融合OBE理念的虛擬儀器課程教學(xué)改革與探索

洪改艷，彭文竹

（集美大學(xué)誠(chéng)毅學(xué)院，福建廈門 361000)

針對(duì)性改革優(yōu)化高校課程教學(xué)，提高教學(xué)育人質(zhì)量，是新時(shí)代高校課程建設(shè)的必然要求，也是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的現(xiàn)實(shí)需要。OBE(Outcome Based Education)即能力導(dǎo)向教育，這一理念是以學(xué)生為中心，通過(guò)有效教學(xué)使學(xué)生取得應(yīng)有的學(xué)習(xí)成果。對(duì)此，應(yīng)當(dāng)不斷優(yōu)化教學(xué)計(jì)劃、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)學(xué)生能力提升的教學(xué)目標(biāo)[1]。

1 虛擬儀器課程教學(xué)存在的問(wèn)題

虛擬儀器是電子信息工程、通信工程等專業(yè)的一門必修課程。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展成熟，虛擬儀器技術(shù)在航空航天、自動(dòng)化等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[2-3]。這門課程專業(yè)性、實(shí)踐性強(qiáng)，傳統(tǒng)的教學(xué)模式與新工科背景下創(chuàng)新人才培養(yǎng)要求不相適應(yīng)，與課程高質(zhì)量建設(shè)、學(xué)生高質(zhì)量需求不相適應(yīng)，亟待教學(xué)“供給側(cè)”結(jié)構(gòu)改革。

1.1 教學(xué)目標(biāo)重當(dāng)前輕長(zhǎng)遠(yuǎn)

分析傳統(tǒng)教學(xué)，教師和學(xué)生普遍關(guān)注虛擬儀器基本知識(shí)點(diǎn)、圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW 的學(xué)習(xí)，不太重視實(shí)踐運(yùn)用、工程思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。結(jié)果是當(dāng)前的知識(shí)學(xué)到了、分?jǐn)?shù)拿到了，但長(zhǎng)遠(yuǎn)更需要的能力得不到，特別是結(jié)合專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際工程項(xiàng)目能力欠缺，學(xué)生不清楚工程項(xiàng)目的分析、分解、分配，不熟悉項(xiàng)目過(guò)程記錄、項(xiàng)目報(bào)告撰寫、項(xiàng)目成果匯報(bào)。既抑制學(xué)生學(xué)向用的轉(zhuǎn)化，也影響畢業(yè)后的理想擇業(yè)。

1.2 教學(xué)手段重灌輸輕創(chuàng)新

分析傳統(tǒng)教學(xué)，多以教師為主體，教師講、學(xué)生聽，“吃大鍋飯”多、“開小灶”少，因人而異的個(gè)性化教學(xué)不足；課堂灌輸多、工程實(shí)踐少；按部就班、遞推流水的教學(xué)多，誘導(dǎo)思考、解決問(wèn)題的設(shè)計(jì)少，工程思維和工程訓(xùn)練缺失。隨著網(wǎng)絡(luò)廣泛運(yùn)用、電子技術(shù)快速發(fā)展，新的教育理念在教學(xué)中得到探索實(shí)踐，受到具有鮮明信息特點(diǎn)的學(xué)生歡迎，這對(duì)動(dòng)手操作要求高的虛擬儀器課程更是如此。

1.3 教學(xué)評(píng)價(jià)重成績(jī)輕能力

分析傳統(tǒng)教學(xué)，對(duì)教師的教學(xué)評(píng)價(jià)注重教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)、教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)等方面，對(duì)學(xué)生則注重課程成績(jī)，通常是平時(shí)成績(jī)加期末成績(jī)，更多的是反映學(xué)生背記能力、應(yīng)試能力，無(wú)法反映學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。教學(xué)評(píng)價(jià)是課程重要的風(fēng)向標(biāo)，單一的教學(xué)評(píng)價(jià)方式，不利于教師和學(xué)生以提升能力為導(dǎo)向同向發(fā)力。

2 融合OBE理念的虛擬儀器課程的改革策略

針對(duì)當(dāng)前虛擬儀器課程教學(xué)存在的普遍問(wèn)題，以中央人才工作會(huì)議精神為指導(dǎo)，以培養(yǎng)學(xué)生關(guān)鍵能力為出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，探索融合OBE理念的課程教學(xué)改革。對(duì)此，與OBE 理念學(xué)習(xí)成果、教學(xué)實(shí)施和教學(xué)設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)，需要解決教學(xué)目的、教學(xué)手段和教學(xué)評(píng)價(jià)三個(gè)問(wèn)題。

