虛擬儀器技術(shù)線上線下混合式課程教學(xué)分析及設(shè)計(jì)

鮑嶠

摘要??? 針對(duì)當(dāng)前虛擬儀器技術(shù)課程授課方式單一、教學(xué)內(nèi)容偏軟件等導(dǎo)致教學(xué)效果不佳的問(wèn)題，本文從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)理念和教學(xué)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了虛擬儀器技術(shù)線上線下混合式教學(xué)方法的探討與改革。利用慕課資源及工具，建立高效率的互動(dòng)混合式課堂;完善教學(xué)內(nèi)容，打造圍繞解決工程技術(shù)問(wèn)題的知識(shí)架構(gòu);優(yōu)化考核方式，提出考試、團(tuán)隊(duì)作業(yè)、平時(shí)作業(yè)、考勤等多維度評(píng)分方法;并在教學(xué)全過(guò)程中始終貫徹潛移默化的課程思政教育。

關(guān)鍵詞??? 虛擬儀器技術(shù);混合教學(xué);教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G424??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2022.04.041

Teaching Analysis and Design of Online and Offline Hybrid Course of Virtual Instrument Technology

BAO Qiao

（College of Automation & College of Artificial Intelligence，Nanjing University of Posts & Telecommunications，Nanjing，Jiangsu 210023）

Abstract In view of the poor teaching effect caused by the single teaching method and the partial software teaching content of the current virtual instrument technology course，this paper studies the discussion and reform of the online and offline hybrid teaching method of virtual instrument technology from the aspects of teaching objectives，teaching ideas and teaching design. Use MOOC resources and tools to establish an efficient interactive hybrid classroom;Improve the teaching content and build a knowledge framework around solving engineering and technical problems;Optimize the assessment methods and put forward multi-dimensional scoring methods such as examination，team work，daily work and attendance;And in the whole process of teaching，we always implement the imperceptible curriculum ideological and political education.

Keywords virtual instrument technology;mixed teaching;teaching design

引言

隨著計(jì)算機(jī)、控制、通信和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等新興電子信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)已發(fā)展成為工業(yè)上廣泛使用的一項(xiàng)通用的技術(shù)架構(gòu)，并在眾多高科技領(lǐng)域中得到了應(yīng)用，例如5G通信、自動(dòng)駕駛等。虛擬儀器技術(shù)課程，不僅是讓學(xué)生掌握一門(mén)技術(shù)，更是加強(qiáng)學(xué)生對(duì)工程技術(shù)問(wèn)題的理解，培養(yǎng)學(xué)生的工程技術(shù)創(chuàng)新能力，讓學(xué)生通過(guò)“虛擬儀器技術(shù)”課程平臺(tái)學(xué)會(huì)真正解決一些與專業(yè)相結(jié)合的工程實(shí)際問(wèn)題。但是，在虛擬儀器技術(shù)的教學(xué)過(guò)程中，依然存在許多問(wèn)題，使得課程教學(xué)的實(shí)施效果不佳，亟需提出對(duì)策，改善教學(xué)質(zhì)量。

（1）在授課方式方面，當(dāng)前的教學(xué)以課堂理論授課為主，主要針對(duì)LabVIEW編程基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理、虛擬儀器工程設(shè)計(jì)方法等方面進(jìn)行教學(xué)，而學(xué)生自己實(shí)踐、動(dòng)手操作環(huán)節(jié)偏少，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不高。

（2）在教學(xué)內(nèi)容方面，由于虛擬儀器技術(shù)是一門(mén)多學(xué)科交叉、軟硬件相結(jié)合的課程，涉及傳感器、數(shù)字信號(hào)處理、通信原理等專業(yè)知識(shí)，若只是傳授虛擬儀器相關(guān)內(nèi)容，學(xué)生往往會(huì)陷入“虛擬”的軟件編程中，忽略“儀器”的硬件設(shè)計(jì)，無(wú)法將學(xué)習(xí)到的技術(shù)應(yīng)用至實(shí)踐中。而且，學(xué)生也無(wú)法建立本課程與其專業(yè)的聯(lián)系，也就不能真正將虛擬儀器技術(shù)用起來(lái)。

