戴洪德, 盧建華, 郭 巍, 吳光彬, 王希彬

(海軍航空工程學(xué)院 控制工程系,山東 煙臺 264001)

基于翻轉(zhuǎn)課堂式《虛擬儀器技術(shù)》課程思考和實踐

戴洪德, 盧建華, 郭 巍, 吳光彬, 王希彬

(海軍航空工程學(xué)院 控制工程系,山東 煙臺 264001)

不同專業(yè)或研究方向的研究生學(xué)習(xí)《虛擬儀器技術(shù)》課程的基礎(chǔ)和將來課題研究的針對性不同,傳統(tǒng)的教學(xué)方法是難以奏效的。針對這一問題,研究并實踐了基于翻轉(zhuǎn)課堂的碩士研究生《虛擬儀器技術(shù)》課程教學(xué)方法。翻轉(zhuǎn)課堂方法適用于具備一定自學(xué)能力的研究生,知識點的獲取由被動接受學(xué)習(xí)變?yōu)檎n前預(yù)習(xí)教材、查閱文獻資料和觀看教學(xué)視頻的主動學(xué)習(xí)。教員通過概念問題和反饋問題在課堂上實現(xiàn)學(xué)習(xí)的互動,并使用同濟教學(xué)的方法來提高不同層次的學(xué)習(xí)能力。實踐證明了將往期的《虛擬儀器技術(shù)》教學(xué)內(nèi)容錄制視頻供學(xué)員自主學(xué)習(xí),采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方法效果更好。

翻轉(zhuǎn)課堂; 虛擬儀器; 概念問題; 反饋問題; 同儕教學(xué)

1 引 言

隨著計算機技術(shù)、現(xiàn)代測量技術(shù)的發(fā)展,近年來虛擬儀器技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。虛擬儀器技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍事、民用的各個領(lǐng)域,特別是儀器、測量與控制、自動化等領(lǐng)域。為適應(yīng)技術(shù)發(fā)展和人才需求,短期內(nèi)國內(nèi)眾多院校增設(shè)了“虛擬儀器”課程,并在實驗、實習(xí)、畢業(yè)設(shè)計、一些大學(xué)生設(shè)計大賽等教學(xué)環(huán)節(jié)和活動中增加了相關(guān)內(nèi)容。以NI公司(美國國家儀器公司)為首的廠家,與清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等許多大學(xué)以共建的形式,建立了大量實驗室?？梢哉f,“虛擬儀器”教學(xué)以及教學(xué)研究正如火如荼地展開[1]。另一方面,目前的“虛擬儀器”教學(xué)主要集中在推廣虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用上面,類似于許多信息技術(shù)和工具軟件發(fā)展初期情況。相關(guān)專業(yè)一般將“虛擬儀器”作為一種工具或一個軟件在教學(xué)。作為專業(yè)應(yīng)用的軟件和工具基礎(chǔ),如何安排對應(yīng)的有效的教學(xué)內(nèi)容,以及如何按照教育教學(xué)規(guī)律和認知規(guī)律,有效融入研究生教育教學(xué)經(jīng)6驗成果等等,這些方面的教學(xué)研究還鮮見成果,而這些研究的開展和深入,是研究生教育人才培養(yǎng)和教學(xué)效能的關(guān)鍵。

《虛擬儀器技術(shù)》課程是研究生的一門選修課,學(xué)時少(只有18學(xué)時),選用教材為普通高等教育“十二五”規(guī)劃教材的賈惠芹主編的《虛擬儀器設(shè)計》,由機械工業(yè)出版社出版。研究生學(xué)員屬于不同的專業(yè)或方向,對數(shù)據(jù)采集、總線接口技術(shù)、驅(qū)動程序設(shè)計方法和應(yīng)用軟件開發(fā)平臺等課程教學(xué)內(nèi)容的熟悉程度也不一樣。在計算機軟件技術(shù)不夠成熟的時候,《虛擬儀器技術(shù)》課程的教學(xué)方法通常是在講解課程教學(xué)內(nèi)容后,安排學(xué)員上機完成相關(guān)案例的程序編寫。然而,現(xiàn)在的研究生學(xué)員在本科期間大多已經(jīng)有LabVIEW、Labwindows/CVI等軟件平臺的編程基礎(chǔ),按照原先教學(xué)方法的授課只是重新練習(xí)編程,效果較差。

