基于專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的虛擬儀器課程教學(xué)改革與探討

崔鳳英 樊春玲 周春麗

摘 ?要 基于高等院校工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的基本理念，針對(duì)虛擬儀器課程綜合性強(qiáng)、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)以及學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)主動(dòng)性的現(xiàn)狀，對(duì)該課程的理論、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、課程設(shè)計(jì)和考核方式進(jìn)行有效的改革探索，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改善教學(xué)效果，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證;虛擬儀器課程;LabVIEW;口袋實(shí)驗(yàn)室;課程設(shè)計(jì);教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）14-0086-03

Abstract Based on the basic concept of engineering education certi-fication in colleges and universities， and in view of the comprehen-sive and practical characteristics of virtual instrument course and the current situation of students lack of learning initiative， an effective reform of the courses theory， experimental teaching content， tea-ching method， course design and examination mode is explored. The?reform has greatly stimulated the students interest in learning， im-proved the teaching effect and the quality of personnel training in colleges and universities.

Key words professional certification of engineering education; vir-tual instrument course; LabVIEW; pocket lab; course design; tea-ching reform

1 引言

虛擬儀器技術(shù)是一門(mén)新興的多學(xué)科融合的技術(shù)，它將測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)等融為一體，是經(jīng)典的測(cè)量技術(shù)與現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，在測(cè)控技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)著越來(lái)越重要的位置[1]。青島科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院開(kāi)設(shè)的虛擬儀器課程，主要講授虛擬儀器的概念和設(shè)計(jì)思想、LabVIEW軟件的使用及在數(shù)據(jù)采集方面的應(yīng)用。目前實(shí)驗(yàn)室配置的主要設(shè)備是NI公司的ELVIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，但是設(shè)備臺(tái)套數(shù)較少。授課過(guò)程主要是完成軟件的學(xué)習(xí)和使用，以及軟件和硬件結(jié)合的內(nèi)容數(shù)據(jù)采集部分，但學(xué)生的側(cè)重點(diǎn)在軟件基本練習(xí)，對(duì)于其應(yīng)用和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力比較薄弱。因?yàn)閷?duì)學(xué)習(xí)的知識(shí)缺少實(shí)際應(yīng)用的機(jī)會(huì)，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性也不強(qiáng)。

工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的基本理念是“以學(xué)生為中心”“目標(biāo)導(dǎo)向”和“持續(xù)改進(jìn)”，這也是當(dāng)前國(guó)際工程教育發(fā)展的趨勢(shì)[2]。目前，青島科技大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)已順利通過(guò)工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證，借此契機(jī)，探索和尋求提升測(cè)控學(xué)生工程實(shí)踐能力的途徑和平臺(tái)是非常重要的。虛擬儀器課程是測(cè)控專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)限選課程，有針對(duì)性地對(duì)其教學(xué)進(jìn)行探索和改革勢(shì)在必行。

2 教學(xué)內(nèi)容改革：以學(xué)生為中心，精心設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容

目前，高校工程教育認(rèn)證的基本標(biāo)準(zhǔn)之一是以學(xué)生為中心。本課程在教授內(nèi)容上以此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，課程內(nèi)容既要體現(xiàn)大綱要求，又要根據(jù)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)和需求添加新內(nèi)容，尤其是和后面實(shí)踐部分關(guān)系密切的內(nèi)容作為重點(diǎn)。整體上來(lái)講，學(xué)生的學(xué)習(xí)主要分為兩大部分，即軟件和硬件，對(duì)這兩個(gè)方面的教學(xué)內(nèi)容做了調(diào)整。

1）軟件方面。通過(guò)課堂教學(xué)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)LabVIEW軟件編程特點(diǎn)和編程技術(shù)，熟悉軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，掌握基本操作和基本功能;同時(shí)通過(guò)上機(jī)做練習(xí)和實(shí)驗(yàn)，針對(duì)性地做編程練習(xí)，熟練運(yùn)用LabVIEW軟件，具有整體的編程開(kāi)發(fā)能力。

2）綜合應(yīng)用設(shè)計(jì)。通過(guò)綜合應(yīng)用設(shè)計(jì)，讓學(xué)生掌握虛擬儀器技術(shù)的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)熟悉虛擬儀器在測(cè)量、控制、信號(hào)處理以及網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域的應(yīng)用，重點(diǎn)掌握數(shù)據(jù)采集卡PCI、PXI、USB等硬件平臺(tái)的使用，實(shí)現(xiàn)其綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性的應(yīng)用。