（3）在課程考核方面，當(dāng)前課程考核成績(jī)由三部分組成，分別是期末考試（70%）、平時(shí)作業(yè)（20%）和考勤情況（10%）。其中，期末考試采用開(kāi)卷考試方式。開(kāi)卷考試的初衷是讓學(xué)生不要死背硬記知識(shí)點(diǎn)，能夠靈活地運(yùn)用學(xué)到的知識(shí)設(shè)計(jì)虛擬儀器。然而，考試不可避免地涉及基礎(chǔ)知識(shí)的考核，真正的工程設(shè)計(jì)題分值比重較小，導(dǎo)致學(xué)生依然只注重書(shū)本上的知識(shí)，而不重視工程實(shí)踐中所需的虛擬儀器設(shè)計(jì)能力。

（4）在課程思政方面，雖然虛擬儀器技術(shù)課程在教學(xué)過(guò)程中涉及了按時(shí)考勤、作業(yè)不弄虛作假、團(tuán)隊(duì)合作、作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)日n程思政方面的內(nèi)容，但沒(méi)有進(jìn)一步提煉總結(jié)，學(xué)生的認(rèn)識(shí)不深刻。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文結(jié)合新時(shí)代高等教育思想，利用已建設(shè)的慕課線上資源整理改進(jìn)的措施，進(jìn)行了虛擬儀器技術(shù)線上線下混合式課程教學(xué)分析與設(shè)計(jì)。

1??? 教學(xué)目標(biāo)

“虛擬儀器技術(shù)”這門(mén)課程在測(cè)控技術(shù)與儀器、電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化等專業(yè)中占據(jù)著越來(lái)越重要的作用，迫切需要教師改進(jìn)教學(xué)方法和完善教學(xué)內(nèi)容，預(yù)期達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)如下：

（1）構(gòu)建理論知識(shí)體系。希望以虛擬儀器技術(shù)課程為引導(dǎo)，以實(shí)際工程問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)，使學(xué)生將所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，如傳感器、信號(hào)分析處理、電子測(cè)量等綜合起來(lái)并構(gòu)建出一套工程技術(shù)的理論知識(shí)體系。

（2）提升動(dòng)手實(shí)踐能力。希望利用虛擬儀器技術(shù)課程注重實(shí)踐學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手操作能力，將所學(xué)的理論知識(shí)應(yīng)用于解決專業(yè)相關(guān)問(wèn)題。

（3）拓展科學(xué)技術(shù)視野。希望利用虛擬儀器技術(shù)眾多應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，在工程案例中可添加介紹我國(guó)先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用，拓寬學(xué)生的知識(shí)視野。

2??? 教學(xué)核心理念

2.1??? 融入課程思政

對(duì)于以培養(yǎng)工程技術(shù)創(chuàng)新人才為目標(biāo)的虛擬儀器技術(shù)課程而言，在教學(xué)過(guò)程中不僅要重視專業(yè)知識(shí)和實(shí)踐技能的傳授，更應(yīng)將社會(huì)主義價(jià)值引領(lǐng)與知識(shí)傳授相結(jié)合，充分發(fā)揮課堂教學(xué)在思政教育中的主渠道作用。

（1）教學(xué)過(guò)程須有教育性。在傳授虛擬儀器專業(yè)知識(shí)的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)明確體現(xiàn)虛擬儀器的科學(xué)性，體現(xiàn)虛擬儀器技術(shù)在工程應(yīng)用中的價(jià)值。通過(guò)虛擬儀器應(yīng)用領(lǐng)域眾多的優(yōu)勢(shì)，可充分展示我國(guó)工業(yè)的發(fā)展前景，激發(fā)學(xué)生的愛(ài)國(guó)、奮斗精神。

