基于OBE理念的“虛擬儀器技術(shù)”教學(xué)改革

張 晨

(南京理工大學(xué)紫金學(xué)院,江蘇 南京 210023)

0 引言

OBE(Outcome-based Education)成果導(dǎo)向教育,以學(xué)生為中心,關(guān)注學(xué)生通過教育過程后能獲得怎樣的學(xué)習(xí)成果[1]。我國在《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)(2015)》中體現(xiàn)了對OBE教育理念的認(rèn)可[2]。OBE要求將人才培養(yǎng)目標(biāo)落實到教師的教學(xué)設(shè)計中,對最終的產(chǎn)出結(jié)果進行評價,并以評價反饋機制持續(xù)推進教學(xué)改革。采用OBE 理念探索教學(xué)改革,將有助于高校開展課程建設(shè)工作并提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

虛擬儀器技術(shù)采用圖形化編程軟件Labview,結(jié)合硬件采集卡等設(shè)備,完成信號的采集、分析、處理、輸出等內(nèi)容,廣泛應(yīng)用于工程檢測、航空航天、軍事科技等與電子信息類技術(shù)相關(guān)的測量、控制領(lǐng)域,有很強的實用性[3]。因此,本文采用OBE理念指導(dǎo)“虛擬儀器技術(shù)”教學(xué)改革,以學(xué)生為中心,關(guān)注學(xué)習(xí)效果,對培養(yǎng)行業(yè)所需的合格畢業(yè)生有重要意義。

1 “虛擬儀器技術(shù)”課程教學(xué)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)教學(xué)方式以“教師為中心”。學(xué)生在教室完全處于聽講狀態(tài),看教師演示編程,課后容易忘記,再將書本翻開對照操作,效率不高。如果遇到編程基礎(chǔ)問題再得不到及時解決,學(xué)生又比較容易放棄。傳統(tǒng)教學(xué)方式忽略了對學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、實踐能力及創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

實驗內(nèi)容較單一,實踐環(huán)節(jié)欠缺。實驗以軟件為主,按指導(dǎo)步驟完成即可,缺少綜合課程設(shè)計,未能充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性展開實踐訓(xùn)練,沒有發(fā)揮課程對學(xué)生綜合能力的提升作用,影響后續(xù)畢業(yè)設(shè)計和專業(yè)實踐。

考核方式以卷面考試為主。雖然考核過程已將考勤、課后作業(yè)及實驗作為平時分參與總成績計算,但占比較低,學(xué)生關(guān)注的是最后的考卷,忽視了分析問題、解決問題的過程,這樣的方式不利于對學(xué)生實踐能力及綜合素質(zhì)做出客觀評價。

2 基于OBE理念開展教學(xué)改革

虛擬儀器是一門綜合知識多、實踐性強的專業(yè)課,教學(xué)過程中需要改變針對教材講課的傳統(tǒng)思路,轉(zhuǎn)而思考如何讓學(xué)生滿足畢業(yè)要求,采用OBE理念反向進行教學(xué)設(shè)計,從以下3方面進行改革。

2.1 明確學(xué)習(xí)目標(biāo),合理優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

結(jié)合專業(yè)特點,從畢業(yè)要求及就業(yè)需求出發(fā),明確學(xué)習(xí)目標(biāo),使學(xué)生通過虛擬儀器技術(shù)課程的學(xué)習(xí),能夠完成信號的采集、分析與處理,結(jié)果的輸出與顯示,使學(xué)生具備工程意識,培養(yǎng)學(xué)生分析解決實際問題的能力以及團隊合作、溝通能力。教學(xué)內(nèi)容劃分為兩大部分,一是軟件設(shè)計,主要包括基礎(chǔ)程序設(shè)計和信號處理兩方面,課程有程序結(jié)構(gòu),基本數(shù)據(jù)類型,變量,文件操作,圖形顯示,程序調(diào)試、子VI設(shè)計,信號的產(chǎn)生、時域及頻域分析,數(shù)字濾波器,串行通信及網(wǎng)絡(luò)通信；二是硬件采集,主要包括:數(shù)據(jù)采集,總線接口技術(shù)。根據(jù)課程內(nèi)容和學(xué)習(xí)效果,將32學(xué)時的理論課主要安排為軟件設(shè)計授課,最后2學(xué)時為硬件采集,之后為基于硬件采集卡的實驗課,學(xué)期結(jié)束前安排一周的課程設(shè)計。作為上位機與單片機等進行串口通信的內(nèi)容將在課程設(shè)計中采用自學(xué)方式進行。

