“虛擬儀器”雙語課程混合式教學探索與實踐

李曙光,金 銘,劉金生,Tetteh Akiti Kenneth,金 哲

(浙江科技學院 自動化與電氣工程學院,杭州 310023)

《浙江省“機器人+”行動計劃》《浙江省新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》等提出,要重點促進機器人、智能化產業(yè)發(fā)展[1-2],相關領域例如測控系統(tǒng)變得更加熱門。在前沿研究和工業(yè)應用中,測控系統(tǒng)大量采用虛擬儀器思想構建[3]。虛擬儀器技術可利用高性能模塊化硬件,結合高效靈活的軟件來完成各種智能測試、感知和自動化控制,完全適應上述新興產業(yè)發(fā)展的要求,因此相關人才需求量較大?！疤摂M儀器及LabVIEW語言”(以下簡稱“虛擬儀器”)課程是浙江科技學院(以下簡稱浙科院)較早試點雙語教學的課程,以契合行業(yè)發(fā)展實際,體現學校應用型、國際化辦學特色,但在長期教學中也逐漸面臨課時有限、學生實踐能力提升較慢及雙語學習效果不佳等問題與挑戰(zhàn)。

慕課(massive open online courses,MOOC)、翻轉課堂、項目導向教學是提高學生學習效果和實踐應用能力的幾種有效方法。慕課是一種在線課程發(fā)展模式,具有開放性、規(guī)模性、互動性、資源易得性的特點[4],能將傳統(tǒng)教學與網絡教學結合起來,兼具基本課程形態(tài)和學習管理系統(tǒng)。翻轉課堂實現了學生個性化自主學習[5],教師的作用是有針對性地解答學生的問題并給予個性化指導和互動[6]。項目導向教學是指由學生小組負責單獨項目的實施,由教師對項目實施過程與結果進行監(jiān)管,并對學生的完成情況進行點評和提出建議[7-8]。混合式教學模式的具體方式和側重點根據不同課程內容會有所差異,例如,針對傳統(tǒng)課堂單向信息傳輸導致的學生積極性不高、參與度低等問題,采取將教學模式翻轉為“以學生學習為中心”[9]的方式;針對理論知識抽象、課堂教學與實驗教學脫節(jié)的問題,采取加強實驗實踐方面教學[10]的方式;針對疫情影響線下教學的現狀,采取“雨課堂”、慕課及“騰訊課堂”等網上課堂方式[11];此外,還可將微課與項目導向教學相結合來提高教學效果[12]。

目前針對“虛擬儀器”課程雙語教學的研究報道主要集中在教學大綱、教材、多媒體課件開發(fā)[13]等方面,未充分體現出新的教學方法在該課程中應用的效果。近年來,我們根據課程教學實踐,提出慕課、翻轉課堂及項目導向教學相結合的混合式教學模式,并讓部分國內研究生、留學研究生參與其中,在課程教學環(huán)節(jié)使項目內容和雙語得到有機融合,既讓學生更好地吸收課程知識,又提高了學生的動手實踐能力,課程建設取得了良好的效果。

1 課程概況與面臨的問題

1.1 課程概況

浙科院“虛擬儀器”課程面向全日制機器人工程、測控技術與儀器專業(yè)的大學三年級國內本科生及留學本科生,總共40學時,其中課堂教學32學時,課內實驗8學時;主要講授虛擬儀器工作原理及LabVIEW軟件應用等方面的內容;需預修C語言程序設計、傳感器與檢測技術、智能儀器設計基礎等專業(yè)基礎課;課程教材資料為英文,對國內學生采用中文授課,對國際班留學生采用英文授課。

