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摘 要：在分析了传统教学模式优缺点的基础上提出基于虚拟教学环境的教学改革，采用基于虚拟仪器实验的教学模式来培养创新性人才。以“信号与系统”课程实践为例说明了虚拟仪器在教学当中的应用，结果表明，虚拟仪器的引入不仅培养了学生的实际操作能力，也培养了他们灵活运用课本知识，理论联系实际，独立自主地进行设计和创新的能力。
关键词：虚拟仪器 教学改革 创新能力
中图分类号：G642.0 文献标识码：A
文章编号：1004-4914（2015）02-257-02
创新型人才的培养离不开实践能力的提高，国内外大学都非常重视培养学生的实践能力。教育部曾经指出：“在高等学校开展创新创业教育，积极鼓励高校学生自主创业，是深化高等教育教学改革，培养学生创新精神和实践能力的重要途径。”传统教学模式中着重课堂教学，在实验和实践上的投入较少，存在着个性化培养不足、指导性差等缺点，导致了重视理论培养，而忽视学生创新能力的培养。虚拟仪器的出现是一个革命性的新技术。虚拟仪器应用软件集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所代替{1}。国内的许多大学都已经把虚拟仪器技术应用到了教学过程中{2}{3}{4}。在教学过程中学生可让他们根据实验要求，自行设计以锻炼学生的独立构思和设计能力，激发学生的学习兴趣。
本文在分析了传统教学模式优缺点的基础上提出基于虚拟教学环境的教学改革，采用基于虚拟仪器实验的教学模式来培养创新性人才，为推动教学模式的改革提供了可靠的依据。
一、传统教学模式
1.传统教学模式。传统教学模式中着重课堂教学，授课过程中大部分时间都放在了理论学习上，在实验和实践上的投入较少。而且目前高校课内实验项目多为验证性实验，实验内容单一， 缺乏创新能力的培养。工科类学生人才的培养，更应该注重学生对所学知识的感性认识，激发他们的创造灵感，提高学生的创新能力。
2.传统的实验设施及资源。高校的实验室大多采用的是传统的仪器和设备，这些仪器功能单一通用性差。传统的实验设备固定由固有的硬件构成，只能进行特定的实验项目和实验操作，如果要增加新的功能就需要更新硬件或者购买新的实验设备，投资较大。目前在许多普通院校没有足够的经费去购置大量的实验设备，现有的实验设备数量已经不能与不断扩大的学生数量相匹配。
综上，传统的教学模式虽然可以满足基本教学要求，符合理论指导实践法则，但是传统的教学模式存在着个性化培养不足、指导性差等缺点，导致了重视理论培养，而忽视学生创新能力的培养。因此，在传统培养模式落后于就业形势与需求和面临的生源竞争日渐严峻的情况下，对创新人才培养模式的改革势在必行。
二、基于虚拟教学环境的教学改革
1.虚拟网络实验室建立。虚拟仪器技术的发展， 为有针对性地开设设计性、综合性和应用性实验内容提供了技术支持。目前许多学校都建立了网络虚拟仪器实验室，通过利用虚拟仪器开发软件及其网页发布功能结合其他技术组建虚拟实验室。如北京邮电大学、中国石油大学、汕头大学、北方民族大学等等。北京邮电大学网络教学系统研究中心是国内较早开展网络开放式虚拟实验教学研究的机构之一，他们把信息技术的特点很好地应用到教学管理中，提高了教与学的效率。他们所建立的开放式实验室综合管理系统，开放式网上虚拟实验室及课程系列，计算机网络技能训练系统等提高了学生的动手能力和创新能力{5}。
2.将虚拟仪器在课内实验的应用。将虚拟仪器技术应用于教学中，不仅可以让学生更全面地理解和掌握基础知识而且提高了学生的动手和创新能力，扩展了学生的知识面。天津大学的朱爱华等针对信号理论中卷积过程以及抽样定理，借助Labview软件建立虚拟的信号实验平台{6}。盐城师范学院的刘艳在分析了基于MATLAB和基于Labview的虚拟实验平台的优缺点基础上，开发了基于Labview自动控制原理虚拟实验系统，在Labview上设计系统前面板，对应后面板程序通过ActvieX技术与MATLAB进行混合编程。实践表明充分调动了学生的积极性，提高了教学质量{7}。广东工业大学的邹大鹏等以培养学生能够具备设计及开发计算机辅助测试系统的能力为目标，在测试技术教学过程中建立了比例阀测试系统，将虚拟仪器与教学内容结合起来为课程的教学改革提供了论证和实例{8}。
