基于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教學(xué)改革

陳群英

摘 要：簡(jiǎn)要介紹了虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)在《數(shù)字信號(hào)處理》課程中的應(yīng)用。目前，在我國(guó)眾多高校中，虛擬實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)被普遍采用，其技術(shù)非常成熟，它的引入填補(bǔ)了西安培華學(xué)院在這方面的空白。LabVIEW是一種功能強(qiáng)大的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，而虛擬實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展模式，它能夠有效地補(bǔ)充和完善硬件實(shí)驗(yàn)，同時(shí)，也體現(xiàn)出了西安培華學(xué)院“理論+案例+實(shí)踐”的教學(xué)思路，是探索“因材施教、差異化培養(yǎng)、多元化考核標(biāo)準(zhǔn)”教學(xué)改革的方法之一。

關(guān)鍵詞：《數(shù)字信號(hào)處理》；虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)；LabVIEW；虛擬儀器

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.17.120

1 《數(shù)字信號(hào)處理》課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

《數(shù)字信號(hào)處理》課程的實(shí)驗(yàn)課分為軟件實(shí)驗(yàn)和硬件實(shí)驗(yàn)。在講解課程內(nèi)容時(shí)，教師通常會(huì)利用MATLAB軟件輔助教學(xué)，在課堂上演示結(jié)果，有條件的學(xué)院還會(huì)給學(xué)生開設(shè)基于MATLAB的實(shí)驗(yàn)課。對(duì)于這樣的軟件實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生必須掌握MATLAB軟件，所以，在開設(shè)《數(shù)字信號(hào)處理》課程之前，學(xué)院必須先開設(shè)《MATLAB基礎(chǔ)》課程。MATLAB軟件界面和編程語(yǔ)言幾乎是全英文的，這對(duì)大部分三本學(xué)生來(lái)說(shuō)有很大的困難，所以，導(dǎo)致軟件實(shí)驗(yàn)幾乎無(wú)法進(jìn)行。要想開設(shè)硬件實(shí)驗(yàn)，就需要購(gòu)買實(shí)驗(yàn)設(shè)備、組建實(shí)驗(yàn)室，還需要維修，這筆費(fèi)用是相當(dāng)可觀的，而且電子類課程硬件實(shí)驗(yàn)箱種類很多，實(shí)驗(yàn)方法大同小異，很容易出現(xiàn)學(xué)生提不起興趣，實(shí)驗(yàn)效果不佳的情況。

LabVIEW是一種功能強(qiáng)大的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，在我國(guó)，許多大學(xué)已將LabVIEW作為本科的教學(xué)內(nèi)容。虛擬實(shí)驗(yàn)是一種現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展模式，它能夠有效地補(bǔ)充和完善硬件實(shí)驗(yàn)，緩解實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足和資金缺乏等問(wèn)題，易于維護(hù)，而且教師和學(xué)生可以從LabVIEW論壇和LabVIEW官網(wǎng)中得到技術(shù)支持。

虛擬實(shí)驗(yàn)室不僅可以滿足驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的需要，還可以將其應(yīng)用到學(xué)生的課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)論文選題和各類電子設(shè)計(jì)大賽中?；谔摂M實(shí)驗(yàn)技術(shù)的教學(xué)改革是任課教師的職責(zé)，教師們應(yīng)該大膽創(chuàng)新，將新思想、新技術(shù)引入學(xué)院教學(xué)中，不斷提高教學(xué)質(zhì)量，培育高素質(zhì)的人才。這一想法得到了我院領(lǐng)導(dǎo)的大力支持，相關(guān)教師也將此申請(qǐng)為校級(jí)科研項(xiàng)目。目前，該項(xiàng)目已經(jīng)在我院《數(shù)字信號(hào)處理》實(shí)驗(yàn)課中試點(diǎn)。

2 虛擬儀器軟件LabVIEW

由我院的實(shí)際情況可知，學(xué)生獲取電子學(xué)知識(shí)的道路是艱難的，他們?cè)诮淌依飳W(xué)習(xí)到的概念與實(shí)際的工程應(yīng)用有很大的距離。從大二開始，很少有學(xué)生能夠繼續(xù)堅(jiān)持學(xué)習(xí)工程，因?yàn)樗麄儽焕碚摵头抡嫠鶋旱梗瑳](méi)有機(jī)會(huì)去真正地“做工程”。針對(duì)這種情況，基于LabVIEW的教育工作者們可以使用現(xiàn)成、可用的練習(xí)或者自定的練習(xí)應(yīng)用來(lái)滿足課堂和實(shí)驗(yàn)室的需求。使用LabVIEW，學(xué)生們就擁有了實(shí)踐與探索的工具，而唯一的限制就是他們的創(chuàng)造力和想象力。

