工程認(rèn)證背景下虛擬儀器實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)改革探索

司娟寧 張曉青 郭陽寬

0 引言

在高等學(xué)校開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，積極鼓勵(lì)高校學(xué)生自主創(chuàng)業(yè)，是深化高等教育教學(xué)改革、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的重要途徑。在新工科、卓越工程師、工程教育認(rèn)證等背景下，要求高等教育在應(yīng)用型人才培養(yǎng)過程中更加重視實(shí)踐教學(xué)，注重學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的融會(huì)貫通，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和工程實(shí)踐能力。

虛擬儀器技術(shù)（LabVIEW）是20 世紀(jì)90 年代出現(xiàn)的一項(xiàng)革命性的技術(shù)，它將測(cè)量技術(shù)、控制技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等有機(jī)融合[1]，利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件，取代傳統(tǒng)的常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用。LabVIEW 摒棄了傳統(tǒng)開發(fā)工具的復(fù)雜性，將數(shù)據(jù)采集、控制、分析、顯示功能集成在同一環(huán)境中，方便用戶在平臺(tái)上無縫地集成一整套完整的解決方案。

鑒于此，本課程依托北京信息科技大學(xué)提供的硬件平臺(tái)，并結(jié)合測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)培養(yǎng)的目標(biāo)精心設(shè)計(jì)了該實(shí)訓(xùn)課程的混合式教學(xué)改革與探索，本文主要從課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、教學(xué)資源整合、課程考核評(píng)價(jià)體系建設(shè)、教學(xué)效果評(píng)價(jià)等幾個(gè)方面論述。

1 教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化設(shè)計(jì)

學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題能力的培養(yǎng)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程。在實(shí)訓(xùn)課程的開展過程中，根據(jù)虛擬儀器的發(fā)展要求和學(xué)生的學(xué)習(xí)規(guī)律，“基于模塊化教學(xué)”“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)”分階段分層次的開展，包括知識(shí)講授環(huán)節(jié)、基礎(chǔ)性實(shí)踐環(huán)節(jié)、創(chuàng)新性實(shí)踐環(huán)節(jié)。

第一部分：知識(shí)點(diǎn)講授環(huán)節(jié)。

（1）介紹軟件的基本功能，如：虛擬儀器的概念、LabVIEW軟件環(huán)境的熟悉、編輯LabVIEW 程序設(shè)計(jì)（前面板設(shè)計(jì)、架構(gòu)設(shè)計(jì)、自定義控件、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）。

（2）介紹數(shù)據(jù)流編程、模塊化編程、事件編程、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、軟件架構(gòu)等高級(jí)軟件設(shè)計(jì)方法。

（3）介紹數(shù)據(jù)采集、通訊協(xié)議、文件I/O，以及NI myDAQ、NI myRIO、NI ELVIS 等“口袋儀器”的使用方法。

（4）在課教學(xué)過程中以項(xiàng)目導(dǎo)向教學(xué)，通過舉例介紹大量實(shí)際應(yīng)用案例，分析系統(tǒng)的軟硬件組成、通訊方式及虛擬儀器設(shè)計(jì)思路等，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己的興趣愛好，主動(dòng)探索與思考，設(shè)計(jì)個(gè)性化的實(shí)踐項(xiàng)目，并設(shè)計(jì)合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

第二部分：基礎(chǔ)性實(shí)踐環(huán)節(jié)。

針對(duì)訓(xùn)練科目制定合理崗位標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)大練兵流程，同時(shí)理論結(jié)合實(shí)際，在訓(xùn)練課目中加強(qiáng)對(duì)崗位標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程的培訓(xùn)與考核，通過規(guī)范崗位大練兵培養(yǎng)隊(duì)員處理應(yīng)急事件的正確行為，保證隊(duì)員自身安全的同時(shí)也提高了隊(duì)員的應(yīng)急反應(yīng)與處置能力。

實(shí)踐環(huán)節(jié)可細(xì)分成基礎(chǔ)性實(shí)踐環(huán)節(jié)和創(chuàng)新型綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)。在基礎(chǔ)性實(shí)踐環(huán)節(jié)中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容采用基礎(chǔ)性的程序設(shè)計(jì)，教師提供基本的設(shè)計(jì)思想和方法，學(xué)生通過查閱相關(guān)資料，自行設(shè)計(jì)方案進(jìn)行針對(duì)性的訓(xùn)練：如基于狀態(tài)機(jī)編程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一個(gè)四則運(yùn)算、基于生產(chǎn)者消費(fèi)者模式設(shè)計(jì)一個(gè)示波器，搭配硬件設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的溫度采集與控制系統(tǒng)等等。

