《虚拟仪器技术》教学改革初探

王成　杨锁昌　孟晨　范书义

摘要：根据虚拟仪器技术课程的教学特点，针对学员在学习过程中对课程存在的各种误解，对该课程教学工作进行了探索性改革。在该课程讲授过程中，通过运用项目化教学和案例式教学模式，学员能够将虚拟仪器技术与计算机、装备检测等专业知识融会贯通；通过采用试探教学法和大实验室概念，在课程实践教学中培养了学员的动手和创新能力。实践结果表明该课程的教学改革尝试初步取得了预期效果。

关键词：虚拟仪器技术；教学改革；项目化教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）04-0138-02

一、引言

“虚拟仪器技术”课程是军械工程学院研究生测量计量技术及仪器专业选修课，该课程系统讲述虚拟仪器技术基本概念、自动测试系统集成软件逻辑架构、层次结构、技术规范和关键技术，以及各类虚拟仪器的硬件结构、驱动方式、性能指标、编程思路，是一门综合技术应用课程。

随着计算机软硬件技术的发展，自21世纪初，“软件即仪器”的全新理念方兴未艾。LabView和LabWindows/CVI软件用户群越来越多，选修该课程的学员也越来越多。然而近几年来，教学过程中发現选我院选修该课程的学员人数却呈下降趋势，而且学员学习兴趣不够浓厚。经过调查分析，发现学员在学习过程中对虚拟仪器技术存在以下误解。

误解1：进行电路仿真时才用虚拟仪器。部分学员认为只有在进行电路仿真时，才需要使用虚拟仪器，在他们心目中“虚拟仪器=MultiSim+LabView”，前者用于电路原理仿真，后者用于开发虚拟仪器界面。虚拟仪器最早由英文“Virtual Instrumentation”翻译而来，“虚拟”一词让学员误解为其应用只是纯软件仿真。

误解2：只有VXI、PXI总线仪器才是虚拟仪器。部分学员认为VXI、PXI总线仪器才属于虚拟仪器，而这些仪器大多在实验室使用，在实际工程应用中比较少见，因目的性不强，导致他们学习动力不足。

误解3：只有LabVIEW、LabWindows/CVI才可以开发虚拟仪器。部分学员认为这两个软件开发仪器界面比较简单，但是在其他领域用处不大；还有部分学员认为其他开发工具不适用于虚拟仪器软件开发，或者开发虚拟仪器难度太大。

针对上述学员存在的各种误解，笔者在近两年的教学实践中进行了探索性教学改革，通过运用项目化教学和案例式教学模式，学员能够将虚拟仪器技术与计算机、装备检测等专业知识融会贯通；采用试探教学法和大实验室教学法，在课程实践教学中培养了学员的动手和创新能力。

二、教学改革探索

1.虚拟仪器与面向对象技术结合进行项目化教学。项目教学模式，是师生通过共同实施一个完整的项目工作而进行的教学活动[1]。在以往虚拟仪器课程教学中，讲授数字信号的异步串行通信时，主要讲授数据串行传送的概念、格式、波特率和时钟、通信方式等，在讲授数据串行传送格式时，要求学员利用“串口调试助手”软件进行数据发送，利用示波器进行数据监控，但是在实际教学过程中，由于示波器屏幕太小，教学时对数据格式分析不方便，另外部分学员认为有了“串口调试助手”软件，自己无须关注串口数据通信格式，使得一些学员对相关知识掌握得不牢、不透。

针对上述情况，考虑到多数学员都已有C语言基础，部分学员学习过C++语言和面向对象知识，而且对研究生学员应重点培养其自我学习能力与工程实践能力。所以，在教学过程中设计了一个“利用C++开发串行通信协议分析软件”的教学项目。要求学员在VC6开发环境下，设计串行通信协议分析类，能够根据参数设置，自动绘制波形，并能够分析波形。这样通过实施完整的工程项目展开相关教学活动，一方面实现了将虚拟仪器与面向对象技术有机结合起来，使学员消除了“只有LabVIEW、LabWindows/CVI才可以开发虚拟仪器”的误解，另一方面给研究生学员创造了在本科学习阶段没有的从事完整软件开发项目的机会。因此极大地激发了学员的学习兴趣。此外，在教学过程中注意引导学员运用软件工程思想展开项目开发，即使学员能够亲身体验“编写需求文档、面向对象分析、编写程序、软件调试”四个完整的软件开发过程。经过两个教学班次的努力，由学员开发的“串行通信协议分析软件”完成了所有预期功能。

学员在项目开发过程中不仅对串行通信相关知识有了深刻理解，并且对于虚拟仪器具体应用和程序设计的能力都得到了加强，通过项目化教学模式，学员普遍认为达到了“在编程中学虚拟仪器，在虚拟仪器中学编程”的效果。

2.虚拟仪器与装备检测结合进行案例式教学。麻省理工、加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校等美国顶尖工程院校，均将虚拟仪器技术教学引入其学生培养的全阶段之中，并且将其概念和方法渗透至其他多学科教学（如机械、电气、通信、环境、自动化、土木、生物医学等），同时在教学中采用理论教学、教学实验与项目实践相结合的模式，贯穿于整个高等教育阶段[2]。

