虚拟仪器课程设计教学改革探索

王靖　黄采伦

摘 要：本文介绍了本校测控专业虚拟仪器课程设计的开设情况，以及现阶段课程设计教学实施中发现的若干问题并展开分析，探讨了虚拟仪器技术课程设计的教改措施，提出了几条有针对性的虚拟仪器课程设计教学改革方法，还根据教学大纲提出了课程设计的成绩评定方法。在现有的教学条件下，据此所进行的课程改革，已经取得了显著的教学效果。

关键词：虚拟仪器 课程设计 软件工程 因材施教

随着计算机技术发展和现代工业应用激增需求的推动，基于仪器的测量和控制系统得到了迅猛发展，尤其是扩展性良好的模块化虚拟仪器技术。目前，虚拟仪器广泛应用于工业、农业、军事、交通、医药卫生以及教学和科研等领域，尤其是在自动化程度高的一些行业，虚拟仪器技术逐渐成为主要的支撑技术。

笔者学校为适应当今技术发展和各行各业对于测控仪器人才新的需求，为了培养高素质的创新性测控技术人才，在测控技术与仪器专业开设了虚拟仪器课程。由于本课程是一门实践性非常强的课程，因而又与此相配套地开设了虚拟仪器课程设计，设计安排在完成虚拟仪器课堂教学环节后，时间为两周左右。该课程设计要求学生综合所学的虚拟仪器技术、应用传感器技术、信号处理与测试技术和软件工程等相关知识，设计人机交互界面良好、软件功能完备的虚拟仪器软件系统。

一、教学过程中存在的问题

1.教师知识体系的不足。众所周知，虚拟仪器技术是美国国家仪器公司在20世纪80年代末提出的，而在2000年左右进入我国并广泛推广。据调查，国内不少高校都是在2002年左右开始开设虚拟仪器课程，笔者任教的大学就是在2004年开设这门课程。虚拟仪器技术在我国的推广应用时间较短，相关高等院校开设本课程的时间也较短。讲授这门课程的高校教师尤其老教师，在其求学期间并没有系统学习过虚拟仪器课程。因此，目前讲授这门课程的老师大都是通过自学摸索或是在其科研项目中使用到了虚拟仪器，而了解掌握相关知识的。因此，大部分的主讲教师对于虚拟仪器设计的知识体系的掌握程度尚有一点欠缺，对于相关授课内容的熟悉程度也还存在一定的不足。这些最终也会在虚拟仪器课堂教学和课程设计指导工作中体现出来，并造成一些影响。

2.课程设计涉及的知识领域较广。与传统仪器技术不同，虚拟仪器技术是指包含相关数据采集设备的计算机平台上运行的具有针对性的测试分析软件系统，根据用户的不同需求可以高效率地构建起丰富多彩的测量系统。对大多数用户而言，在完成基本数据采集的前提下，用户主要的工作变成了软件设计。虚拟仪器技术突破了单一功能仪器的局限，可以将多种信号处理的方法方便地应用于测量中，甚至可以将用户自己的一些分析方法融入到测试系统中，从而实现“私人订制”的测试系统。

从这里可以看出，虚拟仪器概念包含的范围很广，牵涉的知识内容也非常多。因此，要完整系统掌握虚拟仪器的开发，使用者必须熟悉高等数学、数理统计、物理、电工电子技术、传感器技术、数据采集技术、计算机硬件知识、计算机软件开发、数字信号处理等相关领域的知识，这对于本课程的讲授者和学习者都提出了较高的要求。常言道：“授人以鱼，必自知渔。”要能够更好完成虚拟仪器课程设计的指导工作，指导教师必须多方面充实自己的知识体系，有针对性地扩展自己的知识领域，尤其是机械专业背景的教师，要多了解并掌握信息技术与计算机软件工程的相关专业知识。

3.目前课程设计选题较为局限。经过笔者查阅相关资料，了解到这样的情况。很多高校虚拟仪器课程设计的选题多年都没有变化，较为陈旧。很多学生在课程设计开始之前，就从上一级的同学那里拷贝到了课程设计的内容，起不到锻炼学生综合运用虚拟仪器课程知识的作用。以我校为例，虚拟仪器课程设计题目分为两大类，即一般信号分析的虚拟仪器设计和工程测试实验教学虚拟仪器。其中一般信号分析的虚拟仪器设计如：基于谱分析技术的虚拟相位差计设计等。工程测试实验教学虚拟仪器则包括：位移测试虚拟仪器设计和振动测试虚拟仪器设计等。

在题目分配时又一刀切，如：要求学生只能从两大类中分别选取一题，作为其课程设计的题目。从虚拟仪器这门课程要求学生熟练掌握的内容，如数组操作、文件操作、对话框操作，程序结构控制和多种显示方式的综合运用等重要的知识，则没有包含在相关题目中，使学生失去了一次很好的锻炼机会。

二、课程设计教学创新探索

虚拟仪器设计是一门较新的实践性较强课程，目前开设该课程的各个高校还没有一个完善的教学方式可以借鉴推广。因此，各个高校应该根据自己的发展现状和仪器设备状况，采取切实可行的改革与革新，建设好符合本校特色的虚拟仪器课程。在这个过程中，要适当加强学生的实践能力培养，逐步摸索出一条好的方法，以改变当前实验设备不足的现状，达到培养学生的目的。