LabVIEW作為全球院校采用的圖形化編程環(huán)境，將實(shí)踐性的學(xué)習(xí)帶入了課堂，強(qiáng)化科研應(yīng)用，為培養(yǎng)下一代創(chuàng)新者提供了巨大的幫助。該軟件具有直觀的圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)特性，便于教師和研究人員進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)、原型和部署。LabVIEW是專為工程師和科學(xué)家而創(chuàng)建的開發(fā)環(huán)境，它被用于90%的“世界500強(qiáng)”制造型企業(yè)中。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)室初探

2013年，我院成立了中興電信實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。自實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心成立以來(lái)，學(xué)院的各項(xiàng)教學(xué)改革不斷深入，并基于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心完成了教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)、精品課程建設(shè)、基于CDIO教學(xué)模式的全課程體系的教學(xué)改革。中興電信實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心由模擬電路實(shí)驗(yàn)室、數(shù)字電路與仿真實(shí)驗(yàn)室、通信原理實(shí)驗(yàn)室、電路原理與信號(hào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室、微機(jī)原理與接口技術(shù)及單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室和科研創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室等15個(gè)實(shí)驗(yàn)室組成，它們主要承擔(dān)中興電信學(xué)院電子信息工程、通信工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程和通信技術(shù)專業(yè)等相應(yīng)課程的實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)、仿真實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)工作。在這個(gè)大環(huán)境下，教師們嘗試在《數(shù)字信號(hào)處理》課程中引入虛擬實(shí)驗(yàn)室，不僅填補(bǔ)了我院在這方面的空白，還使我院的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)邁上了一個(gè)新臺(tái)階。虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為學(xué)生提供了良好的課程實(shí)踐軟件環(huán)境，也為西安培華學(xué)院培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才提供了巨大的幫助。

在《數(shù)字信號(hào)處理》課程中，有些實(shí)驗(yàn)，例如數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)，教師在講解各種濾波器的種類和技術(shù)指標(biāo)時(shí)，學(xué)生在下面聽(tīng)得一頭霧水，無(wú)法將理論與實(shí)際相結(jié)合。如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？教師解決這個(gè)問(wèn)題通常有2種方法：①利用Matlab工具箱的函數(shù)仿真出波形讓學(xué)生理解，這是建立在教師能夠熟練使用Matlab軟件的基礎(chǔ)上的。但是，對(duì)于讓學(xué)生動(dòng)手設(shè)計(jì)濾波器的大作業(yè)任務(wù)，學(xué)生往往不能獨(dú)立完成。②采取硬件實(shí)驗(yàn)手段。這需要購(gòu)買大量的元器件，還要配套示波器、信號(hào)發(fā)生器等硬件設(shè)備。上述2種方式往往需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，而且還達(dá)不到預(yù)期的效果。但是，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以將理論知識(shí)融入實(shí)際工作中，讓學(xué)生在虛擬儀器界面上操作，修改參數(shù)，理解在參數(shù)改變的條件下波形的變化，從而達(dá)到教學(xué)目的。

在《數(shù)字信號(hào)處理》課程教學(xué)中，除了要打破常規(guī)，利用實(shí)驗(yàn)室條件完成課程驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)外，學(xué)生還需要完成由教師專門設(shè)計(jì)的相關(guān)綜合類和設(shè)計(jì)類項(xiàng)目課題。

