喻菲菲

摘 要：信號的測量與分析是工程測試中的重要內(nèi)容，涉及多門專業(yè)課程。為使信號檢測課程更具體生動和豐富多彩，在實際教學(xué)中采用基于設(shè)計任務(wù)驅(qū)動的信號檢測實驗課程教學(xué)方法。利用虛擬儀器技術(shù)特點和優(yōu)勢，針對信號測量任務(wù)，設(shè)計相應(yīng)檢測系統(tǒng)進(jìn)行測試分析。經(jīng)過設(shè)計過程的教學(xué)與實踐，學(xué)生對信號的產(chǎn)生原理、特點和測試方法等理解更深刻透徹，從而提高課程教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器 ?設(shè)計任務(wù)驅(qū)動 ?信號檢測 ?實驗課程 ?教學(xué)

中圖分類號：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（a）-0165-02

信號的測量與分析是工程測試中的重要內(nèi)容，《工程測試技術(shù)》、《傳感器技術(shù)》、《汽車檢測與診斷維修技術(shù)》和《機(jī)電傳動技術(shù)》等多門課程和多個專業(yè)學(xué)科都有相關(guān)內(nèi)容涉及，其中包括基于光電傳感和磁電傳感的轉(zhuǎn)速測量、基于熱電偶和負(fù)溫度系數(shù)可變電阻的溫度測量、基于電壓變化的位移和位置測量、PWM信號脈寬測量、振動加速度信號測量、信號波形測量分析等。如果通過傳統(tǒng)儀器進(jìn)行測量分析，不同類型的信號可能需要不同的測試儀器，其測量適應(yīng)性是有限的，測試成本高。

筆者所在單位實驗室擁有相關(guān)虛擬測試平臺開發(fā)軟件和硬件系統(tǒng)，廠商配套了一些典型的測試解決方案，但與教材對接性較差，使用起來不方便，擴(kuò)展性和可編輯性不強。所以，針對信號檢測實驗課程存在的不足，在實際教學(xué)中采用基于設(shè)計任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)方法，利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)設(shè)計相關(guān)測試系統(tǒng)，實現(xiàn)信號的測量分析，可在一定程度上提高實驗課程教學(xué)質(zhì)量。

基于虛擬儀器技術(shù)的測試系統(tǒng)由軟件和硬件組成，軟件設(shè)計可依靠其專門圖形編程軟件進(jìn)行開發(fā)[1]，圖形編程無需掌握復(fù)雜代碼，功能設(shè)計容易實現(xiàn);硬件只需要計算機(jī)和相關(guān)數(shù)據(jù)采集板卡及其聯(lián)接線。因此，多功能的測試系統(tǒng)搭建簡便快捷，成本低，功能強大;同時，可根據(jù)測量目標(biāo)和任務(wù)進(jìn)行針對性的開發(fā)設(shè)計，這是由于這樣的一個開發(fā)設(shè)計過程，使學(xué)生從中學(xué)到更豐富的知識。因為系統(tǒng)的搭建，需要對測試信號的產(chǎn)生原理和信號特點有更深入了解，比如信號類型、變化特點和范圍、頻率、幅值、相位信息等，根據(jù)信號性質(zhì)來進(jìn)行實質(zhì)性測試開發(fā)設(shè)計;另一方面，通過系統(tǒng)搭建，對信號測試原理和分析了解更加深刻，可以從原理上掌握又一先進(jìn)測試工具的運用，有利于為日后開發(fā)相關(guān)測試系統(tǒng)打下良好基礎(chǔ)，而且，學(xué)生對課程的興趣度可以提高;再有，通過虛擬儀器技術(shù)平臺進(jìn)行開發(fā)設(shè)計，可以針對自身課程特點自由開發(fā)，不受實驗教材制約。因此，基于設(shè)計任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)方法在信號檢測實驗課程教學(xué)中有重要的現(xiàn)實意義。