三、虚拟仪器在教学中的实践
Labview是用于建立测试、测量和自动化应用的一门用图标代替文本行图形化语言。与基于文本的编程语言不同，Labview使用数据流编程，数据流决定程序的执行。在Labview中，使用一组工具和对象来建立用户界面，使用函数的图形表示代码称为程序框图。与其他仿真软件相比，Labview强大的与硬件结合甚至是“植入”硬件的功能使得它更容易在硬件上实现，也更容易检验所设计算法和系统的正确行、有效性与应用性{9}。Labview的灵活性、模决化以及其编程的便利性，方便学生的学习和掌握。本文以“信号与系统”的课程实践为例分析虚拟仪器在学生创新能力培养中的应用。
“信号与系统”是所有“电类”专业必修的专业基础课程，它的主要教学内容包括信号的滤波、采样、截断、调制与解调，信号时域波形的分析、频域的频谱和功率谱分析等信号分析方法等等。在课堂教学过程中可适当加入虚拟仪器的使用，将理论与实践充分结合能够得到更好的教学效果。此次课程实践的主要目标是利用labview在上位机实现温湿度传感器的数据采集。数据采集模块利用单片机实现温度实时采集、湿度实时采集、电路状态信号采集及数据预处理；数据传输模块将检测信号传输到计算机；再通过I/O口将数据传到LABVIEW平台上，同学们利用所编辑的labview程序进行温、湿度数据的实时采集与监测，同时在labview前面板实时输出温度、湿度变化曲线。 在此次实践过程中同学们都表现出了浓厚的学习兴趣，在元件的选择和功能实现上都进行认真的讨论。小组中的每个人都分别设计不同的方案然后进行讨论，讨论过后小组中的每位同学都能有所收获并根据讨论结果把自己的方案进行优化。如图1所示，为学生利用Labview程序设计的温湿度采集窗口及程序。
四、结论
实践表明，虚拟仪器在教学模式的应用，不仅强化了不同学科、不同课程理论知识的联系，提高了学生的综合能力、创新能力及团队合作精神，充分发挥了学生的主观能动性激发了学习兴趣，同时也实现了资源共享，提高了实验设备的利用率。虚拟仪器的引入不仅培养了学生的实际操作能力，也培养了他们灵活运用课本知识，理论联系实际，独立自主地进行设计和创新的能力。通过虚拟仪器的使用不仅仅是一个学习新知识的新方法，同时也是对所学知识的一次综合的检验和复习。
[基金项目：黑龙省高等教育科学研究项目，课题编号：14G135，14Z023。佳木斯大学教学研究项目，课题编号： JYLB2013-01，JYLA2012-007。]
注释：
{1}刘君华，等.虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW教程[M].西安：西安电子科技大学出版社，2001
{2}曹建荣，等.虚拟仪器技术在自动控制原理实验中的应用[J].实验室研究与探索，2004，23（5）38-40
{3}罗开玉，等.基于虚拟仪器技术的应变测试系统[J].江苏大学学报（自然科学版），2005（2）106-109
{4}顾九春，等.《自动控制原理》课程虚拟实验平台的设计[J].高校实验室工作研究，2008，95（1）50-52
{5}张琼，等.北京邮电大学网络教学系统研究中心——虚拟仿真实验教学的研究与创新[J海峡科技与产业，2014（7）78-80
{6}朱爱华，刘鸣，曾周末，毕玉玲.基于Lab V IEW的虚拟信号实验平台[J].实验技术与管理，2005，22（4）70-72
{7}刘艳.基于虚拟仪器的“自动控制原理”实验教学改革探索[J]，林区教学，2009（11）9-10
{8}邹大鹏，吴百海，龙建军.基于虚拟仪器技术实现测试技术教学改革的研究，广东工业大学学报（社会科学版），2007，7（增刊）：104-107
{9}杨智，等.虚拟仪器教学实验简明教程[M].北京航空航天大学出版社，2008