圖1 融合OBE理念的虛擬儀器課程的改革策略架構(gòu)

2.1 突出OBE理念，明確教學(xué)目標(biāo)

融合OBE理念的虛擬儀器課程教學(xué)改革，強(qiáng)調(diào)以提升學(xué)生關(guān)鍵能力為導(dǎo)向，以學(xué)生關(guān)鍵能力獲取最大化為主線。對(duì)此，要弄清通過(guò)課程學(xué)習(xí)學(xué)生要獲得的關(guān)鍵能力，也就是明確教學(xué)目標(biāo)。通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查、座談了解、走訪企業(yè)，結(jié)合人才培養(yǎng)的要求，這門課程學(xué)生關(guān)鍵能力體現(xiàn)在創(chuàng)新實(shí)踐能力、項(xiàng)目管理能力、知識(shí)掌握能力、專注專心能力。創(chuàng)新實(shí)踐能力主要是培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、思考、解決問(wèn)題的能力，結(jié)合軟硬件運(yùn)用專業(yè)知識(shí)完成實(shí)驗(yàn)或工程項(xiàng)目；項(xiàng)目管理能力主要是培養(yǎng)學(xué)生分工負(fù)責(zé)、相互協(xié)作和嚴(yán)密細(xì)致的團(tuán)隊(duì)精神；知識(shí)掌握能力從狹義角度講是掌握這門課程的專業(yè)知識(shí)，從廣義角度講是掌握學(xué)習(xí)的方法，培養(yǎng)良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣；專注專心能力主要是培養(yǎng)學(xué)生踏實(shí)學(xué)習(xí)的思想品德、扎實(shí)工作的職業(yè)道德。這與中央人才工作會(huì)議提出的“愛黨報(bào)國(guó)、敬業(yè)奉獻(xiàn)，具有突出技術(shù)創(chuàng)新能力、善于解決復(fù)雜工程問(wèn)題”的要求是完全一致的。

2.2 調(diào)整課時(shí)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

傳統(tǒng)課程教學(xué)，46 個(gè)學(xué)時(shí)中38 個(gè)學(xué)時(shí)在課堂講授、8個(gè)學(xué)時(shí)在普通計(jì)算機(jī)機(jī)房進(jìn)行軟件操作，軟件實(shí)際操作的時(shí)間短，并且沒有將虛擬儀器技術(shù)與實(shí)際硬件電路進(jìn)行聯(lián)系，學(xué)生普遍只是掌握LabVIEW的基本操作方法，動(dòng)手操作、解決工程問(wèn)題能力欠缺。新的課程教學(xué)，以提升學(xué)生關(guān)鍵能力為目標(biāo)，安排26個(gè)學(xué)時(shí)在教室或機(jī)房，主要是講授關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)、加強(qiáng)編程練習(xí)；安排8個(gè)學(xué)時(shí)的軟件綜合實(shí)訓(xùn)課，主要是完成程序結(jié)構(gòu)、復(fù)合數(shù)據(jù)類型、圖形顯示、文件I/O 等4 個(gè)軟件強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)；安排8 個(gè)課時(shí)的硬件實(shí)訓(xùn)課，結(jié)合NImyDAQ和LabVIEW軟件，完成流水燈、十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制、電壓頻率轉(zhuǎn)換器電路和惠斯通電橋煙霧探測(cè)器設(shè)計(jì)等4 次綜合實(shí)驗(yàn)；安排4 個(gè)學(xué)時(shí)組織實(shí)施項(xiàng)目學(xué)習(xí)，以小組為單位組織方案設(shè)計(jì)、分組討論、答辯評(píng)定等內(nèi)容，特別是運(yùn)用電子測(cè)量、單片機(jī)原理等知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。

圖2 學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室做電壓頻率轉(zhuǎn)換器電路實(shí)驗(yàn)

2.3 嵌入項(xiàng)目學(xué)習(xí)，打破學(xué)用脫節(jié)

