“基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)+”的“虛擬儀器技術(shù)”課程教學(xué)模式

董介春， 于瑞濤， 衛(wèi)成兵

(青島大學(xué) 電子信息學(xué)院， 山東 青島 266071)

“基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)+”的“虛擬儀器技術(shù)”課程教學(xué)模式

董介春， 于瑞濤， 衛(wèi)成兵

(青島大學(xué) 電子信息學(xué)院， 山東 青島 266071)

本文介紹了基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的教學(xué)模式，分析了該模式在教學(xué)改革中的必要性。根據(jù)我校實(shí)際，對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化，提出了在“虛擬儀器技術(shù)”課程中引入“項(xiàng)目學(xué)習(xí)+”多元化的教學(xué)模式。該模式在學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性、學(xué)習(xí)效果、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)合作等方面取得了良好的效果，可以應(yīng)用到其它實(shí)踐性較強(qiáng)的課程中去。

基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)；虛擬儀器技術(shù)；教學(xué)改革

0 引言

近年來，虛擬儀器技術(shù)在航空航天、電子通信、汽車制造等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外許多高校相繼開設(shè)了“虛擬儀器技術(shù)”這門課程，該課程綜合性強(qiáng)，涉及多種學(xué)科、多門課程，涵蓋的知識(shí)面非常豐富，需要學(xué)生掌握大量的基本概念、基本原理和基本方法，并具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和應(yīng)用性。該課程以數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示為主線，著力培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

1 目前教學(xué)中存在的主要問題

“虛擬儀器技術(shù)”課程涉及知識(shí)范圍廣、實(shí)踐性強(qiáng)，又是多學(xué)科知識(shí)的綜合。傳統(tǒng)的教學(xué)模式已很難達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。主要表現(xiàn)在：①目前的教學(xué)方法主要是教師課堂授課，學(xué)生被動(dòng)聽課。學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏積極性、主動(dòng)性。②學(xué)生普遍重視理論知識(shí)，輕視實(shí)踐環(huán)節(jié)，造成動(dòng)手能力差、工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)明顯不足。③理論學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)與實(shí)踐環(huán)節(jié)相脫離，實(shí)踐環(huán)節(jié)往往安排在理論學(xué)習(xí)之后，間隔時(shí)間可能較長(zhǎng)，學(xué)生無法及時(shí)對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行鞏固與提高，導(dǎo)致實(shí)踐環(huán)節(jié)效果不理想。④工程訓(xùn)練不足，實(shí)驗(yàn)課主要是以孤立的單元內(nèi)容為主，缺乏系統(tǒng)概念的訓(xùn)練，學(xué)生對(duì)于簡(jiǎn)單的單元實(shí)驗(yàn)尚能夠完成，如果設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)性的項(xiàng)目就無從下手[1]。

經(jīng)過與企業(yè)工程師深入溝通，針對(duì)這個(gè)實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，我們打破了傳統(tǒng)的以課堂講授為主的教學(xué)模式的束縛，構(gòu)建以能力培養(yǎng)為目標(biāo)，以項(xiàng)目化實(shí)踐性教學(xué)為出發(fā)點(diǎn)的新型教學(xué)模式。也就是說，以實(shí)踐應(yīng)用為切入點(diǎn)，突出強(qiáng)調(diào)實(shí)踐項(xiàng)目在課程中的重要作用，引入了“基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)+”的教學(xué)模式，讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體，取得了意想不到的效果。

