虛擬儀器技術(shù)及應(yīng)用課程教學改革的研究

摘 要：為了改變大三學生平時不努力學習、臨考才根據(jù)猜題進行選擇性“突擊”而死記硬背的現(xiàn)狀，文中結(jié)合虛擬儀器技術(shù)及應(yīng)用課程的總課時、學生對于教學內(nèi)容的實際理解程度和接受情況，從課前預(yù)習安排、課堂教學方式及測試題設(shè)計、課后作業(yè)及期末考試形式等方面進行改革，使得學生的總評成績過程化更明顯，涉及到每次課堂測試、課后作業(yè)、實驗操作、實驗數(shù)據(jù)整理、期末考核等。實踐結(jié)果表明，側(cè)重過程化考核之后，學生的學習積極性有所提高，項目式考核方式使得學生在學習期間更注重舉一反三地對程序設(shè)計進行理解與掌握，促進學生融匯貫通地應(yīng)用知識。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器技術(shù)；教學方式；考試形式；過程化考核；總評成績；課程改革

中圖分類號：TP39；TN06 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）11-0-03

0 引 言

虛擬儀器是將現(xiàn)有的計算機技術(shù)、軟件技術(shù)和高性能模塊化硬件結(jié)合在一起而建立的功能強大且靈活多變的儀器。虛擬儀器技術(shù)是測試技術(shù)和計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，融合了測試技術(shù)、儀器原理、計算機接口技術(shù)以及圖形化編程技術(shù)[1-2]。美國國家儀器公司的創(chuàng)新產(chǎn)品LabVIEW是目前應(yīng)用最為廣泛的虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境，開設(shè)該課程的目的是使學生熟悉圖形化編程環(huán)境，學習圖形化編程語言，掌握G語言編程技術(shù)，能夠熟練應(yīng)用LabVIEW開發(fā)虛擬儀器產(chǎn)品，以滿足現(xiàn)代測量技術(shù)發(fā)展的需求。

虛擬儀器技術(shù)及應(yīng)用課程的教學內(nèi)容主要包括LabVIEW基礎(chǔ)知識、數(shù)據(jù)操作、數(shù)組數(shù)據(jù)和簇數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換、程序結(jié)構(gòu)、變量與節(jié)點、圖形和圖表顯示、LabVIEW數(shù)據(jù)采集。教師會系統(tǒng)地講授LabVIEW中基本VI的創(chuàng)建與編輯、常用的數(shù)據(jù)類型、數(shù)組數(shù)據(jù)、簇數(shù)據(jù)、常用數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換、循環(huán)結(jié)構(gòu)、條件結(jié)構(gòu)、順序結(jié)構(gòu)、變量與節(jié)點、子程序設(shè)計、常用的圖形和圖表顯示舉例等內(nèi)容。

三亞學院新能源與智能網(wǎng)聯(lián)汽車學院之前是將虛擬儀器技術(shù)及應(yīng)用課程安排在大四第一學期（秋季學期），但這一階段學生更關(guān)注于備考碩士研究生、備考公務(wù)員或事業(yè)單位、參加招聘會等事宜，因此課堂教學的考勤情況和學習積極性提升方面的效果都不理想，驗證性實驗無法激發(fā)學生的學習興趣，考試形式單一，教學效果與預(yù)期差距大。

虛擬儀器是基于計算機的軟硬件測試平臺，它可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器[3-4]，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、頻譜分析儀等，可集成于自動控制、工業(yè)控制系統(tǒng)，可自由構(gòu)建成專有儀器系統(tǒng)，可將部分實驗課程需要的昂貴的硬件實驗設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖崿F(xiàn)。為提高學生對專業(yè)核心課程的掌握程度，我院在電子信息工程、測控技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)的大三第二學期開設(shè)虛擬儀器技術(shù)及應(yīng)用課程。

1 教學目標

虛擬儀器技術(shù)及應(yīng)用課程是我院大三測控技術(shù)與儀器、電子信息工程專業(yè)的專業(yè)核心課[5]。大三學生的關(guān)注點還在于學校知識的學習，掌握一定的專業(yè)基礎(chǔ)知識、C語言編程基礎(chǔ)，以及一定的程序設(shè)計能力。具體的教學目標如下：

（1）培養(yǎng)學生使用圖形化編程語言G語言編寫程序的思維方式。LabVIEW能夠為用戶提供簡明、直觀、易用的圖形編程方式，將繁瑣復(fù)雜的語言編程簡化成通過菜單提示選擇功能，并且用線條將各種功能連接起來。

（2）通過本課程的學習，學生能夠?qū)W習和掌握虛擬儀器設(shè)計的基本概念和基本方法，學會應(yīng)用圖形化語言進行編程和設(shè)計。本課程的實踐性較強，通過課堂講解和例題分析，讓學生掌握設(shè)計過程，如題目分析、電路組成、程序設(shè)計等環(huán)節(jié)。采用講練結(jié)合的方式，通過例題學習指令及其應(yīng)用，同時采用仿真平臺輔助教學，培養(yǎng)學生的設(shè)計能力[6]。

