中國計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 江文松，邵家存，羅哉，王學(xué)影

一、引言

誤差理論與數(shù)據(jù)處理、虛擬儀器、傳感器技術(shù)等課程是儀器專業(yè)的主干課程，能夠幫助該專業(yè)本科生全面了解儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析與評(píng)價(jià)等方法[1,2]。因此，該課程的講授模式在儀器類專業(yè)課程的教學(xué)環(huán)節(jié)至關(guān)重要。

誤差理論與數(shù)據(jù)處理課程是計(jì)量專業(yè)的特色核心課程，其教學(xué)內(nèi)涵也隨著國家計(jì)量事業(yè)與測(cè)試技術(shù)發(fā)展的新要求而不斷變化。因此，本課程的建設(shè)理念、內(nèi)容與教學(xué)方法等也在不斷地動(dòng)態(tài)調(diào)整與優(yōu)化[3,5]。近年來，新冠疫情對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)活動(dòng)產(chǎn)生較大的沖擊。

一方面，線下課堂教學(xué)難以滿足復(fù)雜的教學(xué)秩序；

另一方面，從教學(xué)模式和技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，線上網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)手段很難達(dá)到傳統(tǒng)講授效果?！熬€上線下”網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)模式更需要兼顧遠(yuǎn)程教學(xué)、線上互動(dòng)和虛擬再現(xiàn)等教學(xué)行為和課堂功能，因此，開展新形勢(shì)下計(jì)量專業(yè)課程的教學(xué)改革迫在眉睫[6]。

目前，多課程教學(xué)改革的重點(diǎn)問題突出，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：

（1）教學(xué)理念的優(yōu)化進(jìn)階。傳統(tǒng)的重知識(shí)傳授的教學(xué)理念采用自上而下的垂直灌輸模式，無疑會(huì)固化學(xué)生思維、脫離與前沿科技的貫通、分離教師的科研與教學(xué)工作等[7]。

（2）教學(xué)資源的多課程拓展重構(gòu)。誤差理論與數(shù)據(jù)處理是計(jì)量專業(yè)的理論基礎(chǔ)，是從事計(jì)量技術(shù)研究、計(jì)量校準(zhǔn)、工程測(cè)量等應(yīng)用技術(shù)的前提[8]。通過數(shù)字化虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)把前沿工程案例引入課堂，能夠有效銜接經(jīng)典理論、科技前沿與工程應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)學(xué)研用”的閉環(huán)管理。

（3）教學(xué)方法的網(wǎng)絡(luò)化突破。板書、多媒體、實(shí)驗(yàn)等傳統(tǒng)講授方法在課程教學(xué)上依然重要，但在新形勢(shì)、新工科和新技術(shù)條件下的能力培養(yǎng)上不具優(yōu)勢(shì)[9,10]。通過理論教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的多課程融合，建立線上線下混合式教學(xué)課堂，由此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造性，拓展專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)涵，培育實(shí)踐能力，實(shí)現(xiàn)高階教育的目標(biāo)。

因此，針對(duì)“新工科”背景下的計(jì)量特色專業(yè)課程，采用網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)模式和多課程融合的教學(xué)手段，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)引入網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課堂，形成課堂理論學(xué)習(xí)、仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合的實(shí)踐驗(yàn)證等核心教學(xué)環(huán)節(jié)的閉合，真正使教學(xué)內(nèi)容“學(xué)以致用”。

二、虛擬仿真與多課程融合的教學(xué)模式

針對(duì)計(jì)量專業(yè)特色課程，以動(dòng)態(tài)力計(jì)量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)資源，以測(cè)量不確定度評(píng)定作為理論教學(xué)內(nèi)容，以LabVIEW圖形化編程語言作為網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)實(shí)操手段，開展傳感器、誤差理論與數(shù)據(jù)處理、虛擬儀器等多課程的數(shù)字化融合教學(xué)新模式。