3 教學(xué)方式的改革

虛擬儀器課程是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，融合了多學(xué)科的知識(shí)，因此，課程的講授質(zhì)量直接決定了學(xué)生的應(yīng)用水平。近年來(lái)在教學(xué)方式上一直在探索和創(chuàng)新，希望學(xué)生能夠變被動(dòng)為主動(dòng)，通過(guò)“在做中學(xué)”來(lái)提高綜合應(yīng)用能力。

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法 ?在課堂教學(xué)中采用以課題研究為導(dǎo)向的教學(xué)法[3-4]，在課程上首先給學(xué)生展示大量的LabVIEW的應(yīng)用實(shí)例，使學(xué)生熟悉G語(yǔ)言編程的特點(diǎn)和虛擬儀器設(shè)計(jì)思路。其次是針對(duì)某一實(shí)例進(jìn)行分析，給學(xué)生留下問(wèn)題和要求，布置相應(yīng)任務(wù)。這樣給學(xué)生投放一個(gè)主動(dòng)學(xué)習(xí)的引子，引導(dǎo)學(xué)生先有疑問(wèn)和好奇心，從而去主動(dòng)探討，會(huì)幫助學(xué)生更好地理解虛擬儀器設(shè)計(jì)思想，掌握虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成、編程環(huán)境和方法、編程技巧以及優(yōu)化策略，同時(shí)重在培養(yǎng)學(xué)生查閱資料的能力、運(yùn)用學(xué)習(xí)資源的能力、同學(xué)間的合作能力、撰寫(xiě)報(bào)告的能力、口頭表達(dá)能力以及綜合運(yùn)用大學(xué)所學(xué)知識(shí)的能力和創(chuàng)新能力等。

選擇的項(xiàng)目根據(jù)課程內(nèi)容的設(shè)置分為兩類(lèi)：一是軟件類(lèi)，比如制作電子時(shí)鐘和計(jì)算器、信號(hào)發(fā)生器、十字路口交通信號(hào)燈的模擬等;二是軟件硬件結(jié)合類(lèi)，比如溫度信號(hào)采集、電壓信號(hào)采集等。上課期間該課題就貫穿始終，逐步完善有關(guān)功能。如關(guān)于溫度信號(hào)采集的例子，要求學(xué)生完成VI和子VI的創(chuàng)建、溫度模擬、輸入輸出控件的使用、數(shù)學(xué)運(yùn)算、采集信號(hào)、存儲(chǔ)和記錄信號(hào)等。學(xué)生把掌握的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)由傳感器、信號(hào)采集和調(diào)理、數(shù)據(jù)采集卡和PC（包括LabVIEW軟件）組成的硬件和軟件結(jié)合的虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)。目標(biāo)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法強(qiáng)調(diào)的是“在做中學(xué)”，學(xué)生通過(guò)自己動(dòng)手來(lái)體會(huì)和理解有關(guān)知識(shí)，大大激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。

實(shí)踐環(huán)節(jié)強(qiáng)化：實(shí)驗(yàn)課程為主 ?鑒于虛擬儀器課程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，以實(shí)驗(yàn)為主的教學(xué)方法成為改革必然，實(shí)踐動(dòng)手+口袋實(shí)驗(yàn)室的多平臺(tái)可選教學(xué)模式成為課程發(fā)展的必然趨勢(shì)。

虛擬儀器課程傳統(tǒng)的授課方式是課堂理論教學(xué)在教室上課，實(shí)驗(yàn)課程在實(shí)驗(yàn)室上課，理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)分開(kāi)進(jìn)行。新的授課方式打破這種傳統(tǒng)方式，改為課堂講授和實(shí)驗(yàn)一體化的教學(xué)方式，兩者都在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，形成以具體事例為主導(dǎo)、以實(shí)驗(yàn)練習(xí)為主線的課堂和實(shí)驗(yàn)一體化教學(xué)。具體實(shí)施過(guò)程：將教學(xué)課堂搬到實(shí)驗(yàn)室，充分利用實(shí)驗(yàn)室資源;根據(jù)虛擬儀器課程的知識(shí)體系設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)中以工程項(xiàng)目做引子，貫穿實(shí)驗(yàn)內(nèi)容于其中，并把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容整理成實(shí)驗(yàn)講義，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間有連貫性，同時(shí)側(cè)重點(diǎn)不同;課堂講授時(shí)以實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為主、教材為輔。利用實(shí)驗(yàn)室的硬件平臺(tái)設(shè)備進(jìn)行演示，讓學(xué)生親眼看到實(shí)驗(yàn)的過(guò)程及其結(jié)果，激發(fā)學(xué)生的興趣，把上課內(nèi)容由抽象變?yōu)榫唧w，由枯燥變得有趣。具體采用以下措施。