項(xiàng)目學(xué)習(xí)是一種項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)方法[4-5]，教師給出不同的項(xiàng)目課題，學(xué)生在完成這些項(xiàng)目過(guò)程中，主要依靠自主學(xué)習(xí)、教師輔助解決遇到的重難點(diǎn)問(wèn)題。學(xué)院NI-myDAQ平臺(tái)、LabVIEW軟件及實(shí)驗(yàn)室其他硬件設(shè)備為項(xiàng)目學(xué)習(xí)提供了軟硬件保障。課程基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)完后即可實(shí)施項(xiàng)目學(xué)習(xí)，為了提升學(xué)習(xí)效果，教師可圍繞項(xiàng)目學(xué)習(xí)作一次專題輔導(dǎo)，講清目的、意義、程序和要求。項(xiàng)目學(xué)習(xí)一般以小組形式開展，一個(gè)小組不超過(guò)5個(gè)人，以3人為宜，小組不能隨便組合，特別是不能強(qiáng)強(qiáng)搭配或是弱弱搭配，最理想的是根據(jù)組員的興趣愛好、專業(yè)特長(zhǎng)和能力素質(zhì)等編組，把每個(gè)人的特長(zhǎng)充分發(fā)揮出來(lái)，同時(shí)也是相互學(xué)習(xí)的過(guò)程。

項(xiàng)目學(xué)習(xí)區(qū)分提出項(xiàng)目與明確要求、項(xiàng)目理解與大體思路、總體方案與設(shè)計(jì)說(shuō)明、學(xué)習(xí)咨詢與積累匯總、詳細(xì)設(shè)計(jì)與過(guò)程記錄、系統(tǒng)測(cè)試與報(bào)告撰寫、最終評(píng)審與成績(jī)?cè)u(píng)定等七個(gè)步驟。①提出項(xiàng)目與明確要求。教師提供的選題不宜過(guò)難，常選用的有溫度傳感器測(cè)量系統(tǒng)、虛擬示波器、信號(hào)分析應(yīng)用等，有興趣的學(xué)生可挑戰(zhàn)多功能頻譜分析儀等，學(xué)生也可以根據(jù)正在參加的競(jìng)賽、創(chuàng)新項(xiàng)目等自擬項(xiàng)目。②任務(wù)理解與大體思路。小組集體討論分析所選項(xiàng)目，根據(jù)項(xiàng)目需求側(cè)分析完成供給側(cè)，構(gòu)思完成的大體思路和步驟。③總體方案與設(shè)計(jì)說(shuō)明。采取自上而下的方法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行框架設(shè)計(jì)，包括總體設(shè)計(jì)、軟硬件設(shè)計(jì)等，形成各層次結(jié)構(gòu)、功能模塊，并明確具體技術(shù)要求，撰寫相應(yīng)說(shuō)明書。同時(shí)，初步考慮傳感器、數(shù)據(jù)采集器等。④學(xué)習(xí)咨詢與積累匯總。進(jìn)一步細(xì)化各層次結(jié)構(gòu)、功能模塊，明確需要的知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)后續(xù)教師講授、自主學(xué)習(xí)或咨詢他人等方式去積累。⑤詳細(xì)設(shè)計(jì)與過(guò)程記錄。這是項(xiàng)目學(xué)習(xí)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，重點(diǎn)是開發(fā)軟件、制作硬件，對(duì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題、解決的方案進(jìn)行記錄以備后查。在此過(guò)程中小組成員對(duì)同一問(wèn)題可能有不同解決方法，既在解決問(wèn)題，也在相互學(xué)習(xí)。⑥系統(tǒng)測(cè)試與報(bào)告撰寫。檢查設(shè)計(jì)系統(tǒng)是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，進(jìn)行調(diào)試直到滿意為止，并根據(jù)整個(gè)過(guò)程撰寫情況報(bào)告，作為教師、評(píng)審小組評(píng)定的重要依據(jù)。⑦最終評(píng)審與成績(jī)?cè)u(píng)定。學(xué)生先進(jìn)行自評(píng)，爾后組織集體評(píng)審，既看撰寫的報(bào)告，也組織現(xiàn)場(chǎng)提問(wèn)，避免學(xué)生以報(bào)告代替思考訓(xùn)練的問(wèn)題。這個(gè)過(guò)程還鍛煉了學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)能力和心理素質(zhì)。

2.4 開放學(xué)習(xí)路徑，輔助拓展深化

虛擬儀器在企業(yè)、高校實(shí)驗(yàn)室的廣泛應(yīng)用和互聯(lián)網(wǎng)的普及，為開放學(xué)習(xí)、全時(shí)學(xué)習(xí)提供了條件。一是教師建立QQ交流群，學(xué)生可在群內(nèi)討論問(wèn)題，教師參與答疑解惑。二是借助優(yōu)質(zhì)MOOC資源，作為教師授課的輔助手段。三是鼓勵(lì)學(xué)生參加科技創(chuàng)新，比如虛擬儀器競(jìng)賽、學(xué)科競(jìng)賽和LabVIEW助理開發(fā)工程師認(rèn)證(CLAD) 。四是走進(jìn)企業(yè)現(xiàn)地參觀見學(xué)，依托校企共建讓學(xué)生更加直觀地了解虛擬儀器的應(yīng)用。五是實(shí)驗(yàn)室的課外開放，為學(xué)生實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目學(xué)習(xí)提供場(chǎng)所。六是引入案例學(xué)習(xí)[6]，主要是授課過(guò)程中注重具體案例的剖析，輔助以案例視頻或邀請(qǐng)企業(yè)里的工程師到課堂教學(xué)。

