基于“虚拟仪器设计“课程与先修电子和计算机相关课程的继承和延续性,将比较教学法贯穿于“虚拟仪器设计“课程的教学中,通过相关知识的比较使学生认识虚拟仪器系统,掌握虚拟仪器软件平台;在实验教学中通过比较教学法让学生领会图形化编程语言的编程思想,掌握虚拟仪器的设计原则和步骤。实践证明通过比较教学能明显提高学生的学习效率和效果

杨武夷

Xiamen University Institutional Repository

722012年第4期2 0世纪8 0年代中期，美国国家仪器公司（Na t i o n a l　Instruments，简称NI）首先提出虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI）的概念。虚拟仪器基于计算机的软硬件平台，利用高性能的模块化硬件，结合良好的虚拟仪器软件平台来完成各种测试、测量和自动化的应用，软件是虚拟仪器的核心。[1，2]虚拟仪器在高校的教学研究中应用广泛，在计算机辅助教学方面发挥着重要的作用，目前也有越来越多的高校开设“虚拟仪器设计”课程。教学方法有很多种，“比较教学法”是其中应用广泛的一种。比较教学法将新的知识和学生已熟悉的知识进行比较，找出新旧内容之间相同点和不同点，然后进行差异化的学习，重在存同求异。笔者在教学时，注重以学生在学习先修课程时所获得的知识和体验为基础，将“虚拟仪器设计”和其他课程进行比较教学，这样就能事半功倍。本文对比较教学法在“虚拟仪器设计”课程中的应用进行探讨，以期在教学实践中能不断总结和改进该门课程的教学内容和方法，使这门课程的教学效果不断得到提高。一、“虚拟仪器设计”课程的主要内容“虚拟仪器设计”课程包括虚拟仪器系统、虚拟仪器软件平台及课程实验三大部分。虚拟仪器系统部分主要包括虚拟仪器的基本概念、系统组成、模拟信号和数字信号测量的基本方法、虚拟仪器总线接口技术及软件标准等内容；虚拟仪器软件平台部分主要包括编程环境、数据操作、程序结构、文件I/O、数据采集、数据分析处理及仪器控制等内容；通过实验教学使学生对虚拟仪器系统设计有深入的理解。软件是虚拟仪器的核心，因此，虚拟仪器的软件平台是课程的核心。虚拟仪器软件开发环境有文本编程环境和图形化编程环境两种。其中最具代表性的是NI公司提供的LabVIEW图形化编程语言与Measurement Studio，其提供了完整的虚拟仪器开发集成工具和应用软件。在课程中要培养学生的LabVIEW编程思想。二、比较教学法在“虚拟仪器设计”课程中的操作性乌申斯基说：“比较是一切理解和思维的基础，我们正是通过比较来了解世界上的一切。”求同和求异是思维的两个翅膀：求同在于认识事物的共性，而求异在于发现事物的个性。比较思维法就是要从具有类似性质的事物中寻找其差异，发现事物之间的共同点和不同点，因此，一般都用求同求异的方式来进行比较。在比较的过程中，要抓住事物本质，在引导学生认识事物间异同的同时解释这种异同，使比较不流于肤浅，达到对知识深入理解的目的。从课程体系的继承性上看，学生在学习“虚拟仪器设计”课程之前已学习了模拟电子、数字电子、计算机组成原理、微机原理与接口技术、高级程序设计语言（如C语言程序设计）等电子和计算机相关课程。这些先修课程与“虚拟仪器设计”课程的主要内容有很大的继承和延续性，有很多共同点，也存在很多的不同点。比较教学表现在“虚拟仪器设计”课程中，就是把虚拟仪器技术与已学的电子、计算机技术进行比较，找出其中相同点和不同点，通过比较鉴别，使学生比较全面地掌握虚拟仪器技术的一种教学方法。运用比较教学可以促使学生快速地理解和掌握虚拟仪器技术，可以在较少的课时内完成教学任务，从而提高教学效率。三、通过比较教学认识虚拟仪器系统虚拟仪器是计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术发展的结果。通过介绍仪器的发展历史，比较不同阶段仪器之间的异同，使学生对虚拟仪器的概念和特点有深入的理解。从传统仪器到虚拟仪器一共经历了四个发展阶段：第一代为模拟仪器；第二代为数字式仪器；第三代为智能仪器；第四代为虚拟仪器。四代仪器的共同点是它们都是信息获取的手段，是认识世界的工具；不同点是它们的系统结构和功能不断提升。模拟和数字式仪器功能简单。智能仪器将单片或多片微处理器与传统仪器有机地结合在一起形成单机，拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能。