2 教學方式

通過分析、研討教學大綱，確定課程內(nèi)容體系，進而制定有效的教學方案，最終形成完善的電子教案、多媒體課件、自編實驗指導書。

本課程教學場地有計算機機房和實驗室。其中，在機房主要進行理論講授，教師編程演示，學生自己嘗試進行軟件編程；在實驗室的主要授課內(nèi)容是：NI ELVIS II工作環(huán)境的使用講解和演示，項目編程和硬件電路搭建的實踐操作。本課程實踐性較強，教師通過課堂講解和例題分析，能夠讓學生學會設(shè)計過程，如題目分析、電路組成、程序設(shè)計等。教師采用講練結(jié)合的方式，通過例題學習指令及其應(yīng)用，同時采用仿真平臺輔助教學，培養(yǎng)學生的設(shè)計能力。教學過程中將多媒體課件與LabVIEW軟件操作相結(jié)合[7]，將知識內(nèi)容的講解和例題分析、習題練習相結(jié)合，提高學生掌握知識的能力和應(yīng)用知識的能力。

（1）計算機機房：教師在機房講授基本知識的同時，還會要求學生結(jié)合以前所學知識，基于LabVIEW設(shè)計流水燈、模擬汽車的表盤（圖1）、交通燈（圖2）、四位密碼鎖等項目，加深對該課程的學習程度。

（2）實驗室：在NI ELVIS II工作環(huán)境下，使用虛擬儀器對電子元器件的參數(shù)進行測量，如電阻值、電容值、電流、電壓，觀察瞬態(tài)電路的電壓變化，操作可變電源，分析二極管和三極管的特性；結(jié)合學生之前掌握的電路分析或電工學知識進行RC串聯(lián)電路充放電過程監(jiān)測系統(tǒng)的LabVIEW編程和硬件電路搭建，采用虛擬儀器進行電壓波形的測量，加深對電容、電壓與電流的關(guān)系等知識的理解和應(yīng)用；結(jié)合單片機原理及應(yīng)用方面的基礎(chǔ)知識，基于LabVIEW實現(xiàn)防盜自動報警系統(tǒng)的設(shè)計；根據(jù)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)計基于ELVIS的運放濾波器，包括反向運算放大器，高通、低通和帶通濾波器的設(shè)計[8-9]；設(shè)計基于ELVIS的直流電機轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)，使學生理解直流電機、運動傳感器的工作原理[10]。

3 考核方式

將課程的總評成績細分到整個學期的每次課上，合計成績=課堂測試（20%）+課后作業(yè)（20%）+實驗成績（20%）+期末考試（40%）。我院本門課程設(shè)置為30學時，其中15學時安排在計算機機房（8周課，前7次每次2學時，第8次為1學時），15學時安排在實驗室（5個項目，每次3學時）。

（1）理論教學部分。首先，需要給機房的計算機安裝LabVIEW軟件；其次，每次在雨課堂發(fā)布題目均為百分制，取7次平均分計入總評。其中，課堂測試7次，主要為客觀題，一般臨近上課前通過雨課堂發(fā)布，當次課下課時停止答題；答題時間截止，學生可查看本次測試成績。以此提高學生上課出勤率并讓學生在課上集中精神。課后作業(yè)7次，有客觀題和主觀題，學生可以在自己電腦上安裝LabVIEW軟件完成主觀題設(shè)計，并提交至雨課堂。主觀題編程思路多樣化，只要完成技術(shù)指標即可，以此激發(fā)學生的興趣和學習積極性。計算機機房課堂測試和課后作業(yè)如圖3所示。

（2）實踐實訓部分。在實驗室主要進行實驗和期末考試，需要用到LabVIEW和Multisim軟件、NI ELVIS II實驗臺。其中，5次實驗課中，針對每個實驗都錄制預(yù)習視頻，提前發(fā)給學生預(yù)習，根據(jù)每個學生項目指標完成、實驗報告數(shù)據(jù)整理等情況評定該次項目得分，每次總分為百分制，將5次的平均分計入總評。以此激發(fā)學生的學習主動性，提高學生的動手能力和創(chuàng)新能力。期末考試有4個項目，難度相當；每場考試10人，每人均從4個項目中抽題考試，每場的4個

項目元器件參數(shù)、項目指標均有改動；根據(jù)學生在規(guī)定時間內(nèi)完成的技術(shù)指標、項目報告進行百分制評分。以此培養(yǎng)學生的融會貫通能力。