（作者单位：佳木斯大学机械工程学院 黑龙江佳木斯 154007；第一作者简介：陈思羽，讲师，工学硕士，主要研究方向：农业电气化及自动化；通讯作者：姜永成，副教授。）
（责编：若佳）
关键词：虚拟仪器 教学改革 创新能力
中图分类号：G642.0 文献标识码：A
文章编号：1004-4914（2015）02-257-02
创新型人才的培养离不开实践能力的提高，国内外大学都非常重视培养学生的实践能力。教育部曾经指出：“在高等学校开展创新创业教育，积极鼓励高校学生自主创业，是深化高等教育教学改革，培养学生创新精神和实践能力的重要途径。”传统教学模式中着重课堂教学，在实验和实践上的投入较少，存在着个性化培养不足、指导性差等缺点，导致了重视理论培养，而忽视学生创新能力的培养。虚拟仪器的出现是一个革命性的新技术。虚拟仪器应用软件集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所代替{1}。国内的许多大学都已经把虚拟仪器技术应用到了教学过程中{2}{3}{4}。在教学过程中学生可让他们根据实验要求，自行设计以锻炼学生的独立构思和设计能力，激发学生的学习兴趣。
本文在分析了传统教学模式优缺点的基础上提出基于虚拟教学环境的教学改革，采用基于虚拟仪器实验的教学模式来培养创新性人才，为推动教学模式的改革提供了可靠的依据。
一、传统教学模式
1.传统教学模式。传统教学模式中着重课堂教学，授课过程中大部分时间都放在了理论学习上，在实验和实践上的投入较少。而且目前高校课内实验项目多为验证性实验，实验内容单一， 缺乏创新能力的培养。工科类学生人才的培养，更应该注重学生对所学知识的感性认识，激发他们的创造灵感，提高学生的创新能力。
2.传统的实验设施及资源。高校的实验室大多采用的是传统的仪器和设备，这些仪器功能单一通用性差。传统的实验设备固定由固有的硬件构成，只能进行特定的实验项目和实验操作，如果要增加新的功能就需要更新硬件或者购买新的实验设备，投资较大。目前在许多普通院校没有足够的经费去购置大量的实验设备，现有的实验设备数量已经不能与不断扩大的学生数量相匹配。
综上，传统的教学模式虽然可以满足基本教学要求，符合理论指导实践法则，但是传统的教学模式存在着个性化培养不足、指导性差等缺点，导致了重视理论培养，而忽视学生创新能力的培养。因此，在传统培养模式落后于就业形势与需求和面临的生源竞争日渐严峻的情况下，对创新人才培养模式的改革势在必行。
二、基于虚拟教学环境的教学改革
1.虚拟网络实验室建立。虚拟仪器技术的发展， 为有针对性地开设设计性、综合性和应用性实验内容提供了技术支持。目前许多学校都建立了网络虚拟仪器实验室，通过利用虚拟仪器开发软件及其网页发布功能结合其他技术组建虚拟实验室。如北京邮电大学、中国石油大学、汕头大学、北方民族大学等等。北京邮电大学网络教学系统研究中心是国内较早开展网络开放式虚拟实验教学研究的机构之一，他们把信息技术的特点很好地应用到教学管理中，提高了教与学的效率。他们所建立的开放式实验室综合管理系统，开放式网上虚拟实验室及课程系列，计算机网络技能训练系统等提高了学生的动手能力和创新能力{5}。
2.将虚拟仪器在课内实验的应用。将虚拟仪器技术应用于教学中，不仅可以让学生更全面地理解和掌握基础知识而且提高了学生的动手和创新能力，扩展了学生的知识面。天津大学的朱爱华等针对信号理论中卷积过程以及抽样定理，借助Labview软件建立虚拟的信号实验平台{6}。盐城师范学院的刘艳在分析了基于MATLAB和基于Labview的虚拟实验平台的优缺点基础上，开发了基于Labview自动控制原理虚拟实验系统，在Labview上设计系统前面板，对应后面板程序通过ActvieX技术与MATLAB进行混合编程。实践表明充分调动了学生的积极性，提高了教学质量{7}。广东工业大学的邹大鹏等以培养学生能够具备设计及开发计算机辅助测试系统的能力为目标，在测试技术教学过程中建立了比例阀测试系统，将虚拟仪器与教学内容结合起来为课程的教学改革提供了论证和实例{8}。
