潘立武

摘 要：虛擬儀器課程是農(nóng)業(yè)機械化及自動化專業(yè)的一門重要課程，具有很強的實踐性。針對虛擬儀器課程的特點，結(jié)合我校教學(xué)的實際情況，文中指出了虛擬儀器課程教學(xué)中存在的問題，并圍繞存在的問題進(jìn)行虛擬儀器課程教學(xué)改革。改革內(nèi)容包括教學(xué)目標(biāo)與內(nèi)容、教學(xué)方式與方法、課程成績評定和教學(xué)資源庫的建設(shè)四個方面。實踐證明，通過不斷實踐與完善，教學(xué)效果有了很大的改善。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)院校；虛擬儀器；教學(xué)改革；實踐教學(xué)

中圖分類號：TP216；G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）12-0-02

0 引 言

虛擬儀器是基于通用計算機測試、測量和控制系統(tǒng)，以計算機和測試模塊硬件為基礎(chǔ)、以計算機軟件為核心，在計算機上顯示虛擬儀器面板上實現(xiàn)儀器功能的儀器[1]?？沙浞掷糜嬎銠C豐富的軟硬件資源，因此虛擬儀器具有功能強大、結(jié)構(gòu)靈活及性價比高的特點，可在較大范圍內(nèi)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測控儀器和設(shè)備，有效降低高校實驗室建設(shè)的成本。目前，很多農(nóng)業(yè)類高校的自動化、機械等專業(yè)都開設(shè)了《虛擬儀器》課程。本文研究了虛擬儀器課程教學(xué)中存在的問題，并通過教學(xué)改革實踐探索出了提高虛擬儀器課程教學(xué)效果的有效途徑。

1 虛擬儀器課程教學(xué)中存在的問題

虛擬儀器課程實踐性強，接觸的多是工程實際問題。在農(nóng)林院校，學(xué)好本課程可為學(xué)生掌握農(nóng)牧業(yè)機械化設(shè)計和操作打下良好的基礎(chǔ)。因此，本課程的教學(xué)對引導(dǎo)學(xué)生理解測控技術(shù)、提高動手能力具有重要作用。

1.1 虛擬儀器課程特點

虛擬儀器是1986年由美國國家儀器公司首先提出的，是指通過程序編制將通用計算機與數(shù)量有限的功能板卡相結(jié)合所構(gòu)成的功能靈活、模塊化、操作方便且可視化的軟件系統(tǒng)[2]。農(nóng)業(yè)院校開設(shè)的虛擬儀器課程主要有以下特點：

（1）涉及知識面廣：虛擬儀器技術(shù)包括計算機軟硬件技術(shù)，涉及計算機、微電子、測量、光電和機械等學(xué)科的技術(shù)；

（2） 課程實踐性強：針對農(nóng)業(yè)院校開設(shè)虛擬儀器課程，不僅要求學(xué)生具有計算機編程的實踐能力，還需要掌握農(nóng)業(yè)機械的原理，具有很強的實踐性。

1.2 虛擬儀器課程教學(xué)中存在的問題

結(jié)合項目組成員多年的教學(xué)經(jīng)歷，總結(jié)出虛擬儀器課程教學(xué)中普遍存在的問題[2-11]。

（1）偏向軟件學(xué)習(xí)：虛擬儀器課程教學(xué)涉及的軟件較多，如通用軟件編程環(huán)境、專用于虛擬儀器開發(fā)的圖形化編程（G語言）環(huán)境、文本編程環(huán)境等。限于實驗條件和教師的動手能力，很多高校的虛擬儀器課程大多講解如何使用 LabVIEW軟件，硬件綜合實驗很少涉及，在選擇實驗項目方面也偏向于軟件使用的練習(xí)和驗證。學(xué)生學(xué)過該課程后，很難和具體的硬件設(shè)計相結(jié)合，影響農(nóng)業(yè)類應(yīng)用型本、?？迫瞬诺呐囵B(yǎng)。

（2）重理論輕實驗：目前，我國不少院校的虛擬儀器課程教學(xué)中存在重視課堂理論學(xué)習(xí)、輕視實驗教學(xué)的問題，實驗課的安排往往依附于理論課。一方面，實驗課滯后于理論教學(xué)進(jìn)度，理論和實踐相脫離；另一方面，主講教師沒有精心設(shè)計和規(guī)劃實驗項目，導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)為實驗課沒有理論課重要。