4 改革效果

在雨課堂教師端，可以實時查看完成答題的學生名單、未完成答題的學生名單、每個學生的得分情況、班級最高分和平均分、每道題的正確率等信息。根據(jù)學生答題情況，可以調(diào)整授課進度和側(cè)重點，對于答題得分比較低的同學及時溝通了解原因，并進行針對性的幫扶。明確學習內(nèi)容，營造學習環(huán)境，讓學生認識到學習目的除了掌握知識外，還要讓知識為我所用。通過實驗數(shù)據(jù)驗證理論知識，做到理論和實踐相結(jié)合，嚴謹治學。

經(jīng)過改革，大部分學生的學習主動性都得到了提高，更在意每次課的得分情況，對失分點有疑問的同學，也會和教師探討需要完善的程序和要注意的技術(shù)指標，促進了師生交流，學生的期末成績整體上也有明顯的提高。通過本課程的學習，學生能鞏固復(fù)習專業(yè)知識，做到融會貫通，既鍛煉了學生編程、設(shè)計電路的能力，同時也提高了專業(yè)知識的綜合應(yīng)用能力。

5 不足之處

課程教學改革使得整體教學效果有所提高，但仍然有以下不足之處：

（1）實驗室設(shè)備不足，平時實驗課不能滿足每名學生獨立操作的需要；考試時，一場考試只能安排10人，評分專業(yè)性強，任課教師要在非上課時間自行安排多場監(jiān)考，監(jiān)考任務(wù)繁重。

（2）每個實驗項目安排3學時，很多學生沒有預(yù)習實驗的習慣，部分學生無法在上課時間達到項目要求的各項技術(shù)指標，導致經(jīng)常性拖堂。

（3）個別學生學習積極性依然不高，實驗操作時甘愿充當配角，靜等搭檔完成實驗項目，坐享實驗數(shù)據(jù)。

6 結(jié) 語

經(jīng)過改革，大部分學生通過本課程的學習，掌握了虛擬儀器設(shè)計的基本概念和基本方法，學會了應(yīng)用圖形化語言進行編程和設(shè)計。本課程的實踐性較強，先通過課堂講解和例題分析，讓學生掌握設(shè)計流程，如題目分析、電路組成、程序設(shè)計等環(huán)節(jié)。然后采用講練結(jié)合的方式，通過例題學習指令及其應(yīng)用，同時采用仿真平臺輔助教學，進而培養(yǎng)學生的設(shè)計能力。在今后的授課過程中，教師依然要堅持過程化學習，調(diào)動學生學習的主動性，提高教學質(zhì)量。

參考文獻

[1]高軍芳，鄭華文.基于ELVIS和LabVIEW的直流電機轉(zhuǎn)速檢測與控制[J].實驗科學與技術(shù)，2023，21（4）：91-98.

[2]姚吉威，雒健輝，師巾霞.基于LabVIEW的飛機機電系統(tǒng)的測試研究[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2023，36（4）：138-140.

[3]紀樹利.虛擬儀器技術(shù)在電子測量中的應(yīng)用[J].工程技術(shù)研究，2017（4）：98-99.

[4]王槐生，李娟娟.虛擬儀器在“電子測量技術(shù)”教學中的改革與應(yīng)用[J]. 中國電力教育，2011（11）：107-108.

[5]付三麗，汪源，黃恒一，等.課程“三度”建設(shè)背景下虛擬儀器技術(shù)課程的教學模式改革[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2020，10（9）：115-117.

[6]黃淑芬，朱穎，朱宏林.微課與項目式教學法結(jié)合的虛擬儀器技術(shù)課程改革研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2020（13）：78-80.

[7]馬春燕，賈燕冰，鄭麗君.一書一課一空間—單片機原理與接口技術(shù)課程教學改革與實踐[J].高教學刊，2023，9（23）：23-27.

[8]張倩，呂宵宵，張志萍，等.結(jié)合虛擬儀器技術(shù)的數(shù)電課程教學研究[J].計算機時代，2021（11）：107-110.

[9]張勇，寧武，孟麗囡，等.基于虛擬儀器的程控放大電路測控裝置設(shè)計[J].電子器件，2023，46（4）：921-926.

[10]李敏艷，陳立文，蔣偉，等.基于虛擬儀器的直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的仿真與實現(xiàn)[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2022（19）：30-32.

作者簡介：付三麗（1985—），女，碩士，講師，研究方向為虛擬儀器技術(shù)、電子信息。

汪 源（1984—），男，教授，研究方向為電工電子技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)。

馬子淼（2003—），男，研究方向為虛擬儀器技術(shù)。

蔣慶春（2004—），男，研究方向為虛擬儀器技術(shù)。

趙欣揚（2002—），男，研究方向為虛擬儀器技術(shù)。

翁耀明（2004—），男，研究方向為虛擬儀器技術(shù)。

收稿日期：2023-11-16 修回日期：2023-12-15

基金項目：2022-2023春季學期第四批數(shù)字化課程建設(shè)項目（SYJKS2023030）；2022-2023秋季學期產(chǎn)品思維導向特色課程改革項目（SYJKCP2023088）