基于虚拟实验平台的教学改革

陈群英

摘 要：简要介绍了虚拟实验教学平台在《数字信号处理》课程中的应用。目前，在我国众多高校中，虚拟实验室已经被普遍采用，其技术非常成熟，它的引入填补了西安培华学院在这方面的空白。LabVIEW是一种功能强大的虚拟仪器开发平台，而虚拟实验是现代实验教学的发展模式，它能够有效地补充和完善硬件实验，同时，也体现出了西安培华学院“理论+案例+实践”的教学思路，是探索“因材施教、差异化培养、多元化考核标准”教学改革的方法之一。

关键词：《数字信号处理》；虚拟实验教学平台；LabVIEW；虚拟仪器

中图分类号：G642.423 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.17.120

1 《数字信号处理》课程的实验教学现状

《数字信号处理》课程的实验课分为软件实验和硬件实验。在讲解课程内容时，教师通常会利用MATLAB软件辅助教学，在课堂上演示结果，有条件的学院还会给学生开设基于MATLAB的实验课。对于这样的软件实验，要求学生必须掌握MATLAB软件，所以，在开设《数字信号处理》课程之前，学院必须先开设《MATLAB基础》课程。MATLAB软件界面和编程语言几乎是全英文的，这对大部分三本学生来说有很大的困难，所以，导致软件实验几乎无法进行。要想开设硬件实验，就需要购买实验设备、组建实验室，还需要维修，这笔费用是相当可观的，而且电子类课程硬件实验箱种类很多，实验方法大同小异，很容易出现学生提不起兴趣，实验效果不佳的情况。

LabVIEW是一种功能强大的虚拟仪器开发平台，在我国，许多大学已将LabVIEW作为本科的教学内容。虚拟实验是一种现代实验教学的发展模式，它能够有效地补充和完善硬件实验，缓解实验设备不足和资金缺乏等问题，易于维护，而且教师和学生可以从LabVIEW论坛和LabVIEW官网中得到技术支持。

虚拟实验室不仅可以满足验证实验的需要，还可以将其应用到学生的课程设计、毕业论文选题和各类电子设计大赛中。基于虚拟实验技术的教学改革是任课教师的职责，教师们应该大胆创新，将新思想、新技术引入学院教学中，不断提高教学质量，培育高素质的人才。这一想法得到了我院领导的大力支持，相关教师也将此申请为校级科研项目。目前，该项目已经在我院《数字信号处理》实验课中试点。

2 虚拟仪器软件LabVIEW

由我院的实际情况可知，学生获取电子学知识的道路是艰难的，他们在教室里学习到的概念与实际的工程应用有很大的距离。从大二开始，很少有学生能够继续坚持学习工程，因为他们被理论和仿真所压倒，没有机会去真正地“做工程”。针对这种情况，基于LabVIEW的教育工作者们可以使用现成、可用的练习或者自定的练习应用来满足课堂和实验室的需求。使用LabVIEW，学生们就拥有了实践与探索的工具，而唯一的限制就是他们的创造力和想象力。

LabVIEW作为全球院校采用的图形化编程环境，将实践性的学习带入了课堂，强化科研应用，为培养下一代创新者提供了巨大的帮助。该软件具有直观的图形化系统设计特性，便于教师和研究人员进行应用设计、原型和部署。LabVIEW是专为工程师和科学家而创建的开发环境，它被用于90%的“世界500强”制造型企业中。

3 虚拟实验室初探

2013年，我院成立了中兴电信实验教学中心。自实验教学中心成立以来，学院的各项教学改革不断深入，并基于实验教学中心完成了教学团队建设、精品课程建设、基于CDIO教学模式的全课程体系的教学改革。中兴电信实验教学中心由模拟电路实验室、数字电路与仿真实验室、通信原理实验室、电路原理与信号系统实验室、微机原理与接口技术及单片机原理与应用实验室和科研创新实验室等15个实验室组成，它们主要承担中兴电信学院电子信息工程、通信工程、计算机科学与技术、物联网工程和通信技术专业等相应课程的实验和实训、仿真实验、课程设计和电子系统设计、毕业设计等教学工作。在这个大环境下，教师们尝试在《数字信号处理》课程中引入虚拟实验室，不仅填补了我院在这方面的空白，还使我院的实验室建设迈上了一个新台阶。虚拟仪器实验平台为学生提供了良好的课程实践软件环境，也为西安培华学院培养应用型创新人才提供了巨大的帮助。