2.2 以學(xué)生為中心,更新教學(xué)方式

OBE理念關(guān)注以學(xué)生為中心,不是學(xué)生學(xué)過什么,而是學(xué)生可以做什么?！疤摂M儀器技術(shù)”是一門應(yīng)用型較強的課程,重點不在理論知識推導(dǎo),而是編程實現(xiàn)。課內(nèi)的學(xué)時有限,而課外的學(xué)習(xí)無限。根據(jù)課程特點對教學(xué)方式進行以下三方面的改革。

2.2.1 激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生主動學(xué)習(xí)意識

第一節(jié)理論課,教師從采用虛擬儀器技術(shù)完成的工程項目、全國虛擬儀器大賽的獲獎作品、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練作品開始介紹,再由遠(yuǎn)及近介紹學(xué)生們可以選擇的畢業(yè)設(shè)計課題,之后由大到小,落實到課程需要學(xué)習(xí)的知識點,使學(xué)生們直觀地認(rèn)識到課程的實用性,并理解教學(xué)內(nèi)容設(shè)置的作用,同時提供有效的網(wǎng)絡(luò)及參考教材資源介紹,為后續(xù)課程學(xué)習(xí)做好鋪墊。

2.2.2 提高課堂學(xué)習(xí)效率，強化學(xué)生學(xué)習(xí)主體作用

理論課改為在實驗室授課,采用講、練結(jié)合的方式,教師講授編程要點,演示例題運行結(jié)果,學(xué)生在課內(nèi)完成基礎(chǔ)練習(xí)并由教師記錄課堂練習(xí)完成情況,將原來課堂比較放松的聽講狀態(tài),轉(zhuǎn)變?yōu)樾枰獧z驗成果的有壓力狀態(tài),督促學(xué)生們從“做”中“學(xué)”,及時完成每次課需要掌握的核心內(nèi)容。授課過程中,對不同的內(nèi)容采用不同的授課方式,對基礎(chǔ)程序設(shè)計的內(nèi)容多采用啟發(fā)式、對比式。例如,循環(huán)結(jié)構(gòu),主要通過while循環(huán)和for循環(huán)實現(xiàn),學(xué)生對這兩種循環(huán)結(jié)構(gòu)并不陌生,在之前的文本語言編程課接觸過,教師可以提問,這兩種都是循環(huán),各自需要怎樣的參數(shù)或條件設(shè)置可以完成循環(huán),使學(xué)生從以往知識的參照去思考,相應(yīng)的編程在圖形化語言labview的模塊中如何實現(xiàn),介紹實現(xiàn)方法后,再提出用循環(huán)實現(xiàn)累加或計算階乘如何實現(xiàn),引出移位寄存器的使用介紹,接著就請學(xué)生完成一個累加設(shè)計,從理解到實現(xiàn),授課節(jié)奏緊湊,有助于及時消化基礎(chǔ)知識,解決主要問題。