（3）實驗內(nèi)容設(shè)計單一：虛擬儀器課程的現(xiàn)有實驗項目主要包括軟件實驗和借助實驗箱操作的硬軟件實驗。軟件實驗過于簡單，不僅知識點運用單一、綜合性不強，而且知識點分配也不太合理。硬軟件實驗也存在很多問題，如學(xué)生只能按照實驗指導(dǎo)書給出的內(nèi)容和步驟完成，在受到實驗箱硬件限制的同時，也限制了學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性。

（4）授課方式需要改進(jìn)：目前虛擬儀器的課堂教學(xué)主要由任課教師利用多媒體課件講解，學(xué)生在實驗課中再集中對所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行練習(xí)。這種方式的缺點是講解與練習(xí)間隔時間過長，不能有效促進(jìn)學(xué)生動手能力的提高。

（5）成績評定方式有待完善：虛擬儀器是一門實踐性、應(yīng)用性較強的課程，傳統(tǒng)的考核方式（紙質(zhì)試卷或課程論文+上機考試）不能完全考查出學(xué)生對虛擬儀器編程思想的掌握程度。因此，還需探索出一套靈活、有效的考核方式。

2 虛擬儀器課程教學(xué)改革研究

2.1 教學(xué)目標(biāo)與內(nèi)容的改革

根據(jù)一線教師的教學(xué)經(jīng)驗與虛擬儀器課程教學(xué)大綱的要求，對課程教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行研究并對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革。具體方案是將課程內(nèi)容劃分成3個模塊，即基礎(chǔ)概念與編程、通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、特定行業(yè)高級應(yīng)用。知識結(jié)構(gòu)與難度依次上升，越來越接近真實應(yīng)用，更好地實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)[6]。

（1）基礎(chǔ)概念與編程模塊：本部分重點在于概念和理論部分的講授，要盡量壓縮學(xué)時，做到少而精。第一是要強調(diào)重點內(nèi)容的學(xué)習(xí)與掌握，包括程序的創(chuàng)建與調(diào)試、程序結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)、數(shù)組、簇和波形等。第二是要在前一部分學(xué)習(xí)的過程中重點掌握虛擬儀器程序的設(shè)計理念、學(xué)會查詢幫助文件、具備自行學(xué)習(xí)新虛擬儀器知識模塊的能力，著重強調(diào)學(xué)習(xí)方法的掌握、獨立學(xué)習(xí)與解決問題能力的培養(yǎng)。

（2）通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊：以操作性和應(yīng)用性為主，重點強調(diào)獨立完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的搭建和實現(xiàn)，含硬件搭建、軟件設(shè)計及軟硬件聯(lián)調(diào)，要求學(xué)生能夠獨立搭建簡單的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如畜禽環(huán)境監(jiān)測采集系統(tǒng)等。根據(jù)項目需求，激發(fā)學(xué)生自主查找、學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)采集過程中要用到的軟硬件知識。

（3）特定行業(yè)高級應(yīng)用模塊：本部分精選不同行業(yè)3個不同的綜合性工程項目，采用項目驅(qū)動教學(xué)方式，將項目分解成若干個簡單的知識點，先局部講解，然后進(jìn)行綜合分析與講解，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高其學(xué)習(xí)動力。選取針對性強的項目，將知識點貫穿到實例中，使學(xué)生能夠舉一反三。

2.2 教學(xué)方式與方法的改革

針對應(yīng)用型本科學(xué)生的特點和培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合虛擬儀器課程的教學(xué)內(nèi)容，項目組教師對教學(xué)方式與教學(xué)方法進(jìn)行了改革嘗試，具體改革措施如下：

（1）精簡基礎(chǔ)理論：針對基本概念和理論性內(nèi)容，采用多媒體課件講授。其形象直觀的特性使學(xué)生能夠快速理解與掌握教師所講內(nèi)容。采用微課、動畫演示相應(yīng)章節(jié)重點內(nèi)容，例如“波形”和“圖形顯示控件”的使用，調(diào)用數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序及采集卡的設(shè)置等。endprint

