“虚拟仪器技术”课程教学改革探索与实践*

谢启　陈飞　徐伟（常熟理工学院电气与自动化工程学院，江苏常熟215500）



“虚拟仪器技术”课程教学改革探索与实践*

谢启陈飞徐伟
（常熟理工学院电气与自动化工程学院，江苏常熟215500）

摘要：针对“虚拟仪器技术”课程的特点，结合我校教学实际情况，围绕优化课程教学内容、改进教学方法与教学手段、开展科技创新训练、创新课程考核方式等方面进行了课程教学改革探索与实践，使学生掌握必要的虚拟仪器技术基本理论，提高学生综合分析问题和解决问题的能力。实践证明，教学改革激发了学生的学习兴趣，增强了学生的实践能力、应用能力和创新能力，取得了良好的教学效果。

关键词：课程建设；教学改革；虚拟仪器技术

Abstract:Aiming at the characteristic of Virtual Instrument Technology course, we have made some teaching reform and researches combing with the teaching practice of our school, such as optimizing the teaching content, enriching teaching methods and teaching means, developing technological innovation training, innovating examining method etc. In this way, the necessary theory on the course has been mastered, and the students' ability of analyzing and solving problems comprehensively has been improved. Practice has proved that the teaching reform has stimulated the students' learning interest, enhancing the students' practical ability, application ability and innovation ability, and achieved good teaching effect.

Keywords:course construction; teaching reform; virtual instrument technology

虚拟仪器技术是计算机技术、测试技术和通信技术等多门技术相结合的产物，是多门学科的最新技术的结晶，融合了测试理论、仪器原理和技术、计算机接口技术、高速总线技术以及图形化软件编程技术于一身，实现了测量仪器的集成化、智能化、多样化及可编程化，代表了未来仪器的发展方向，是未来测试领域中的主流技术，具有重要的实用意义。如何普及、提高虚拟仪器技术已经引起国内高校的普遍重视，各高校相关学科专业纷纷开设与虚拟仪器技术相关的课程并将相应的课程作为一门重要的课程进行建设[1-3]。

常熟理工学院从2011年开始开设了“虚拟仪器技术”课程，作为测控技术与仪器专业的一门核心课程，该课程主要是针对区域装备制造业企业对电子电气设备检测及产品测试岗位的需求，培养学生应用虚拟仪器技术构建基本测控系统，进行相关设备及产品测试的专业应用能力。针对“虚拟仪器技术”课程实践性、综合性、应用性强的特点，近几年来，我们按照应用型人才培养的目标，对该课程教学不断进行改革、探索和实践，取得了较好的成效。文章主要围绕优化课程教学内容、改进教学方法与教学手段、开展科技创新训练、创新课程考核方式等方面介绍了对“虚拟仪器技术”课程教学改革进行探索与实践过程中的工作与经验。

一、优化课程教学内容，培养学生应用能力

“虚拟仪器技术”课程是利用LabVIEW软件开发虚拟仪器的一门应用课程，本课程主要内容包括虚拟仪器的相关知识与LabVIEW入门，LabVIEW软件的程序结构、数组、簇和波形、图形显示、字符串和文件I/O、数据采集、数学分析与信号处理、LabVIEW程序设计技巧、仪器控制等[4-6]。“虚拟仪器技术”课程的基本任务是：通过本课程的学习，让学生学习和了解虚拟仪器的原理及开发技术，掌握虚拟仪器软件平台Lab-VIEW的基本编程方法及调试技术，基于虚拟仪器技术并结合多功能数据采集卡来完成相应的测控系统设计。

“虚拟仪器技术”课程教学内容改革的主导思想为：围绕区域装备制造业企业的电子电气设备检测及产品测试岗位对虚拟仪器技术的需求，课程教学内容由校企双方共同制定，注重模拟和利用行业企业真实的生产工作状况，与科学研究、工程实际和社会应用实践密切联系。以突出学生对测控系统的工程设计能力培养为主线，通过校企合作、教师科研成果向教学资源转化，以及学生创新成果向教学资源转化，提升课程建设水平。