另外,教師不僅需要在課堂教學(xué)過程中督促學(xué)生學(xué)習(xí),也需要基于課堂逐步培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力,啟發(fā)學(xué)生綜合運用目前所學(xué)實現(xiàn)新的設(shè)計需求。例如,關(guān)于狀態(tài)機的設(shè)計,在講授并練習(xí)過while循環(huán)、移位寄存器、條件結(jié)構(gòu)及枚舉常量的情況下,不具體講述如何運用上述內(nèi)容實現(xiàn)狀態(tài)機中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換及狀態(tài)機的維護,只講授狀態(tài)機的概念和設(shè)計效果,引導(dǎo)學(xué)生通過查閱資料,理解設(shè)計思想,獨立思考并完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換小程序設(shè)計。教師可以進一步提出模擬商品售貨機和交通燈控制等課后練習(xí)要求,將所學(xué)內(nèi)容與實際需求相結(jié)合,開拓學(xué)生思路,提升實踐能力。

2.2.3 提升課后學(xué)習(xí)要求，增強學(xué)生自主學(xué)習(xí)動力

在目前大力推行的工程教育專業(yè)認(rèn)證模式中,傳統(tǒng)教學(xué)模式下必修課的課時均要求壓縮,增加學(xué)生自我探索、鉆研的時間與空間[4]?！疤摂M儀器技術(shù)”課程涵蓋的內(nèi)容比較多,完全依靠課堂教學(xué)無法保質(zhì)保量達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果,因此,需要在課堂基礎(chǔ)上進行課后擴展、深入學(xué)習(xí),對于這部分內(nèi)容,既需要避免完全由學(xué)生無的放矢盲目選擇,也需要考慮到每個學(xué)生的理解快慢程度不同,需要教師做好具體規(guī)劃,每節(jié)課都提出明確的課后學(xué)習(xí)要求,發(fā)揮線上教學(xué)平臺的作用,提供豐富的學(xué)習(xí)資料,結(jié)合實際案例,與課內(nèi)教學(xué)配合,將課程對學(xué)生探索、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)落到實處。學(xué)生需要通過查閱推薦的書籍,觀看微課視頻,結(jié)合討論完成課后作業(yè)并總結(jié)課內(nèi)所學(xué)、課后遇到的問題和解決方法。課程組每周都會安排教師值班,與學(xué)生進行線上及線下的答疑交流,輔助學(xué)生課后學(xué)習(xí),積極思考。建立專業(yè)口袋實驗室,配置myDAQ采集卡,可以進行軟件自帶儀器測量、音頻信號處理、模擬信號和數(shù)字信號采集與輸出等實驗,滿足學(xué)生對信號采集、處理及輸出整個過程的實驗需求,并結(jié)合傳感器及單片機共同建立綜合開放實驗室,便于學(xué)生在已有的課內(nèi)實驗基礎(chǔ)上進行改進和優(yōu)化,參考工程項目實例及競賽作品,嘗試探究性、創(chuàng)新性設(shè)計。學(xué)生根據(jù)自己感興趣的內(nèi)容,3人一小組,進一步展開討論和研究,形成初步想法后與教師交流,明確設(shè)計方案,在綜合課程設(shè)計周完成設(shè)計,撰寫設(shè)計報告,制作PPT講解設(shè)計過程,展示成果。這樣促進學(xué)生在課后繼續(xù)思考,充分利用實驗平臺,在解決問題的過程中提升學(xué)生學(xué)習(xí)的成就感,有利于增強自主學(xué)習(xí)動力,形成良好的學(xué)習(xí)氛圍。

2.3 立足學(xué)習(xí)效果,改進課程考核標(biāo)準(zhǔn)

“虛擬儀器技術(shù)”作為一門專業(yè)課,基于OBE理念改進考核方式和評價標(biāo)準(zhǔn),需要體現(xiàn)學(xué)生的實踐能力、綜合水平并鼓勵創(chuàng)新,對學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)熱情起到積極正面的影響,注重過程化、多元化,同時注意個性化和差異化,采取過程評定與最終考試結(jié)合的方式。課程評分由3部分組成:平時表現(xiàn)30%+實踐成果30%+期末考試40%。

