任海霞 茅大鈞 蘇曉燕

摘要：虛擬儀器是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的重要專業(yè)課。文章在分析了傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題后，從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)體系、教學(xué)實施等方面對本課程進行了線上線下混合式教學(xué)方法的探討與改革，并在教學(xué)全過程中有機融入思政教育，強化實踐教學(xué)，采用過程化綜合考核，激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣，改善教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；混合式教學(xué)；教學(xué)設(shè)計；實踐；過程化考核

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）10-0159-03

0 引言

自20世紀(jì)90年代以來，融合了測試技術(shù)、儀器原理、計算機接口技術(shù)以及圖形化編程技術(shù)的虛擬儀器技術(shù)，是當(dāng)今儀器發(fā)展趨勢的一個重要方向，已經(jīng)在諸多高科技領(lǐng)域中得到了廣泛運用。虛擬儀器是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門重要專業(yè)課，具有專業(yè)性強和實踐性強等特點。它既是前期基礎(chǔ)課：電工電子技術(shù)、檢測技術(shù)、微機原理與應(yīng)用等課程綜合，又是實踐教學(xué)環(huán)節(jié)、畢業(yè)設(shè)計的重要基礎(chǔ)課[1]。該課程不僅要求學(xué)生熟練使用LabVIEW編程工具，還要培養(yǎng)學(xué)生利用虛擬儀器開發(fā)平臺，將控制理論與生產(chǎn)過程知識有機結(jié)合起來，設(shè)計合理測量方案，解決實際測量問題，從而提高工程綜合應(yīng)用的能力。目前在虛擬儀器的教學(xué)過程中，依然存在如下問題，使得課程教學(xué)的效果不夠理想，需要進行改進。

1） 教學(xué)模式的單一性。虛擬儀器課程在傳統(tǒng)教學(xué)中采用單向傳輸?shù)哪Ｊ?，在課堂中教師邊講授邊演示的基礎(chǔ)上，學(xué)生跟隨編程，但由于學(xué)生基礎(chǔ)差異較大，部分學(xué)生領(lǐng)悟快能快速完成任務(wù)，也有學(xué)生操作慢耗時長，教學(xué)進度難以統(tǒng)一。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，由于其時間局限性以及考慮到學(xué)生對課堂講授知識的理解能力，主要講解常用的基本理論知識，而將比較復(fù)雜深刻的內(nèi)容作為選學(xué)和拓展內(nèi)容，留給學(xué)生課后完成。這樣對有學(xué)科競賽要求的學(xué)生來說，會由于缺少有效指導(dǎo)而導(dǎo)致放棄參賽。應(yīng)把簡單的基礎(chǔ)理論部分放到線上學(xué)習(xí)，難點和問題則放到線下教學(xué)，采用線上線下混合式教學(xué)模式更能夠提升教學(xué)效果[2]。

2） 教學(xué)內(nèi)容的綜合性較差。虛擬儀器是一門多學(xué)科交叉、軟硬件相結(jié)合的課程，涉及檢測技術(shù)、數(shù)字信號處理、測控儀器聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等多門課程的專業(yè)知識。若只是傳授如何使用LabVIEW進行編程，學(xué)生往往會以為能夠進行數(shù)據(jù)操作、結(jié)構(gòu)控制、文件讀寫、信號處理、數(shù)學(xué)分析等就學(xué)好了虛擬儀器，但是忽略與儀器相關(guān)的硬件設(shè)計，不知道如何進行數(shù)據(jù)采集、串口通信、網(wǎng)絡(luò)通信、系統(tǒng)集成等，這樣就不能解決實際問題，無法面對工程實踐中的復(fù)雜工程問題，不能真正將虛擬儀器技術(shù)用起來。應(yīng)豐富教學(xué)內(nèi)容，強化實驗實踐，教學(xué)內(nèi)容與工程項目實例有機結(jié)合。

3） 課程思政內(nèi)容的缺乏?，F(xiàn)階段的課堂教學(xué)更多考慮到專業(yè)知識傳授和能力訓(xùn)練，課程思政元素和教學(xué)環(huán)節(jié)的融合程度不夠。應(yīng)結(jié)合虛擬儀器的教學(xué)目的，深入挖掘思政教育元素，融入教學(xué)過程各環(huán)節(jié)，使學(xué)生不僅掌握課程的基本內(nèi)容，同時培養(yǎng)學(xué)生正確的世界觀、職業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新精神。

針對上述問題，本文結(jié)合新時代高等教育思想，從明確教學(xué)理念、完善教學(xué)體系、開展線上線下混合式教學(xué)等方面對虛擬儀器課程建設(shè)進行了探索。

1 明確虛擬儀器課程目標(biāo)

