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摘 要：信号的测量与分析是工程测试中的重要内容，涉及多门专业课程。为使信号检测课程更具体生动和丰富多彩，在实际教学中采用基于设计任务驱动的信号检测实验课程教学方法。利用虚拟仪器技术特点和优势，针对信号测量任务，设计相应检测系统进行测试分析。经过设计过程的教学与实践，学生对信号的产生原理、特点和测试方法等理解更深刻透彻，从而提高课程教学质量。
关键词：虚拟仪器 设计任务驱动 信号检测 实验课程 教学
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（a）-0165-02
信号的测量与分析是工程测试中的重要内容，《工程测试技术》、《传感器技术》、《汽车检测与诊断维修技术》和《机电传动技术》等多门课程和多个专业学科都有相关内容涉及，其中包括基于光电传感和磁电传感的转速测量、基于热电偶和负温度系数可变电阻的温度测量、基于电压变化的位移和位置测量、PWM信号脉宽测量、振动加速度信号测量、信号波形测量分析等。如果通过传统仪器进行测量分析，不同类型的信号可能需要不同的测试仪器，其测量适应性是有限的，测试成本高。
笔者所在单位实验室拥有相关虚拟测试平台开发软件和硬件系统，厂商配套了一些典型的测试解决方案，但与教材对接性较差，使用起来不方便，扩展性和可编辑性不强。所以，针对信号检测实验课程存在的不足，在实际教学中采用基于设计任务驱动的教学方法，利用虚拟仪器技术开发设计相关测试系统，实现信号的测量分析，可在一定程度上提高实验课程教学质量。
基于虚拟仪器技术的测试系统由软件和硬件组成，软件设计可依靠其专门图形编程软件进行开发[1]，图形编程无需掌握复杂代码，功能设计容易实现;硬件只需要计算机和相关数据采集板卡及其联接线。因此，多功能的测试系统搭建简便快捷，成本低，功能强大;同时，可根据测量目标和任务进行针对性的开发设计，这是由于这样的一个开发设计过程，使学生从中学到更丰富的知识。因为系统的搭建，需要对测试信号的产生原理和信号特点有更深入了解，比如信号类型、变化特点和范围、频率、幅值、相位信息等，根据信号性质来进行实质性测试开发设计;另一方面，通过系统搭建，对信号测试原理和分析了解更加深刻，可以从原理上掌握又一先进测试工具的运用，有利于为日后开发相关测试系统打下良好基础，而且，学生对课程的兴趣度可以提高;再有，通过虚拟仪器技术平台进行开发设计，可以针对自身课程特点自由开发，不受实验教材制约。因此，基于设计任务驱动的教学方法在信号检测实验课程教学中有重要的现实意义。
1 实验资源条件分析及教学设计
所谓设计任务驱动教学法，是一种以设计性、实验性、实践性与操作性较强的教学内容为一体的教学方法。它以丰富多彩的、能激发学生学习动机的情景为基础，与教学内容紧密结合的任务为载体，使学生在完成特定设计任务的过程中获得知识与技能的一种教学方法[2-3]。从设计任务驱动教学法特点可知，该方法与信号检测实验课程教学搭配恰当，有利于充分发挥各自优势[4-5]。
1.1 实验资源条件分析
随着虚拟仪器技术的高速发展，通过虚拟仪器平台搭建的测试系统，使各种测试功能高度集成，功能强大丰富，信号测量变得更加简便，而硬件成本无需大幅提高。
笔者实验室现有DRLab快速可重组综合试验台多台，可同时容纳多人多组进行转子实验台测试、振动测试分析、环境监测等，包含的主要测试内容有光电、磁电传感转速测量，电涡流轴心位置，振动速度、加速度测量，噪声测量，温度测量等，其硬件还包括多个扩展通道可用于扩展开发，其提供的DRLab VI软件平台可进行自主设计开发，集成芯片式图形编程降低了开发难度，有助于教学人员进行二次开发。另外，还可利用另一出色的虚拟仪器设计平台美国NI公司的LabVIEW软件进行测试系统开发，其应用性更广泛、实用性更强。同传统的编程语言相比，采用LabVIEW图形编程方式可以节省大约80%的程序开发时间，而运行速度却几乎不受影响。基于LabVIEW的测试系统广泛应用于系统监测、控制等工业领域，各大高校、科研院所在研发、实验教学等方面都有大量应用[6]。