針對學(xué)員的自主學(xué)習(xí)意識差、學(xué)習(xí)能力弱的問題,許多美國學(xué)者和教員經(jīng)過思想的砥礪和實踐探索,提出了翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方法。這一教學(xué)法使課堂中的教員和學(xué)員的角色發(fā)生了轉(zhuǎn)變,對常規(guī)教學(xué)內(nèi)容和課外學(xué)習(xí)內(nèi)容進行“翻轉(zhuǎn)”,學(xué)員成為課堂的中心,由此提高了自主學(xué)習(xí)能力。教員把授課內(nèi)容先期制作成教學(xué)視頻,布置給學(xué)員在課外時間進行學(xué)習(xí),學(xué)員則根據(jù)自己的學(xué)習(xí)水平和進度多次觀看上述教學(xué)視頻。而通過將常規(guī)教學(xué)內(nèi)容翻轉(zhuǎn)為學(xué)員的課外學(xué)習(xí)內(nèi)容,翻轉(zhuǎn)課堂為教員教學(xué)節(jié)省了大量寶貴的課堂時間,教員可以在課堂上組織互動和合作式的學(xué)習(xí)活動(如開展專題研究、測驗等),解決學(xué)員觀看視頻后產(chǎn)生的問題,并在教員的指導(dǎo)下,引導(dǎo)學(xué)員進行知識的應(yīng)用和擴展,提高學(xué)員認知水平[2]。

2 實施方法

在《虛擬儀器技術(shù)》課程教學(xué)中,可以使用及時教學(xué)和同儕教學(xué)兩種教學(xué)方法來激勵學(xué)員參與課堂活動。

及時教學(xué)是由普渡大學(xué)教授格雷戈爾·諾瓦克(Gregor Novak)提出的。所謂及時教學(xué)就是用形成性評價來判斷學(xué)員對課程內(nèi)容的理解,并根據(jù)學(xué)員的理解情況安排課堂時間。在翻轉(zhuǎn)課堂中,教員主要是利用課堂時間通過學(xué)員在課前構(gòu)建起來的知識來進行加深知識的學(xué)習(xí)。課前知識的構(gòu)建主要通過教員提供的視頻資料,由學(xué)員自己完成。課堂時間內(nèi)的加深知識學(xué)習(xí)要通過以下幾步來完成。首先,教員提出兩個概念問題(Conceptual Questions)。概念問題不應(yīng)該是典型的記憶問題,應(yīng)該是需要分析性思維的問題。好的概念問題可以引導(dǎo)學(xué)員思考他們應(yīng)該做什么。謝爾指出,如果學(xué)員沒有完成課前的知識學(xué)習(xí),他們就無法回答概念問題。其次,教員要向?qū)W員提出一個反饋問題(Feedback Question)。謝爾認為這是非常關(guān)鍵的步驟。反饋問題可以是:“你認為關(guān)于這個概念或主題哪個部分是最難的,最令你費解的或者最使你感興趣的？”謝爾教授指出,在她的課堂中得到最多的關(guān)于反饋問題的答案是:“我沒有找到任何感到費解或感興趣的部分。”那么接下來教員可以提出下一個問題:“關(guān)于這個概念你想知道什么？”從學(xué)員的回答中教員可以發(fā)現(xiàn)學(xué)員對于概念或主題在哪些方面是不理解的或理解錯誤的。對于有經(jīng)驗的教員來說,一般在課前就可以大概知道學(xué)員對哪些內(nèi)容感到費解或感興趣。但是在聽取學(xué)員的回答時最有價值的問題應(yīng)該是教員以前沒有想到的問題。學(xué)員對于概念問題和反饋問題的回答就可以提示教員如何安排剩余的課堂時間。

