《虚拟仪器技术》课程教学改革与实践

李 梅 刘俊华 袁文菊

（中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院，北京 100083）

1 引言

虚拟仪器，是电子测量仪器发展的最新阶段，是一种以计算机软件为核心，利用飞速发展的计算机技术和网络技术，加上必要的测试硬件模块，把计算机屏幕作为仪器软面板，由用户来定义的基于计算机的仪器。目前，虚拟仪器发展迅速，在工业、交通、军事、科研、教学等领域得到广泛应用。本课程学习虚拟仪器开发软件LabVIEW，掌握虚拟仪器的面板设计、程序框图设计、信号分析与处理技术。由于本课程是一门新开课，对于如何在32 学时内让学生掌握简单虚拟仪器的设计，笔者在课程内容、授课模式和考核方式等几方面做了一些探索[1]。

2 课程内容

鉴于这门课只有32 学时，而虚拟仪器技术内容非常丰富。虚拟仪器与传统仪器的不同在于它由测试硬件完成信号的采集与控制，而将信号分析与处理、结果表达与输出让计算机来完成，编制具有某种测量功能的软件就可构成具有该种功能的测试仪器。因此设计虚拟仪器的过程与主要工作内容就是编制应用软件的过程。虚拟仪器软件开发工具中最流行的是图形化编程语言LabVIEW（Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench）。LabVIEW将繁琐复杂的文本式语言编程简化成用菜单提示方式选择功能，各种功能用线条进行连接，并且提供众多的源码级的设备驱动程序、分析和表达库函数，用户可以快捷地构建自己所需要的仪器系统，它能够节省85%以上的程序开发时间，而运行速度却几乎不受影响。因此本课程主要介绍LabVIEW 编程语言以及用LabVIEW作为软件开发工具设计数据采集系统和虚拟仪器的方法。我们最后把讲课内容定为介绍LabVIEW 语言的基础知识，包括界面、菜单、工具、模块、器件、函数等，并简要介绍编程技巧及优化策略。通过本课程的学习，学生应掌握虚拟仪器设计的主要思想、图形化编程语言的原理、方法和应用技术。具体内容为：LabVIEW 基础、程序结构、字符串、数组、簇和矩阵、图表和图形、文件I/O、数据采集与仪器控制、LabVIEW 应用-信号处理、属性节点和方法节点。这些内容是虚拟仪器编程的基础，有了这些基础知识，学生看范例或者他人的程序就比较方便。

课程内容安排最主要的措施是加强了实践教学环节，理论与实际密切联系。本课程安排一半学时也就是16 学时为教师讲授的时间，边讲边带着学生操作，让学生尽快熟悉LabVIEW 编程语言的内容、方法和技巧。另外16 学时为学生动手实践的时间，学生在了解了基本原理和编程方法之后，必须通过上机实践，编写程序，上机联调，才能真正掌握。同时，实践教学对于提高学生综合素质，培养学生的创新精神与实践能力具有特殊作用。课堂教学全部在机房进行。

3 授课模式

传统的教学模式是以传授书本知识即间接经验为主，帮助学生掌握课程的知识点和知识体系，掌握一定的学科思维方法，但是传授的知识是死的知识，学生不会运用，这也就是目前很多软件编程课学生学完以后仍然不会编程的原因。为了避免出现这种情况，我们最早是借鉴NI公司的商业培训课的教学模式，把以系统传授知识为主的传统教学模式改变为完全以实战练习为中心的新的教学模式，但是这种方法也有一个弊端，因为实战练习的程序每一步都很清楚，学生跟着做完后其实仍然没有掌握。我们认为，学生能力培养需遵循由浅入深、由简单到复杂、从知识掌握到能力培养的顺序渐进的过程。因此，采取讲练结合，边讲边练，强调实训的教学方法是比较合适的，让学生自己发现问题和解决问题。

