《虚拟仪器》课程案例（库）建设以及教学方法探索.pdf

本文以虚拟仪器技术教学为例，提出了案例库构建的方法，并对基于三级案例库的三阶段教学法进行探索。在构建入门级、进阶级和高级案例库后，授课过程中采用基础理论学习、前沿知识捕捉、工程应用设计三阶段教学法，实现理论和实际相结合教学效果。最后通过三个教学周期对教学效果进行比对，从课前测试、课后测试、作业完成度、项目参与度、课堂参与度、学生满意度五个方面进行分析，得到结论，通过引入案例教学法，提高学生课堂参与度和完成度，提升了课堂效能。关键词：关键词：虚拟仪器；案例库；教学方法 中图分类号：中图分类号：G64 1 虚拟仪器课程案例库建设价值和意义 案例教学是专业学位研究生教育中的一种教学方法。它以实践应用中的典型案例为素材，经过研究加工，通过情景模拟、现场体验、角色扮演、交流讨论等手段，锻炼学生的实践动手能力和发现、分析、解决实际问题的能力。加强案例教学，有利于强化专业学位研究生的实践应用能力培养，有利于推进以实践应用能力培养为重点的专业学位研究生培养模式改革创新。高质量的教学案例是有效开展案例教学的基础和保证。建设专业学位研究生教学案例库，有利于提高案例教学的水平和质量，切实保证我校专业学位研究生复合型、应用型人才培养目标的实现。本项目旨在构建虚拟仪器课程案例库，在课程学习阶段引入自动测试案例，将多门课程理论知识与工程实际案例相结合，不仅可加深学生对专业理论知识的理解，更能让其掌握将所学的理论知识应用于实践的技能，提高学生学以致用、融会贯通的科学研究能力。1-2。2 虚拟仪器课程发展现状和存在问题 虚拟仪器课程是测控技术与仪器、自动化、电子与通信学等专业硕士研究生的专业课程，也是相关专业研究生将来继续研究及就业的主要方向之一。涉及以检测技术 嵌入式系统应用为代表的检测技术学科方向，以数字电路 基于 FPGA 的系统设计为数据采集方向，以模拟电路 信号处理为代表的信号处理等学科方向的课程交叉问题。但就目前而言，上述课程的课堂教学大多数仍以照本宣科式的教学方法为主。究其原因，与以下几方面有关。一是案例库建设落后。案例教学法开展晚，案例研究和积累少，质量难以保证。二是教师与学生的课堂教学改革积极性不高。教师讲、学生听的教学方式成为大多数人的思维定式，革新的不确定性，必然造成师生的犹豫与观望。三是案例教学法在技术上和专业上要求更高，增加了实施与推广难度。四是现有案例缺乏系统性和实践性。多数高校实际教学过程中选取的教学案例随意性强，且以讲授知识为主，缺少与学生实践能力的对接，导致案例教学实施环节常出现混乱和无序现象，难以保证教学目标的完成。此外，部分学校由于经费短缺问题，往往无法高效推动案例教学与案例库建设3。以美国国家仪器公司为代表的虚拟仪器生产制造商，在不断的发展高速稳定数据采集卡的同时，也为虚拟仪器软件 LabVIEW 开发了与各种厂商各种接口的数据采集通信的软件包，而 NI 的 LabVIEW 虚拟仪器软件因为具有兼容性强、开发周期短、界面友好等优点，占领了测试领域的 80%的市场。随着应用需求的不断扩大，虚拟仪器技术的不断改进的提高，未来 Labview虚拟仪器软件将依然是自动测试领域的首选开发工具。市面上已经有很多关于 LabVIEW 的教材，网络上也有很多相关的教程，但是以一个大型工程应用项目为背景系统讲授本门课程和设置案例的例子还没有，因此，为本课程建设一个与工程实际应用联系紧密的案例库变得十分必要。