1.2 面臨的主要問題

1.2.1 課堂時間利用率不高,學習效果不佳

該課程先前的教學模式為教師主導課堂、學生被動接受,這樣的模式會限制學生的思維[14]。例如該課程的理論教學在常規(guī)教室中完成,教師在講臺上介紹虛擬儀器技術的基本概念及LabVIEW語言相關內容,學生一般只是在接收信息。對于此類涉及計算機編程和雙語教學的課程,上述教學模式有兩個弊端:一是學生實踐不夠充分。理論教學環(huán)節(jié)僅有教師單方講授的概念要點和代碼展示,即使有運行過程演示,學生在課堂上也較難通過動手實踐來鞏固認識,而這些實踐又是編程技能學習環(huán)節(jié)所需要的。二是雙語教學有一定難度。采用的教材資料涉及較多的英文專業(yè)術語,雖然教師會在課堂上介紹,但部分基礎薄弱的學生較難理解或記住,課堂上也沒有充足的時間一一展開。這些弊端造成學生課堂時間利用不充分、學習效果打折等問題。

1.2.2 學生學習積極性和興趣不均衡,個體差異較明顯

通過與學生的交流,發(fā)現學生中存在下列現象:1)在傳統(tǒng)的教學模式下,學生沒有太多新鮮感,疲于應付課堂學習、課外作業(yè)及期末考核,部分學生僅以完成任務為目的;2)學生由于沒有充分接觸相關的應用場景,可能對課程內容的重要性理解不深,部分學生認為內容太難,即使掌握了C語言等編程基礎,對LabVIEW圖形化的編程方式還不夠適應;3)雙語教學的出發(fā)點是培養(yǎng)學生的英語應用能力,讓學生通過英文專業(yè)術語更直接、準確地理解技術,但對部分基礎相對薄弱的國內學生,課堂學習較為困難。上述現象最終表現為學生群體的學習積極性和興趣個體差異較大,并反映在課程考核結果上。

1.2.3 課內實驗以驗證性為主,學生工程實踐應用能力鍛煉有限

“虛擬儀器”課程在理論教學環(huán)節(jié)中,學生較難和教師同步參與練習;課內實驗主要集中在基礎實踐能力培養(yǎng),以驗證性實驗為主,實驗學時不足,對拓寬學生視野、提高工程應用能力的作用有限。教師一般通過布置基礎課外作業(yè)等形式讓學生鞏固學習與實踐的內容,然而總體效果離預期仍有差距,部分學生對課程理解不夠透徹,或者對自己的動手能力自信心不足。一個學期下來,部分學生看似通過了考核,但實際工程實踐及應用能力則有待提高。

2 解決思路與方法

解決上述問題,需要著眼于提高時間利用率、激發(fā)學生積極性、加強工程能力鍛煉這三個方面,改進教師的授課形式及學生的學習模式。經過探索和實踐,我們利用慕課資源實現翻轉課堂,再結合個性化項目導向教學,這一混合式教學模式成效顯著。

2.1 整合共享優(yōu)質慕課資源,實現翻轉課堂

2.1.1 充分利用“虛擬儀器”課程的課外學時

目前各大慕課平臺提供了豐富的“虛擬儀器”課程資源,其中包括教學演示視頻及相關的課程文檔,名校名師的優(yōu)質資源得以共享。圖1展示了課程網站整合的“中國大學MOOC(慕課)——國家精品課程在線學習平臺”[15]的“虛擬儀器”課程優(yōu)秀慕課資源及課程主要雙語參考資料。學生偏向于實踐指導性較強、制作精良的慕課。在經歷疫情的特殊時期后,學生對網上學習也更加適應,這為課外學時的利用打下較好的基礎。教師要利用好此類資源,根據學生的基礎和教學實際做好把關和選擇工作,避免過多過雜。

(a)慕課資源

2.1.2 按照課堂授課進度分階段線上學習

學生需要根據授課進度,在課前與課后進行分階段線上學習,并將學習中遇到的問題及實踐環(huán)節(jié)遇到的技術困難記錄下來,在課堂中提出后進行討論解決,原則上書面形式的材料都要用英文。教師對課堂中學生慕課資源學習提問情況做好詳細記錄,并計入期末考核成績,以激勵學生更加主動地學習與積極思考。

2.1.3 教師改變備課和授課方式,因材施教

通過教學實踐發(fā)現,各屆學生對“虛擬儀器”課程的學習方式和學習節(jié)奏、學習材料的要求等都不盡相同,因而采用慕課加翻轉課堂的教學模式,教師需要改變備課方式,以滿足學生個性化學習需求。