2 基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的歷史背景

基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)PBL(Project-Based Learning)的理論及應(yīng)用開始于美國(guó)。1896年，杜威在其所創(chuàng)設(shè)的芝加哥實(shí)驗(yàn)學(xué)校采用了一種新的“設(shè)計(jì)教學(xué)法”，廢除了傳統(tǒng)的班級(jí)授課制，摒棄教科書，不受學(xué)科限制，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣決定學(xué)習(xí)內(nèi)容，在自行設(shè)計(jì)的單元活動(dòng)中獲得相關(guān)知識(shí)和解決實(shí)際問題的能力[2]。1918年杜威的學(xué)生，著名的教育家克伯屈發(fā)表了“設(shè)計(jì)教學(xué)法：在教育過程中有目的活動(dòng)的應(yīng)用”一文，提出了設(shè)計(jì)教學(xué)是建立在學(xué)生興趣與需要基礎(chǔ)之上的，把有目的的活動(dòng)作為教育過程的核心或有效學(xué)習(xí)的依據(jù)，設(shè)計(jì)教學(xué)法可以說是基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的前身[3]。

3 基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的特點(diǎn)

基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)是以學(xué)科的概念和原理為中心，學(xué)生通過參與真實(shí)的活動(dòng)項(xiàng)目，進(jìn)行調(diào)查、研究、協(xié)作，最終完成作品或解決問題，從而建構(gòu)知識(shí)的學(xué)習(xí)活動(dòng)。項(xiàng)目學(xué)習(xí)是一種探究性學(xué)習(xí)，它能促進(jìn)學(xué)生自主投入學(xué)習(xí)，有助于提高終身學(xué)習(xí)的能力和素質(zhì)[4]。

采用基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的培養(yǎng)模式，具有一些與傳統(tǒng)培養(yǎng)模式不同的特點(diǎn)。

(1)采用基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的培養(yǎng)模式，將傳統(tǒng)的以教師為中心的教學(xué)型培養(yǎng)模式改革為以學(xué)生為中心進(jìn)行自主學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)型培養(yǎng)模式。學(xué)生按照自己的興趣、特長(zhǎng)和時(shí)間來合理安排相關(guān)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)和研究，有利于培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)和探索研究的意識(shí)和能力，而這正是高校工科教育的主要目的之一[5]。

(2)采用小組的形式開展項(xiàng)目研究。成員之間通過分工合作的方式，相互研討，共同進(jìn)步。在提高學(xué)習(xí)效果的同時(shí)，有效地培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)和合作能力。

(3)通過具體項(xiàng)目的研究與實(shí)踐，讓學(xué)生完整經(jīng)歷問題提出、資料查閱、方案論證、設(shè)計(jì)或?qū)嶒?yàn)研究、中期報(bào)告、研究報(bào)告撰寫、結(jié)題驗(yàn)收答辯等項(xiàng)目的全過程鍛煉，學(xué)生可以把所學(xué)的知識(shí)與實(shí)踐結(jié)合起來，并綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)來解決實(shí)際問題，從而顯著地提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力、創(chuàng)新意識(shí)與能力、總結(jié)報(bào)告及口頭表達(dá)能力[6]。

4 國(guó)內(nèi)外基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的現(xiàn)狀

國(guó)外關(guān)于基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的研究成果豐富，理論已經(jīng)基本成熟，實(shí)踐的例子也很多，尤其值得關(guān)注的是在應(yīng)用方面取得的進(jìn)步。如麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)伯克利分校和洛杉磯分校、伊利諾伊大學(xué)、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、弗吉尼亞理工大學(xué)、德州大學(xué)奧斯汀分校等美國(guó)頂尖工程院校均將“虛擬儀器技術(shù)”的教學(xué)引入學(xué)生培養(yǎng)的全過程，并將其概念和方法滲透至多學(xué)科教學(xué)，同時(shí)采用理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)與項(xiàng)目實(shí)踐相結(jié)合的方式，貫穿于整個(gè)高等教育的全階段，形成“Engineering Pipeline”[7]。

國(guó)內(nèi)許多高校也已在相關(guān)課程的教學(xué)中引入了基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的模式。如天津大學(xué)在虛擬儀器的教學(xué)中引入基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的教學(xué)模式，將學(xué)生分組，自擬題目，用兩周左右時(shí)間，利用myDAQ硬件資源，加上學(xué)生的創(chuàng)意做一些有意義的課題。浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)、東南大學(xué)等高校也在相關(guān)課程的教學(xué)中引入基于myDAQ的學(xué)生動(dòng)手項(xiàng)目，收到良好的教學(xué)效果和學(xué)生反饋。