因此，立足于提高学生的实际动手能力和对课程的兴趣爱好程度，保证理论教学与实际操作技能同步提高，充分体现“高新、实用、实践”的原则，结合先进测试手段和实验室现有资源条件，开发设计任务驱动的信号测试实验教学法完全可行，有较大发展空间和优势。
1.2 教学设计
结合实际条件和课程教学需要，基于设计任务驱动的信号检测实验课程教学方法在内容和目标上主要包括以下3方面：完成虚拟测试系统设计的任务、变革教学模式、着力提高学生学习兴趣。
（1）开发设计基于虚拟仪器的信号测试系统。
根據课程实验需要，利用虚拟仪器技术图形编程软件LabVIEW等开发相关测试分析程序，用于《工程测试技术》、《传感器技术》、《汽车检测与诊断维修技术》等课程的实验教学。主要包括以下几部分：①开发设计一种简便的多通道示波器，用于测量信号波形。并且具有计算信号频率、幅值、占空比、平均值、最大值和最小值等功能，波形保存、回放功能，可以视测量信号情况任意选择是否使用这些功能。这样，可进行光电和磁电传感器的转速测量，PWM信号测量，信号电压测量等。②设计一款基于热电偶或可变电阻的温度测量系统。③设计用于振动和噪声信号频谱分析的测试系统。④针对汽车发动机性能测试和传感器信号测量，开发专门的测试分析系统。如：发动机无负荷测功系统，发动机喷油脉宽测试系统，发动机点火提前角测试系统，发动机传感器信号波形测量系统等。
（2）充分利用设计任务的有利条件，改革教学模式。
由于图形编程的简便化，将开发设计过程作为一个重要知识点进行教学讲解，结合测试实践，使实验成为设计性综合实验。打破传统演示性实验的局限性，有利于学生深入理解信号测试关键知识，增强实践动手能力。 （3）充分利用程序可编辑性提高学生学习积极性。
由于测试程序可进行二次开发和功能设计编辑，利用后台程序修改的方式改变程序测试功能或参数设置，从而在信号测试实验中体现新鲜元素和趣味性，可增强学生学习兴趣和积极性。
2 教学实施
教学方法实施总体上分三部分进行，首先要完成图1所示的教师授课前期工作，再进行图2所示的实际教学实施，最后进行教学效果评价。
教師前期工作，就是教师根据相关课程关于信号测试方面的内容，重点关注《工程测试技术》、《传感器技术》、《汽车检测与诊断维修技术》等课程的相关内容，初步确定可开发设计的测试系统;再利用实验室现有资源，通过DRLab VI和NI LabVIEW平台进行测试程序开发设计;对设计好的程序进行调试、运行和实际应用，并不断完善其功能，实现设计任务的目标;编写相关实验学习教材或报告，以供学生学习和参考（图1）。
第二步，教学实施。实验教学前，让学生先进行预习，并提前进行相关程序设计工作;实验教学时，首先由教师进行程序开发设计的讲解和测量示范;学生在教师指导下进行系统设计并应用于实际信号测试分析，可根据测量需要，修改和编辑程序，不断进行调试测试，深入了解其测试原理及其实际应用，以此提高学生学习兴趣和动手实践能力（图2）。
第三步，教学效果评价。实验课程结束前，要留出适当时间进行教学效果检查和评价。可通过让学生讲解设计和检测过程、测量示范等方式进行检查，对学生完成任务的过程和完成任务的结果作出客观评价。另外，时间允许的话，挑选出较好的组别，对他们的设计和测量成果进行展示，以鼓励和激发大家学习热情。
3 结语
结合信号检测实验课程特点，采用基于设计任务驱动的教学方法，更能充分调动学生学习兴趣度和积极性，再经过实测练习，对专业知识点理解更加透切，从而使课程教学质量得到实质性提高。
参考文献
[1] 张重雄，张思维.虚拟仪器技术分析与设计[M].北京：电子工业出版社，2012.
[2] 郭绍青.任务驱动教学法的内涵[J].中国电化教育，2006（7）：59.
[3] 刘琨，李爱菊，杜丽娟.浅谈任务驱动式教学法在课程中的应用[J].北京联合大学学报（自然科学版），2010，24（3）：87-92.
[4] 冯建成.任务驱动教学法在现代教育技术实验教学中的应用[J].中国现代教育装备，2009（14）：90-92.