1）使用ELVISⅡ?qū)嶒?yàn)箱。NI ELVIS II實(shí)驗(yàn)箱既具備已集成的虛擬儀器功能（可以運(yùn)行軟件NI ELVISmx Instru-ment Launcher），又可以使用LabVIEW軟件在平臺(tái)上開(kāi)發(fā)新的儀器功能，比如可以設(shè)計(jì)針對(duì)不同學(xué)科的實(shí)驗(yàn)，電子學(xué)和信號(hào)處理等方面。

2）選擇日常生活中學(xué)生可以接觸到的一些問(wèn)題作為切入點(diǎn)，引起學(xué)生興趣，如解決運(yùn)算困難的數(shù)學(xué)函數(shù)（解微分方程、貝塞爾函數(shù)等）、電路中的仿真功能、自動(dòng)控制原理中的PID控制函數(shù)等，航空航天工程中應(yīng)用的界面設(shè)計(jì)和信號(hào)處理功能、機(jī)器人的設(shè)計(jì)等。在課堂上大量引用這些實(shí)例，將講授的知識(shí)與學(xué)生自己動(dòng)手實(shí)踐相結(jié)合。在本次動(dòng)手課程中，練習(xí)將覆蓋使用ELVIS II平臺(tái)涉及的各個(gè)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)。

課程設(shè)計(jì)改革：口袋實(shí)驗(yàn)室 ?課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是大學(xué)某一課程的綜合性實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，一般是完成一項(xiàng)涉及本課程主要內(nèi)容的綜合性、應(yīng)用性的設(shè)計(jì)。虛擬儀器的課程設(shè)計(jì)就是針對(duì)課程的教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃，使學(xué)生能夠根據(jù)要求設(shè)計(jì)出合理的虛擬儀器。

在本次課程設(shè)計(jì)中，和迪芝倫公司合作開(kāi)展產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目，利用DIGILENT提供的口袋實(shí)驗(yàn)室完成設(shè)計(jì)。公司提供的Diligent Analog Discovery 2是一個(gè)迷你型USB示波器和多功能儀器，是與Analog Devices聯(lián)合開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品。該產(chǎn)品的功能是方便地進(jìn)行測(cè)量、讀取和生成信號(hào)、記錄和控制各種混合信號(hào)。這是一款便攜式產(chǎn)品，小巧實(shí)用，小到可以輕而易舉地放進(jìn)口袋，功能卻強(qiáng)大到足以替代一堆實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。無(wú)論是在課堂上還是實(shí)驗(yàn)室，Analog Discovery 2都能夠?yàn)闇y(cè)控專(zhuān)業(yè)的學(xué)生提供一個(gè)隨心所欲地開(kāi)展動(dòng)手項(xiàng)目的“口袋儀器實(shí)驗(yàn)室”。

另外，在教學(xué)形式上也進(jìn)行了多元化嘗試，比如采取小組教學(xué)法、任務(wù)教學(xué)法;還嘗試了時(shí)下流行的微課教學(xué)形式以及利用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境授課等[5-6]。

將學(xué)生分成若干小組，以小組為單位完成任務(wù)，這樣的分組培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神，促進(jìn)了小組成員之間的交流、分析和協(xié)作。給出項(xiàng)目要求，學(xué)生自己查閱資料，完成設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件編程。針對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行模塊化分析，把每一模塊和可能遇到的問(wèn)題單獨(dú)錄制一堂課重點(diǎn)講授，學(xué)生遇到問(wèn)題可以反復(fù)觀看。學(xué)生也可以注冊(cè)NI公司網(wǎng)站和DIGILENT網(wǎng)站，選擇感興趣的知識(shí)點(diǎn)和視頻資料進(jìn)行學(xué)習(xí)鞏固，充分有效地利用互聯(lián)網(wǎng)豐富的課程資源，既拓展了知識(shí)面，又提高了自學(xué)能力和悟性。

利用口袋實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)板越來(lái)越小型化，學(xué)生可以將實(shí)驗(yàn)板卡/系統(tǒng)帶到宿舍或其他實(shí)驗(yàn)室以外的環(huán)境中，隨時(shí)隨地實(shí)踐，不再受到實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地及開(kāi)放時(shí)間的限制，大大提高了儀器的利用率，也加深了對(duì)課程內(nèi)容的理解，真正實(shí)現(xiàn)了理論知識(shí)和實(shí)踐應(yīng)用的無(wú)縫鏈接。