雖然如此，但對(duì)我國(guó)大多數(shù)高校來說，實(shí)施起來還有很大難度，主要表現(xiàn)在：①國(guó)內(nèi)對(duì)PBL的研究起步較晚，理論體系還沒有形成；②對(duì)PBL的基本理論大多是援引國(guó)外的，沒有考慮到各校的實(shí)際情況；③工程實(shí)踐尤其是應(yīng)用的案例相對(duì)較少；④重理論輕實(shí)驗(yàn)的思想依然存在；⑤教育經(jīng)費(fèi)投入不足，實(shí)施項(xiàng)目的資源有限；⑥教師的實(shí)踐能力有待加強(qiáng)等。因此，目前PBL的實(shí)際應(yīng)用還沒有得到推廣，只是在一些職業(yè)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)和企業(yè)的應(yīng)用相對(duì)較多一些。

5 “虛擬儀器技術(shù)”課程教改探索

目前對(duì)于我國(guó)大學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)質(zhì)量，中外用人單位的共同反映是：上崗適應(yīng)慢，缺乏創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，此外還存在項(xiàng)目研究能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、實(shí)踐動(dòng)手能力較較差，敬業(yè)精神等人文素質(zhì)薄弱等問題。

我校在引入基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，充分考慮到90后學(xué)生精力旺盛、思維活躍的特點(diǎn)，在“虛擬儀器技術(shù)”課程教學(xué)中提出了“基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)+”多元化的教學(xué)模式，即在采用基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，將理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合、將校企合作、CLAD認(rèn)證考試、學(xué)生創(chuàng)新俱樂部建設(shè)等引入教學(xué)領(lǐng)域。經(jīng)過兩年的實(shí)踐，教學(xué)結(jié)果證明這種教學(xué)模式可以充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力，全面提升學(xué)生的綜合素質(zhì)，這與我們創(chuàng)新型人才培養(yǎng)和卓越工程師培養(yǎng)目標(biāo)不謀而合。

5.1 采用“基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)+”多元化的教學(xué)模式

在“虛擬儀器技術(shù)”課程中引入基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的教學(xué)模式，將該課程教學(xué)分為三部分內(nèi)容：理論講授、課程實(shí)驗(yàn)和以小組為單位開展創(chuàng)新項(xiàng)目活動(dòng)(課外實(shí)施)。創(chuàng)新項(xiàng)目活動(dòng)這部分頗具特色,值得一提。開課之初，教師便可安排在該課程中引入基于創(chuàng)新項(xiàng)目學(xué)習(xí)計(jì)劃，將整個(gè)實(shí)施過程分為項(xiàng)目選定、制訂計(jì)劃、活動(dòng)探究、作品制作、成果交流和活動(dòng)評(píng)價(jià)等六個(gè)步驟。然后組織學(xué)生根據(jù)興趣愛好和能力特點(diǎn)自由分組并自主選擇項(xiàng)目，每組3-5人。在訓(xùn)練過程中，學(xué)生需要明確提出項(xiàng)目目標(biāo)，分工合作設(shè)計(jì)任務(wù)，通過鉆研獨(dú)立解決實(shí)際工程中遇到的問題，并依靠團(tuán)隊(duì)合作確保項(xiàng)目進(jìn)度。教師在整個(gè)過程中僅僅作為指導(dǎo)者的角色，及時(shí)解決學(xué)生在項(xiàng)目中遇到的問題。在期末的成果展示和答辯環(huán)節(jié)中需簡(jiǎn)短而凝練地表達(dá)出自己所做的工作及成果亮點(diǎn)。項(xiàng)目采用自我評(píng)價(jià)、同伴評(píng)價(jià)、教師評(píng)價(jià)、企業(yè)評(píng)價(jià)相結(jié)合的考核方式，綜合評(píng)定學(xué)生成績(jī)。