[5] 李志勇.“任务驱动”教学法在互动媒体设计与制作课程中的应用[J].中国职业技术教育，2012（11）：15-19.
[6] 雷振山.LabVIEW 7 Express实用技术教程[M].北京：中国铁道出版社，2005.
关键词：虚拟仪器 设计任务驱动 信号检测 实验课程 教学
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（a）-0165-02
信号的测量与分析是工程测试中的重要内容，《工程测试技术》、《传感器技术》、《汽车检测与诊断维修技术》和《机电传动技术》等多门课程和多个专业学科都有相关内容涉及，其中包括基于光电传感和磁电传感的转速测量、基于热电偶和负温度系数可变电阻的温度测量、基于电压变化的位移和位置测量、PWM信号脉宽测量、振动加速度信号测量、信号波形测量分析等。如果通过传统仪器进行测量分析，不同类型的信号可能需要不同的测试仪器，其测量适应性是有限的，测试成本高。
笔者所在单位实验室拥有相关虚拟测试平台开发软件和硬件系统，厂商配套了一些典型的测试解决方案，但与教材对接性较差，使用起来不方便，扩展性和可编辑性不强。所以，针对信号检测实验课程存在的不足，在实际教学中采用基于设计任务驱动的教学方法，利用虚拟仪器技术开发设计相关测试系统，实现信号的测量分析，可在一定程度上提高实验课程教学质量。
基于虚拟仪器技术的测试系统由软件和硬件组成，软件设计可依靠其专门图形编程软件进行开发[1]，图形编程无需掌握复杂代码，功能设计容易实现;硬件只需要计算机和相关数据采集板卡及其联接线。因此，多功能的测试系统搭建简便快捷，成本低，功能强大;同时，可根据测量目标和任务进行针对性的开发设计，这是由于这样的一个开发设计过程，使学生从中学到更丰富的知识。因为系统的搭建，需要对测试信号的产生原理和信号特点有更深入了解，比如信号类型、变化特点和范围、频率、幅值、相位信息等，根据信号性质来进行实质性测试开发设计;另一方面，通过系统搭建，对信号测试原理和分析了解更加深刻，可以从原理上掌握又一先进测试工具的运用，有利于为日后开发相关测试系统打下良好基础，而且，学生对课程的兴趣度可以提高;再有，通过虚拟仪器技术平台进行开发设计，可以针对自身课程特点自由开发，不受实验教材制约。因此，基于设计任务驱动的教学方法在信号检测实验课程教学中有重要的现实意义。
1 实验资源条件分析及教学设计
所谓设计任务驱动教学法，是一种以设计性、实验性、实践性与操作性较强的教学内容为一体的教学方法。它以丰富多彩的、能激发学生学习动机的情景为基础，与教学内容紧密结合的任务为载体，使学生在完成特定设计任务的过程中获得知识与技能的一种教学方法[2-3]。从设计任务驱动教学法特点可知，该方法与信号检测实验课程教学搭配恰当，有利于充分发挥各自优势[4-5]。
1.1 实验资源条件分析
随着虚拟仪器技术的高速发展，通过虚拟仪器平台搭建的测试系统，使各种测试功能高度集成，功能强大丰富，信号测量变得更加简便，而硬件成本无需大幅提高。
笔者实验室现有DRLab快速可重组综合试验台多台，可同时容纳多人多组进行转子实验台测试、振动测试分析、环境监测等，包含的主要测试内容有光电、磁电传感转速测量，电涡流轴心位置，振动速度、加速度测量，噪声测量，温度测量等，其硬件还包括多个扩展通道可用于扩展开发，其提供的DRLab VI软件平台可进行自主设计开发，集成芯片式图形编程降低了开发难度，有助于教学人员进行二次开发。另外，还可利用另一出色的虚拟仪器设计平台美国NI公司的LabVIEW软件进行测试系统开发，其应用性更广泛、实用性更强。同传统的编程语言相比，采用LabVIEW图形编程方式可以节省大约80%的程序开发时间，而运行速度却几乎不受影响。基于LabVIEW的测试系统广泛应用于系统监测、控制等工业领域，各大高校、科研院所在研发、实验教学等方面都有大量应用[6]。
因此，立足于提高学生的实际动手能力和对课程的兴趣爱好程度，保证理论教学与实际操作技能同步提高，充分体现“高新、实用、实践”的原则，结合先进测试手段和实验室现有资源条件，开发设计任务驱动的信号测试实验教学法完全可行，有较大发展空间和优势。