《數(shù)字信號(hào)處理》課程教學(xué)改革項(xiàng)目的實(shí)施共分為3個(gè)階段：①基礎(chǔ)培訓(xùn)。介紹LabVIEW程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，包括界面、菜單、工具、模板、器件和函數(shù)等。授課方式為小班授課，每次20人，每次培訓(xùn)后布置一項(xiàng)針對(duì)培訓(xùn)內(nèi)容的大作業(yè)，課后提交作業(yè)并當(dāng)場(chǎng)演示。為了避免學(xué)生之間的互相抄襲，教師針對(duì)每次大作業(yè)設(shè)計(jì)了相同水平的不同題目，參與基礎(chǔ)培訓(xùn)課程的學(xué)生只有考核合格后才能進(jìn)入下一階段。基礎(chǔ)培訓(xùn)階段結(jié)束后，因?yàn)閷W(xué)生的基礎(chǔ)不同，所以，將學(xué)生分為不同層次，因材施教。教師要針對(duì)學(xué)生綜合性地設(shè)計(jì)題目，以保證每個(gè)學(xué)生都能參與到實(shí)驗(yàn)中。②立項(xiàng)階段的具體實(shí)施方案要遵循我院CDIO教學(xué)理念。CDIO教學(xué)理念主要是指“學(xué)中做”，即學(xué)生3～5人為一個(gè)項(xiàng)目小組，可以結(jié)合自己的興趣和水平自擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，也可以從教師提供的項(xiàng)目題目中選擇。確定題目后，每組學(xué)生要寫一份簡(jiǎn)單的項(xiàng)目方案計(jì)劃書，教師根據(jù)該計(jì)劃書，針對(duì)方案的內(nèi)容提出相應(yīng)的建議和指導(dǎo)。通過(guò)“做”，讓學(xué)生確定學(xué)習(xí)目標(biāo)，將理論知識(shí)與實(shí)際情況相結(jié)合，深入了解理論知識(shí)在實(shí)際工程項(xiàng)目中的應(yīng)用，從而提高他們的學(xué)習(xí)興趣。這樣做，學(xué)生比以前忙碌了許多，問(wèn)問(wèn)題的學(xué)生也多了許多。“做中學(xué)”，即通過(guò)“做”學(xué)到什么，每個(gè)項(xiàng)目從構(gòu)思、設(shè)計(jì)、運(yùn)作到完成，每個(gè)步驟都是學(xué)習(xí)的過(guò)程。學(xué)生參與這樣的幾個(gè)項(xiàng)目之后，大大提高了他們的工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力，而且通過(guò)這種項(xiàng)目式的自主學(xué)習(xí)，學(xué)生也對(duì)實(shí)際工程項(xiàng)目和科研項(xiàng)目有了一定的感性認(rèn)識(shí)。在這個(gè)過(guò)程中，他們學(xué)會(huì)了鉆研，能夠獨(dú)立解決實(shí)際工程中遇到的各種問(wèn)題，并依靠團(tuán)隊(duì)合作保證項(xiàng)目進(jìn)度。③在第三個(gè)階段——展示和答辯環(huán)節(jié)，學(xué)生需要簡(jiǎn)短而凝煉地表達(dá)出自己所做的工作和取得的成果。這個(gè)過(guò)程能夠鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力和溝通能力。

此次虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革效果良好，雖然教師為教學(xué)改革付出了很多，做了大量辛苦的工作，但是，他們積累了寶貴的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，而學(xué)生也通過(guò)自己的努力收獲了知識(shí)和能力。在未來(lái)的工作中，要想讓優(yōu)秀學(xué)生脫穎而出，優(yōu)秀學(xué)生就要起到帶頭的作用，在不同層次、不同年級(jí)學(xué)生之間營(yíng)造濃厚的學(xué)術(shù)氛圍，將“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”。同時(shí)，依托虛擬實(shí)驗(yàn)室，積極組織、訓(xùn)練學(xué)生，讓他們參與到科技競(jìng)賽中。

4 教學(xué)改革前后效果分析

實(shí)實(shí)在在的過(guò)程性考核、作品展示、討論答辯和民主評(píng)議突顯了基于項(xiàng)目式教學(xué)改革的優(yōu)勢(shì)，其與傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、筆試考試相比有很大的不同。

5 結(jié)束語(yǔ)

西安培華學(xué)院在《數(shù)字信號(hào)處理》課程中首次引入了虛擬實(shí)驗(yàn)室，取得了良好的效果，為其他課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了改革方向。學(xué)生們基于LabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)能夠快速提升自己的實(shí)踐能力，而創(chuàng)新的教學(xué)改革思想和項(xiàng)目運(yùn)作過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)也成為了學(xué)校教學(xué)改革的寶貴財(cái)富。同時(shí)，這也為學(xué)生創(chuàng)造了良好的軟件環(huán)境。教學(xué)改革成功的關(guān)鍵在于，學(xué)院在人才培養(yǎng)過(guò)程中要采用校企合作模式。今后，我們將不斷完善虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，將更多課程教學(xué)引入虛擬實(shí)驗(yàn)室中，使其成為一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

參考文獻(xiàn)

[1]Robert H.Bishop.LabVIEW 6i 實(shí)用教程[M].喬瑞平，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[2]戴敬，王世力.LabVIEW 基礎(chǔ)教程[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.

[3]楊樂(lè)平，李海濤，楊磊.LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.

[4]丁幼春.以電子設(shè)計(jì)大賽為契機(jī)推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)改革[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2007（6）.

〔編輯：白潔〕