（2）教學(xué)環(huán)節(jié)須有靈活性。在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)避免生搬硬套地插入思政教育環(huán)節(jié)，而是靈活地安排相關(guān)環(huán)節(jié)插入思政元素，如課堂討論、團(tuán)隊(duì)合作編寫(xiě)軟件，潛移默化地提高思政教學(xué)的效果。

（3）教學(xué)評(píng)價(jià)須有引導(dǎo)性。在考核及作業(yè)評(píng)分部分，應(yīng)當(dāng)構(gòu)建一套體現(xiàn)思政知識(shí)掌握情況的評(píng)價(jià)體系，從而提高學(xué)生對(duì)思政教育的重視程度。

2.2??? 創(chuàng)新教學(xué)模式

教學(xué)模式的創(chuàng)新應(yīng)當(dāng)以促使學(xué)生積極參與教學(xué)過(guò)程為主要目的。在教學(xué)過(guò)程中，利用慕課資源實(shí)現(xiàn)線上線下混合式互動(dòng)教學(xué)，豐富教學(xué)手段，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。利用慕課工具建立學(xué)生與教師的交流溝通橋梁，提高學(xué)生和教師的課堂效率。

教學(xué)模式的創(chuàng)新還應(yīng)當(dāng)以引導(dǎo)學(xué)生解決實(shí)際專業(yè)問(wèn)題的過(guò)程為主要部分。教學(xué)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)時(shí)刻注意培養(yǎng)學(xué)生解決工程技術(shù)的能力，以實(shí)際工程問(wèn)題為引導(dǎo)，注重各種虛擬儀器技術(shù)的分析比較及使用場(chǎng)景，掌握LabVIEW編程技術(shù)的運(yùn)行機(jī)制，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

2.3??? 更新教學(xué)內(nèi)容

教學(xué)內(nèi)容須有整體性。虛擬儀器技術(shù)課程涉及眾多其它課程的知識(shí)，所以在其教學(xué)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)以虛擬儀器技術(shù)的知識(shí)為主，同時(shí)融入其它相關(guān)課程的知識(shí)點(diǎn)，構(gòu)建出一套解決工程問(wèn)題的技術(shù)架構(gòu)，鍛煉學(xué)生的綜合能力。

教學(xué)內(nèi)容須有先進(jìn)性。教學(xué)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)與時(shí)俱進(jìn)，先進(jìn)的編程思想和技術(shù)須及時(shí)更新，保持教學(xué)內(nèi)容的實(shí)時(shí)性。

教學(xué)內(nèi)容須有科學(xué)性。除了常規(guī)虛擬儀器技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)外，配套的工程應(yīng)用案例應(yīng)當(dāng)從正規(guī)期刊雜志或?qū)嶋H工程項(xiàng)目中獲取，保證教學(xué)內(nèi)容符合課程的科學(xué)理論體系。3課程教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1??? 利用慕課資源，建立互動(dòng)混合課堂

為配合和豐富本課程的教學(xué)手段，本文作者前期已參與建設(shè)了南京郵電大學(xué)“虛擬儀器技術(shù)”慕課課程，目前已開(kāi)課2次，共2000余人次參加了線上課程學(xué)習(xí)，為線上線下混合教學(xué)提供了基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)。因而在授課方式方面，可充分利用慕課資源，豐富課堂教學(xué)中的互動(dòng)環(huán)節(jié)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如圖1所示，線上線下互動(dòng)式教學(xué)手段主要包括課堂練習(xí)、單元測(cè)驗(yàn)、討論交流、掃碼考勤、作業(yè)互評(píng)、學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)等。