謝爾教授會給學(xué)員的作答打分,她所定的打分標(biāo)準(zhǔn)分為三級:(1)0分,沒有回答或沒有答全;(2)1分,回答了,但是不合情理或沒有根據(jù);(3)2分,回答了,有理有據(jù),即使答案是錯誤的。謝爾教授認為我們不應(yīng)該以答案是否正確來給學(xué)員打分,我們試圖做的是幫助學(xué)員建立參與課堂活動的動機,讓他們參與到學(xué)習(xí)中來,以便在課堂中展開更深入的活動。

在多年對新的教學(xué)方法的研究和推廣過程中,謝爾教授經(jīng)常被問到一個問題:“如果學(xué)員課前什么都學(xué)了,那么上課做什么呢？”她的回答是同儕教學(xué),這是20世紀(jì)90年代由哈佛大學(xué)教授埃里克·馬祖爾(Eric Mazur)研發(fā)的教學(xué)技巧。同儕教學(xué)包括以下7個步驟:(1)教員對課堂主題作簡要介紹;(2)學(xué)員問與主題相關(guān)的問題,這樣會擴展他們的思維;(3)每個學(xué)員獨立地挑選并回答一個問題,然后和同伴進行討論,努力使同伴相信他的答案是正確的;(4)學(xué)員們回答相同的問題;(5)由教員公布正確答案;(6)學(xué)員被邀請分享為什么他們要選擇那個問題,他們的答案是否正確;(7)教員給出一個詳細的解釋。在同儕教學(xué)的過程中,謝爾認為學(xué)員應(yīng)該與自己持不同意見的同學(xué)一起討論他的答案。教員應(yīng)該創(chuàng)造條件讓學(xué)員充分討論,而且她發(fā)現(xiàn)越是知道自己答案錯了的學(xué)員越愿意主動參與討論,這正是為什么在公布正確答案前讓他們解釋自己想法的原因。

3 視頻制作的內(nèi)容

在制作課程視頻模塊時,要求各個模塊具有相對的獨立性,又具有一定的階梯性[3],而且各個模塊能夠按一定的目標(biāo)組合成一個較完整的體系;各個模塊之間有一定的連續(xù)性,能夠保證學(xué)員連續(xù)地學(xué)習(xí)相關(guān)的知識。

通過將課程劃分成三個基本模塊以滿足不要層次學(xué)員的需要,學(xué)員可根據(jù)自己需要進行選擇,其中:模塊A是選課學(xué)員必選模塊,這個模塊達到第一類培養(yǎng)目標(biāo);模塊A+B達到第二類培養(yǎng)目標(biāo);模塊A+B+C完成第三類培養(yǎng)目標(biāo),如圖1所示。

圖1 課程結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of class

在課程模塊視頻制作中以實踐為中心,采用“基礎(chǔ)-應(yīng)用-創(chuàng)新”三層次的教學(xué)模式,有效地提高學(xué)員的實際動手能力,更好地激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和探索精神,達到培養(yǎng)出應(yīng)用型人才的目標(biāo)。

(1) 基礎(chǔ),應(yīng)用和創(chuàng)新的基石

“虛擬儀器”課程主要學(xué)習(xí)虛擬儀器的工作原理、組成方式和開發(fā)軟件LabVIEW編程,掌握虛擬儀器的面板設(shè)計、程序框圖設(shè)計、測試信號分析與處理,學(xué)習(xí)虛擬儀器硬件的工作原理和電路設(shè)計,虛擬儀器系統(tǒng)集成和軟件技術(shù)。

視頻制作的方案是:在系統(tǒng)介紹虛擬儀器的基本概念、構(gòu)成分類和最新發(fā)展方向的基礎(chǔ)上,把虛擬儀器代碼設(shè)計和面板設(shè)計、文件存儲技術(shù)、DAQ儀器工作過程、數(shù)據(jù)信號處理、虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和虛擬儀器的應(yīng)用等作為教學(xué)的主要內(nèi)容。