我们现在的授课模式是，在授课过程中，新讲授的内容基本是老师带着学生操作，并且完成一个简单的程序，这是学生熟悉新知识的阶段。这个阶段由老师带着做，可以减少学生不必要的摸索时间。做一个简单的程序，既能让学生学习新知识的应用，又能让他们体会成功的喜悦，激发他们的学习热情。然后，给他们布置几个题目，在课堂上让他们自己编程完成。这时，学生需要消化吸收所学内容并将其应用，这是知识的掌握阶段。这些题目有一定难度，但是学生经过思索后仍然可以解出，这种有一定挑战性的题目，能提高他们的兴趣，增强他们克服困难的信心。这些题目的完成结果计入平时成绩，可以防止一些只准备混学分的同学偷懒。最后的课程设计，学生需要综合运用所学知识开发出一个仪器或系统，学生需要掌握软硬件设计与调试技术，并且需要结合以前学过的电路知识、传感器、信号处理以及电子测量等课程的知识，在编程过程中学生会不断发现问题和提出问题，自己尝试着去寻求问题的答案，探索解决问题的途径和方法，把积累知识的过程变成同时形成能力的过程，在增进知识的同时增进创新精神和创造能力，学生会受到较全面的训练。这个阶段学生也需要互相学习和探讨，可以增强他们的团结互助精神。

我们曾经尝试过半双语教学[2]，也就是用英文的教材和教案，汉语授课，但是结果并不是太好，因为学生的英语水平没到一定程度双语教学会增加他们的学习难度，不利于提高他们的学习兴趣。

4 考核方式

这门课程是一门实践性很强的课程，因此考核方式也应该突出这一特点。原来采用期末课程设计加平时成绩的方式，但是发现很多学生学得还是不够扎实，理论知识不够，因此采用了新的考核方法，增加了期末的笔试，开学伊始就向学生做了说明，促使学生重视这门课程认真学习，同时也能够更全面更客观地考察学生的知识和能力。

本课程的课程设计是让每个学生综合应用所学内容设计一个虚拟仪器，这是多门理论课程融合、理论与实践结合的一个很好的环节，也是对学生的知识掌握、综合设计能力、创新实践能力以及文字语言表述能力进行全面的考核。采用开放式的考查方式，不限定具体的题目，学生可以自由发挥，选择自己感兴趣的课题，鼓励学生在设计过程中的创造性工作，要求每个学生独立完成避免抄袭现象的发生。同时考虑到有些学生能力所限，没有自己选择课题的能力，给这些学生提供一些参考选题。比如把数字电路、模拟电路、数字信号处理、高频电子电路、通信原理的一些实验用LabVIEW 编程实现。把这些实验经过汇总和完善，可以在这些课程的课堂教学中用于演示或者代替传统的实验箱用于学生实验。

5 结语

虚拟仪器是当前测量仪器发展的一个重要方向，它为各行业、各学科提供了一个通用的设计、研究、实验环境，同时它也是学生多门理论课程融合、理论与实践结合的一个很好的环节。

为了达到较好的教学效果，我们综合对现行的软件编程课的教学模式进行了改革，培养学生的创新精神、动手能力和解决问题的能力。经过几年的实践证明，这种教学方法较好的激发了学生的学习兴趣，提升了他们的学习潜力。

“虚拟仪器技术“课程的开设，不仅使学生初步掌握了先进的测试技术，也带动了学校实验室设备和技术的更新以及教师教学观念、方法和手段的改进。

[1]李梅，陈玉东，彭国华，刘慧芳.“虚拟仪器技术”课程教学方法的探索.煤炭高等教育，2004，(增刊)：75-76.

[2]李梅，沈海鸿，傅平.关于专业课双语教学的思考.改革与探索（中国地质大学教育教学研究论文集）.2005，121-123.

[3]张水英.“通信原理”课程教学改革探索[J].电气电子教学学报，2003，25(5)：12-14.