不同种类的智能仪器其组成都可以分为数据采集与控制、数据的分析与处理、结果的输出与显示三大功能，且都是以硬件形式存在，仪器硬件存在冗余，使用率低，开发、维护的费用高，技术更新周期长。虚拟仪器基于计算机的软硬件平台，除了数据采集与控制需借助于通用的测量功能硬件，数据的分析与处理、结果的输出与显示都借助计算机平台来实现，借助计算机的网络功能可以实现分布式测控。与传统仪器相比，虚拟仪器有多方面的优势，[3]如表1所示。表1 虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器 传统仪器系统构成 软件和通用硬件。软件是关键 专用硬件系统开发周期 开发时间短、技术要求低、系统通用性强开发时间长、技术要求高、系统功能较专一开发费用 软件使得开发和维护费用降至最低开发与维修开销高技术更新周期 短 (1～2 年 ) 长 (5～10 年 )价格 价格低、可复用与可重配置性强 价格昂贵功能可塑性 用户定义仪器功能 , 柔性 厂商定义仪器功能 ,刚性系统开放性 开放、灵活 ,与计算机技术同步发展封闭、固定构成复杂系统能力 易与网络及其他周边设备互连 功能单一的独立设备人机交互 无限的显示选项、界面友好 有限的显示选项虚拟仪器的关键技术之一是总线技术。作为连接控制器和程“虚拟仪器设计”课程中的比较教学法探讨杨武夷摘要：基于“虚拟仪器设计”课程与先修电子和计算机相关课程的继承和延续性，将比较教学法贯穿于“虚拟仪器设计”课程的教学中，通过相关知识的比较使学生认识虚拟仪器系统，掌握虚拟仪器软件平台；在实验教学中通过比较教学法让学生领会图形化编程语言的编程思想，掌握虚拟仪器的设计原则和步骤。实践证明通过比较教学能明显提高学生的学习效率和效果。关键词：虚拟仪器；比较教学；LabVIEW；仪器设计作者简介：杨武夷（1982-），男，福建泰宁人，厦门大学海洋与地球学院，讲师。（福建 厦门 361005）中图分类号：G642.0     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2012）04-0072-02DOI编码：10.3969/j.issn.1007-0079.2012.04.03773课程教材改革总第227期控仪器的纽带，总线的能力直接影响着系统的总体性能。虚拟仪器总线接口技术有GPIB总线、VXI总线、PXI总线和LXI总线等。[3]选择正确的总线是开发一个测量系统的关键。通过对比不同总线的性能、总线结构、接口技术和使用特性，分析比较不同总线的特性和适用情况。四、通过比较教学掌握虚拟仪器软件平台掌握虚拟仪器软件平台是虚拟仪器设计的核心，下面探讨比较教学法在图形化编程语言LabVIEW教学中的应用。要学好LabVIEW程序设计，就要掌握编程环境、数据操作、程序结构、文件I/O、数据采集、数据分析处理及仪器控制等内容。学生在学习“虚拟仪器技术”课程之前通常已经学习了高级程序设计语言，例如C语言程序设计，因此对计算机编程已经有一定的体验。因此可以通过比较C语言和图形化编程语言，进行知识和编程思想的迁移，提高学习效率。C语言支持的基本数据类型有布尔型、数值型（整型和浮点型）、字符型、字符串和数组，其中除字符型数据LabVIEW不支持外，其他的基本数据类型LabVIEW都支持。除此之外，LabVIEW还支持复数浮点型。C语言是基于文本的语言，变量的类型通过文本声明，而LabVIEW作为图形化的编程语言，数据类型隐含在前面板的输入控件和显示控件及程序框图面板的常量中，每种数据类型有相应的控件和常量。C语言和LabVIEW中数组都是同类型元素的集合，但C语言中数组元素的个数不能动态改变，而LabVIEW中数组元素的个数能动态改变。C语言中的结构体与LabVIEW中的簇有类似的功能，能包含任意数目任意类型的元素，LabVIEW中的簇是一个容器，可以将不同类型的控件放入容器。C语言中的for循环结构、while循环结构、if⋯else⋯条件结构以及switch选择结构在LabVIEW中都有对应的程序结构，这些对应的结构之间有共同点，同时也存在不同点。C语言中的for循环和LabVIEW中的for循环都可用于将某段程序循环执行指定的次数，但LabVIEW中的for循环的循环次数是固定的，不能像C语言中的for循环那样可以在满足条件时通过break语句来退出循环。另外，LabVIEW中的for循环通过以索引的方式获取循环结构体外的数组，则for循环的次数由数组的大小决定。