任海霞 茅大鈞 蘇曉燕

摘要：虛擬儀器是測(cè)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(shí)施等方面對(duì)本課程進(jìn)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(jī)融入思政教育，強(qiáng)化實(shí)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(jì)；實(shí)踐；過程化考核

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）10-0159-03

0 引言

自20世紀(jì)90年代以來，融合了測(cè)試技術(shù)、儀器原理、計(jì)算機(jī)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(shì)的一個(gè)重要方向，已經(jīng)在諸多高科技領(lǐng)域中得到了廣泛運(yùn)用。虛擬儀器是測(cè)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(qiáng)和實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)。它既是前期基礎(chǔ)課：電工電子技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、微機(jī)原理與應(yīng)用等課程綜合，又是實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)、畢業(yè)設(shè)計(jì)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(tái)，將控制理論與生產(chǎn)過程知識(shí)有機(jī)結(jié)合起來，設(shè)計(jì)合理測(cè)量方案，解決實(shí)際測(cè)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(jìn)行改進(jìn)。

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(shí)長(zhǎng)，教學(xué)進(jìn)度難以統(tǒng)一。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，由于其時(shí)間局限性以及考慮到學(xué)生對(duì)課堂講授知識(shí)的理解能力，主要講解常用的基本理論知識(shí)，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(duì)有學(xué)科競(jìng)賽要求的學(xué)生來說，會(huì)由于缺少有效指導(dǎo)而導(dǎo)致放棄參賽。應(yīng)把簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)理論部分放到線上學(xué)習(xí)，難點(diǎn)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(cè)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理、測(cè)控儀器聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等多門課程的專業(yè)知識(shí)。若只是傳授如何使用LabVIEW進(jìn)行編程，學(xué)生往往會(huì)以為能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)操作、結(jié)構(gòu)控制、文件讀寫、信號(hào)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(jì)，不知道如何進(jìn)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(shí)際問題，無法面對(duì)工程實(shí)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(qiáng)化實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，教學(xué)內(nèi)容與工程項(xiàng)目實(shí)例有機(jī)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(shí)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(shí)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(duì)上述問題，本文結(jié)合新時(shí)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(duì)虛擬儀器課程建設(shè)進(jìn)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(diǎn)課程建設(shè)和教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目等支撐平臺(tái)，結(jié)合課程兩大特點(diǎn)：多學(xué)科知識(shí)綜合的教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)和有初步編程基礎(chǔ)、有能力、有興趣探索測(cè)控系統(tǒng)的教學(xué)對(duì)象特點(diǎn)，提出了虛擬儀器課程的育人目標(biāo)：

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

2） 能力訓(xùn)練：具備系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)量與控制相關(guān)領(lǐng)域中的復(fù)雜工程問題進(jìn)行預(yù)測(cè)與仿真模擬。

3） 價(jià)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(shí)。

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(jiān)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(jìn)，推進(jìn)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(tái)，實(shí)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(shí)踐性，關(guān)注解決實(shí)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(shí)，如LabVIEW基本編程等，還要培養(yǎng)學(xué)生測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)點(diǎn)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(qǐng)校外專家舉辦講座，總結(jié)多年開發(fā)虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的豐富經(jīng)驗(yàn)，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(shí)提升實(shí)踐活動(dòng)能力和工程實(shí)踐能力。

2.3 強(qiáng)化師資隊(duì)伍

為了加強(qiáng)教師實(shí)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(jì)量院、NI有限公司、上海華依科技有限公司等）對(duì)教師進(jìn)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(lì)教師積極參與教學(xué)改革研究項(xiàng)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(shí)架構(gòu)等教研教改各項(xiàng)成果運(yùn)用至課堂教學(xué)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)和實(shí)踐素質(zhì)相關(guān)的主題活動(dòng)。

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(shí)間自由、學(xué)習(xí)狀態(tài)可控等優(yōu)點(diǎn)。已有教學(xué)大綱、教學(xué)進(jìn)度、電子教案、電子課件、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書等教學(xué)文件，配有各章節(jié)的重點(diǎn)內(nèi)容的微課視頻和課后習(xí)題等，以及實(shí)驗(yàn)實(shí)踐項(xiàng)目中主要設(shè)備的使用視頻和操作注意事項(xiàng)等。學(xué)生可自主學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識(shí)，并按照簡(jiǎn)單例程編寫程序，無需占用課堂教學(xué)時(shí)間，提高課堂教學(xué)效率。

2.5 強(qiáng)化實(shí)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(jì)實(shí)踐課程，實(shí)驗(yàn)實(shí)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(jì)平臺(tái)組建測(cè)控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、儀器控制、信號(hào)分析與處理等任務(wù)。通過實(shí)踐加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，增加對(duì)虛擬儀器課程的興趣，提高編程、創(chuàng)新及動(dòng)手實(shí)踐能力[4]。

測(cè)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(shí)驗(yàn)和獨(dú)立開設(shè)的檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)、自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)，也包括電子設(shè)計(jì)制作等實(shí)踐課程，但都側(cè)重單門課程的知識(shí)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(cè)控技術(shù)系統(tǒng)的整體概念，在實(shí)際工作中面對(duì)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(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，結(jié)合測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的培養(yǎng)計(jì)劃和培養(yǎng)方案，建設(shè)了基于NI ELVIS Ⅲ的測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)實(shí)踐平臺(tái)。在本專業(yè)四年級(jí)開設(shè)的測(cè)控系統(tǒng)綜合與創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐課程至少會(huì)有1學(xué)分（20學(xué)時(shí)）與虛擬儀器相關(guān)，主要培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)某一特定的測(cè)控系統(tǒng)的能力。具體設(shè)計(jì)項(xiàng)目會(huì)對(duì)接企業(yè)，由企業(yè)提出具體需求，讓學(xué)生學(xué)會(huì)解決實(shí)際工程問題。

