基于工作過(guò)程系統(tǒng)化的虛擬儀器課程改革

劉海艷

（南京理工大學(xué)紫金學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電系，江蘇 南京210023）

0 引言

隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，新的測(cè)試?yán)碚摗y(cè)試方法、測(cè)試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，在許多方面已經(jīng)突破了傳統(tǒng)儀器的概念。虛擬儀器是基于通用PC建立的可編程儀器及儀器系統(tǒng)。虛擬儀器（簡(jiǎn)稱VI）技術(shù)由于其靈活性高、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，受到眾多科研與工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注，其應(yīng)用領(lǐng)域遍及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、航空、航天等各種行業(yè)。在此背景下，越來(lái)越多的高校開(kāi)設(shè)虛擬儀器課程，并建設(shè)虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室，以培養(yǎng)虛擬儀器技術(shù)類的科研與應(yīng)用人才。在有限學(xué)時(shí)內(nèi)，如何達(dá)到課程培養(yǎng)目標(biāo)，培養(yǎng)出能將理論知識(shí)充分運(yùn)用于實(shí)踐，利用工程應(yīng)用觀念來(lái)分析和設(shè)計(jì)儀器系統(tǒng)的學(xué)生，是一個(gè)需要不斷探討的問(wèn)題。

1 虛擬儀器課程改革的思路

為提高學(xué)生對(duì)虛擬儀器的應(yīng)用實(shí)踐能力，幫助學(xué)生掌握課程知識(shí)點(diǎn)和知識(shí)體系，掌握一定的學(xué)科思維方法，培養(yǎng)適合測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)特色的工程應(yīng)用型人才，課程組在進(jìn)行虛擬儀器課程教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)這3個(gè)環(huán)節(jié)，進(jìn)行了多次改革，第一階段采用傳統(tǒng)的授課模式，以理論授課為主。主要依據(jù)教學(xué)大綱，按章節(jié)講授，要求學(xué)生掌握課程的知識(shí)點(diǎn)和知識(shí)體系。但虛擬儀器技術(shù)是一種實(shí)踐性較強(qiáng)的技術(shù)，需要學(xué)生參與其中才能真正會(huì)用。因此傳統(tǒng)的授課方式傳授的知識(shí)是死的，學(xué)生缺乏主動(dòng)性與參與性，不能學(xué)以致用。

為改進(jìn)這種情況，第二階段主要采用理實(shí)一體，基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)開(kāi)展教學(xué)內(nèi)容，借鑒NI公司商業(yè)培訓(xùn)課模式，教學(xué)模式改變?yōu)橥耆詫?shí)戰(zhàn)練習(xí)為中心。針對(duì)課程章節(jié)內(nèi)容設(shè)計(jì)具體實(shí)踐項(xiàng)目，教師科學(xué)引導(dǎo)，學(xué)生動(dòng)手設(shè)計(jì)。在整個(gè)教學(xué)周期內(nèi)，教師理論講授和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)互為補(bǔ)充。但這種模式的弊端在于，項(xiàng)目練習(xí)時(shí)，教學(xué)內(nèi)容較為單一，工程背景不強(qiáng)，學(xué)生相當(dāng)于在重復(fù)照搬，綜合訓(xùn)練程度不夠，造成學(xué)生對(duì)課程理解不透徹、缺乏工程應(yīng)用意識(shí)。

第三階段，課題小組在學(xué)習(xí)了姜大源工作過(guò)程系統(tǒng)化課程開(kāi)發(fā)之后，按照培養(yǎng)學(xué)生能力為本位，以職業(yè)實(shí)踐為主線，結(jié)合虛擬儀器技術(shù)這門課程的特點(diǎn)，從注重教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)這3個(gè)環(huán)節(jié)，采用工作過(guò)程系統(tǒng)化理念對(duì)虛擬儀器這門課程的教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行探索與實(shí)踐。

2 工作過(guò)程系統(tǒng)化課程設(shè)計(jì)

