陶 鍇，王 強，鄭 偉

（1.南京郵電大學 自動化學院、人工智能學院，江蘇 南京 210046；2.重慶大學 光電工程學院，重慶 400030）

0 引言

虛擬儀器是一門以計算機為核心，采用圖形化編程語言實現模塊化儀器功能的技術［1］。采用虛擬儀器技術構建的測控系統(tǒng)功能由用戶靈活定義，能達到“軟件即儀器”的效果，具有硬件資源利用率高、功能靈活等優(yōu)點，已廣泛應用于電子信息、測試計量、航空航天等領域［2-5］。

新工科教育背景的虛擬儀器技術教學旨在培養(yǎng)具備創(chuàng)新精神的實踐型人才，為新一輪產業(yè)革命和教育轉型提供創(chuàng)新方法，進而完善中國特色工程教育體系［6-9］。對于信息技術類專業(yè)人才培養(yǎng)，單一的授課模式難以滿足理論與實踐并重的教學要求，無法培養(yǎng)學生利用虛擬儀器技術進行實踐應用的能力。因此，利用多維教學手段和多樣教學資源開展虛擬儀器技術課程教學改革具有迫切的現實需求。

翻轉課堂教學法起源于美國，是一種通過課前自主學習、課中師生互動探討等環(huán)節(jié)深化知識的方法［10-13］。在課前學習中，學生需要發(fā)揮自主性構建知識體系，并在課中探討中不斷加以完善，因此該方法能夠加強學生對理論知識的實踐和應用能力。虛擬儀器技術面向測控系統(tǒng)軟硬件協同應用，翻轉課堂能夠很好地適用于此種應用導向的課程，這種教學方法已經得到教育與科研工作者的廣泛好評。例如，馮菲等［14］基于眾多案例總結了利用慕課開展翻轉課堂教學的基本理念；柳春艷等［15］采用系統(tǒng)評價方法對比研究了翻轉課堂與傳統(tǒng)教學的教學效果；郭建鵬［16］提出一個通用的翻轉課堂教學模式，提高了翻轉課堂教學的普適性。

雖然當前翻轉課堂在虛擬儀器技術教學中的應用案例較多，但翻轉教學過程與內容結構設置較為固化，學生在大多數時間內依舊處于被動客體狀態(tài)，產生這種現象的原因可總結如下：

（1）教學需求痛點不清晰。當前，翻轉課堂的主要形式是課前視頻資料+課中問題探討，這種方法雖然具備翻轉課堂的基本要素，但翻轉教學流程較為單一，線上與線下教學資源重復度較高，在課中環(huán)節(jié)教師大多也是對線上教學資料的重復，沒有做到交叉互補，無法滿足學生對應用實踐型知識的關鍵需求。

（2）教學資源單一。當前，翻轉課堂教學資源的主要形式為教材附帶的視頻學習資料，這種學習資料雖能涵蓋基本知識點，但其面向的學生群體龐大，不能針對小型教學班學生的學習能力和習慣進行教學，導致學生在課前自主學習時效率低下。

（3）教學環(huán)境與條件缺乏。雖然翻轉課堂的實施對硬件設施要求不高，但虛擬儀器技術需要進行編程訓練，對教學系統(tǒng)與軟件環(huán)境有一定的要求。此外，課中倘若需要學生進行匯報展示，相關的電子設備也十分重要。

上述問題為虛擬儀器技術翻轉教學實施帶來了挑戰(zhàn)。針對虛擬儀器技術教學改革的迫切需求，本文充分發(fā)揮南京郵電大學線上慕課資源與線下翻轉課堂專用教室設備優(yōu)勢，采用線上+線下混合方法，提出“三要素三模塊二重點”教學策略，實現虛擬儀器技術翻轉課堂高質量教學。

1 翻轉教學可行性分析

1.1 學生教學需求可行性

南京郵電大學自開設虛擬儀器技術課程以來一直采用傳統(tǒng)的講授式教學方法，這種教學方法雖然可以完成基本的教學任務和知識講授，但為了更好地契合實踐型創(chuàng)新人才培養(yǎng)標準，虛擬儀器技術教學組定期開展問卷調查，以獲得學生對授課方法的滿意度和對教學改革的期待度。近兩學年的問卷調查結果如圖1所示。

Fig.1 Results of a survey of intention to change teaching methods圖1 學生對教學方法轉變的意向調查結果

由此可知，雖然傳統(tǒng)教學方法能滿足正常學習需求，但大部分學生對變更教學方式抱有期待，希望教師嘗試新的教學方法，且持此種態(tài)度的人數處于上升趨勢。這種結果說明，大部分學生愿意嘗試新的教學方法，具備翻轉課堂改革的教學需求可行性。