（一）動(dòng)態(tài)力計(jì)量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

動(dòng)態(tài)力計(jì)量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，用于計(jì)量專業(yè)本科生開展力傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)，是依據(jù)力傳感器校準(zhǔn)原理和計(jì)量基準(zhǔn)裝置通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建而成的線上虛擬實(shí)驗(yàn)計(jì)量平臺(tái)。該平臺(tái)主要包括自主學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)考核三個(gè)模塊，其中，自主學(xué)習(xí)模塊用于學(xué)生提前預(yù)習(xí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的教學(xué)目的、工作原理、操作指南及各類相關(guān)傳感器的參數(shù)指標(biāo)；實(shí)驗(yàn)操作模塊主要面向線下課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過等比例構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，再現(xiàn)計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)裝置、被校準(zhǔn)力傳感器、各類等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)傳感器、數(shù)字化二次儀表、數(shù)據(jù)采集儀表、數(shù)字化顯示終端及圖形化編程環(huán)境等量值計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，該模塊具有線上互動(dòng)操作功能，方便師生進(jìn)行過程復(fù)現(xiàn)、程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)獲取等虛擬實(shí)操；實(shí)驗(yàn)考核用于自動(dòng)記錄、跟蹤、評(píng)價(jià)學(xué)生虛擬仿真實(shí)訓(xùn)的過程與結(jié)果，查看學(xué)生實(shí)訓(xùn)成績(jī)及各步驟的合規(guī)性情況，實(shí)現(xiàn)學(xué)生復(fù)習(xí)、自評(píng)及教學(xué)評(píng)價(jià)的閉環(huán)輸出。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過講授、學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、考核、管理、評(píng)價(jià)等教學(xué)功能的集成，實(shí)現(xiàn)理論課程資源、虛擬仿真軟件、實(shí)驗(yàn)實(shí)物設(shè)備的高效融合。通過該平臺(tái)，能夠?qū)ⅰ胺D(zhuǎn)課堂”“線上線下” 和“泛在”等 “理、虛、實(shí)” 一體化教學(xué)模式引入計(jì)量專業(yè)課程的講授過程，提高理論、實(shí)驗(yàn)及二者混合教學(xué)的效果，提高學(xué)生對(duì)測(cè)量、校準(zhǔn)、檢定、評(píng)價(jià)等計(jì)量活動(dòng)規(guī)范性的認(rèn)識(shí)，彌補(bǔ)設(shè)備、流程、實(shí)驗(yàn)、技術(shù)手段等線上教學(xué)資源的不足。

（二）多課程融合的教學(xué)模式設(shè)計(jì)

計(jì)量學(xué)理論作為儀器學(xué)科的重要組成部分，涵蓋多個(gè)領(lǐng)域的專業(yè)基礎(chǔ)性學(xué)科。以誤差理論與數(shù)據(jù)處理為例，該課程以高等數(shù)學(xué)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)為理論基礎(chǔ)，以傳感器技術(shù)與虛擬儀器為專業(yè)基礎(chǔ)，是精密機(jī)械設(shè)計(jì)、測(cè)試信號(hào)分析與處理、自動(dòng)控制理論等課程的理論基礎(chǔ)。因此各個(gè)課程之間存在知識(shí)交叉且互為關(guān)聯(lián)的內(nèi)容，采用多課程融合的教學(xué)模式，既能讓講授過程更為連貫，知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)更為緊密，還能讓學(xué)生樂于探索、溫故知新。

針對(duì)誤差理論與數(shù)據(jù)處理、虛擬儀器、傳感器技術(shù)等課程，建立多課程融合教學(xué)模式，通過動(dòng)態(tài)力計(jì)量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，結(jié)合校準(zhǔn)原理編制實(shí)驗(yàn)程序，獲取虛擬校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，采用誤差理論與數(shù)據(jù)處理課程的基礎(chǔ)理論，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的誤差分析、誤差合成與分配、不確定度評(píng)定等指標(biāo)評(píng)價(jià)。達(dá)到儀器類多課程融合教學(xué)的目的，起到工程化實(shí)踐教學(xué)的效果。具體實(shí)施過程如下：

（1）網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的共享。建立微課、視頻、文獻(xiàn)等教學(xué)內(nèi)容的在線數(shù)據(jù)庫，通過定時(shí)、定量、定群體的方式在網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)發(fā)布數(shù)據(jù)庫資源，供學(xué)生完成理論知識(shí)的個(gè)性化預(yù)習(xí)。

（2）線上線下的理論教學(xué)。針對(duì)測(cè)量不確定度評(píng)定的教學(xué)內(nèi)容，教師系統(tǒng)講解誤差性質(zhì)及原理、不確定度來源及計(jì)算方法、合成與評(píng)價(jià)等，采用線上板書與PPT輔助的教學(xué)方式開展理論教學(xué)，漸進(jìn)展示理論與方法的推導(dǎo)過程，使學(xué)生易于把握知識(shí)脈絡(luò)體系，突出重點(diǎn)知識(shí)核心，掌握系統(tǒng)性分析思維能力。

（3）多課程融合。針對(duì)上述理論課程的講授知識(shí)點(diǎn)，融合傳感器技術(shù)與虛擬儀器兩門課程開展相關(guān)知識(shí)鏈接，設(shè)置動(dòng)態(tài)力計(jì)量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)交互學(xué)習(xí)體驗(yàn)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生通過WEB端虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以第一視角體驗(yàn)和學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)力計(jì)量仿真實(shí)驗(yàn)的原理、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、配套設(shè)備及操作步驟。教師依據(jù)計(jì)量規(guī)范向終端學(xué)生派發(fā)與理論教學(xué)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，通過操作提示和原理分析等漸進(jìn)式教學(xué)手段，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析和不確定度評(píng)定等教學(xué)內(nèi)容的認(rèn)識(shí)與理解。通過上述多課程融合，達(dá)到理論與實(shí)踐的統(tǒng)一、教與學(xué)的統(tǒng)