1 實驗資源條件分析及教學(xué)設(shè)計

所謂設(shè)計任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法，是一種以設(shè)計性、實驗性、實踐性與操作性較強的教學(xué)內(nèi)容為一體的教學(xué)方法。它以豐富多彩的、能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動機(jī)的情景為基礎(chǔ)，與教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合的任務(wù)為載體，使學(xué)生在完成特定設(shè)計任務(wù)的過程中獲得知識與技能的一種教學(xué)方法[2-3]。從設(shè)計任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法特點可知，該方法與信號檢測實驗課程教學(xué)搭配恰當(dāng)，有利于充分發(fā)揮各自優(yōu)勢[4-5]。

1.1 實驗資源條件分析

隨著虛擬儀器技術(shù)的高速發(fā)展，通過虛擬儀器平臺搭建的測試系統(tǒng)，使各種測試功能高度集成，功能強大豐富，信號測量變得更加簡便，而硬件成本無需大幅提高。

筆者實驗室現(xiàn)有DRLab快速可重組綜合試驗臺多臺，可同時容納多人多組進(jìn)行轉(zhuǎn)子實驗臺測試、振動測試分析、環(huán)境監(jiān)測等，包含的主要測試內(nèi)容有光電、磁電傳感轉(zhuǎn)速測量，電渦流軸心位置，振動速度、加速度測量，噪聲測量，溫度測量等，其硬件還包括多個擴(kuò)展通道可用于擴(kuò)展開發(fā)，其提供的DRLab VI軟件平臺可進(jìn)行自主設(shè)計開發(fā)，集成芯片式圖形編程降低了開發(fā)難度，有助于教學(xué)人員進(jìn)行二次開發(fā)。另外，還可利用另一出色的虛擬儀器設(shè)計平臺美國NI公司的LabVIEW軟件進(jìn)行測試系統(tǒng)開發(fā)，其應(yīng)用性更廣泛、實用性更強。同傳統(tǒng)的編程語言相比，采用LabVIEW圖形編程方式可以節(jié)省大約80%的程序開發(fā)時間，而運行速度卻幾乎不受影響?；贚abVIEW的測試系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)監(jiān)測、控制等工業(yè)領(lǐng)域，各大高校、科研院所在研發(fā)、實驗教學(xué)等方面都有大量應(yīng)用[6]。

因此，立足于提高學(xué)生的實際動手能力和對課程的興趣愛好程度，保證理論教學(xué)與實際操作技能同步提高，充分體現(xiàn)“高新、實用、實踐”的原則，結(jié)合先進(jìn)測試手段和實驗室現(xiàn)有資源條件，開發(fā)設(shè)計任務(wù)驅(qū)動的信號測試實驗教學(xué)法完全可行，有較大發(fā)展空間和優(yōu)勢。

1.2 教學(xué)設(shè)計

結(jié)合實際條件和課程教學(xué)需要，基于設(shè)計任務(wù)驅(qū)動的信號檢測實驗課程教學(xué)方法在內(nèi)容和目標(biāo)上主要包括以下3方面：完成虛擬測試系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)、變革教學(xué)模式、著力提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

（1）開發(fā)設(shè)計基于虛擬儀器的信號測試系統(tǒng)。

根據(jù)課程實驗需要，利用虛擬儀器技術(shù)圖形編程軟件LabVIEW等開發(fā)相關(guān)測試分析程序，用于《工程測試技術(shù)》、《傳感器技術(shù)》、《汽車檢測與診斷維修技術(shù)》等課程的實驗教學(xué)。主要包括以下幾部分：①開發(fā)設(shè)計一種簡便的多通道示波器，用于測量信號波形。并且具有計算信號頻率、幅值、占空比、平均值、最大值和最小值等功能，波形保存、回放功能，可以視測量信號情況任意選擇是否使用這些功能。這樣，可進(jìn)行光電和磁電傳感器的轉(zhuǎn)速測量，PWM信號測量，信號電壓測量等。②設(shè)計一款基于熱電偶或可變電阻的溫度測量系統(tǒng)。③設(shè)計用于振動和噪聲信號頻譜分析的測試系統(tǒng)。④針對汽車發(fā)動機(jī)性能測試和傳感器信號測量，開發(fā)專門的測試分析系統(tǒng)。如：發(fā)動機(jī)無負(fù)荷測功系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)噴油脈寬測試系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)點火提前角測試系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)傳感器信號波形測量系統(tǒng)等。