所謂工作過(guò)程，指的是個(gè)體“為完成一件工作任務(wù)并獲得工作成果而進(jìn)行的一個(gè)完整的工作程序”[1]。工作過(guò)程系統(tǒng)化課程設(shè)計(jì)基于以下的思考，即課程開(kāi)發(fā)必須是在有序性、整體性和生成性的原則下，從實(shí)際工作的需要和職業(yè)教育需要這兩個(gè)維度上予以整體設(shè)計(jì)，必須有系統(tǒng)的邏輯路線。學(xué)生能力的培養(yǎng)必須遵循職業(yè)成長(zhǎng)和認(rèn)知學(xué)習(xí)這兩個(gè)規(guī)律，在從新手到專家、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的學(xué)習(xí)過(guò)程中，使得知識(shí)、技能和價(jià)值觀的學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)融合，集成于一體，而不是分離[2]。依據(jù)工作過(guò)程系統(tǒng)化課程開(kāi)發(fā)原則，本課程組依據(jù)工作任務(wù)分析——行動(dòng)領(lǐng)域歸納——學(xué)習(xí)領(lǐng)域轉(zhuǎn)換——學(xué)習(xí)情境設(shè)計(jì)的原則，重新設(shè)計(jì)了《虛擬儀器》課程教學(xué)情境，對(duì)原有學(xué)科化的課程知識(shí)進(jìn)行解構(gòu)和重構(gòu)。

2.1 分析目標(biāo)崗位，確定典型工作任務(wù)

工作過(guò)程系統(tǒng)化課程開(kāi)發(fā)第一步是工作任務(wù)分析-典型工作篩選，即根據(jù)專業(yè)相應(yīng)工作崗位及崗位群實(shí)施典型任務(wù)分析，根據(jù)本專業(yè)學(xué)生畢業(yè)后從事與虛擬儀器相關(guān)職業(yè)崗位，確定典型工作任務(wù)，如表1。專業(yè)教育除了要滿足企業(yè)需求外，更要考慮學(xué)生職業(yè)成長(zhǎng)，因此，典型職業(yè)崗位從LabVIEW初級(jí)助理開(kāi)發(fā)工程師，LabVIEW測(cè)試工程師到LabVIEW開(kāi)發(fā)工程師，以及未來(lái)發(fā)展到LabVIEW程序架構(gòu)師，四個(gè)典型職業(yè)崗位反映了本專業(yè)學(xué)生職業(yè)成長(zhǎng)規(guī)律，從入門到熟練，從單一到綜合，從新手到專家。

表1 虛擬儀器相關(guān)職業(yè)崗位與典型任務(wù)對(duì)應(yīng)

2.2 學(xué)習(xí)領(lǐng)域轉(zhuǎn)換，學(xué)習(xí)情境設(shè)計(jì)

從表1典型崗位的職業(yè)發(fā)展對(duì)應(yīng)工作任務(wù)分析可知，在組織教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生能力培養(yǎng)需遵循認(rèn)知學(xué)習(xí)規(guī)律，由淺入深、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從知識(shí)掌握到能力培養(yǎng)。因此，根據(jù)職業(yè)成長(zhǎng)及認(rèn)知規(guī)律遞進(jìn)，重構(gòu)行動(dòng)領(lǐng)域轉(zhuǎn)換為課程。課程內(nèi)容和結(jié)構(gòu)追求的不是學(xué)科架構(gòu)的系統(tǒng)化，而是工作過(guò)程的系統(tǒng)化，旨在培養(yǎng)人的綜合能力[3]。工作過(guò)程系統(tǒng)化教學(xué)學(xué)習(xí)情境設(shè)計(jì)是教學(xué)的關(guān)鍵，教師除了要考慮教學(xué)所需的實(shí)驗(yàn)條件之外，還要充分考慮學(xué)生的知識(shí)水平和實(shí)際動(dòng)手能力，同時(shí)還要包含教學(xué)目標(biāo)所給定的知識(shí)點(diǎn)。因此，教學(xué)項(xiàng)目的選擇要符合學(xué)生的實(shí)際情況，并具有啟發(fā)性、典型性[4]。在《虛擬儀器》這門課程里，主要設(shè)計(jì)六個(gè)學(xué)習(xí)情境，如表2。這六個(gè)情境選取的參考系為項(xiàng)目，項(xiàng)目由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，但都具有完整的工作過(guò)程，都需要經(jīng)歷需求分析、項(xiàng)目軟體設(shè)計(jì)、軟件調(diào)試、功能驗(yàn)證、維護(hù)及優(yōu)化，完成項(xiàng)目相關(guān)的文檔編寫工作，重復(fù)的是步驟，變化的是內(nèi)容。情境之間相對(duì)獨(dú)立，具有平行關(guān)系，而且后面情境的內(nèi)容包含了前面情境的內(nèi)容，情境之間具有包容關(guān)系。

表2 虛擬儀器學(xué)習(xí)情境設(shè)計(jì)

