擬儀器課程設計題目乏善可陳等問題，可以從三個方面進行改進。其一，可以充分利用現(xiàn)有的實驗室硬件測試資源，以此為平臺設計一些綜合性較強的課程設計題目。其二，可以結(jié)合教師自己的科研項目，選取其中的一部分，涉及幾個難度適中的課程設計題目。其三，可以鼓勵學生自主選題，擬訂方案，編寫程序，自行設計虛擬儀器檢測系統(tǒng)。

對于這些選題都要求與生產(chǎn)實際相聯(lián)系，能解決企業(yè)產(chǎn)品檢測方面的具體問題，培養(yǎng)他們勇于創(chuàng)新精神和獨立工作能力。同時鞏固和運用已學LabVIEW語言的基礎知識、基本概念，并掌握LabVIEW程序開發(fā)的基本結(jié)構(gòu)設計方法，包括循環(huán)結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)、順序結(jié)構(gòu)等的具體使用方法和技巧，建立系統(tǒng)整體設計的思想，掌握設計方法和設計技巧。對于學生自行選擇題目，必須通過授課教師的審題。通過后方可進行，以此來考查學生綜合運用知識的能力與水平。積極拓展課本介紹的虛擬儀器技術基本應用領域，將課程設計的選題擴展到極點設備的監(jiān)控，流程工業(yè)的過程自動化控制，并用于數(shù)據(jù)信號采集和處理，全面促進教學和科研水平。

3.課程設計成績評判的創(chuàng)新。隨著社會的發(fā)展和新時期工科教育的進步，如何培養(yǎng)出現(xiàn)代社會急需的復合型和創(chuàng)新型人才，也就是既懂技術又懂管理的人才是教育工作者面臨的一個重大課題，對于測試技術與儀器專業(yè)也提出了這樣的要求。因此，對于虛擬儀器課程設計這樣一門實踐操作性非常強的課程，尤其要考慮到團隊合作與團隊開發(fā)管理工作。筆者在原有考察學生對虛擬儀器基本編程方法和基本知識掌握的基礎上增加了基于創(chuàng)新項目的綜合設計性教學改革，將學生通過自主組合和教師分配劃分為若干個小組，進行課程設計題目的開發(fā)。

對學生評價體系改革也做了個大膽的嘗試，也就是相應地要求學生自己去思考項目中的技術問題，合理分工，然后通過團隊協(xié)作去實現(xiàn)自己的想法和思路，更提倡學生自主學習，通過構(gòu)思設計模塊，細化工作，根據(jù)團隊中各人的能力差異合理分工、相互合作去完成一個實際工程問題。通過這個過程的歷練以達到掌握基本知識點，同時培養(yǎng)善于思考、團隊協(xié)作能力強、動手能力強的良好素質(zhì)。在整個課程設計開設過程及公開答辯中可以發(fā)現(xiàn)大部分學生都完成了教學目標，一些團隊進行了一些思考和總結(jié)甚至超出教師的預期，學生對該實驗的評價和心得也很好，可以看出改革是實驗教學中的一個進步。

通過上述的分析可知虛擬儀器課程非常適合將理論學習和基于項目的課程設計兩個教學環(huán)節(jié)結(jié)合起來，全面培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)和能力。通過在筆者的教學實踐活動中，綜合運用以上的教學改革措施，改變了以往以機械測試為主體需求的課程設計教學方法，更加突出了以項目實踐結(jié)合的新方向，從而將傳統(tǒng)的課程設計“小項目”擴展為創(chuàng)新性和實踐性更強的“大項目”的概念?？梢允箤W生真切地體會到做“工程”，從而改變傳統(tǒng)教育模式中“重理論 輕實踐”的偏向。通過上面這些舉措，提升了我校虛擬儀器課程設計的質(zhì)量和水平，取得了良好的實踐效果。

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（作者單位：湖南科技大學信息與電氣工程學院）

責任編輯：潘中原