中文科技期刊数据库（全文版）教育科学 80 3 虚拟仪器案例库设计 虚拟仪器 总学时为 32 学时，总共包括 LabVIEW编程环境、LabVIEW 数据类型、LabVIEW 编程结构、图形显示及文件 I/O、数学计算分析和数据采集 6 知识模块，约 30 个知识点。通过梳理虚拟仪器课程知识体系，设计全程分类案例：改变传统“章节”的逻辑教学法，以专题任务设置为牵引优化教学内容，结合我校航空院校及专业背景特色，以航天背景设置综合应用案例贯穿课程。本案例库包括入门级、进阶级和高级应用三大案例群。具体如下：3.1 基础测试仪器案例设计（入门级案例）为了保证案例库的使用者和学习者掌握了虚拟仪器编程软件 LabVIEW 的编程方法，调试方法和界面设计方法，设计了入门级案例库，主要包括四个基础测试仪器。其中对虚拟仪器的数据类型、数据操作、数据结构、数值计算和数据流的特点等知识点都有了具体的应用。入门级案例内容如下：（1）虚拟示波器设计：参考实物示波器的功能，设计一个双通道的虚拟示波器。其中包括的知识点有：界面设计、循环结构、控件排列、控件属性节点、数组及簇、波形图和波形图标的显示、波形图属性设置及编程。（2）虚拟函数信号发生器设计：参考实物信号发生器的功能，设计具备双通道、三种输出波形的多功能虚拟函数信号发生器。其中包括的知识点有：条件结构、信号处理、布尔控件、波形图表的应用。（3）虚拟电压表设计：参考实物电压表的功能，结合采集设备，设计具备双通道电压采集功能的虚拟电压采集设备。其中包括的知识点有：NI-ElVIs 采集设备初始化-DAQmx数据采集-while循环编写-移位寄存器编写-电压显示-文件保存。（4）科学计算器设计：参考实物计算器的功能，设计一个具有科学计算功能的计算器。其中包括的知识点有：事件结构、字符串拼接、搜索、格式转换、公式节点、表达式节点、数值计算等功能的应用。3.2 典型接口应用案例设计（进阶级案例）为了 保 证案 例 库的 使 用 者和 学 习者 掌 握了LabVIEW 与各种硬件接口的通信编程方法，设计了进阶级案例。选择了几类目前在测控领域里应用广泛的接口技术，融合了电子信息专业中单片机技术、检测技术、模拟电路、数字电路和嵌入式程序设计这几门课程的内容，设计了四个具有代表性且难度适中的测试案例，通过学习，使学生具备搭建小测试项目解决问题的能力。进阶级案例内容如下：（1）基于测试仪器的综合测试平台设计：应用实验室的 Agilent DSO-x 2012 示波器、keysight 53220A频率计、Agilent 34980 电压采集表、IT6900 系列直流电源等设备设计一个高度集成的多功能测试平台。通过上位机控制 IT6900 电源输出，将示波器、频率计和电压表的数据显示在上位机的前面板上并且将数据和图片保存至本地硬盘。所使用的仪器及其接口类型如表 1 所示，其中，包括 GPIB、USB、LA 和 RS232 四种通信接口，在安装完仪器驱动后，通过 LabVIEW 中的 VISA 读写函数包，写入对应的仪器指令，实现对各类仪器的访问和控制，从而完成一个高度集成的测试平台的设计，在工程应用中大大提高测试效率，节约人力物力成本。表 1 综合测试平台仪器接口 仪器名称 接口类型 仪器指令 Labview 接口方法 Agilent DSO-x 2012 示波器 LAN 峰峰值读取，上升时间，截图保存 VISA 读写函数 keysight 53220A频率计 USB 双通道频率读取 VISA 读写函数 Agilent 34980 电压采集表 GPIB 多通道电压读取 VISA 读写函数 IT6932直流电源 RS232 过压过流保护，最大电压电流设置、实际输出电压电流 VISA 读写函数（2）基于单片机的粮仓温湿度度监控系统设计：基于 51 单片机设计一个粮仓温湿度控制系统，采用DHT11 温湿度传感器实现粮仓温湿度控制。