第三部分：創(chuàng)新性實(shí)踐環(huán)節(jié)。

根據(jù)理論課程的內(nèi)容和進(jìn)度，以及學(xué)生學(xué)習(xí)的反饋情況，在完成基礎(chǔ)實(shí)踐環(huán)節(jié)后，構(gòu)建創(chuàng)新性實(shí)踐環(huán)節(jié)。此環(huán)節(jié)啟發(fā)學(xué)生自主選題、自主設(shè)計(jì)，以項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)為單位開展。創(chuàng)新性實(shí)踐環(huán)節(jié)按照“項(xiàng)目化管理”的方式進(jìn)行，通過項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)協(xié)作驅(qū)動(dòng)教學(xué)[3]，指導(dǎo)教師定期開展項(xiàng)目進(jìn)度檢查與評(píng)審，包括：選題報(bào)告、方案評(píng)審、中期檢查、項(xiàng)目驗(yàn)收等。

（1）團(tuán)隊(duì)協(xié)作：將學(xué)生2～3 人分為一個(gè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，以項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的形式完成實(shí)踐任務(wù)，能夠促進(jìn)學(xué)生之間的相互交流，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)分工協(xié)作精神，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。同時(shí)有助于解決傳統(tǒng)教學(xué)模式中，教師精力有限，無法兼顧每個(gè)學(xué)生的難題。

（2）自主選題：尊重學(xué)生的個(gè)體化差異，鼓勵(lì)團(tuán)隊(duì)成員提出新穎的設(shè)計(jì)題目，并運(yùn)用之前所學(xué)的電路、計(jì)算機(jī)、傳感器等基礎(chǔ)知識(shí)解決實(shí)際問題。課程的題目主要是軟硬件結(jié)合，充分利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的NI myDAQ、NI myRIO、NI NI ELVIS 等“口袋儀器”，注重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力。

（3）自主設(shè)計(jì)：要求學(xué)生能夠在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、硬件選型、軟件編程等具體實(shí)施的過程中，充分利用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，結(jié)合LabVIEW 靈活的設(shè)計(jì)模式，自主規(guī)劃、自主動(dòng)手、自主調(diào)試、將整個(gè)系統(tǒng)的硬件和軟件分模塊、分階段的實(shí)施，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和解決工程實(shí)際問題的能力。

強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)力度，基于模塊化教學(xué)，組織開展虛擬儀器設(shè)計(jì)競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽等學(xué)科競賽，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力，培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)需求的專業(yè)人才。以項(xiàng)目化的方式管理為主導(dǎo)思想，將基本概念、知識(shí)點(diǎn)、系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)能力貫穿始終，在項(xiàng)目實(shí)施過程中對(duì)課題設(shè)計(jì)進(jìn)度分階段檢查和評(píng)價(jià)，有助于推動(dòng)項(xiàng)目的順利開展，同時(shí)學(xué)生對(duì)課程的評(píng)價(jià)反饋結(jié)果也將進(jìn)一步用于課程教學(xué)的改進(jìn)和提高。與傳統(tǒng)教學(xué)方法相比，由教師為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心，由課堂為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓪?shí)踐為中心，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和鉆研熱情。另外，把傳統(tǒng)獨(dú)立分散的、以驗(yàn)證類實(shí)驗(yàn)為主的實(shí)踐內(nèi)容改革成創(chuàng)新性和綜合性實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，不但可以拓展學(xué)生的知識(shí)面，還可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力、增強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)學(xué)生為主體的自我學(xué)習(xí)、自我導(dǎo)學(xué)、自我提升。

2 教學(xué)資源整合

充分發(fā)揮線上教學(xué)和線下教學(xué)的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建多維教學(xué)資源[4]?；趯W(xué)習(xí)通等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建在線課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，覆蓋課前預(yù)習(xí)、課堂學(xué)習(xí)、課后復(fù)習(xí)各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源網(wǎng)絡(luò)共享。