其中，課堂練習(xí)和單元測(cè)驗(yàn)環(huán)節(jié)可大大提高學(xué)生在課堂上的集中注意力，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的理解，也可及時(shí)讓教師了解學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，以便進(jìn)一步在課堂上補(bǔ)充講解。討論交流和作業(yè)互評(píng)環(huán)節(jié)使得學(xué)生在課后也能針對(duì)問(wèn)題疑惑展開(kāi)討論交流，特別是作業(yè)互評(píng)環(huán)節(jié)可極大地提高學(xué)生的查錯(cuò)能力，從而促進(jìn)學(xué)生的自我反思。同時(shí)，給其他同學(xué)批改作業(yè)打分也能潛移默化地提高學(xué)生的責(zé)任心。掃碼考勤和學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)管理環(huán)節(jié)也都能提高教師的管理效率，把時(shí)間全力集中于教學(xué)中。

相對(duì)于傳統(tǒng)的課堂理論教學(xué)，線上線下混合互動(dòng)式課堂更容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生在課堂上的注意力及學(xué)習(xí)效率。

3.2??? 完善教學(xué)內(nèi)容，打造體系知識(shí)架構(gòu)

不同于其他專業(yè)課程，虛擬儀器技術(shù)是一門(mén)多學(xué)科交叉、軟硬件相結(jié)合的課程，更加注重于解決工程技術(shù)問(wèn)題。因而在教學(xué)內(nèi)容方面，不能局限于LabVIEW編程，而要與相關(guān)的專業(yè)知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)構(gòu)成體系，與工程應(yīng)用問(wèn)題聯(lián)系起來(lái)，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

在緒論部分，首先要介紹虛擬儀器技術(shù)的課程性質(zhì)，即理論與實(shí)踐緊密結(jié)合、軟件和硬件相結(jié)合，需要對(duì)數(shù)據(jù)采集、總線技術(shù)、信號(hào)分析處理、電子測(cè)量原理、傳感器相關(guān)知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)，并利用計(jì)算機(jī)和虛擬儀器的強(qiáng)大功能去解決各種實(shí)際問(wèn)題。根據(jù)此課程特點(diǎn)，給學(xué)生強(qiáng)調(diào)本課程的學(xué)習(xí)方法，即理解掌握基本概念原理，多編程、多動(dòng)手、多操作，廣度和深度有機(jī)統(tǒng)一以及基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)等。

除了LabVIEW基本編程外，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)更加豐富，更加貼近于工程技術(shù)問(wèn)題。例如，在程序結(jié)構(gòu)章節(jié)，除了順序結(jié)構(gòu)、條件結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、事件結(jié)構(gòu)等基本編程結(jié)構(gòu)外，應(yīng)當(dāng)在深度上進(jìn)一步拓展，給學(xué)生講解生產(chǎn)者/消費(fèi)者、狀態(tài)機(jī)等適用于工程技術(shù)的高級(jí)編程結(jié)構(gòu)，如圖2所示。當(dāng)然，在教學(xué)過(guò)程中，不能僅單純講解高級(jí)編程結(jié)構(gòu)，而是先比較這些高級(jí)編程結(jié)構(gòu)與常規(guī)結(jié)構(gòu)的區(qū)別，分析高級(jí)編程結(jié)構(gòu)的適用場(chǎng)景。如生產(chǎn)者/消費(fèi)者適用于一邊采集數(shù)據(jù)一邊存儲(chǔ)數(shù)據(jù)且采集速度快于存儲(chǔ)速度的情況。因而生產(chǎn)者/消費(fèi)者為兩個(gè)循環(huán)并行的架構(gòu)，主循環(huán)與從循環(huán)并行執(zhí)行，主循環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從循環(huán)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存，主循環(huán)的數(shù)據(jù)通過(guò)隊(duì)列傳送給從循環(huán)。這樣，學(xué)生更容易理解LabVIEW高級(jí)編程結(jié)構(gòu)的原理和運(yùn)行機(jī)制。

在虛擬儀器工程設(shè)計(jì)方法這部分，應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目的執(zhí)行全流程，從廣度上給學(xué)生講解設(shè)計(jì)方法，包括需求分析和技術(shù)方案的制定、虛擬儀器系統(tǒng)選型、虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)選型、應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)調(diào)試以及編寫(xiě)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)文檔。同時(shí)講解過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際工程案例。