傳統(tǒng)教學方式往往將所有內容在課堂上進行傳授,什么都講,什么都講不深。為了向課堂要效率,授課教師備課時需梳理好所有的知識要點,并對授課內容的難易程度進行分級,例如“難、中、易”三檔。課堂上主要講授“中”及“難”的內容,“易”的部分放入學生的課外學時及常規(guī)課外作業(yè)中。教師在每堂課結束之前,明確下一次課前學生需要預習的部分“中”及“易”級別的慕課和所需查閱的資料,要求學生在下次課堂上向其他學生介紹自己學到的內容。教師通過前幾周的課堂考察,記錄學生的表現并分析其學習基礎與學習能力情況,以便更有針對性地指導學生,例如基礎與能力較好的學生可以介紹“中”級別的部分,能力相對較弱的學生可以介紹“易”的部分。差異化的內容布置使得每名學生都能有機會展示自己,從而增強其自信心。課堂上的學生展示和教師答疑方式,使得學生的參與感更強,更關注自身及同學的表現,繼而學生的學習積極性及投入程度得到相應的提高。

此外,教師每隔2～3周會準備一個難度適中并且較開放的虛擬儀器應用方面的技術問題,例如針對采集數據的分析算法,傳感器參數的選擇,或如何結合LabVIEW對生產線上某個環(huán)節(jié)進行檢測與控制等。學生圍繞技術問題于課后查找資料,進行獨立思考及同學間的討論。在課程微信群里,教師也會對一些共性問題進行解答。課堂上再利用30分鐘左右的時間讓學生介紹可能的技術解決方案,教師進行點評,與課堂上的即時提問相比,這種方式讓學生有更充分的準備時間及深度的參與過程,學習積極性和學習興趣均有所提高。

2.2 通過項目導向教學方式提高學生的實踐應用能力

“虛擬儀器”課程的特點是實踐性和應用性較強。2017年修訂的“虛擬儀器”課程的教學大綱,進一步明確了課程實踐應用方面的指標點及相應的實現途徑,側重以項目小組形式進行團隊合作學習。近年來,我們在“虛擬儀器”課程中穿插并加強了項目導向教學方式,要求學生利用課內外所學的基礎知識和技能,明確具體項目及目標,通過查閱中英文資料,開展小組討論等方式,進一步加強思考和深化理解,從而解決項目中的某些技術問題,提高實踐應用能力。

教師提出一些基本項目供學生選擇練習,例如:學生上機編制比課內更高階的軟件,包括用戶登錄程序、汽車儀表板模擬程序、福利彩票雙色球的模擬程序等;以熱敏電阻為傳感器,在ELVIS實驗平臺上搭建基于LabVIEW的溫度測量系統(tǒng);使用LabVIEW軟件控制單片機實驗板上的驅動模塊;利用PC機聲卡或外置模數轉換器,開發(fā)基于LabVIEW的聲音信號采集與分析系統(tǒng)。通過上述方法訓練后,學生的LabVIEW軟件編程能力、對技術開發(fā)項目的理解能力及團隊合作意識與學期開始時相比,均有明顯進步。

項目主要安排在課程后期,并根據實際情況定期做調整。項目小組一般每組8～12人,學生可以自行組合。為了更貼近生產實際并提高實踐鍛煉效果,學生需要事先與指導教師協(xié)商,篩選確定應用場景明確、難度與工作量較為適中的項目內容。安排相應的高年級本科生或研究生分別對接每個小組,與指導老師一起促進項目開展,把握項目進度,同時進行答疑解惑。針對部分學生語言基礎相對薄弱,容易遇到一些非技術問題的現狀,在項目化教學中充分利用國際化辦學資源,安排2～3名母語為英語且基礎較好的測控技術與儀器專業(yè)高年級國際班本科生、智能制造與控制工程國際班碩士研究生參與指導各項目小組。具備專業(yè)背景的留學生的加入,能夠在項目內容布置、技術交流、裝置測試、文檔撰寫等環(huán)節(jié)加強學生之間的交流,提升學生專業(yè)工程英語的應用能力。圖2展示了一種在項目導向教學環(huán)節(jié)學生利用高精度溫濕度傳感器及基于光電式的顆粒傳感器等硬件,基于LabVIEW軟件,并針對溫控平臺和環(huán)境監(jiān)控應用場景設計的檢測監(jiān)控軟件,實際運行效果良好。