圖1 口袋儀器

充分利用網(wǎng)上電子教學(xué)資源，錄制和整理與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，在學(xué)習(xí)通平臺(tái)上歸檔，方便學(xué)生課前預(yù)習(xí)、開拓視野。這樣可以提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的質(zhì)量，也可有效地實(shí)現(xiàn)課堂的翻轉(zhuǎn)。

課堂學(xué)習(xí)的內(nèi)容側(cè)重于難點(diǎn)和重點(diǎn)的深入講解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路的分析、項(xiàng)目化學(xué)習(xí)、以及答疑。線下或線上課堂教學(xué)的內(nèi)容也可以錄制歸檔到教學(xué)平臺(tái)，方便學(xué)生根據(jù)自身學(xué)習(xí)情況，有針對(duì)性地對(duì)任務(wù)點(diǎn)進(jìn)行回放和反復(fù)學(xué)習(xí)。

學(xué)生完成課前預(yù)習(xí)、課堂學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)后，基于教學(xué)內(nèi)容設(shè)置針對(duì)性的作業(yè)或測(cè)試題，幫助學(xué)生進(jìn)一步鞏固重點(diǎn)和難點(diǎn)，為教學(xué)質(zhì)量的提高提供支撐。這樣可以方便授課教授了解學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，有效組織和調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，從而更好地提高教與學(xué)的質(zhì)量和效率。

3 課程考核評(píng)價(jià)體系優(yōu)化

依據(jù)課程目標(biāo)以及本校學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，優(yōu)化現(xiàn)有課程考核評(píng)價(jià)體系，使得評(píng)價(jià)結(jié)果更加真實(shí)地反映學(xué)生對(duì)虛擬儀器技術(shù)的掌握和運(yùn)用能力，并將評(píng)價(jià)反饋用于課程后續(xù)的優(yōu)化與改進(jìn)過程當(dāng)中。

將考核環(huán)節(jié)按照項(xiàng)目化、階段化過程考核，如：方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、項(xiàng)目中期檢查、項(xiàng)目驗(yàn)收?qǐng)?bào)告，并制定各環(huán)節(jié)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和得分細(xì)則，將階段性進(jìn)展情況納入最終評(píng)分。在虛擬儀器實(shí)訓(xùn)課程中，始終以學(xué)生的全面發(fā)展為核心理念，建立多角度、多元化、開放化的綜合評(píng)價(jià)機(jī)制。評(píng)價(jià)內(nèi)容包括：知識(shí)點(diǎn)掌握情況、小組匯報(bào)情況、項(xiàng)目完成情況、驗(yàn)收答辯情況、項(xiàng)目論文報(bào)告、以及虛擬儀器競賽情況。此外，從學(xué)生自評(píng)、組內(nèi)互評(píng)、組間互評(píng)、教師點(diǎn)評(píng)等多角度出發(fā)，建立相對(duì)完善的課程考核評(píng)價(jià)體系，對(duì)項(xiàng)目成員的成績進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

4 教學(xué)效果評(píng)價(jià)方法

對(duì)于教學(xué)效果的分析主要通過學(xué)生的項(xiàng)目成果、課程達(dá)成度、以及學(xué)習(xí)反饋等方面綜合評(píng)價(jià)。這樣方便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)中存在的問題和不足，深入分析原因并提出改進(jìn)措施，同時(shí)在下一次的實(shí)踐教學(xué)中進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)后的效果，遵循以學(xué)生為中心，不斷持續(xù)改進(jìn)的準(zhǔn)則，不斷探索適應(yīng)當(dāng)前工程認(rèn)證、新工科等背景下的教育教學(xué)新方法和新手段。

5 結(jié)語

在虛擬儀器實(shí)訓(xùn)課程中，始終堅(jiān)持以學(xué)生為本、目標(biāo)導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)的核心理念，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和本校學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，不斷嘗試和探索新時(shí)代的教育教學(xué)方法。優(yōu)化設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，提出基于模塊化、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和工程意識(shí)。將線上教學(xué)和線下教學(xué)有機(jī)融合，構(gòu)建多維教學(xué)資源，拓展學(xué)生的視野。優(yōu)化課程考核評(píng)價(jià)體系，側(cè)重于過程設(shè)計(jì)，構(gòu)建全方位、多角度綜合評(píng)價(jià)的課程考核評(píng)價(jià)體系。從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和解決工程問題的能力。