依托于上海市應(yīng)用型本科建設(shè)、上海市重點課程建設(shè)和教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目等支撐平臺，結(jié)合課程兩大特點：多學(xué)科知識綜合的教學(xué)內(nèi)容特點和有初步編程基礎(chǔ)、有能力、有興趣探索測控系統(tǒng)的教學(xué)對象特點，提出了虛擬儀器課程的育人目標(biāo)：

1） 知識傳授：掌握虛擬儀器的設(shè)計方法，軟件開發(fā)工具，能夠進行數(shù)據(jù)操作、結(jié)構(gòu)控制、文件讀寫、信號處理、數(shù)學(xué)分析等。

2） 能力訓(xùn)練：具備系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)開發(fā)層面的初步能力，能夠?qū)I(yè)生產(chǎn)過程測量與控制相關(guān)領(lǐng)域中的復(fù)雜工程問題進行預(yù)測與仿真模擬。

3） 價值引領(lǐng)：正確引導(dǎo)學(xué)生塑造科學(xué)世界觀，培育學(xué)生愛崗敬業(yè)、精益生產(chǎn)、專心致志的匠人精神，培育學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識。

2 完善虛擬儀器課程教學(xué)體系

2.1 轉(zhuǎn)變教學(xué)理念

課程改革堅持工程教育專業(yè)認(rèn)證的OBE原則，以學(xué)生為中心、以產(chǎn)出為導(dǎo)向，持續(xù)改進，推進建設(shè)[3]。將教學(xué)理念由傳統(tǒng)的“以教為主”翻轉(zhuǎn)為“以學(xué)為主”，充分利用豐富的線上資源和教學(xué)平臺，實現(xiàn)虛擬儀器課程目標(biāo)。

2.2 豐富教學(xué)內(nèi)容

不同于其他的專業(yè)課程，虛擬儀器課程更加注重實踐性，關(guān)注解決實際的工程應(yīng)用問題。教學(xué)內(nèi)容不能僅有虛擬儀器的基礎(chǔ)理論專業(yè)知識，如LabVIEW基本編程等，還要培養(yǎng)學(xué)生測控系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)開發(fā)的初步能力。后者要與相關(guān)的專業(yè)知識點聯(lián)系起來構(gòu)成體系，與工程應(yīng)用問題聯(lián)系起來，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)[4]。此外，還邀請校外專家舉辦講座，總結(jié)多年開發(fā)虛擬儀器測試系統(tǒng)的豐富經(jīng)驗，使學(xué)生獲得最新的信息和資訊，以開拓學(xué)生的視野，同時提升實踐活動能力和工程實踐能力。

2.3 強化師資隊伍

為了加強教師實踐能力和工程素質(zhì)培養(yǎng)，除了本校的雙師培訓(xùn)外，本課程組還依托產(chǎn)教聯(lián)盟（上海計量院、NI有限公司、上海華依科技有限公司等）對教師進行了相關(guān)培訓(xùn)，注重產(chǎn)教融合，以便培養(yǎng)應(yīng)用技術(shù)型人才。鼓勵教師積極參與教學(xué)改革研究項目，潛心教學(xué)改革研究，并將教學(xué)手段創(chuàng)新、行業(yè)前沿知識架構(gòu)等教研教改各項成果運用至課堂教學(xué)，以實現(xiàn)對學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)。本課程組老師積極開展與課程、教學(xué)改進和實踐素質(zhì)相關(guān)的主題活動。

2.4 建設(shè)線上教學(xué)資源

線上教學(xué)具有教學(xué)資源豐富、學(xué)生學(xué)習(xí)時間自由、學(xué)習(xí)狀態(tài)可控等優(yōu)點。已有教學(xué)大綱、教學(xué)進度、電子教案、電子課件、實驗指導(dǎo)書等教學(xué)文件，配有各章節(jié)的重點內(nèi)容的微課視頻和課后習(xí)題等，以及實驗實踐項目中主要設(shè)備的使用視頻和操作注意事項等。學(xué)生可自主學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識，并按照簡單例程編寫程序，無需占用課堂教學(xué)時間，提高課堂教學(xué)效率。

2.5 強化實踐教學(xué)

虛擬儀器課程是一門軟硬件相結(jié)合的程序設(shè)計實踐課程，實驗實踐教學(xué)非常重要，不僅要求學(xué)生熟練掌握LabVIEW圖形化編程語言的使用，更要利用虛擬儀器設(shè)計平臺組建測控系統(tǒng)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、儀器控制、信號分析與處理等任務(wù)。通過實踐加深學(xué)生對理論知識的理解，增加對虛擬儀器課程的興趣，提高編程、創(chuàng)新及動手實踐能力[4]。