（2）充分利用設(shè)計任務(wù)的有利條件，改革教學(xué)模式。

由于圖形編程的簡便化，將開發(fā)設(shè)計過程作為一個重要知識點進(jìn)行教學(xué)講解，結(jié)合測試實踐，使實驗成為設(shè)計性綜合實驗。打破傳統(tǒng)演示性實驗的局限性，有利于學(xué)生深入理解信號測試關(guān)鍵知識，增強實踐動手能力。endprint

（3）充分利用程序可編輯性提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。

由于測試程序可進(jìn)行二次開發(fā)和功能設(shè)計編輯，利用后臺程序修改的方式改變程序測試功能或參數(shù)設(shè)置，從而在信號測試實驗中體現(xiàn)新鮮元素和趣味性，可增強學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性。

2 教學(xué)實施

教學(xué)方法實施總體上分三部分進(jìn)行，首先要完成圖1所示的教師授課前期工作，再進(jìn)行圖2所示的實際教學(xué)實施，最后進(jìn)行教學(xué)效果評價。

教師前期工作，就是教師根據(jù)相關(guān)課程關(guān)于信號測試方面的內(nèi)容，重點關(guān)注《工程測試技術(shù)》、《傳感器技術(shù)》、《汽車檢測與診斷維修技術(shù)》等課程的相關(guān)內(nèi)容，初步確定可開發(fā)設(shè)計的測試系統(tǒng);再利用實驗室現(xiàn)有資源，通過DRLab VI和NI LabVIEW平臺進(jìn)行測試程序開發(fā)設(shè)計;對設(shè)計好的程序進(jìn)行調(diào)試、運行和實際應(yīng)用，并不斷完善其功能，實現(xiàn)設(shè)計任務(wù)的目標(biāo);編寫相關(guān)實驗學(xué)習(xí)教材或報告，以供學(xué)生學(xué)習(xí)和參考（圖1）。

第二步，教學(xué)實施。實驗教學(xué)前，讓學(xué)生先進(jìn)行預(yù)習(xí)，并提前進(jìn)行相關(guān)程序設(shè)計工作;實驗教學(xué)時，首先由教師進(jìn)行程序開發(fā)設(shè)計的講解和測量示范;學(xué)生在教師指導(dǎo)下進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計并應(yīng)用于實際信號測試分析，可根據(jù)測量需要，修改和編輯程序，不斷進(jìn)行調(diào)試測試，深入了解其測試原理及其實際應(yīng)用，以此提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和動手實踐能力（圖2）。

第三步，教學(xué)效果評價。實驗課程結(jié)束前，要留出適當(dāng)時間進(jìn)行教學(xué)效果檢查和評價?？赏ㄟ^讓學(xué)生講解設(shè)計和檢測過程、測量示范等方式進(jìn)行檢查，對學(xué)生完成任務(wù)的過程和完成任務(wù)的結(jié)果作出客觀評價。另外，時間允許的話，挑選出較好的組別，對他們的設(shè)計和測量成果進(jìn)行展示，以鼓勵和激發(fā)大家學(xué)習(xí)熱情。

3 結(jié)語

結(jié)合信號檢測實驗課程特點，采用基于設(shè)計任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)方法，更能充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣度和積極性，再經(jīng)過實測練習(xí)，對專業(yè)知識點理解更加透切，從而使課程教學(xué)質(zhì)量得到實質(zhì)性提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 張重雄，張思維.虛擬儀器技術(shù)分析與設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2] 郭紹青.任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法的內(nèi)涵[J].中國電化教育，2006（7）：59.