2.3 課程教學(xué)內(nèi)容組織安排

從課程教學(xué)情境設(shè)計(jì)可以看出，情境中的操作對(duì)象選擇在測(cè)試控制領(lǐng)域具有代表性的典型量，比如溫度量為典型的緩變或者靜態(tài)量，振動(dòng)、音頻信號(hào)為典型動(dòng)態(tài)量。學(xué)生通過(guò)掌握這兩種量的檢測(cè)控制可以推廣到所有工程量。例如，從情境一以虛擬的溫度儀設(shè)計(jì)開(kāi)始，通過(guò)隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生、輸入輸出控件使用，到子VI的創(chuàng)建、數(shù)學(xué)運(yùn)算、報(bào)警、數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)，到情境五中網(wǎng)絡(luò)通信采用的也是情境一中設(shè)計(jì)的溫度儀進(jìn)行傳輸，以及到情境六的硬件采集中也是以溫度為載體，通過(guò)完成溫度的測(cè)量、報(bào)警、記錄、存儲(chǔ)等功能。這樣的設(shè)計(jì)有利于學(xué)習(xí)的連貫性，有助于培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)能力。

另外，在課程教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，考慮培養(yǎng)學(xué)生的能力，一般情境中子情境一內(nèi)容設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，主要由教師演示，學(xué)生模仿，手把手教學(xué)；子情境二、三難度稍微增加一點(diǎn)，老師將基本知識(shí)點(diǎn)提醒，放開(kāi)手讓學(xué)生試著自己完成；在學(xué)生將虛擬儀器基本操作掌握之后，情境三的學(xué)習(xí)增加一些需要學(xué)生結(jié)合其他課程中專業(yè)知識(shí)進(jìn)行分析的練習(xí)，老師將原理講解清楚，由學(xué)生獨(dú)立做；到第六個(gè)情境的子情境二是在鞏固已學(xué)知識(shí)技能的基礎(chǔ)上，充分放手培養(yǎng)學(xué)生虛擬儀器設(shè)計(jì)能力，并在信號(hào)于測(cè)試系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用課程實(shí)施采用順序漸進(jìn)，講練結(jié)合，邊講邊練，強(qiáng)調(diào)實(shí)訓(xùn)的教學(xué)方法讓學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題。更好的提高教學(xué)效果，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)型，提高學(xué)生對(duì)虛擬儀器的應(yīng)用實(shí)踐能力，培養(yǎng)適合本專業(yè)特色的工程應(yīng)用型人才。

3 課程考核評(píng)價(jià)

根據(jù)本課程實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，結(jié)合教學(xué)方法的改革，對(duì)虛擬儀器課程考試方式和成績(jī)?cè)u(píng)定方法進(jìn)行了相應(yīng)的改革。課程總成績(jī)由平時(shí)成績(jī)和課程考試成績(jī)2部分組成，其中平時(shí)成績(jī)占30%，課程考試成績(jī)占70%。主要以過(guò)程考核為主，課程全部在實(shí)驗(yàn)機(jī)房完成，每個(gè)情境學(xué)習(xí)過(guò)程中都需要綜合考察學(xué)生的實(shí)操能力，記為平時(shí)成績(jī)。課程期末考核以上機(jī)考試代替?zhèn)鹘y(tǒng)的筆試考核，主要將課程所要求知識(shí)點(diǎn)集合在兩個(gè)綜合性的題目中，每個(gè)同學(xué)都需要完成一個(gè)完整的工作過(guò)程，需要經(jīng)歷需求分析、項(xiàng)目軟體設(shè)計(jì)、軟件調(diào)試、功能驗(yàn)證，完成項(xiàng)目保存等幾個(gè)步驟。并且采用相鄰?fù)瑢W(xué)不同卷的考核方式，在從一定程度上杜絕了個(gè)別學(xué)生想蒙混過(guò)關(guān)的現(xiàn)象。

4 總結(jié)

本課題小組針對(duì)虛擬儀器技術(shù)這門課程的特點(diǎn)，從注重教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)這3個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)虛擬儀器這門課程的教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行探索與實(shí)踐，構(gòu)建以培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才為目標(biāo)的虛擬儀器教學(xué)模式。加強(qiáng)實(shí)踐能力，注重動(dòng)手能力、強(qiáng)化實(shí)踐創(chuàng)新意識(shí)，結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，突出教學(xué)特色；形成“以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)”的教學(xué)方法，以點(diǎn)代面，引導(dǎo)、培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力，將實(shí)際工程案例引入實(shí)踐教學(xué)中，以知識(shí)為載體，注重講授解決問(wèn)題的思維方式和方法，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行開(kāi)發(fā)，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性，使學(xué)生通過(guò)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)到高于知識(shí)本身的解決問(wèn)題的思維方式和方法，將基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程的學(xué)習(xí)加以靈活運(yùn)用，學(xué)會(huì)解決各類問(wèn)題的方式方法，增強(qiáng)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。