因此在教学内容的安排上，需要对课程知识点进行了梳理，根据应用型人才培养要求，以工程实践能力培养为目标，以任务为导向，以项目为载体，将知识点融入到一个个具体的项目中去，形成教学模块。根据项目的难易程度，分成基础篇、设计篇和综合篇三大块内容。基础篇主要介绍虚拟仪器的相关知识、LabVIEW软件开发平台使用、典型测控系统构成等基础知识点，设计篇主要介绍LabVIEW软件开发平台编程方法与程序设计与调试，综合篇主要讲述基本测控系统设计概念，以常熟理工学院与依托企业合作完成的科研项目作为工程背景（即教学案例），围绕虚拟仪器技术的典型应用（数据采集和仪器控制）提炼出多个典型工业应用案例，给出从硬件配置及接线到LabVIEW编程调试、整个系统的设计方案与实施过程及测控效果。调整后的每一个教学模块包括理论教学和实验教学两部分内容，知识目标和能力目标明确，具有较好的系统性和相对独立性，便于理实一体化教学的开展。

通过深化教学内容改革，优化教学内容体系，课程教学所用到的项目均源于依托企业提供的工业自动化实际应用或教师科研项目，具有很好的实际应用价值，项目之间既有关联又相对独立，并且具有行业针对性。所有的教学情境以真实测控对象为载体，解决了传统教学软硬件分离的问题，使得教学内容不仅仅局限于教材。采用演示——案例——互动教学法激发学生的学习兴趣与积极性。教学内容深入浅出，循序渐进，突出重点和难点。

二、改进教学方法与教学手段，引导学生自主学习

“虚拟仪器技术”课程是一门实践性很强的课程，其课堂理论教学与实践教学不可分割[7-10]，根据学生的认知规律和教学规律，课程在教学方法与教学手段上进行了以下的尝试。

（一）项目驱动法教学

教学内容以工程项目为教学主线，通过设计不同的教学项目，每个项目包含若干个任务，巧妙地将知识点和技能训练融于各个项目之中，各个项目按照知识点与技能要求循序渐进地编排，形成理实一体化教学模块。教学模块的目标明确可达，项目贴近实际工程，控制效果直观，项目驱动教学法明显提高了学生学习的积极性和参与度。

（二）案例分析法教学

充分利用常熟理工学院与美国国家仪器有限公司联合共建的先进测控技术联合实训中心和教师科研平台，采用研究性教学方法中的案例教学法和基于问题解决的学习方法，注重实践、科研和工程实际紧密结合，注重对学生理论知识应用能力的培养，以工程案例为主线，理论与实践相结合的教学方法，将科研成果引入“虚拟仪器技术”课程教学，创设与现实相近的教学情境。

在教师的指导下，根据教学目标，将教学与工程实践中的真实项目案例加以典型化处理，组织学生对案例进行思考、分析、讨论，引导他们进行自主探究性学习，培养独立思考和主动学习的能力。采用案例教学法充分调动了学生的学习积极性，使其思维空间得到开拓，提高了学习兴趣；同时，使学生学会用所学的理论知识，分析和解决实际工程问题。

（三）理论与实践一体化教学

对现有的理论教学和实验教学进行改革，把理论教学与实验教学环节整合在一起实施理论实践一体化教学。理论实践一体化教学在先进测控技术联合实训中心进行，教学过程中转变教师与学生的角色关系，强调充分发挥教师的主导作用和学生的主体地位，通过设定教学目标和教学任务，让师生双方边教、边学、边做、边讨论，丰富课堂教学和实践教学环节，提高教学质量。

（四）构建课程网络学习平台

依托学校的教学资源建成了“虚拟仪器技术”网络课程，把先进的信息技术手段应用到教学中。通过网络教学平台的使用，实现网上发布作业、网上答疑，学生很容易地与教师对课程学习中的问题，不受时空限制，进行远距离的交流。任课教师加强课间或课外与学生的交流，辅以网上答疑，不仅能够解决同学在学习中的疑问，通过个别交流还能了解学生对教学的个别需求，从而改进教学方法。