3 組織實(shí)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(shí)施線上線下相結(jié)合、理論與實(shí)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(jìn)，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(shí)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(shí)點(diǎn)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(jī)操作習(xí)題，檢查學(xué)生對(duì)基本知識(shí)要點(diǎn)的理解程度[5]?？稍谥腔蹣淦脚_(tái)結(jié)合思政主題活動(dòng)發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù)，比如結(jié)合我國(guó)虛擬儀器使用情況調(diào)查等思想政治主題，對(duì)儀器行業(yè)相關(guān)的新設(shè)備、新技術(shù)、新發(fā)展等進(jìn)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(diǎn)難點(diǎn)+實(shí)驗(yàn)實(shí)踐

教師通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)情況和作業(yè)反饋，針對(duì)各班教學(xué)難點(diǎn)，結(jié)合專業(yè)特性與學(xué)生興趣，通過問題驅(qū)動(dòng)、任務(wù)設(shè)置、合作探索等方式，對(duì)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)。結(jié)合模塊化硬件和LabVIEW軟件，對(duì)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用設(shè)計(jì)和集成開發(fā)，并通過實(shí)驗(yàn)實(shí)踐加強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力。通過分組實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)

根據(jù)課后作業(yè)和實(shí)驗(yàn)報(bào)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(yàn)，將學(xué)習(xí)到的基礎(chǔ)知識(shí)去處理實(shí)踐應(yīng)用問題。同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生參加大學(xué)生科創(chuàng)活動(dòng)或虛擬儀器競(jìng)賽等，進(jìn)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(dòng)列入過程化考核范圍之內(nèi)，能夠更加整體地評(píng)價(jià)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(shí)應(yīng)用到實(shí)踐活動(dòng)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(huì)主義核心價(jià)值觀，推進(jìn)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(shì)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(dá)到本課程的育人目標(biāo)。在上機(jī)操作環(huán)節(jié)，學(xué)生在編程時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤，不愿主動(dòng)探究時(shí)，教師可適當(dāng)進(jìn)行鼓勵(lì)，告訴他們不能一遇到問題就向老師或同學(xué)請(qǐng)教，要學(xué)會(huì)先獨(dú)立思考，自己發(fā)現(xiàn)、糾正代碼錯(cuò)誤，收獲自信和成就感；項(xiàng)目設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷修改、不斷測(cè)試的過程，要有一絲不茍、精益求精的精神；在輔導(dǎo)答疑時(shí)，與學(xué)習(xí)任務(wù)完成較差的學(xué)生面對(duì)面地進(jìn)行交流，了解他們的學(xué)習(xí)困難之處，鼓勵(lì)他們解決問題，表揚(yáng)付出多、進(jìn)步大的學(xué)生，可以增強(qiáng)他們的自信心。

3.5 優(yōu)化過程評(píng)價(jià)

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(shí)作業(yè)15%） +線下教學(xué)（實(shí)驗(yàn)20%+設(shè)計(jì)型大作業(yè)50%） 。

觀看教學(xué)視頻，并完成相應(yīng)的上機(jī)練習(xí)題。根據(jù)完成情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

基于知識(shí)單元進(jìn)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(jì)思路，每次作業(yè)一周后，導(dǎo)師隨機(jī)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(shí)、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(yùn)行結(jié)果正確、設(shè)計(jì)思路和程序出現(xiàn)問題后的解決方法等方面給與評(píng)價(jià)。

在實(shí)驗(yàn)方面，利用NI的ELVIS Ⅲ實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成。每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都有由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的多重任務(wù)，在鞏固所學(xué)知識(shí)和技能的基礎(chǔ)上，充分培養(yǎng)學(xué)生的虛擬儀器設(shè)計(jì)能力，使學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題，從而解決問題。在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，根據(jù)學(xué)生提交的成果，分別從學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施能力、信息分析及處理能力、動(dòng)手操作能力等方面給予全面測(cè)評(píng)。

在設(shè)計(jì)項(xiàng)目選題上，針對(duì)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(jì)題目及內(nèi)容。項(xiàng)目完成需要設(shè)計(jì)整體思路的構(gòu)建、測(cè)試硬件電路的搭建、測(cè)試軟件的設(shè)計(jì)、整體功能的驗(yàn)證、設(shè)計(jì)報(bào)告的編寫和答辯等幾個(gè)步驟。在此環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中的參與度、動(dòng)手能力、設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力、報(bào)告撰寫能力及表達(dá)能力進(jìn)行多方位綜合評(píng)定。

通過上述過程化評(píng)價(jià)機(jī)制，可以更加全面地考查學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)效果。

3.6 持續(xù)改進(jìn)

由過程化考核給出的成績(jī)，從及格率、成績(jī)分布情況等對(duì)課程目標(biāo)達(dá)成情況進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)措施。同時(shí)在教學(xué)過程中，通過課后作業(yè)、輔導(dǎo)答疑、課堂實(shí)驗(yàn)及學(xué)生對(duì)課堂教學(xué)的反饋信息，及時(shí)調(diào)整教學(xué)進(jìn)度和方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)效果偏差的實(shí)時(shí)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(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，理論知識(shí)和工程應(yīng)用緊密結(jié)合；組織實(shí)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(píng)價(jià)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。

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【通聯(lián)編輯：王 力】