一、知識(shí)點(diǎn)與知識(shí)體系的統(tǒng)一。

（4）課程跟蹤評(píng)價(jià)。WEB端設(shè)置測(cè)評(píng)接口，通過對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作步驟的正確性、操作規(guī)范的符合性、不確定度分析結(jié)果的準(zhǔn)確性等操作痕跡進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，方便教師查看學(xué)生實(shí)踐環(huán)節(jié)的成績(jī)及其分布，輸出教學(xué)效果評(píng)價(jià)報(bào)告。通過該過程優(yōu)化評(píng)價(jià)手段，簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)過程（見圖1）。

圖1 多課程融合教學(xué)模式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

（三）融合課程的成績(jī)?cè)u(píng)定

學(xué)生學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)與課程目標(biāo)達(dá)成情況評(píng)價(jià)緊密結(jié)合，該課程注重過程考核以督促學(xué)生日常學(xué)習(xí)。通過理論教學(xué)考核環(huán)節(jié)考查學(xué)生學(xué)習(xí)能力和思辨能力的養(yǎng)成情況，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核環(huán)節(jié)考查學(xué)生科學(xué)思維與問題分析等能力的形成情況。

具體而言，學(xué)生綜合評(píng)定包括過程考核和期末考核兩部分：過程考核包括平時(shí)作業(yè)（占總成績(jī)10%）、考勤與課堂討論表現(xiàn)（占總成績(jī)10%）、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐表現(xiàn)（30%），期末考核筆試成績(jī)（占總成績(jī)50%）。

考核內(nèi)容能夠準(zhǔn)確反映學(xué)生學(xué)習(xí)效果，信效度高，進(jìn)而能夠推斷、分析課程目標(biāo)達(dá)成情況。每輪教學(xué)結(jié)束，各教學(xué)班任課教師和課程負(fù)責(zé)人均需撰寫《課程目標(biāo)達(dá)成情況評(píng)價(jià)報(bào)告》，從不同的角度分析學(xué)生成績(jī)與學(xué)習(xí)情況，總結(jié)課程設(shè)計(jì)、教學(xué)安排、考核方式等方面的經(jīng)驗(yàn)與不足，持續(xù)補(bǔ)充課程建設(shè)改進(jìn)策略。

四、教學(xué)模式的特色分析

（一）“理、虛、實(shí)互動(dòng)”教學(xué)模式促進(jìn)體系化專業(yè)技能的構(gòu)建

采用的“理、虛、實(shí)互動(dòng)”教學(xué)模式利于學(xué)生構(gòu)建系統(tǒng)全面的專業(yè)知識(shí)體系，掌握知識(shí)運(yùn)用技能和實(shí)驗(yàn)技能。理論教學(xué)凸顯專業(yè)基礎(chǔ)和知識(shí)脈絡(luò)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)凸顯標(biāo)準(zhǔn)意識(shí)和操作細(xì)節(jié)，通過開展問題式、探究式和理論反演式教學(xué)模式，促進(jìn)學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成和體系化專業(yè)技能的構(gòu)建。

（二）“科、教、思政融合”型課堂促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培植

課程目標(biāo)凸顯科學(xué)情懷熏陶、科學(xué)精神涵養(yǎng)、科學(xué)思維訓(xùn)練等思政元素；課程內(nèi)容突出科技前沿、計(jì)量特色和工程實(shí)踐等專業(yè)元素；教學(xué)設(shè)計(jì)依托科研項(xiàng)目成果、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等多學(xué)科元素，發(fā)揮課程教學(xué)對(duì)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)養(yǎng)成上的最大化。通過教學(xué)內(nèi)容的拆解與重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)科研資源向教學(xué)資源的轉(zhuǎn)化。

（三）傳統(tǒng)教學(xué)模式的延伸與拓展

基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的多課程融合教學(xué)模式是多元化教學(xué)的探索與嘗試，既能夠克服傳統(tǒng)理論講授和實(shí)驗(yàn)教學(xué)以教師為中心的局限，也可彌補(bǔ)理論教學(xué)脫離工程實(shí)踐和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不能實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。一方面將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行互聯(lián)融合，另一方面將特色實(shí)驗(yàn)從線下搬到線上，從而拓展了教學(xué)內(nèi)容的廣度，延伸了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度。這有利于促進(jìn)人才培養(yǎng)質(zhì)量的整體提升。

五、結(jié)論

（1）通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，為線上理、虛、實(shí)” 一體化教學(xué)模式提供基礎(chǔ)環(huán)境，使教學(xué)資源的多課程融合、教學(xué)活動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)化互動(dòng)、教學(xué)效果的科學(xué)評(píng)估與課程講授的高效管理成為可能。

（2）通過多課程融合教學(xué)模式，在凸顯專業(yè)特色的基礎(chǔ)上釋放教學(xué)過程定式，通過增加學(xué)生課前課后學(xué)習(xí)任務(wù)，加強(qiáng)課堂研究型和項(xiàng)目式教學(xué)環(huán)節(jié)，設(shè)置線上師生互動(dòng)、生生互動(dòng)，提高學(xué)生創(chuàng)新性和批判性思維的培養(yǎng)。