（2）強化上機操作：采用在實驗室內(nèi)教學(xué)、每人一臺實驗儀器及教師講解和學(xué)生練習(xí)相結(jié)合的方式進(jìn)行基本概念的驗證與學(xué)習(xí)。例如，在學(xué)習(xí)了數(shù)組、循環(huán)結(jié)構(gòu)以后，要求學(xué)生完成“選擇恰當(dāng)?shù)难h(huán)結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建一個實現(xiàn)二維數(shù)組的虛擬儀器項目”等。在教師課堂講授與演示的基礎(chǔ)上，學(xué)生通過加強實踐練習(xí)及時掌握有關(guān)教學(xué)內(nèi)容。

（3）項目驅(qū)動，案例教學(xué)：教學(xué)基于“TVI-SC虛擬儀器綜合實驗開發(fā)系統(tǒng)”“TVI-ABF虛擬儀器與DSP集成實驗開發(fā)系統(tǒng)”“鷗鵬 OpenNC 教學(xué)與實訓(xùn)平臺”。在整個教學(xué)過程中，始終強調(diào)學(xué)以致用，并在應(yīng)用中提高學(xué)習(xí)效果。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)要求，選出典型實例，將所要學(xué)習(xí)的操作與技能融入到實例中，加強學(xué)生對基本概念、原理及方法的理解。

2.3 課程成績評定方法

長期以來，考試成績多由卷面成績和平時成績兩部分組成，忽略了對實踐環(huán)節(jié)的檢驗。因此，在學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的大力支持下，針對虛擬儀器課程的考核評定進(jìn)行了改革。改革后，課程總成績由作業(yè)成績（10%）、實驗成績（30%）、期末考試成績（50%）、實踐創(chuàng)新加分（10%）四部分組成。作業(yè)成績主要考核學(xué)生對課堂教學(xué)理論知識的掌握程度；實驗成績主要考核學(xué)生在各項實驗環(huán)節(jié)中的動手能力；期末考試主要考核學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握情況及虛擬儀器的設(shè)計應(yīng)用能力；實踐創(chuàng)新部分根據(jù)學(xué)生在學(xué)科競賽、電子大賽、申請的發(fā)明專利、撰寫的科技論文等實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的表現(xiàn)給予加分。

2.4 教學(xué)資源庫建設(shè)

通過對本課題的研究，項目組成員初步構(gòu)建了虛擬儀器課程教學(xué)資源庫，以實現(xiàn)資源共享，減輕教師備課的工作量。教育資源庫中存有課件、教案、項目實例等教學(xué)中的常用資料。

3 結(jié) 語

虛擬儀器課程自改革以來在各類型技能競賽中獲得了獎項，為社會培養(yǎng)了合格的應(yīng)用型人才。就業(yè)方面，不少學(xué)生參加了全國虛擬儀器設(shè)計大賽并取得了NI公司的實習(xí)資格；也有學(xué)生采用LabVIEW作為上位機開發(fā)軟件參與大學(xué)生科技創(chuàng)新計劃；還有學(xué)生因參與開發(fā)了畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)而被企業(yè)提前招聘。競賽方面，參加我院大學(xué)生創(chuàng)新科研項目獲二等獎；第十屆發(fā)明杯全國高職高專創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽一、二等獎；通過項目驅(qū)動教學(xué)指導(dǎo)學(xué)生參加了技能競賽，并獲得河南省第九屆高職技能大賽三等獎等。

通過開展虛擬儀器課程教學(xué)內(nèi)容與實踐改革研究，不僅可以在某種程度上解決實驗室建設(shè)資金短缺、設(shè)備投入不足的問題，也促進(jìn)了實驗教學(xué)和學(xué)生課后的自主學(xué)習(xí)；同時，還可以將教師現(xiàn)有的科研成果轉(zhuǎn)換為虛擬仿真實驗內(nèi)容，豐富實驗教學(xué)，拓展學(xué)生思路，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。對虛擬儀器課程教學(xué)改革的研究，不僅有力推進(jìn)了高校實驗室的建設(shè)，更為應(yīng)用型本科和?？频慕虒W(xué)及科研提供了有力支撐。

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