（五）重视多媒体课件的开发与应用

将任课教师的最新科学研究成果加以总结、提炼、制作成多媒体课件，以动画、图片、录像的形式充实到相应的课程章节中，极大的丰富了教学内容，使得课堂中看似复杂的理论知识与现实生活中的实例结合起来，以便于提高学生学习的兴趣，同时使学生能够及时获取最新的科研成果，拓宽本科生的知识面，为培养学生的创新思维打下良好的基础。通过实际工程背景和问题情境吸引并维持学生的兴趣，使他们积极寻找解决问题的方法，为他们将来进入社会更快地适应工作环境打下良好的基础。

三、开展科技创新训练，培养学生创新能力

为了鼓励和支持学生在课余时间参加开放式实验教学、科研和第二课堂活动，进一步加强素质教育和学生创新能力的培养，培养学生的实践能力和创新精神，课程不断探索学生创新能力培养新途径，规范有序地做好先进测控技术联合实训中心的开放工作，逐步形成高素质应用型创新型人才培养机制，以学生自主学习能力、工程实践能力、创新创业能力和大学生职业素养培养为核心，鼓励学生进行创新训练。

课程将兴趣小组、科技创新项目、学科竞赛三个不同层次的活动贯穿其中，为学生营造浓厚的科技文化创新氛围，全方位培养技能型、创新型人才。

按照实验室设备资源分为数据采集组、网络通信组、机器视觉组、机械臂组与机器人组共五个兴趣小组。学生针对自身的兴趣爱好选择进入实训中心的相关的兴趣小组。

1.数据采集组：借助于ElVIS和nextboard平台完成对各种模拟信号和数字信号的采集，针对实际的应用场合，构成具有特定功能的监测系统。

2.网络通信组：借助于nextboard平台，配以WiFi模块、GPS模块、GPRS模块、物联网模块开展研究。如：基于物联网的智能家居系统设计与制作，基于WiFi的遥控飞行器、数据采集，基于GPS的盲人导航仪设计，基于gprs的无线安全报警系统的设计等。

3.性能测试实训系统、机器视觉实训系统、工业先进生产线实训系统开展研究。如：基于LabVIEW的PCB板实时性能检测系统设计，基于机器视觉的农产品、商标等的检测等。

4.机械臂组：六轴机械臂的空间轨迹优化、物品抓取等。

5.机器人组：借助于实验室Nao机器人，对机器人的感觉、思考、互动、控制、移动、自主进行学习，实现机器人的视觉追踪、抓取及全身动作、导航定位、与人互动等。

课程积极支持学生开展大学生科技创新训练计划，学生参加科技创新活动踊跃，获得的科技成果多。

定期举办校级虚拟仪器大赛，为学生提供挑战自我、激发创新的平台。从校级虚拟仪器大赛中涌现出很多精彩的学生作品，这些作品被充实到教学资源库中；此外，通过大赛，还选拔了优秀学生参加校外的各项赛事如江苏省虚拟仪器竞赛，全国虚拟仪器大赛等赛事，学生在各类赛事中取得了优异的成绩。

四、创新课程考核方式，促进学生全面发展

推进教师辅导和学生自主学习相结合的课程学习方式。选拔优秀学生进驻先进测控技术联合实训中心进行自主学习，对于常驻学生，要求他们按先进测控技术联合实训中心常驻学生专业知识与能力一体化训练大纲要求设计实际作品对“虚拟仪器技术”课程进行学分抵修。考核方式以提交设计作品和设计报告的形式体现，学生所提交的作品要涵盖该课程知识点的60%以上（由答辩老师认定），并且还应接受该课程建设小组的现场答辩，给出的成绩作为其该课程的最终成绩。先进测控技术联合实训中心常驻学生必须在本课程开课学期前结合先进测控技术联合实训中心提供的设备设计与提交一个包含课程主要训练内容的系统作品的详细实施方案（作品名称与形式可以自拟，但不能包括游戏类作品，所提供的材料包括提供15页以上的设计报告与软件）方能抵修本门课程。系统功能实现必须涵盖了本门课程常规教学大纲要求的主要知识点。具体步骤如下：

（1）学生填写学分抵修申请表；（2）提交设计作品和设计报告；（3）平台负责人提出初步意见，对作品做出真实、科学评价；（4）学院教学副院长、行政副院长召集课程建设小组成员对其进行现场答辩，按满分100分给学生评价本门课程的最终分数，具体评分标准如下：针对学生训练内容及本门课程的常规教学大纲要求提出3道应知应会必答题，总分共30分，若得分低于18分，学生将不能抵修本门课程；针对学生提交的作品进行答辩，共70分。（5）学院教学委员会进行审批；（6）学院网站公示抵修通过名单，并报学校教务处备案。