1.2 線上教學資源可行性

虛擬儀器技術課程教學組于2020 年錄制制作了慕課教學資源，包括教學視頻、教學PPT、課后習題及期末考試，能支持學生進行課前預習、課中交流、課后復習、周期測試等。如圖2 所示，（a）為教學視頻展示，（b）為教學PPT（c）為單元測試，（d）為交流討論區(qū)。教學組整理了完備的NI 框架下軟硬件應用的技術資料，慕課資料與線下教學資料做到了交叉互補。此外，為了便于學生與教師的溝通交流，慕課資源開設了課堂交流論壇區(qū)，支持主題發(fā)帖、回復評論、關注、投票等操作，基于此種慕課資源，能保障翻轉課堂開展的資源可行性。

Fig.2 MOOCs teaching resources圖2 慕課教學資源

1.3 線下教學條件可行性

南京郵電大學擁有多媒體功能的翻轉課堂專用教室，最大可容納100 人同時進行翻轉教學。該教室多媒體系統(tǒng)具有無線投影、無線網絡、觸控式電子大屏、激光教具等設備。軟件配套上，為實現虛擬儀器測量與控制功能，搭建了Labview 軟件系統(tǒng)，并配套安裝了DAQmx 模塊、VDM模塊等驅動程序包，能實現音頻、圖像、視頻等信號采集，并支持UART、PCI、GPIB 等主流總線的傳輸與雙向通訊協議。此外，利用內部集成的算法，能進行卷積運算、相關性分析、諧波分析、頻響分析、數字濾波等時頻域信號處理，滿足基本的測控系統(tǒng)應用需求，具備翻轉課堂開展的線下教學條件與環(huán)境可行性。

2 翻轉教學創(chuàng)新方案

方案整體分為3 個階段［17-18］，即課前、課中和課后，采用“三要素”、“三模塊”和“二重點”的方法，利用線上慕課資源和線下教學資源混合方法加以實現。整體思路如圖3所示。

Fig.3 Overall teaching ideas圖3 整體教學思路

2.1 課前“三要素”學習

要素化的課前學習能夠更好地突出學習重點，課前因學生對知識點的熟悉度較低，明確學習要素能夠提高學習效率。將虛擬儀器技術課程知識點分為技術原理要素、函數功能要素和應用方法要素。這部分內容主要利用線上慕課資源完成，每種要素在學習中應分配不同的時間，通常采用1/4、1/4、1/2的分配方法，如圖4所示。

Fig.4 Study time allocation for each element圖4 各要素的學習時間分配

技術原理要素學習主要指基于虛擬儀器技術開展測控任務的實現原理，這部分內容在慕課資源中處于教學視頻的最開始部分，主要從理論原理、實現思路等方面進行教學。例如，對于一維數據采集章節(jié)，首先介紹數據采集基本指標、采樣定理、信號源種類、信號接入方式等內容，上述內容作為數據采集的基礎知識，能為后續(xù)基于Labview 設計一維數據采集任務夯實基礎。

函數功能要素學習指針對虛擬儀器設計任務選擇所需函數。作為虛擬儀器任務的主要實現工具，學生對Labview 軟件中函數參數定義和端口功能的學習是該部分的重點。如果涉及到外部驅動程序，則需要了解驅動包的安裝、測試及調用方法［19-20］。這部分學習能夠讓學生了解虛擬儀器測控任務實現的具體工具，為系統(tǒng)實現奠定基礎。

應用方法要素學習指利用函數、驅動等工具構建測控系統(tǒng)，進而實現虛擬儀器任務，此部分在慕課教學資源中的占比最高。在數據采集教學中，這部分主要包含數據采集流程、各步驟對應函數、數據流編程方法等內容，并通過實例展示深化應用方法。

2.2 課中“三模塊”探討

翻轉課堂中的課中學習環(huán)節(jié)由師生共同參與，但主體依舊是學生，主要任務是探討與合作，教師承擔學生探索引導人角色。在此環(huán)節(jié)，主要包含答疑模塊、案例展示模塊、探索提高模塊。3 個模塊應當遵從先后順序，課中學習開展流程如圖5所示。

Fig.5 Flow of "three modules"during class圖5 課中“三模塊”開展流程

答疑模塊的基本流程為學生提出在課前自主學習中遇到的問題，由教師或其他同學解答，問題可以是理論原理、函數功能、編程方法等專業(yè)知識問題，也可以是編程思想、系統(tǒng)設計思路等宏觀問題。教師在解答過程中應避免直接給出答案，應當引導學生回顧慕課資源，幫助其深入思考并解決問題。

案例展示模塊以個人或小組為單位開展，小組成員在前期準備一個完整的虛擬儀器測控任務，完成技術原理介紹、函數參數講解、功能方法設計和實現流程演示。小組成員自由分工，承擔一部分素材準備工作，并在匯報中講解此部分內容。在學生匯報中，教師可作為特殊“組員”參加匯報，在其中扮演教學內容串聯者、匯報材料銜接者的角色。在匯報評價環(huán)節(jié)，教師作為評委，從設計原理、設計步驟、設計方法、匯報素材、語言表達等方面給予評價，實現課中全方位的師生互動。