1.目前课程设计选题较为局限软件工程思维的引入。虚拟仪器的精髓是将专门硬件才能完成的一些测控功能，用通用计算机平台搭载的相关测试软件系统来代替。因此，课程设计的重要部分就是虚拟仪器上位机软件的设计与开发。

由于学校开设该门课程的学院是机电学院，学习该课程的学生都是机械背景的学生，虽然学生大都学过计算机文化基础和C语言程序设计等课程，但是没有系统学习过软件开发的课程。编写一个小的测试或者分析程序尚可，但是对于较为大型的测试系统主程序，他们表现出的就是慌乱和无序。因此，从本课程的课堂授课开始，就要持续向同学们介绍成熟的软件工程思维，教给他们软件开发的流程。在整个虚拟仪器课程设计程序设计与开发的过程中，指导教师可以遵循以下的步骤来指导和教育学生，养成良好的程序设计习惯。

首先是针对软件设计的需求进行系统分析与研究，搞清楚所要设计对象的具体需求，进行详尽的分析并对要求完成的功能给出一个详细的列表。其次是进行软件系统的架构。将需要设计的虚拟仪器系统，从功能模块上划分为若干个元件，进而分析元件如何形成、相互之间如何通信，是关于这个系统本身结构的重要信息。第三是进行软件开发：设计LabVIEW应用程序，以确保它的具有良好的人机交互界面，良好的响应速度。在开发较大的设计题目时，还要注意代码重新使用性和互操作性。然后在设计的虚拟仪器系统部署前，先要进行功能测试，执行适当的编码方式来提高程序的可读性和性能。测试LabVIEW应用程序的正确性，修正所发现的BUG。在软件正式使用前要进行部署过程，也就是将最终的可执行文件和安装包进行最终用户部署。在用户配置环境（包括硬件、软件的安装、环境变量的设置等）中提供软件给用户正常使用。

2.课程设计题目的创新。针对目前虚拟仪器课程设计题目乏善可陈等问题，可以从三个方面进行改进。其一，可以充分利用现有的实验室硬件测试资源，以此为平台设计一些综合性较强的课程设计题目。其二，可以结合教师自己的科研项目，选取其中的一部分，涉及几个难度适中的课程设计题目。其三，可以鼓励学生自主选题，拟订方案，编写程序，自行设计虚拟仪器检测系统。

对于这些选题都要求与生产实际相联系，能解决企业产品检测方面的具体问题，培养他们勇于创新精神和独立工作能力。同时巩固和运用已学LabVIEW语言的基础知识、基本概念，并掌握LabVIEW程序开发的基本结构设计方法，包括循环结构、选择结构、顺序结构等的具体使用方法和技巧，建立系统整体设计的思想，掌握设计方法和设计技巧。对于学生自行选择题目，必须通过授课教师的审题。通过后方可进行，以此来考查学生综合运用知识的能力与水平。积极拓展课本介绍的虚拟仪器技术基本应用领域，将课程设计的选题扩展到极点设备的监控，流程工业的过程自动化控制，并用于数据信号采集和处理，全面促进教学和科研水平。

3.课程设计成绩评判的创新。随着社会的发展和新时期工科教育的进步，如何培养出现代社会急需的复合型和创新型人才，也就是既懂技术又懂管理的人才是教育工作者面临的一个重大课题，对于测试技术与仪器专业也提出了这样的要求。因此，对于虚拟仪器课程设计这样一门实践操作性非常强的课程，尤其要考虑到团队合作与团队开发管理工作。笔者在原有考察学生对虚拟仪器基本编程方法和基本知识掌握的基础上增加了基于创新项目的综合设计性教学改革，将学生通过自主组合和教师分配划分为若干个小组，进行课程设计题目的开发。

对学生评价体系改革也做了个大胆的尝试，也就是相应地要求学生自己去思考项目中的技术问题，合理分工，然后通过团队协作去实现自己的想法和思路，更提倡学生自主学习，通过构思设计模块，细化工作，根据团队中各人的能力差异合理分工、相互合作去完成一个实际工程问题。通过这个过程的历练以达到掌握基本知识点，同时培养善于思考、团队协作能力强、动手能力强的良好素质。在整个课程设计开设过程及公开答辩中可以发现大部分学生都完成了教学目标，一些团队进行了一些思考和总结甚至超出教师的预期，学生对该实验的评价和心得也很好，可以看出改革是实验教学中的一个进步。

通过上述的分析可知虚拟仪器课程非常适合将理论学习和基于项目的课程设计两个教学环节结合起来，全面培养学生的综合素质和能力。通过在笔者的教学实践活动中，综合运用以上的教学改革措施，改变了以往以机械测试为主体需求的课程设计教学方法，更加突出了以项目实践结合的新方向，从而将传统的课程设计“小项目”扩展为创新性和实践性更强的“大项目”的概念。可以使学生真切地体会到做“工程”，从而改变传统教育模式中“重理论 轻实践”的偏向。通过上面这些举措，提升了我校虚拟仪器课程设计的质量和水平，取得了良好的实践效果。

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（作者单位：湖南科技大学信息与电气工程学院）

责任编辑：潘中原