近三年来，来自先进测控技术联合实训中心的40位学生通过在实训中心一年多的自主学习与创新，已熟练掌握了“虚拟仪器技术”课程教学大纲中要求的知识，最终在现场作品演示与介绍环节里，分别提供了温度采集与控制、基于Lab-VIEW的多功能点菜机、多功能智能电梯、基于LabVIEW虚拟触摸屏设计与基于LabVIEW的实验室考勤管理系统等优秀创新成果，获得了专家评委与现场学生的高度评价，最后经过现场提问答辩等环节，由专家评委打分，顺利获得了“虚拟仪器技术”课程的学分。

针对不是常驻先进测控技术联合实训中心进行创新训练的学生，改革考核方法，注重过程性评价。“虚拟仪器技术”课程的学生总成绩由平时成绩、实验成绩和期末成绩三部分组成，其中平时成绩占总成绩的20%，实验成绩占总成绩的30%，期末成绩占总成绩的50%。平时成绩由平时作业（占40%）、网络课程自主学习（占20%）、上课考勤（占15%）、课堂完成项目情况（占25%）综合评定。本课程的期末成绩采用试卷（开卷、笔试与机考）考核方式来评定给出分数。这样，能够较为全面地评价学生的综合素质，避免了学生平时不努力、考前突击应付的现象。开展课堂教学方法和考核方法改革，采取集中考核和过程考核相结合、理论考核与实践考核相结合的综合考核方式改革。

五、结束语

根据“虚拟仪器技术”课程的教学要求，文章以工程实践能力、创新能力和自主学习能力培养为核心，分别从优化课程教学内容、改进教学方法与教学手段、开展科技创新训练、创新课程考核方式四个方面对该课程的教学进行了探索和实践。近三年来的教学实践结果表明：理实一体化教学模式和项目教学法的采用，学生学习的积极性和主动性大大增强；实践平台的开放和贴近工程实际的测控对象的引入给学生提供了很好的工程实践平台，学生的工程设计与应用能力得到了很大的提高；形式多样、客观、灵活的考核和评价机制促进了学生个性和创新能力的发展。教学成效在近三年来学生的科技创新、学科竞赛和LabVIEW助理开发工程师认证（CLAD）中得到了充分体现，以常熟理工学院测控技术与仪器专业为例，2010级、2011级和2012级测控技术与仪器专业学生共获得9项省级或校级科技创新项目，参与学生40人次；在第二届江苏省虚拟仪器竞赛中，获得了1项一等奖、1项二等奖、5项三等奖的优异成绩，参与学生22人次；在第三届全国虚拟仪器大赛中，获得了1项二等奖的好成绩，参与学生5人次。近三年来共有50多位学生通过本课程的学习，获得了美国国家仪器有限公司的LabVIEW助理开发工程师认证。

该课程在历年学生评教中，学生都充分肯定了教师的教学水平，教学评估成绩都为优秀。学生普遍反映课程教学方法灵活、教学手段先进，教学内容能反映技术发展最新成果、学生自主学习兴趣较浓厚。

实践证明理实一体化教学是一种行之有效的方法，能提高学生解决问题和工程实践的能力。但实施过程中还存在一些问题，如：教学项目设计还需进一步完善，使之能更符合企业的需求；团队协作能力如何能更有效地进行评价等。这些问题还需要教学团队在后续教学中摸索改进，从而进一步提高教学质量。

参考文献

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[10]耿晓琪.“虚拟仪器技术”在通信工程专业的教学应用研究[J].中国信息技术教育，2014（24）：38+40.

作者简介：谢启（1974-），男，汉族，江西吉水人，硕士，副教授，主要从事计算机先进控制技术与先进检测技术等方面的教学与科研工作。

*基金项目：江苏省高校实验室研究会立项研究项目（GS2013YB01），常熟理工学院教学团队培育立项项目（jxnh2014100）

中图分类号：G642

文献标志码：A

文章编号：2096-000X（2016）09-0161-03