學生在匯報中注重生生互動，小組內成員除作為匯報者外，對于有疑問的知識點也可以提問。其他小組成員可針對設計內容進行咨詢，對于其他學生提出的問題，亦可發(fā)表自己的看法，即學生在“提問者”和“回答者”之間可自由切換身份，最大程度地調動學生的課堂參與度。對于匯報表現優(yōu)秀或回答問題積極的學生，教師可給予適當的獎勵。部分匯報展示案例如表1所示。

Table 1 Group report case表1 小組匯報案例

探索提高模塊是對案例展示的拓展，此模塊主要出現在小組匯報后其他學生的提問與教師評價環(huán)節(jié)，是對基礎虛擬儀器測控任務的功能拓展和深化。例如，在數據采集章節(jié)中，教學資料中給出了單幅圖像的采集例程，學生在進行此案例講解后，教師會要求其深入思考：如何將單幅圖像采集推廣至連續(xù)多幅圖像采集，需要在原始采集例程上修改哪些參數，在哪里增加循環(huán)結構；如何將坐標點簇數組作為波形圖表的輸入推廣至將坐標數組作為輸入，如圖6 所示。學生在思考后可以現場修改例程實現新的功能，提升了對知識的靈活應用能力。

Fig.6 An array of coordinate point clusters as the input promoted to an array of coordinates as input圖6 將坐標點簇數組作為波形圖表輸入推廣至將坐標數組作為輸入

2.3 課后“二重點”鞏固

課后“二重點”包括重點知識復習和重點測試練習。課后學習是鞏固知識、完善不足的重要環(huán)節(jié)，翻轉課堂教學的課后鞏固由師生共同完成。重點知識復習包括對技術原理、函數功能以及系統(tǒng)設計方法作全方位梳理，可以通過學習內容總結、學習報告等方式進行書面總結，以獲得更好的復習效果?？偨Y報告可作為課后作業(yè)的一部分，由教師參與批閱，作為最終考評成績的參考。

重點測試練習通過線上實現，學生依據教師安排在慕課資源中完成相應的課后測試，測試結果由學生互評、教師評閱兩種形式，最終成績?yōu)槎咴u分的加權綜合。題目類型為選擇題和設計題，分別考察基本概念和工程應用能力，通過理論與應用結合，完成混合翻轉課堂教學的最后一環(huán)。

3 實施效果分析

3.1 周期測試結果

為驗證此教學方法的效果，在南京郵電大學2018級測控技術與儀器、微電子技術、智能科學技術3 個專業(yè)開展教學對比實驗，對測控技術與儀器、微電子技術專業(yè)學生開展這種形式的翻轉教學，智能科學技術專業(yè)學生開展傳統(tǒng)講授式教學。在2022-2023 學年第一學期的每個月末進行一次周期測試，3 個專業(yè)的平均成績變化如圖7所示。

Fig.7 The fluctuation of grade圖7 成績變化

可以看出，剛開始進行教學對比時（第一次測試），3 個班級的測試成績相差較小，這說明不同專業(yè)學生的原始學習能力相似。隨著翻轉課堂的進行，從第二次測試開始，采用翻轉教學方法的兩個專業(yè)成績有著明顯提高，而采用傳統(tǒng)教學方法的專業(yè)成績則變化較小，學期結束時平均成績差異已達到10 分左右，此種結果驗證了線上線下混合翻轉創(chuàng)新教學方法的良好效果。

3.2 學習體會調查

為了解學生對這種教學方法的感想與體會，利用座談法對參與實驗的學生進行調查，學生的學習感想情況如表2所示。

Table 2 Survey result of learning impressions表2 學習感想調查結果

由此可知，學生最主要的兩個體會是激發(fā)了學習興趣和提高了知識應用能力。這說明此種教學方法調動了學生學習的積極性，有助于虛擬儀器技術實踐應用技能培養(yǎng)。

4 結語

通過教學成績和座談調查可知，本文提出的教學方法能夠充分結合線上慕課教學資源與線下翻轉課堂教學設備的特點及優(yōu)勢，具體如下：①慕課資源基于學生學情制作，具有更好的針對性，在課前學習中能提高學生學習的自主性，同時設計了多樣化的學習資料，提高了學生學習的興趣度；②課中階段充分利用線上和線上資源，以小組匯報形式將學習的主體變成學生，激發(fā)了學生學習的積極性，讓學生在競爭的環(huán)境中提高了學習效率；③課后結合慕課資源進行復習與測試，設置學生互評環(huán)節(jié)，讓每個學生都成為學習的監(jiān)督者，從而加深了重點知識的理解。

虛擬儀器技術是一門面向工程應用的課程，為了滿足新工科背景下信息技術專業(yè)應用實踐型創(chuàng)新人才培養(yǎng)需求，提出基于“三要素三模塊二重點”的線上線下混合翻轉創(chuàng)新教學方法。通過線上與線下的混合，翻轉課堂極大地提升了學生的學習參與感，提高了其學習主動性和效率，周期測試結果驗證了這種方法對教學的促進作用。此外，學生在翻轉課堂學習中普遍反映，這種方式的教學提高了他們自身的知識應用能力，這符合新工科教育背景下對信息技術人才的培養(yǎng)要求。