[3] 劉琨，李愛菊，杜麗娟.淺談任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)法在課程中的應(yīng)用[J].北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，24（3）：87-92.

[4] 馮建成.任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法在現(xiàn)代教育技術(shù)實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2009（14）：90-92.

[5] 李志勇.“任務(wù)驅(qū)動”教學(xué)法在互動媒體設(shè)計與制作課程中的應(yīng)用[J].中國職業(yè)技術(shù)教育，2012（11）：15-19.

[6] 雷振山.LabVIEW 7 Express實用技術(shù)教程[M].北京：中國鐵道出版社，2005.endprint

（3）充分利用程序可編輯性提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。

由于測試程序可進(jìn)行二次開發(fā)和功能設(shè)計編輯，利用后臺程序修改的方式改變程序測試功能或參數(shù)設(shè)置，從而在信號測試實驗中體現(xiàn)新鮮元素和趣味性，可增強學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性。

2 教學(xué)實施

教學(xué)方法實施總體上分三部分進(jìn)行，首先要完成圖1所示的教師授課前期工作，再進(jìn)行圖2所示的實際教學(xué)實施，最后進(jìn)行教學(xué)效果評價。

教師前期工作，就是教師根據(jù)相關(guān)課程關(guān)于信號測試方面的內(nèi)容，重點關(guān)注《工程測試技術(shù)》、《傳感器技術(shù)》、《汽車檢測與診斷維修技術(shù)》等課程的相關(guān)內(nèi)容，初步確定可開發(fā)設(shè)計的測試系統(tǒng);再利用實驗室現(xiàn)有資源，通過DRLab VI和NI LabVIEW平臺進(jìn)行測試程序開發(fā)設(shè)計;對設(shè)計好的程序進(jìn)行調(diào)試、運行和實際應(yīng)用，并不斷完善其功能，實現(xiàn)設(shè)計任務(wù)的目標(biāo);編寫相關(guān)實驗學(xué)習(xí)教材或報告，以供學(xué)生學(xué)習(xí)和參考（圖1）。

第二步，教學(xué)實施。實驗教學(xué)前，讓學(xué)生先進(jìn)行預(yù)習(xí)，并提前進(jìn)行相關(guān)程序設(shè)計工作;實驗教學(xué)時，首先由教師進(jìn)行程序開發(fā)設(shè)計的講解和測量示范;學(xué)生在教師指導(dǎo)下進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計并應(yīng)用于實際信號測試分析，可根據(jù)測量需要，修改和編輯程序，不斷進(jìn)行調(diào)試測試，深入了解其測試原理及其實際應(yīng)用，以此提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和動手實踐能力（圖2）。

第三步，教學(xué)效果評價。實驗課程結(jié)束前，要留出適當(dāng)時間進(jìn)行教學(xué)效果檢查和評價?？赏ㄟ^讓學(xué)生講解設(shè)計和檢測過程、測量示范等方式進(jìn)行檢查，對學(xué)生完成任務(wù)的過程和完成任務(wù)的結(jié)果作出客觀評價。另外，時間允許的話，挑選出較好的組別，對他們的設(shè)計和測量成果進(jìn)行展示，以鼓勵和激發(fā)大家學(xué)習(xí)熱情。

3 結(jié)語

結(jié)合信號檢測實驗課程特點，采用基于設(shè)計任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)方法，更能充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣度和積極性，再經(jīng)過實測練習(xí)，對專業(yè)知識點理解更加透切，從而使課程教學(xué)質(zhì)量得到實質(zhì)性提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 張重雄，張思維.虛擬儀器技術(shù)分析與設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

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[3] 劉琨，李愛菊，杜麗娟.淺談任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)法在課程中的應(yīng)用[J].北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，24（3）：87-92.

[4] 馮建成.任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法在現(xiàn)代教育技術(shù)實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2009（14）：90-92.