測控技術(shù)與儀器專業(yè)的學(xué)習(xí)內(nèi)容多，涉及面廣，雖然在不同的課程中都有課內(nèi)實驗和獨立開設(shè)的檢測技術(shù)實驗、自動控制原理實驗，也包括電子設(shè)計制作等實踐課程，但都側(cè)重單門課程的知識應(yīng)用。因此學(xué)生在完成本專業(yè)各門課程的學(xué)習(xí)后，仍然缺乏測控技術(shù)系統(tǒng)的整體概念，在實際工作中面對具體問題無從下手。為了改善這一問題，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力，結(jié)合測控技術(shù)與儀器專業(yè)的培養(yǎng)計劃和培養(yǎng)方案，建設(shè)了基于NI ELVIS Ⅲ的測控技術(shù)與儀器專業(yè)實踐平臺。在本專業(yè)四年級開設(shè)的測控系統(tǒng)綜合與創(chuàng)新設(shè)計實踐課程至少會有1學(xué)分（20學(xué)時）與虛擬儀器相關(guān)，主要培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計某一特定的測控系統(tǒng)的能力。具體設(shè)計項目會對接企業(yè)，由企業(yè)提出具體需求，讓學(xué)生學(xué)會解決實際工程問題。

3 組織實施虛擬儀器線上線下混合教學(xué)

結(jié)合已建成的互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)資源，在教學(xué)過程中實施線上線下相結(jié)合、理論與實際相結(jié)合、課程內(nèi)容與思政元素相結(jié)合，通過過程化考核加以持續(xù)改進，反饋到課程的教學(xué)任務(wù)和學(xué)習(xí)要求，形成教學(xué)閉環(huán)，具體過程見圖1所示。

3.1 課前布置預(yù)習(xí)內(nèi)容

以觀看虛擬儀器教學(xué)微視頻、課前基本知識訓(xùn)練為主導(dǎo)。學(xué)生應(yīng)先根據(jù)課前發(fā)布的微視頻開展知識點預(yù)習(xí)，視頻學(xué)習(xí)情況記入考核環(huán)節(jié)。在線上視頻教學(xué)完畢后，發(fā)布上機操作習(xí)題，檢查學(xué)生對基本知識要點的理解程度[5]?？稍谥腔蹣淦脚_結(jié)合思政主題活動發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù)，比如結(jié)合我國虛擬儀器使用情況調(diào)查等思想政治主題，對儀器行業(yè)相關(guān)的新設(shè)備、新技術(shù)、新發(fā)展等進行宣傳，引導(dǎo)學(xué)生樹立科學(xué)的世界觀。

3.2 課中講解重點難點+實驗實踐

教師通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)情況和作業(yè)反饋，針對各班教學(xué)難點，結(jié)合專業(yè)特性與學(xué)生興趣，通過問題驅(qū)動、任務(wù)設(shè)置、合作探索等方式，對學(xué)生進行教學(xué)。結(jié)合模塊化硬件和LabVIEW軟件，對測控系統(tǒng)進行了應(yīng)用設(shè)計和集成開發(fā)，并通過實驗實踐加強了學(xué)生的動手能力。通過分組實驗，增強學(xué)生的團隊合作與溝通能力。在此環(huán)節(jié)融入專業(yè)規(guī)范與規(guī)則，提高學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)。

3.3 課后鞏固及開放性實驗

根據(jù)課后作業(yè)和實驗報告等反饋情況，老師因材施教。學(xué)有余力或者有興趣愛好的學(xué)生可在課后開展開放性試驗，將學(xué)習(xí)到的基礎(chǔ)知識去處理實踐應(yīng)用問題。同時鼓勵學(xué)生參加大學(xué)生科創(chuàng)活動或虛擬儀器競賽等，進而塑造學(xué)生的自學(xué)能力和創(chuàng)新能力。將課堂以外的專業(yè)主題活動列入過程化考核范圍之內(nèi)，能夠更加整體地評價學(xué)生的表現(xiàn)，從而使學(xué)生可以形成把學(xué)習(xí)到的基礎(chǔ)知識應(yīng)用到實踐活動中的良好習(xí)慣。

3.4 全程融入課程思政

教學(xué)過程的各環(huán)節(jié)都可以融入課程思政，指導(dǎo)學(xué)生塑造社會主義核心價值觀，推進工程倫理和職業(yè)道德教育，提升創(chuàng)新能力，如圖1所示。在課堂教學(xué)中，教師可以采用設(shè)置問題法、專題嵌入法、因勢利導(dǎo)法、潛移默化法等多種方法，將課程思政內(nèi)容融入課堂思維之中，達到本課程的育人目標(biāo)。在上機操作環(huán)節(jié)，學(xué)生在編程時發(fā)生錯誤，不愿主動探究時，教師可適當(dāng)進行鼓勵，告訴他們不能一遇到問題就向老師或同學(xué)請教，要學(xué)會先獨立思考，自己發(fā)現(xiàn)、糾正代碼錯誤，收獲自信和成就感；項目設(shè)計是一個不斷修改、不斷測試的過程，要有一絲不茍、精益求精的精神；在輔導(dǎo)答疑時，與學(xué)習(xí)任務(wù)完成較差的學(xué)生面對面地進行交流，了解他們的學(xué)習(xí)困難之處，鼓勵他們解決問題，表揚付出多、進步大的學(xué)生，可以增強他們的自信心。