(2) 應(yīng)用,彰顯學(xué)以致用

虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的不同在于它由測試硬件完成信號的采集與控制,而將信號分析與處理、結(jié)果表達與輸出讓計算機來完成,編制具有某種測量功能的軟件就可構(gòu)成具有該種功能的測試儀器。針對以上特點,我們把課程的主要內(nèi)容講述為重點在于應(yīng)用,以一系列使用性、操作性、應(yīng)用性項目為主,設(shè)計出測試和應(yīng)用等一系列實驗和訓(xùn)練模塊。如:虛擬示波器、頻譜分析儀的設(shè)計、溫度和壓力等檢測儀表的設(shè)計和數(shù)據(jù)實時通信等,重點突出應(yīng)用技能的基本訓(xùn)練與綜合設(shè)計,為后續(xù)基于虛擬儀器技術(shù)的創(chuàng)新實踐打下基礎(chǔ)。

(3) 創(chuàng)新,教學(xué)實戰(zhàn)一體化

為培養(yǎng)學(xué)員的工程意識和能力,教學(xué)內(nèi)容取材于部隊實際案例和典型系統(tǒng)。根據(jù)知識點將整個項目分解開來,由簡單到復(fù)雜、由局部到整體、由分立到綜合,構(gòu)建項目化教學(xué)內(nèi)容體系,應(yīng)用性更加突出。采用的是項目驅(qū)動教學(xué)方法,具體過程如圖2所示。

圖2 項目驅(qū)動教學(xué)過程Fig.2 Project drived Teaching Process

4 培養(yǎng)目標(biāo)

由于虛擬儀器是工科類選修課,課程更應(yīng)該關(guān)注研究生學(xué)員的自身發(fā)展和需求,教學(xué)必須滿足學(xué)員不同層次學(xué)習(xí)的要求,因此,將課程的培養(yǎng)目標(biāo)分成三類,即:

第一類:拓展知識、了解當(dāng)代新技術(shù)發(fā)展

這類學(xué)員有良好的基礎(chǔ)知識,有明確的學(xué)習(xí)目標(biāo),選修本課程是為了在今后的工作中能了解當(dāng)代新技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用,因此,課程培養(yǎng)目標(biāo)是要求學(xué)員掌握虛擬儀器的基本概念、組成、工作原理和使用技巧,全面了解虛擬儀器的關(guān)鍵技術(shù)和實際應(yīng)用。

第二類:從事相關(guān)行業(yè),有一定的開發(fā)能力

這類學(xué)員的專業(yè)與測控、電氣專業(yè)相近,認為學(xué)習(xí)虛擬儀器的開發(fā)軟件有助于將來從事相關(guān)工作,因此,課程培養(yǎng)目標(biāo)是要求學(xué)員掌握虛擬儀器的原理及開發(fā)技術(shù),熟悉虛擬儀器開發(fā)平臺和軟件設(shè)計的方法,并能結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡來組建虛擬儀器系統(tǒng),能運用所學(xué)專業(yè)知識從事虛擬儀器的設(shè)計、應(yīng)用和測試,有獨立分析問題和解決問題的能力。

第三類:從事虛擬儀器技術(shù)開發(fā)應(yīng)用

這類測控、電氣專業(yè)的學(xué)員,作為專業(yè)技術(shù)課,其培養(yǎng)目標(biāo)是要求學(xué)員掌握虛擬儀器的基本概念和使用,掌握利用虛擬儀器來解決生產(chǎn)實際中信息采集與處理問題的基本技能,培養(yǎng)學(xué)員綜合運用所學(xué)知識的能力、加強學(xué)員工程觀念的培養(yǎng),提高學(xué)員分析問題、解決問題和實踐動手的能力,為后續(xù)的其它專業(yè)技術(shù)課程的學(xué)習(xí)打下必要的基礎(chǔ)。

針對多層次的培養(yǎng)目標(biāo),必須確定虛擬儀器課程的不同層次教學(xué)要求,開展多層次的基礎(chǔ)教學(xué)工作。

因此,課程必須確定一些既相互獨立又能有效組合而且能擴展的教學(xué)模塊。針對以上三類不同層次的基礎(chǔ)培養(yǎng)目標(biāo),將虛擬儀器技術(shù)課程設(shè)置為三個模塊:(A)基礎(chǔ)編程、(B)應(yīng)用開發(fā)、(C)創(chuàng)新教學(xué)。