其中设计的专业知识有：温湿度传感器工作原理、温湿度信号调理电路设计、单片机数据采集、单片机串口编程、labview 串口通信模块编程。通过该案例学习，实现了多学科融合，将所学的专业知识与实际应用紧密结合。（3）基于 TCP/IP 的高低温箱的控制系统设计：设计一个高低温箱的测试和控制系统，将温箱的温度、保温时间状态通过网络传输到从机上，以便进行后续测试。网络传输采用 TCP/IP 协议，因此该案例包括温度传感器选型、DIO 控制和 TCP/IP 通信模块编程等技术。中文科技期刊数据库（全文版）教育科学 81（4）基于PCI-6259的多通道数据采集系统设计：基于 NI 公司的 PCI-6259 数据采集设备设计一个多通道数据采集系统。其中包括的技术有：NI-max 平台调试、DAQmx 数据采集函数、多通道数据分解、合并、滤波、参数调节、文件存储等。3.3 综合应用案例设计（高级案例）为了 保 证案 例 库的 使 用 者和 学 习者 掌 握了LabVIEW 高级编程方法即程序架构，掌握虚拟仪器技术与检测技术、模拟电路、电子工艺设计、嵌入式课程内容的交汇融合应用，掌握了与第三方软件的通信技术，设计了高级案例。本文设计了四个典型的综合测试案例，分别应用于航天电子测试和石油行业，通过完成此案例，使学生充分了解了传感技术、数据采集技术、调理电路、虚拟仪器技术在一个测试系统中的关系，具备搭建大中型测试系统的能力。高级案例内容如下：（1）陀螺马达寿评估系统：基于两个 PCI-6259采集设备，对 10 个马达 40 路模拟信号进行同时测量，具备定时断电、报警断电、报警提示、数据存储和数据查询功能。案例包括技术有：基于 LabVIEW 的生产者-消费着框架、数据库访问技术、基于 PCI 接口的数据采集方法、DAQmx AIO 和 DIO 控制、各种基础编程方法等。（2）捷联设备测试系统：基于自主设计的 PCI 数据采集卡，实现 16 路数字脉冲的测量，其中包括稳定测量和触发测量模式，最后实现结果判断。案例包括的技术有：基于 LabVIEW 的 DLL 访问技术、脉冲测量方法、子函数调用和设置方法、配置文件读写、波形文件读写、数据库访问技术等。（3）航天电源智能测试系统：基于多台爱的克斯电源和安捷伦电压表，实现多个电源的在高低温环境中测试，其中包括详测和正常测试。案例包括的技术有：基于 LabVIEW 的状态机框架搭建、GPIB 通信接口、TCP/IP 通信接口、excel 文件读写。（4）LK6 型含气量测试仪设计：基于 LabVIEW编程，采用 Modbus 总线的气体流量计，设计一套含气量测试仪，并且将数据传值在线测试平台。案例包括的技术有：基于 LabVIEW 的多 while 并行框架搭建、HTTP 网络编程、方法节点编程方法、界面设计及美化、自定义控件设计。4 虚拟仪器案例库教学方法 基于上述案例库内容，本课程采用三阶段教学法，即基础理论学习、前沿知识捕捉、工程应用设计三个阶段进行教授4。第一阶基础理论学习：采用教师教授为主的教学方法，本过程主要讲解虚拟仪器技术的基本概念、LabVIEW 编程环境和编程基础等内容，主要对应的是入门级案例库的内容。教师在讲授的同时，利用好第二课堂时间，给学生布置课下作业，每次上课时让学生轮流展示作业结果，比较不同的编程思路，发现作业问题，结合工程应用的需求给学生指明作业问题会引发的应用弊端，便于学生形象理解理论与实际的关系，意识到打牢基础的重要性。