[5] 李志勇.“任務(wù)驅(qū)動”教學(xué)法在互動媒體設(shè)計與制作課程中的應(yīng)用[J].中國職業(yè)技術(shù)教育，2012（11）：15-19.

[6] 雷振山.LabVIEW 7 Express實用技術(shù)教程[M].北京：中國鐵道出版社，2005.endprint

（3）充分利用程序可編輯性提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。

由于測試程序可進(jìn)行二次開發(fā)和功能設(shè)計編輯，利用后臺程序修改的方式改變程序測試功能或參數(shù)設(shè)置，從而在信號測試實驗中體現(xiàn)新鮮元素和趣味性，可增強學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性。

2 教學(xué)實施

教學(xué)方法實施總體上分三部分進(jìn)行，首先要完成圖1所示的教師授課前期工作，再進(jìn)行圖2所示的實際教學(xué)實施，最后進(jìn)行教學(xué)效果評價。

教師前期工作，就是教師根據(jù)相關(guān)課程關(guān)于信號測試方面的內(nèi)容，重點關(guān)注《工程測試技術(shù)》、《傳感器技術(shù)》、《汽車檢測與診斷維修技術(shù)》等課程的相關(guān)內(nèi)容，初步確定可開發(fā)設(shè)計的測試系統(tǒng);再利用實驗室現(xiàn)有資源，通過DRLab VI和NI LabVIEW平臺進(jìn)行測試程序開發(fā)設(shè)計;對設(shè)計好的程序進(jìn)行調(diào)試、運行和實際應(yīng)用，并不斷完善其功能，實現(xiàn)設(shè)計任務(wù)的目標(biāo);編寫相關(guān)實驗學(xué)習(xí)教材或報告，以供學(xué)生學(xué)習(xí)和參考（圖1）。

第二步，教學(xué)實施。實驗教學(xué)前，讓學(xué)生先進(jìn)行預(yù)習(xí)，并提前進(jìn)行相關(guān)程序設(shè)計工作;實驗教學(xué)時，首先由教師進(jìn)行程序開發(fā)設(shè)計的講解和測量示范;學(xué)生在教師指導(dǎo)下進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計并應(yīng)用于實際信號測試分析，可根據(jù)測量需要，修改和編輯程序，不斷進(jìn)行調(diào)試測試，深入了解其測試原理及其實際應(yīng)用，以此提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和動手實踐能力（圖2）。

第三步，教學(xué)效果評價。實驗課程結(jié)束前，要留出適當(dāng)時間進(jìn)行教學(xué)效果檢查和評價。可通過讓學(xué)生講解設(shè)計和檢測過程、測量示范等方式進(jìn)行檢查，對學(xué)生完成任務(wù)的過程和完成任務(wù)的結(jié)果作出客觀評價。另外，時間允許的話，挑選出較好的組別，對他們的設(shè)計和測量成果進(jìn)行展示，以鼓勵和激發(fā)大家學(xué)習(xí)熱情。

3 結(jié)語

結(jié)合信號檢測實驗課程特點，采用基于設(shè)計任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)方法，更能充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣度和積極性，再經(jīng)過實測練習(xí)，對專業(yè)知識點理解更加透切，從而使課程教學(xué)質(zhì)量得到實質(zhì)性提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 張重雄，張思維.虛擬儀器技術(shù)分析與設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2] 郭紹青.任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法的內(nèi)涵[J].中國電化教育，2006（7）：59.

[3] 劉琨，李愛菊，杜麗娟.淺談任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)法在課程中的應(yīng)用[J].北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，24（3）：87-92.

[4] 馮建成.任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法在現(xiàn)代教育技術(shù)實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2009（14）：90-92.

[5] 李志勇.“任務(wù)驅(qū)動”教學(xué)法在互動媒體設(shè)計與制作課程中的應(yīng)用[J].中國職業(yè)技術(shù)教育，2012（11）：15-19.

[6] 雷振山.LabVIEW 7 Express實用技術(shù)教程[M].北京：中國鐵道出版社，2005.endprint