4 考核方式：側(cè)重過(guò)程

根據(jù)本課程實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)也是專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的要求，不斷探索有效的考核方式以配合課程內(nèi)容和教學(xué)方式方面的改革。傳統(tǒng)的考核方式是直接由理論考試成績(jī)決定，過(guò)于簡(jiǎn)單，而且不能體現(xiàn)學(xué)生實(shí)踐能力的水平。因此，采用由平時(shí)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)和考試成績(jī)加權(quán)平均的形式。平時(shí)成績(jī)反映學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)成績(jī)包括實(shí)驗(yàn)完成效果和實(shí)驗(yàn)報(bào)告兩方面，占總成績(jī)的50%。這樣的方式評(píng)價(jià)全面合理，能夠真實(shí)反映出一個(gè)學(xué)生的水平;而且實(shí)驗(yàn)成績(jī)比重加大，可以激勵(lì)學(xué)生功夫下在平時(shí)，講求學(xué)習(xí)過(guò)程的效果，只要平時(shí)功夫到，最后成績(jī)一定好。這樣的設(shè)置大大提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)質(zhì)量。課程設(shè)計(jì)成績(jī)也由三部分組成，課程設(shè)計(jì)成果占70%，課程設(shè)計(jì)報(bào)告占20%，課程設(shè)計(jì)答辯占10%。在答辯過(guò)程中，各小組成員答辯，教師進(jìn)行提問(wèn)，避免了學(xué)生抄襲和蒙混過(guò)關(guān)的念頭，提高了教學(xué)質(zhì)量。

5 教學(xué)效果分析

對(duì)于教學(xué)效果分兩方面進(jìn)行縱向?qū)Ρ取?/p>

通過(guò)學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)價(jià) ?根據(jù)專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的要求，每一門(mén)課程要進(jìn)行達(dá)成度分析。試卷中每一個(gè)題對(duì)應(yīng)課程的教學(xué)目標(biāo)，根據(jù)學(xué)生答題統(tǒng)計(jì)分?jǐn)?shù)，考查每一項(xiàng)教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)情況。如果達(dá)成度不理想，認(rèn)真分析原因并提出改進(jìn)措施，同時(shí)在下一次的學(xué)生考核中進(jìn)一步認(rèn)證，以這樣“考查—分析—改進(jìn)”的方式達(dá)到持續(xù)改進(jìn)的目的。近兩年的課程教學(xué)，從內(nèi)容到方法，理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)時(shí)間合理分配，進(jìn)行一系列嘗試，達(dá)成度指標(biāo)有了大幅度提升。

通過(guò)提交的課程設(shè)計(jì)成果評(píng)價(jià) ?在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)學(xué)生自主完成一個(gè)課題，授課模式也主要是以學(xué)生為中心的研究型課堂模式，教師主要工作是答疑和點(diǎn)評(píng);課程考核側(cè)重課題完成過(guò)程，根據(jù)過(guò)程和最后作品運(yùn)行情況打分。從近兩年學(xué)生提交的課程設(shè)計(jì)成果看，學(xué)生對(duì)于基礎(chǔ)知識(shí)掌握比較扎實(shí)，具有一定的分析問(wèn)題能力，能夠根據(jù)要求完成相應(yīng)任務(wù)，滿足了課程教學(xué)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求指標(biāo)。

6 結(jié)語(yǔ)

在虛擬儀器課程教學(xué)中，始終堅(jiān)持以學(xué)生為中心，以目標(biāo)導(dǎo)向?yàn)闇?zhǔn)則，持續(xù)不斷創(chuàng)新，廣泛調(diào)研，不斷嘗試新方法，精心組織設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，將課堂內(nèi)容和實(shí)踐無(wú)縫銜接，采用課題驅(qū)動(dòng)法教學(xué)模式，不斷改革教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式，采用口袋實(shí)驗(yàn)室，完成課程設(shè)計(jì)，達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，取得滿意的成績(jī)。根據(jù)課堂表現(xiàn)，學(xué)生由原來(lái)的被動(dòng)接受變?yōu)橹鲃?dòng)參與，對(duì)于LabVIEW編程產(chǎn)生濃厚的興趣，教學(xué)效果明顯改善。在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，學(xué)生具有較強(qiáng)的動(dòng)手能力與創(chuàng)新意識(shí)，每個(gè)小組都能夠開(kāi)發(fā)出具有一定功能的虛擬儀器，大大提高了學(xué)生對(duì)LabVIEW軟件的綜合應(yīng)用能力，提高了學(xué)生將來(lái)在社會(huì)上的競(jìng)爭(zhēng)力。

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