第二阶段前沿知识捕捉：本过程以学生自主学习和翻转课堂为主，教师点评和提问为辅。主要对应进阶级案例库的内容，从数据通信接口、数据存储方法、数据采集技术、程序界面设计、数据网络接口五个方面入手，捕捉与之相关的前沿技术应用，学生以小组为单位，每个小组选择一个题目完成并进行汇报。内容可以包括：前沿技术原理、前沿技术应用、前沿科技论文精度。通过小组协作，查阅资料，制作演示文稿，撰写报告，既锻炼了学生课程进阶能力，又激发他们独立思考解决问题的能力。第三阶段工程应用设计：在讲授了基础知识和前沿的应用的学习后，引入几个实际工程应用项目。主要对应高级案例库内容。结合前面所学的内容，以小组为单位，选择一个题目，制定设计方案，确定系统框架，确定接口类型，硬件型号和数据采集设备，进行共分工合作，编写程序，完成系统功能模块设计与实现。并进行最终的答辩。采用分组和反转课堂的教学方法，大大提高了学生的课堂参与度和学习的主动性，激发学生的学习热情和兴趣，寓教于学，提高了学习效率。本文中的三阶段教学法打破了传统的按部就班的授课模式，以工程案例为基础，融入课程知识点，以及项目中涉及的前沿技术，最后回归到工程案例的实现。解决了传统教学中理论与实际应用脱节，理论与前沿技术脱节，学生不知道为什么学、怎么学的问题。5 虚拟仪器教学效果评估 为了评估虚拟仪器课程案例库的教学效果，中文科技期刊数据库（全文版）教育科学 82 本文选择 2021、2022、2023 三个学年教学过程进行比较，其中 2021 年未采用案例教学，2022 年和 2023 年均采用案例教学，班容量为 20 人。比较结果如图 1 所示，发现在融入了案例库教学后，学生在课前测试、课后测试、作业完成度、项目参与度、课堂参与度、学生满意度这几个方面均有提高5，尤其是在项目完成度和课堂参与度方面提高幅度较大。由此可见，在课堂中融入案例库教学，确实有助于学习效果的提升。图 1 历年教学效果评估结果 6 结论 本文提出了虚拟仪器案例库构建方法及进行了教学模式探索，通过实践得到结论，该方法提升了虚拟仪器 课程教学效果，提升了学生的学习效能，具有实践意义，同时可对本专业其他课程的教学提供参考。参考文献 1白建峰,顾卫华,庄绪宁.研究生课程环境工程微生物学教学案例库建设探讨以上海第二工业大学环境工程领域工程硕士培养为例 J.教育教学论坛,2016(48):235-236.2陈建伟,王宁,王兴国.专业学位研究生抗震工程学教学案例库建设现状与可行性分析J.课程教育研究,2018(49):254.3王福斌,曾凯,张瑞成,陈波.结合机器视觉课程案例(库)建设提升研究生课程教学效能J.大学教育,2021(04):173-175.4张婧婧,李勇伟.结合单片机原理与传感器技术课程设计综合案例库的研究J.中国教育信息化,2019(14):51-53.5李小敏.电子技术基础课程案例库建设J.数字化用户,2019,25(23):279.作者简介：作者简介：韦雪洁(1981),女,副教授,硕士,广西南宁人,研究方向为数据采集 虚拟与智能仪器技术。李万军(1988)男,高级实验师,硕士,湖南郴州人,研究方向为信号采集及数据处理。基金项目：北华航天工业学院硕士研究生课程建设项目（YK-2023-2）,北华航天工业学院本科教学研究与改革项目（JY-2022-49)，北华航天工业学院本科教学研究与改革项目（JY-2020-52)。0102030405060708090100历年 教学效果评估2021年2022年2023年