創(chuàng)新項(xiàng)目活動(dòng)可以充分激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情，讓學(xué)生變?yōu)橹黧w，從被動(dòng)接受變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，既加深了對(duì)課堂所學(xué)知識(shí)的理解，又能讓學(xué)生將理論付諸于實(shí)踐，既培養(yǎng)了搜集資料、探索相關(guān)知識(shí)的能力，又培養(yǎng)了學(xué)生分工與合作的團(tuán)隊(duì)精神。我院2013級(jí)學(xué)生在ELVIS II、myDAQ、myRIO等創(chuàng)新平臺(tái)上，自主完成了虛擬示波器、多功能頻譜分析儀、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能光控窗簾、物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)、智能尋色兩輪小車、四輪小車、四旋翼飛行器等多個(gè)創(chuàng)新項(xiàng)目，取得了良好效果。

5.2 將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合

將課堂搬進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，將理論講授與實(shí)踐相結(jié)合，強(qiáng)化實(shí)踐在教學(xué)中的地位。理論講授要少而精，通過課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解。課內(nèi)實(shí)驗(yàn)雖然按單元內(nèi)容設(shè)置，但為了讓學(xué)生建立起系統(tǒng)的概念，我們將單元實(shí)驗(yàn)和相關(guān)的理論學(xué)習(xí)融合起來，例如在溫度控制的單元實(shí)驗(yàn)中，讓學(xué)生圍繞著溫度檢測(cè)——數(shù)據(jù)采集——信號(hào)處理——結(jié)果顯示——數(shù)據(jù)存儲(chǔ)——溫度控制這條主線展開，這一實(shí)驗(yàn)幾乎涵蓋了溫度信號(hào)處理的整個(gè)過程，完成全部實(shí)驗(yàn)后將其組合就是一個(gè)小系統(tǒng)。本課程安排一半學(xué)時(shí)用于實(shí)踐練習(xí)，在實(shí)驗(yàn)室上課能夠保證實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和效果，達(dá)到理論教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)無縫銜接。

5.3 在課程中引入CLAD認(rèn)證考試

組織學(xué)生參加CLAD認(rèn)證考試，為將來就業(yè)提供更多機(jī)會(huì)。CLAD是由NI公司舉辦的全球LabVIEW 助理開發(fā)工程師認(rèn)證，是業(yè)界公認(rèn)的在虛擬儀器應(yīng)用領(lǐng)域里最具權(quán)威的專業(yè)認(rèn)證，成績(jī)達(dá)到70%合格。CLAD要求對(duì)LabVIEW完整開發(fā)系統(tǒng)中可用的核心特性和功能具備廣泛而全面的理解，并且能夠應(yīng)用這些知識(shí)開發(fā)、調(diào)試、維護(hù)小型LabVIEW模塊。我們將CLAD考試的成績(jī)納入該課程理論考試部分的總成績(jī)中。在2016年1月的測(cè)試中，我校有80%以上的學(xué)生順利通過了CLAD認(rèn)證。

5.4 發(fā)揮LabVIEW學(xué)生創(chuàng)新俱樂部的作用

LabVIEW高校俱樂部由各大高校的教師和學(xué)生發(fā)起組織、由NI公司協(xié)助創(chuàng)立的，旨在為高校師生們提供一個(gè)LabVIEW學(xué)習(xí)、交流和分享的平臺(tái)。我校LabVIEW俱樂部創(chuàng)建于2014年。俱樂部多次邀請(qǐng)NI工程師和企業(yè)家來校做報(bào)告，組織了LabVIEW Student Day 2014活動(dòng)。俱樂部還組織學(xué)生積極參加各類比賽項(xiàng)目，如電子設(shè)計(jì)大賽、虛擬儀器大獎(jiǎng)賽、挑戰(zhàn)杯、機(jī)器人比賽等，還檢驗(yàn)參與者的創(chuàng)新成果。這種校企合作的LabVIEW俱樂部活動(dòng)為學(xué)生課外學(xué)習(xí)提供了很多機(jī)會(huì)。2015年我校LabVIEW俱樂部被NI公司評(píng)為優(yōu)秀俱樂部。