1.2 教学设计
结合实际条件和课程教学需要，基于设计任务驱动的信号检测实验课程教学方法在内容和目标上主要包括以下3方面：完成虚拟测试系统设计的任务、变革教学模式、着力提高学生学习兴趣。
（1）开发设计基于虚拟仪器的信号测试系统。
根據课程实验需要，利用虚拟仪器技术图形编程软件LabVIEW等开发相关测试分析程序，用于《工程测试技术》、《传感器技术》、《汽车检测与诊断维修技术》等课程的实验教学。主要包括以下几部分：①开发设计一种简便的多通道示波器，用于测量信号波形。并且具有计算信号频率、幅值、占空比、平均值、最大值和最小值等功能，波形保存、回放功能，可以视测量信号情况任意选择是否使用这些功能。这样，可进行光电和磁电传感器的转速测量，PWM信号测量，信号电压测量等。②设计一款基于热电偶或可变电阻的温度测量系统。③设计用于振动和噪声信号频谱分析的测试系统。④针对汽车发动机性能测试和传感器信号测量，开发专门的测试分析系统。如：发动机无负荷测功系统，发动机喷油脉宽测试系统，发动机点火提前角测试系统，发动机传感器信号波形测量系统等。
（2）充分利用设计任务的有利条件，改革教学模式。
由于图形编程的简便化，将开发设计过程作为一个重要知识点进行教学讲解，结合测试实践，使实验成为设计性综合实验。打破传统演示性实验的局限性，有利于学生深入理解信号测试关键知识，增强实践动手能力。 （3）充分利用程序可编辑性提高学生学习积极性。
由于测试程序可进行二次开发和功能设计编辑，利用后台程序修改的方式改变程序测试功能或参数设置，从而在信号测试实验中体现新鲜元素和趣味性，可增强学生学习兴趣和积极性。
2 教学实施
教学方法实施总体上分三部分进行，首先要完成图1所示的教师授课前期工作，再进行图2所示的实际教学实施，最后进行教学效果评价。
教師前期工作，就是教师根据相关课程关于信号测试方面的内容，重点关注《工程测试技术》、《传感器技术》、《汽车检测与诊断维修技术》等课程的相关内容，初步确定可开发设计的测试系统;再利用实验室现有资源，通过DRLab VI和NI LabVIEW平台进行测试程序开发设计;对设计好的程序进行调试、运行和实际应用，并不断完善其功能，实现设计任务的目标;编写相关实验学习教材或报告，以供学生学习和参考（图1）。
第二步，教学实施。实验教学前，让学生先进行预习，并提前进行相关程序设计工作;实验教学时，首先由教师进行程序开发设计的讲解和测量示范;学生在教师指导下进行系统设计并应用于实际信号测试分析，可根据测量需要，修改和编辑程序，不断进行调试测试，深入了解其测试原理及其实际应用，以此提高学生学习兴趣和动手实践能力（图2）。
第三步，教学效果评价。实验课程结束前，要留出适当时间进行教学效果检查和评价。可通过让学生讲解设计和检测过程、测量示范等方式进行检查，对学生完成任务的过程和完成任务的结果作出客观评价。另外，时间允许的话，挑选出较好的组别，对他们的设计和测量成果进行展示，以鼓励和激发大家学习热情。
3 结语
结合信号检测实验课程特点，采用基于设计任务驱动的教学方法，更能充分调动学生学习兴趣度和积极性，再经过实测练习，对专业知识点理解更加透切，从而使课程教学质量得到实质性提高。
参考文献
[1] 张重雄，张思维.虚拟仪器技术分析与设计[M].北京：电子工业出版社，2012.
[2] 郭绍青.任务驱动教学法的内涵[J].中国电化教育，2006（7）：59.
[3] 刘琨，李爱菊，杜丽娟.浅谈任务驱动式教学法在课程中的应用[J].北京联合大学学报（自然科学版），2010，24（3）：87-92.
[4] 冯建成.任务驱动教学法在现代教育技术实验教学中的应用[J].中国现代教育装备，2009（14）：90-92.
[5] 李志勇.“任务驱动”教学法在互动媒体设计与制作课程中的应用[J].中国职业技术教育，2012（11）：15-19.
[6] 雷振山.LabVIEW 7 Express实用技术教程[M].北京：中国铁道出版社，2005.