通過(guò)上述教學(xué)內(nèi)容的完善，可提高學(xué)生的實(shí)踐能力，能夠真正起到使用虛擬儀器技術(shù)解決工程技術(shù)問(wèn)題的作用。

3.3 ???優(yōu)化考核方式，提出綜合評(píng)分方法

在期末考試方面，采用開(kāi)卷方式，考試題型包括填空、選擇、概述、編程和綜合設(shè)計(jì)。在填空和選擇題中，可主要考察虛擬儀器技術(shù)課程的基礎(chǔ)知識(shí)，如虛擬儀器的概念、LabVIEW基礎(chǔ)知識(shí)、數(shù)據(jù)采集基本概念、儀器控制基本原理等;在概述題中，則設(shè)計(jì)一些開(kāi)放性的應(yīng)用場(chǎng)景題目，考察學(xué)生根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景分析、比較并選擇最佳虛擬儀器設(shè)計(jì)方案的能力，如全校溫濕度測(cè)量的虛擬儀器總線選型、電池健康監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集卡信號(hào)接入方式比較等;在編程題中，不再是單調(diào)地給出一段程序，讓學(xué)生給出運(yùn)行結(jié)果，而是根據(jù)學(xué)生所在專業(yè)，編寫(xiě)利用本專業(yè)知識(shí)解決問(wèn)題的程序。例如，在考核自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生時(shí)，可設(shè)計(jì)根據(jù)控制系統(tǒng)方程繪制根軌跡圖并判斷其穩(wěn)定性的編程題。在綜合設(shè)計(jì)題中，同樣須設(shè)計(jì)一些與專業(yè)相關(guān)的實(shí)際工程應(yīng)用場(chǎng)景，且要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面。

例如，在考核電氣專業(yè)學(xué)生時(shí)，可設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)諧波幅值和總諧波畸變量測(cè)量的虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)題，考察學(xué)生真正使用虛擬儀器技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

在平時(shí)作業(yè)方面，減少作業(yè)次數(shù)的同時(shí)提高作業(yè)完成質(zhì)量，主要措施如下。首先，按照知識(shí)單元布置作業(yè)，分別是LabVIEW設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、程序結(jié)構(gòu)、復(fù)合數(shù)據(jù)類型，文件I/O和圖形顯示、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、信號(hào)處理和分析，共6次作業(yè)。布置的作業(yè)多為需要學(xué)生自己動(dòng)手編程的題目，且學(xué)生須在慕課上提交LabVIEW程序文件。作業(yè)評(píng)分也采取老師評(píng)分和學(xué)生互評(píng)兩種方式，這樣既可使老師了解學(xué)生的知識(shí)掌握情況，也可讓學(xué)生在給其他同學(xué)評(píng)分的同時(shí)進(jìn)一步復(fù)習(xí)并促進(jìn)學(xué)術(shù)交流。此外，除了常規(guī)作業(yè)外，還須布置團(tuán)隊(duì)作業(yè)。即在學(xué)期初讓學(xué)生組成小隊(duì)，合作設(shè)計(jì)并編寫(xiě)與本專業(yè)相關(guān)的軟件程序，最后在學(xué)期末進(jìn)行PPT匯報(bào)和展示。

通過(guò)上述考核方式的優(yōu)化，可使學(xué)生更加注重學(xué)習(xí)虛擬儀器的分析及應(yīng)用設(shè)計(jì)方法，鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力，將課程思政潛移默化地融合至課程教學(xué)中。

4??? 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上教學(xué)設(shè)計(jì)措施，增強(qiáng)了課堂的師生互動(dòng)，能夠引導(dǎo)學(xué)生積極參與到課堂中;虛擬儀器技術(shù)的理論知識(shí)和工程應(yīng)用得到了緊密結(jié)合，學(xué)生的實(shí)踐能力得到了有效鍛煉;考核方式多樣且兼顧理論與實(shí)踐，更加公正全面。

參考文獻(xiàn)

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