在《数字信号处理》课程中，有些实验，例如数字滤波器设计，教师在讲解各种滤波器的种类和技术指标时，学生在下面听得一头雾水，无法将理论与实际相结合。如何解决这个问题呢？教师解决这个问题通常有2种方法：①利用Matlab工具箱的函数仿真出波形让学生理解，这是建立在教师能够熟练使用Matlab软件的基础上的。但是，对于让学生动手设计滤波器的大作业任务，学生往往不能独立完成。②采取硬件实验手段。这需要购买大量的元器件，还要配套示波器、信号发生器等硬件设备。上述2种方式往往需要花费大量的时间和精力，而且还达不到预期的效果。但是，虚拟实验平台可以将理论知识融入实际工作中，让学生在虚拟仪器界面上操作，修改参数，理解在参数改变的条件下波形的变化，从而达到教学目的。

在《数字信号处理》课程教学中，除了要打破常规，利用实验室条件完成课程验证实验外，学生还需要完成由教师专门设计的相关综合类和设计类项目课题。

《数字信号处理》课程教学改革项目的实施共分为3个阶段：①基础培训。介绍LabVIEW程序设计基础，包括界面、菜单、工具、模板、器件和函数等。授课方式为小班授课，每次20人，每次培训后布置一项针对培训内容的大作业，课后提交作业并当场演示。为了避免学生之间的互相抄袭，教师针对每次大作业设计了相同水平的不同题目，参与基础培训课程的学生只有考核合格后才能进入下一阶段。基础培训阶段结束后，因为学生的基础不同，所以，将学生分为不同层次，因材施教。教师要针对学生综合性地设计题目，以保证每个学生都能参与到实验中。②立项阶段的具体实施方案要遵循我院CDIO教学理念。CDIO教学理念主要是指“学中做”，即学生3～5人为一个项目小组，可以结合自己的兴趣和水平自拟实验项目，也可以从教师提供的项目题目中选择。确定题目后，每组学生要写一份简单的项目方案计划书，教师根据该计划书，针对方案的内容提出相应的建议和指导。通过“做”，让学生确定学习目标，将理论知识与实际情况相结合，深入了解理论知识在实际工程项目中的应用，从而提高他们的学习兴趣。这样做，学生比以前忙碌了许多，问问题的学生也多了许多。“做中学”，即通过“做”学到什么，每个项目从构思、设计、运作到完成，每个步骤都是学习的过程。学生参与这样的几个项目之后，大大提高了他们的工程实践和创新能力，而且通过这种项目式的自主学习，学生也对实际工程项目和科研项目有了一定的感性认识。在这个过程中，他们学会了钻研，能够独立解决实际工程中遇到的各种问题，并依靠团队合作保证项目进度。③在第三个阶段——展示和答辩环节，学生需要简短而凝炼地表达出自己所做的工作和取得的成果。这个过程能够锻炼学生的表达能力和沟通能力。

此次虚拟实验教学改革效果良好，虽然教师为教学改革付出了很多，做了大量辛苦的工作，但是，他们积累了宝贵的教学经验，而学生也通过自己的努力收获了知识和能力。在未来的工作中，要想让优秀学生脱颖而出，优秀学生就要起到带头的作用，在不同层次、不同年级学生之间营造浓厚的学术氛围，将“要我学”转变为“我要学”。同时，依托虚拟实验室，积极组织、训练学生，让他们参与到科技竞赛中。

4 教学改革前后效果分析

实实在在的过程性考核、作品展示、讨论答辩和民主评议突显了基于项目式教学改革的优势，其与传统教学内容、教学方法、笔试考试相比有很大的不同。

5 结束语

西安培华学院在《数字信号处理》课程中首次引入了虚拟实验室，取得了良好的效果，为其他课程的实验教学提供了改革方向。学生们基于LabVIEW图形化系统设计平台能够快速提升自己的实践能力，而创新的教学改革思想和项目运作过程的经验总结也成为了学校教学改革的宝贵财富。同时，这也为学生创造了良好的软件环境。教学改革成功的关键在于，学院在人才培养过程中要采用校企合作模式。今后，我们将不断完善虚拟实验室建设，将更多课程教学引入虚拟实验室中，使其成为一个完整的实验教学体系。

参考文献

[1]Robert H.Bishop.LabVIEW 6i 实用教程[M].乔瑞平，译.北京：电子工业出版社，2003.

[2]戴敬，王世力.LabVIEW 基础教程[M].北京：国防工业出版社，2002.

[3]杨乐平，李海涛，杨磊.LabVIEW程序设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2001.

[4]丁幼春.以电子设计大赛为契机推进实践教学环节改革[J].华中农业大学学报（社会科学版），2007（6）.

〔编辑：白洁〕