基礎(chǔ)編程模塊:在系統(tǒng)介紹虛擬儀器的基本概念、構(gòu)成分類和最新發(fā)展方向的基礎(chǔ)上,把虛擬儀器前面板設(shè)計和程序框圖設(shè)計、文件I/O、數(shù)據(jù)采集、虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、虛擬儀器的應(yīng)用-數(shù)字信號處理等作為教學(xué)的主要內(nèi)容。

應(yīng)用開發(fā)模塊:課程的主要內(nèi)容從理論講述轉(zhuǎn)換到重點在于應(yīng)用,以操作性、應(yīng)用性項目為主,設(shè)計出測試、應(yīng)用等一系列實驗?zāi)K。如:虛擬電壓表、頻譜分析儀、信號發(fā)生器的設(shè)計,發(fā)動機排氣溫度、發(fā)動機燃油壓力等檢測儀表的設(shè)計,數(shù)據(jù)實時通信等,重點突出應(yīng)用技能的基本訓(xùn)練與綜合設(shè)計,為后續(xù)基于虛擬儀器技術(shù)的創(chuàng)新實踐打下基礎(chǔ)。

創(chuàng)新教學(xué)模塊:采用項目驅(qū)動教學(xué)方式[4-6],教學(xué)內(nèi)容取材于實際的工程項目,根據(jù)知識點將整個項目分解開來,由簡單到復(fù)雜、由局部到整體、由分立到綜合。在整體結(jié)構(gòu)上,將知識點與具體實例應(yīng)用相融合,應(yīng)用針對性更強。

5 結(jié)束語

《虛擬儀器技術(shù)》這門研究生的選修課開設(shè)已10余年了,研究生學(xué)員選課的積極性很高,學(xué)習(xí)效果較好,為我院各型測試設(shè)備的設(shè)計生產(chǎn)研制培養(yǎng)了大批人才。鑒于不同學(xué)員對本門課不同內(nèi)容學(xué)習(xí)的廣度和深度不同,使用傳統(tǒng)模式進行因材施教的困難較大;為此,在總結(jié)歷年成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,提出翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方法:學(xué)員通過收看教員事先錄好的教學(xué)視頻,和教員提出的關(guān)鍵問題進行互動,并結(jié)合自身的研究方向撰寫出1-2篇學(xué)術(shù)論文。往期學(xué)員均認為本門課實用性很強,此期授課學(xué)員表示收獲很大。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式在不同的地區(qū),不同的學(xué)科中運用所產(chǎn)生的效果是不一樣的,那么虛擬儀器課程使用翻轉(zhuǎn)課堂操作所需要的條件具體有哪些,是否還會取得更好的教學(xué)效果,這將是我們今后研究的重點。

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戴洪德 男(1981-),江蘇泰州人,博士,副教授,主要研究方向為航空自動化,慣性技術(shù)與組合導(dǎo)航。

盧建華 男(1970-),江蘇南通人,碩士,副教授,主要研究方向為飛機電源與電氣控制,飛機檢測。

Consideration and Practice about the Course Virtual InstrumentTechnology based on Flipped Classroom

DAIHongde,LUJianhua,GUOWei,WUGuangbin,WANGXibin

Department of Control Engineering,Naval Aeronautical and Astronautical University,Yantai 264001,China

For graduate students from different discipline or research area,the foundation and potential future project for them to learn the course ‘Virtual Instrument Technology’ are different.So,the classical teaching methods are difficult to play well.Aiming at this problem,a teaching method based on flipped classroom for the course ‘Virtual Instrument Technology’ is studied and practiced.Flipped classroom is suitable for the graduate students who have better selflearning ability,the obtain of knowledge is changed from passive acceptance to initiative learning,such as preparing lessons before class,reading meterials and watching teaching video.By conceptual questions and feedback questions,teacher can implement interaction in classroom,and improve learning ability at different level by applying peer teaching.Practical results show that better effect can be achieved by providing teaching videos of ‘Virtual Instrument Technology’ to students for selflearning and applying the flipped classroom.

flipped classroom; virtual instrument; conceptual questions; feedback questions; peer teaching

TP 216,N 41

A