for循环结构和while循环结构中常常要进行前后两次循环之间的数据交换，因此，LabVIEW专门提供了移位寄存器和反馈节点来实现前后两次循环之间的数据交换。移位寄存器和反馈节点类似C语言中的临时变量。当LabVIEW中的case结构的输入端子输入的是布尔型数据时，其等价于C语言中的if⋯else⋯条件结构；当LabVIEW中的case结构的输入端子输入的是整型数据时，其等价于C语言中的switch选择结构。C语言程序是按照语句的顺序从上到下逐条执行的，而LabVIEW程序框图中相互独立的图形代码（图形代码之间没有连线）是并行执行的，LabVIEW中提供的顺序结构能够设定相互独立的图形代码的执行顺序。LabVIEW提供了强大的文件I/O函数用以满足不同的文件操作需求。虽然LabVIEW支持的文件类型很多，但文件I/O操作的一般流程和C语言中的文件I/O操作流程是类似的：首先创建或打开一个文件，然后从文件中读取或向文件中写入数据，最终关闭文件。和C语言类似，LabVIEW中利用文件引用句柄对文件进行区分，用于对文件进行操作。五、实验教学中的比较教学法虚拟仪器设计分为硬件设计和软件设计两个方面，软件设计是虚拟仪器设计的核心。在实验教学中，一方面通过简单的程序设计习题使学生掌握图形化编程语言的编程思想，另一方面通过虚拟仪器系统设计使学生了解虚拟仪器的设计原则和设计步骤。LabVIEW是图形化编程语言，对象之间的数据通过对象之间的连线来传递，因此，当面对一个程序设计问题时，习惯C语言编程思想的学生可能一时无从下手。在这种情况下可以让学生先思考怎样设计C语言程序来解决问题，找到解决问题的方法，然后根据C语言程序中的结构找到LabVIEW程序要使用的程序结构，实现相同逻辑的LabVIEW程序。例如，要求设计一个LabVIEW程序计算一个非负整数的阶乘。首先编写C语言程序计算一个非负整数n的阶乘n_factorial，程序如下所示：unsigned int n，t，n_factorial；.........；t = 1；for（int i = 0；i < n；i++）{     t = t *（i+1）；}n_factorial = t；程序中利用到了for循环，通过变量t记录每次for循环的计算结果。对应到LabVIEW程序，利用For循环和移位寄存器可以实现相同的逻辑，在For循环中移位寄存器中的数据与循环次序索引i加1的值相乘后保存在移位寄存器中，程序框图如图1所示。 虚拟仪器设计的关键是根据系统划分的硬件和软件功能选择计算机类型和接口技术。虚拟仪器系统中某些功能既可以用硬件实现，又可以用软件实现，方法多种多样，因此，系统的具体结构千差万别。基于虚拟仪器工程设计实例，分析比较不同系统实现的优缺点。在虚拟仪器系统设计的实验中，要求学生考虑不同的系统实现方案，分析比较不同系统方案的特点，结合实际情况从中选择一种进行系统实现。六、结论实践证明，比较教学可以利用学生已有的知识帮助他们更好地掌握虚拟仪器的相关知识，把他们在高级语言程序设计中获得的编程思想和方法迁移到图形化编程语言的程序设计中，通过虚拟仪器系统设计的方案比较来了解虚拟仪器的设计原则。从近几年的教学实践来看，通过比较教学，极大地提高了学生的学习效率，学习效果显著。参考文献：[1] 梁志国 , 孙璟宇 . 虚拟仪器的现状及发展趋势 [J]. 测控技术 ,2003,(12):1-4.[2] 赵勇 , 安雪滢 , 杨乐平. 虚拟仪器软件平台技术现状和发展趋势 [J].国外电子测量技术 ,2002,(1):1-4.[3] 张重维 .虚拟仪器技术分析与设计 [M]. 北京 :电子工业出版社 ,2007.（责任编辑：刘辉）图1 计算非负整数 n的阶乘的程序框图

“虚拟仪器设计”课程中的比较教学法探讨

http://dspace.xmu.edu.cn/bitstream/handle/2288/104440/%e2%80%9c%e8%99%9a%e6%8b%9f%e4%bb%aa%e5%99%a8%e8%ae%be%e8%ae%a1%e2%80%9d%e8%af%be%e7%a8%8b%e4%b8%ad%e7%9a%84%e6%af%94%e8%be%83%e6%95%99%e5%ad%a6%e6%b3%95%e6%8e%a2%e8%ae%a8.pdf?sequence=1&isAllowed=y

“虚拟仪器设计”课程中的比较教学法探讨

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