针对我院学员课题研究方向大多围绕装备检测展开，借鉴国外高校项目教学模式思路，在教学过程中将虚拟仪器与装备检测结合开展了案例式教学。案例教学是一种以案例为基础的教学模式（case-based teaching）。案例本质是提出一种教育的两难情境，没有特定的解决指导，而教员于教学中扮演设计者和激励者角色，鼓励学员积极参与讨论，而不像传统的教学模式，教员是一位很有学问的人，扮演着传授知识者的角色。

过去讲述虚拟仪器中的数模转换器（D/A）部分内容时，侧重于介绍其基本概念和编程实现方法，缺乏应用环境的讲述，使得部分学员觉得“数模转换器可以产生电平，但驱动能力不如程控电源；可以产生波形，但功能不如任意波形发生器强大”。针对这种误解，在教学过程中结合某型便携防空导弹发射机构敌我识别功能检测中需要一个恒流源的案例，引导学员围绕如何产生恒流源进行分析。有学员认为可以直接购买一个恒流源，教员分析这种方案会使得成本和体积都大大增加。通过引导学员“数模转换器可以实现电平的变化，而恒流源可以通过控制外围电路电平的变化实现输出电流的变化来实现”，最后和学员一起分析得到该案例的解决方案。由于所选案例紧贴装备检测，贴近学员课题研究与工作实际，他们有兴趣参与案例分析。通过案例式教学，不仅使得学员对于数模转换器的概念与应用有了深刻印象，而且提高了学员应用虚拟仪器分析问题、解决问题的能力。

3.试探教学法在虚拟仪器教学中的应用。随着虚拟仪器技术的快速发展，虚拟仪器技术的应用也早已突破最初的仪器控制和数据采集的范畴，而向更加纵深的方向发展，而且研究生教育中应更加重视学员自学能力的培养，为此，在虚拟仪器教学过程中实践了试探教学法。

试探教学法的基本观点是“学生能尝试，尝试能成功，成功能创新”，特征是“先试后导，先练后讲”。试探教学法的基本模式通常分七步进行：准备练习→出示尝试题→自学课本→尝试练习→学生讨论→教师讲解→第二次尝试练习，这种教学方法最早应用在小学数学教育中取得了很好的效果，而后发展到语文、常识等学科，又从小学发展到中学、大学；从普教发展到幼教、特教、职教。大量的教学实践充分证明：“学生能在尝试中学习”带有普遍意义。

在虚拟仪器技术课程的虚拟仪器板卡使用实验课中采用了试探教学法。试验题目是仿照NI—SWITCH软件设计通用开关调试软件。以往实验课都是先由教员讲述开关板卡使用方法和注意事项，学员完成程序编写，教员检查程序后，学员逐项完成试验项目。采用试探教学法后改为学员学习使用NI—SWITCH软件，阅读开关卡使用说明书，编写通用开关调试软件，教员讲评，学员修改的步骤。学员尝试后普遍对于虚拟仪器技术的核心思想“通過软件去定义硬件的功能”有了更深的认识。当然在学员尝试过程中，由于学员设计不成熟也出现了个别开关板卡上的继电器被烧坏的现象，此时，就需要将尝试进行到底，即让学员通过阅读使用说明书定位故障继电器，购置同型继电器，自行修复板卡。通过这种尝试使学员普遍反映工程实践能力得到了极大提高，并且培养了学员的尝试精神，为学员后续开展创新课题研究也产生了积极的影响。

4.将“大实验室”的概念引入虚拟仪器实践教学。国内外高校十几年的教学实践证明，虚拟仪器技术的教学非常适合将理论学习、课程实验以及基于项目的动手实践三者相结合，全面培养学生的各方面能力。为了更进一步提高学员学习兴趣和实践能力，将传统的实验室概念扩展为“大实验室”概念，即让学员利用课外时间在实验室之外完成相关练习作业或创新项目，作为对实验室实验项目的有益补充。过去，受制于硬件设备的限制，学员在课外所能完成的主要是一些纯软件性质的编程练习。购置了泛华测控的nextBoard、nextKit、nextkit nano、nextPad软硬件平台后，数据采集模块设计小巧，便于携带，而且I/O部分电路采用特别设计，即使连线错误也不会损坏数据采集硬件，教员可以放心地借给学员短期使用，也利于提高实验室资源利用效率。

三、结语

经过两期“虚拟仪器技术”的教学改革探索，使得学员摆脱了以往对虚拟仪器技术存在的各种误解，通过项目化教学和案例式教学模式，达到了使学员将虚拟仪器技术与计算机、装备检测等知识融会贯通的学习目的，通过试探教学法和“大实验室”概念，在课程实践教学中提高了学员学习兴趣和实践能力，实现了学员课程学习与将来科研工作或实际工程地无缝衔接[3]。选修该课程学员人数的回升，学院对虚拟仪器技术授课质量评价的不断提高，都表明该课程的教学改革尝试初步取得了预期效果。

参考文献：

[1]周立波，王凌云.突出技能培养的《CAD/CAM技术》课程改革[J].教育研究与实验，2013，（04）：32-33.

[2]邱学华.尝试教学研究50年[J].课程·教材·教法，2013，（04）：3-13.

[3]孙蓓.基于虚拟仪器技术的实验教学改革研究[J].科技信息，2011，（31）：287，337.