三、虚拟仪器在教学中的实践
Labview是用于建立测试、测量和自动化应用的一门用图标代替文本行图形化语言。与基于文本的编程语言不同，Labview使用数据流编程，数据流决定程序的执行。在Labview中，使用一组工具和对象来建立用户界面，使用函数的图形表示代码称为程序框图。与其他仿真软件相比，Labview强大的与硬件结合甚至是“植入”硬件的功能使得它更容易在硬件上实现，也更容易检验所设计算法和系统的正确行、有效性与应用性{9}。Labview的灵活性、模决化以及其编程的便利性，方便学生的学习和掌握。本文以“信号与系统”的课程实践为例分析虚拟仪器在学生创新能力培养中的应用。
“信号与系统”是所有“电类”专业必修的专业基础课程，它的主要教学内容包括信号的滤波、采样、截断、调制与解调，信号时域波形的分析、频域的频谱和功率谱分析等信号分析方法等等。在课堂教学过程中可适当加入虚拟仪器的使用，将理论与实践充分结合能够得到更好的教学效果。此次课程实践的主要目标是利用labview在上位机实现温湿度传感器的数据采集。数据采集模块利用单片机实现温度实时采集、湿度实时采集、电路状态信号采集及数据预处理；数据传输模块将检测信号传输到计算机；再通过I/O口将数据传到LABVIEW平台上，同学们利用所编辑的labview程序进行温、湿度数据的实时采集与监测，同时在labview前面板实时输出温度、湿度变化曲线。 在此次实践过程中同学们都表现出了浓厚的学习兴趣，在元件的选择和功能实现上都进行认真的讨论。小组中的每个人都分别设计不同的方案然后进行讨论，讨论过后小组中的每位同学都能有所收获并根据讨论结果把自己的方案进行优化。如图1所示，为学生利用Labview程序设计的温湿度采集窗口及程序。
四、结论
实践表明，虚拟仪器在教学模式的应用，不仅强化了不同学科、不同课程理论知识的联系，提高了学生的综合能力、创新能力及团队合作精神，充分发挥了学生的主观能动性激发了学习兴趣，同时也实现了资源共享，提高了实验设备的利用率。虚拟仪器的引入不仅培养了学生的实际操作能力，也培养了他们灵活运用课本知识，理论联系实际，独立自主地进行设计和创新的能力。通过虚拟仪器的使用不仅仅是一个学习新知识的新方法，同时也是对所学知识的一次综合的检验和复习。
[基金项目：黑龙省高等教育科学研究项目，课题编号：14G135，14Z023。佳木斯大学教学研究项目，课题编号： JYLB2013-01，JYLA2012-007。]
注释：
{1}刘君华，等.虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW教程[M].西安：西安电子科技大学出版社，2001
{2}曹建荣，等.虚拟仪器技术在自动控制原理实验中的应用[J].实验室研究与探索，2004，23（5）38-40
{3}罗开玉，等.基于虚拟仪器技术的应变测试系统[J].江苏大学学报（自然科学版），2005（2）106-109
{4}顾九春，等.《自动控制原理》课程虚拟实验平台的设计[J].高校实验室工作研究，2008，95（1）50-52
{5}张琼，等.北京邮电大学网络教学系统研究中心——虚拟仿真实验教学的研究与创新[J海峡科技与产业，2014（7）78-80
{6}朱爱华，刘鸣，曾周末，毕玉玲.基于Lab V IEW的虚拟信号实验平台[J].实验技术与管理，2005，22（4）70-72
{7}刘艳.基于虚拟仪器的“自动控制原理”实验教学改革探索[J]，林区教学，2009（11）9-10
{8}邹大鹏，吴百海，龙建军.基于虚拟仪器技术实现测试技术教学改革的研究，广东工业大学学报（社会科学版），2007，7（增刊）：104-107
{9}杨智，等.虚拟仪器教学实验简明教程[M].北京航空航天大学出版社，2008
（作者单位：佳木斯大学机械工程学院 黑龙江佳木斯 154007；第一作者简介：陈思羽，讲师，工学硕士，主要研究方向：农业电气化及自动化；通讯作者：姜永成，副教授。）
（责编：若佳）