平時表現(xiàn)包括課堂學(xué)習(xí)表現(xiàn)和課后練習(xí)的完成情況,涉及課程考勤、課堂紀(jì)律、課堂練習(xí)、課后的擴展學(xué)習(xí)和作業(yè)提交,實驗課的動手操作及實驗報告的撰寫,不只看學(xué)生是否在規(guī)定時間內(nèi)完成,也關(guān)注學(xué)習(xí)過程中遇到問題如何解決,能否積極思考及時總結(jié),促使學(xué)生持續(xù)開展有效學(xué)習(xí)。

實踐成果主要針對課程設(shè)計環(huán)節(jié),以成果為導(dǎo)向,考評實踐學(xué)習(xí)過程。參照畢業(yè)設(shè)計答辯流程和虛擬儀器競賽評分要求,聘請開發(fā)經(jīng)驗豐富的合作企業(yè)工程師和課程組老師共同參與評審,不僅考察設(shè)計文檔撰寫質(zhì)量、設(shè)計能力及作品演示效果,也考察方案的實用性和創(chuàng)意性、學(xué)生的團隊合作、溝通情況、促進學(xué)生從實際需求出發(fā)思考問題并提高分析解決工程問題的實踐能力。

期末考試采用卷面答題的形式,由不定項選擇和簡答兩種題型組成。不定項選擇參考LabVIEW助理開發(fā)工程師認(rèn)證的模擬題,考核學(xué)生對開發(fā)系統(tǒng)中的核心特征和功能是否具備廣泛全面的認(rèn)識,并且可以用這些知識開發(fā)、調(diào)試、維護小型程序模塊。簡答則考核學(xué)生是否能分析實際工程問題并提出可行方案,題目的選取盡可能覆蓋課程的各部分要點,從知識掌握的廣度和實用度檢測課程教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度。

3 提升師生協(xié)同發(fā)展素養(yǎng),保障課程教學(xué)持續(xù)改進

OBE教學(xué)改革要求以學(xué)生為中心,首先需要教師保持積極的學(xué)習(xí)狀態(tài),提升思想覺悟、教學(xué)能力和專業(yè)水平,使德育育人和知識育人同向而行。教師通過思政學(xué)習(xí)研討,加強對新時代中國特色社會主義思想的理解,深入挖掘課程蘊含的思政元素,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)自覺性,通過參加線上線下的教學(xué)會議及課程觀摩,更新教學(xué)方法和教學(xué)資源,順應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣,使學(xué)生樂于學(xué)習(xí),通過加強校間交流、校企合作,關(guān)注本專業(yè)的行業(yè)發(fā)展與企業(yè)需求,修訂教學(xué)內(nèi)容及實踐訓(xùn)練要求,增強學(xué)生的實踐發(fā)展適應(yīng)性。

教師做好上述工作才能更好地與學(xué)生對話,將所做工作轉(zhuǎn)化為學(xué)生的成果。教師要及時關(guān)注學(xué)生的反饋信息,檢測學(xué)習(xí)效果,解答學(xué)生疑問,了解學(xué)生的需求,啟發(fā)探索及創(chuàng)新精神,跟進實踐過程,從而掌握哪些方面已被學(xué)生理解吸收,哪些方面并未取得理想的效果,積累經(jīng)驗,根據(jù)學(xué)生的具體情況改進教學(xué)工作,提升學(xué)生的學(xué)習(xí)獲得感和課程的教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度,激勵師生雙方共同進步,教學(xué)協(xié)同持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)語

提升專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量,需要落實在課程改革過程中。本文基于OBE理念,對虛擬儀器技術(shù)課程開展教學(xué)改革,尊重學(xué)生的學(xué)習(xí)主體地位,以學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)向,在課堂講練結(jié)合中及時解決基礎(chǔ)問題,督促并保障課后的拓展學(xué)習(xí)和實踐訓(xùn)練有序開展。改革促使學(xué)生積極思考,勤于實踐,提高了學(xué)習(xí)主動性,豐富了學(xué)習(xí)生活,提升了校內(nèi)外學(xué)科競賽的參與度及獲獎名次,獲得了較好的效果。