(a)前面板程序

3 課程效果評價

“虛擬儀器”課程的授課效果分為教師對學生學習情況的評價及學生對教師教學效果的評價(評教)兩個方面。下面主要對近三年(2018—2020年)每學年第二學期的授課效果及反饋情況進行分析。

3.1 教師對學生學習情況的評價

教師對學生學習情況的評價從多方面展開,以便及時全面了解課程教學效果并分析教學質量:課前學習,主要根據慕課及課外資料的學習數據,通過對學生的知識點理解情況及規(guī)定在線學時、在線作業(yè)的完成情況來進行量化打分,了解學生的學習行為特征;課中參與,根據傳統(tǒng)課堂提問回答情況,以及翻轉課堂表現、團隊合作項目探索、課內實驗等環(huán)節(jié)進行學習效果評價;課后鞏固,對常規(guī)課后作業(yè)完成和上交情況、課后復習、分組項目完成進度進行評價;期末總評,對學生的學習效果進行綜合量化評價,由平時成績、實驗成績和期末考試成績組成,并采用百分計分制,其中平時成績占20%,實驗成績占20%,期末考試成績占60%。

圖3顯示近三年的課程平時成績、實驗成績、期末考試成績與期末總評情況,圖3(a)～(d)、(e)～(h)及(i)～(l)分別表示2018—2020年各學年的成績分布。除去每年學生個別情況的偶然差異性,平時與實驗環(huán)節(jié)總體成績在良好(80～90分)及以上的學生超過60%,相比傳統(tǒng)教學模式,學生學習更有積極性,大部分學生能夠提前根據慕課及參考材料進行一定的預習,并且對實驗和項目環(huán)節(jié)更加重視。在期末考試環(huán)節(jié),近三年良好率分別為46.55%、36.59%和50.00%,優(yōu)秀率分別為5.17%、2.44%和18.42%,經過前兩年的實踐和積累,在2020年提升較為明顯。期末總評成績?yōu)閷W生學習效果的綜合性評價,近三年的結果基本上符合正態(tài)分布,并且優(yōu)良率逐年升高。

圖3 近三年課程平時成績、實驗成績、期末考試成績與期末總評情況Fig.3 Statistics of marks of regular evaluation, experiment performance, final exam,and total marks of the course in past 3 years

3.2 學生對教師教學效果的評價

學生對教師的評價從自身學習體會、教師教學設計及教師的綜合能力等多方面展開,以幫助教師發(fā)現教學過程中的問題,完善相應的教學設計。表1統(tǒng)計了近三年學生從教師授課形式、授課內容、課程特色、課堂紀律、課外指導等10個方面對“虛擬儀器”課程的綜合評價。絕大部分指標的滿意度在93%以上,這在整個學院內排名都比較靠前,其中在“課堂氣氛、積極性調動”“互動、討論”“課外作業(yè)、答疑”等幾方面評價相對更高。這充分說明了學生對混合式教學模式的肯定。此外,對教師的總評價分三年來分別為88.10、89.40、92.04,說明學生對授課教師的認可度也進一步提高。學生的反饋數據對今后繼續(xù)提高課程授課效果、提高教學質量均有重要意義。

表1 課程近三年的評教情況Table 1 Course feedback from students in past 3 years

4 結 語

本文針對“虛擬儀器”課程學生課堂學習效果欠佳、學習積極性與興趣不高、基礎與能力不一及實踐應用能力鍛煉不足等問題,采用了優(yōu)質慕課資源、翻轉課堂及項目導向教學相結合的混合式教學模式。在該教學模式下,教師因材施教,對提高課堂教學效果進行了探索與實踐,雙語有機結合,學生的學習途徑得以拓寬,學習積極性與主動性得到加強,應用實踐能力得到提升。師生的相互評價數據充分證實了學生對課堂效果的肯定和認可,這對類似課程的教學工作具有參考價值。