3.5 優(yōu)化過程評價

本課程采用過程化考核，考核方案為：線上教學(xué)部分（觀看視頻15%+平時作業(yè)15%） +線下教學(xué)（實驗20%+設(shè)計型大作業(yè)50%） 。

觀看教學(xué)視頻，并完成相應(yīng)的上機練習(xí)題。根據(jù)完成情況進行評價。

基于知識單元進行作業(yè)管理。作業(yè)由導(dǎo)師從課后習(xí)題中選擇需要自己編寫程序的題目，并要求學(xué)生提交程序VI的文檔說明，表明編程設(shè)計思路，每次作業(yè)一周后，導(dǎo)師隨機抽取學(xué)生演示程序并回答作業(yè)問題，從作業(yè)提交準(zhǔn)時、VI程序界面美觀、各控件布局合理、函數(shù)調(diào)用合適、程序運行結(jié)果正確、設(shè)計思路和程序出現(xiàn)問題后的解決方法等方面給與評價。

在實驗方面，利用NI的ELVIS Ⅲ實驗平臺完成。每個實驗項目都有由簡單到復(fù)雜的多重任務(wù)，在鞏固所學(xué)知識和技能的基礎(chǔ)上，充分培養(yǎng)學(xué)生的虛擬儀器設(shè)計能力，使學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題，從而解決問題。在實驗環(huán)節(jié)，根據(jù)學(xué)生提交的成果，分別從學(xué)生的實驗方案實施能力、信息分析及處理能力、動手操作能力等方面給予全面測評。

在設(shè)計項目選題上，針對當(dāng)前虛擬儀器的行業(yè)應(yīng)用和近期虛擬儀器大賽內(nèi)容，通過課程組老師的集體研究，最終確定設(shè)計題目及內(nèi)容。項目完成需要設(shè)計整體思路的構(gòu)建、測試硬件電路的搭建、測試軟件的設(shè)計、整體功能的驗證、設(shè)計報告的編寫和答辯等幾個步驟。在此環(huán)節(jié)對學(xué)生在整個設(shè)計過程中的參與度、動手能力、設(shè)計能力、創(chuàng)新能力、報告撰寫能力及表達能力進行多方位綜合評定。

通過上述過程化評價機制，可以更加全面地考查學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)效果。

3.6 持續(xù)改進

由過程化考核給出的成績，從及格率、成績分布情況等對課程目標(biāo)達成情況進行分析，并提出改進措施。同時在教學(xué)過程中，通過課后作業(yè)、輔導(dǎo)答疑、課堂實驗及學(xué)生對課堂教學(xué)的反饋信息，及時調(diào)整教學(xué)進度和方法，實現(xiàn)對學(xué)習(xí)效果偏差的實時調(diào)節(jié)。

4 結(jié)論

通過虛擬儀器課程教學(xué)建設(shè)的初步研究，明確教學(xué)目標(biāo)，轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，豐富教學(xué)內(nèi)容，大力建設(shè)線上教學(xué)資源，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力；強化實踐教學(xué)，理論知識和工程應(yīng)用緊密結(jié)合；組織實施線上線下混合教學(xué)，形成閉環(huán)教學(xué)環(huán)節(jié)；優(yōu)化評價方法，將思想政治教育課融入教學(xué)全過程，提高課程的教學(xué)效果。

參考文獻：

[1] 任海霞，李志斌，夏飛.基于NI ELVISⅢ的虛擬儀器課程教學(xué)探討[J].電腦知識與技術(shù)，2019，15（36）：119-120.

[2] 沈冰夏，焦瑞莉，厲夫兵，等.基于翻轉(zhuǎn)課堂的混合式教學(xué)模式在虛擬儀器課程中的探索[J].高教學(xué)刊，2018（20）：93-95.

[3] 霍海波，徐勝，孫曉明，等.線上線下混合式一流課程建設(shè)探究——以“信號分析與處理” 課程為例[J].中國多媒體與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)學(xué)報（上旬刊），2021（7）：38-40.

[4] 鮑嶠.虛擬儀器技術(shù)線上線下混合式課程教學(xué)分析及設(shè)計[J].科教導(dǎo)刊，2022（4）：127-129，149.

[5] 董浩斌，葛健“. 虛擬儀器” 課程翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)探索[J].教育教學(xué)論壇，2018（51）：145-146.

【通聯(lián)編輯：王 力】