5.5 “基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)+”教學(xué)模式的綜合考評(píng)

為了使“基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)+”多元化教學(xué)模式更好地適用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)需求，全面考核學(xué)生的綜合能力，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)、能力和素質(zhì)的全面發(fā)展，我們摒棄了單一的考試考評(píng)方式，而是采用平時(shí)成績(jī)(10%)、CLAD認(rèn)證成績(jī)(30%)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)(30%)、項(xiàng)目成績(jī)(30%)綜合考評(píng)成績(jī)作為課程學(xué)習(xí)的最終成績(jī)。

(董介春等文)

6 結(jié)語(yǔ)

通過“虛擬儀器技術(shù)”的教學(xué)改革，將基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的教學(xué)模式與理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、認(rèn)證考試、學(xué)生創(chuàng)新俱樂部等相結(jié)合，便于學(xué)生在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中能發(fā)揮主動(dòng)性，以創(chuàng)新項(xiàng)目作為主線，將所學(xué)的理論知識(shí)應(yīng)用到項(xiàng)目中去，做到有目的學(xué)習(xí)，充滿著樂趣學(xué)習(xí)。教學(xué)模式由以前的滿堂灌改變?yōu)橐皂?xiàng)目為導(dǎo)向，將理論和實(shí)踐相結(jié)合，“學(xué)中做，做中學(xué)”，最大限度地發(fā)揮學(xué)生和教師的主觀能動(dòng)性，更深入地掌握所學(xué)知識(shí)，教學(xué)效果明顯提高。該模式可以推廣應(yīng)用到其它工科專業(yè)中去。

[1] 鹿玲，陳錦江，姚建濤等．機(jī)械制造工藝學(xué)課程基于項(xiàng)目的教學(xué)新模式探索與實(shí)踐[J]．秦皇島：教學(xué)研究，2011，34(3)：44-47.

[2] Dewey，J．Experience and Education[M]．New York：Mac-millan，1938．

[3] William Heard Klipatrick．Foundations of method：informal talks On teaching[M]．New York：Barber Press，2007．

[4] 劉廣平，陳立文，李嫄. 國(guó)外基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的教學(xué)模式研究述評(píng)[J]．重慶：高等建筑教育，2014，23(4)：44-50．

[5] 魏尊杰，夏昕，郟凌．基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的培養(yǎng)模式探討[J]. 北京：中國(guó)校外教育：下旬，2012 (7)：113,115．

[6] 劉景福，鐘志賢．基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)(PBL)模式研究[J]. 長(zhǎng)春：外國(guó)教育研究，2002，29(11)：18-22.

[7] 徐征，喬立巖. 虛擬儀器技術(shù)的創(chuàng)新教學(xué)方式與綜合課程設(shè)計(jì)探討[D]．哈爾濱：第八屆NI高校教師交流會(huì)，2012年7月.

The Teaching Mode of Project-Based Learning+ in Virtual Instrument Technology

DONG Jie-chun, YU Rui-tao, WEI Cheng-bing

(SchoolofElectronicInformation,QingdaoUniversity,Qingdao266071,China)

It is introduced the teaching mode of project-based learning in the paper. After analyzing the necessary mode of the reform in the school, it is optimized in Virtual Instrument Technology course of introducing projects + a diversified teaching mode. In the students′ learning motivation, learning effect creativity, and team cooperation, the mode has achieved good results, and can be applied to other practical courses.

project-based learning; virtual instrument technology; teaching reform

2016-03-11;

2016-04-28

董介春(1967- )，男，工學(xué)碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師,主要從事虛擬儀器技術(shù)等課程的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，E-mail：jiechundong@163.com

G642.4

A

1008-0686(2017)01-0042-04