2.5 重構(gòu)考評(píng)體系，推動(dòng)教學(xué)實(shí)施

建立以提升學(xué)生關(guān)鍵能力為導(dǎo)向的考評(píng)體系，對(duì)于教學(xué)實(shí)施具有重要的推動(dòng)作用。采取的是教學(xué)滿意度測(cè)評(píng)、關(guān)鍵能力提升度測(cè)評(píng)、課程最終成績(jī)?nèi)齻€(gè)方面。學(xué)生最終成績(jī)包括平時(shí)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)、項(xiàng)目成績(jī)、期末成績(jī)四個(gè)部分，平時(shí)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)各占10%，項(xiàng)目成績(jī)占20%，期末成績(jī)占60%。平時(shí)成績(jī)包括考勤、平時(shí)作業(yè)，推動(dòng)提升專注專心能力，學(xué)習(xí)態(tài)度端正、認(rèn)真完成作業(yè)是對(duì)學(xué)生最基本要求，這點(diǎn)做到了才能為以后扎實(shí)工作打下基礎(chǔ)；實(shí)驗(yàn)成績(jī)推動(dòng)培養(yǎng)動(dòng)手操作能力，是創(chuàng)新實(shí)踐能力中的實(shí)踐能力；項(xiàng)目成績(jī)推動(dòng)提升創(chuàng)新實(shí)踐能力、項(xiàng)目管理能力；期末成績(jī)推動(dòng)提升知識(shí)掌握能力，考查學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的掌握情況。根據(jù)教學(xué)滿意度、關(guān)鍵能力提升度測(cè)評(píng)結(jié)果，對(duì)考評(píng)體系、教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)施進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)和完善。

圖3 學(xué)生最終成績(jī)構(gòu)成及關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)應(yīng)

3 課程改革效果評(píng)估

采取問(wèn)卷調(diào)查、集體座談等形式對(duì)課程改革進(jìn)行調(diào)查和評(píng)估，參與的學(xué)生普遍感到收獲很大，表示提升了創(chuàng)新實(shí)踐能力、項(xiàng)目管理能力、知識(shí)掌握能力、專注專心能力，實(shí)現(xiàn)了課程教學(xué)效果、個(gè)人能力素質(zhì)雙提升。歸納起來(lái)主要有以下四個(gè)方面：

1)打通理論與實(shí)踐的瓶頸點(diǎn)。融合OBE 理念的虛擬儀器課程教學(xué)改革，著重強(qiáng)調(diào)理論向?qū)嵺`的轉(zhuǎn)化，把學(xué)和用有機(jī)結(jié)合起來(lái)，跳出為學(xué)而學(xué)、學(xué)而不用、想用不會(huì)用的怪圈。

2)提高自主學(xué)習(xí)和解決問(wèn)題能力。項(xiàng)目設(shè)計(jì)對(duì)虛擬儀器專業(yè)知識(shí)、電子技術(shù)課程知識(shí)需求度高，倒逼學(xué)生復(fù)習(xí)運(yùn)用學(xué)過(guò)的知識(shí)，提前或?qū)Ｗ⑻摂M儀器知識(shí)的學(xué)習(xí)，帶著問(wèn)題去查閱資料或咨詢有豐富經(jīng)驗(yàn)的人員。

3)增強(qiáng)團(tuán)結(jié)協(xié)作和交流表達(dá)能力。通過(guò)案例式、項(xiàng)目式授課輔導(dǎo)和學(xué)習(xí)實(shí)踐，讓學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)到完成一個(gè)系統(tǒng)工程往往需要團(tuán)隊(duì)共同的努力，找準(zhǔn)自身定位、發(fā)揮特長(zhǎng)、相互學(xué)習(xí)是完成工作的重要方法。

4)提前體驗(yàn)工程師的角色。學(xué)生實(shí)現(xiàn)了從被動(dòng)角色向主動(dòng)角色的轉(zhuǎn)變，特別是項(xiàng)目學(xué)習(xí)讓學(xué)生以“小工程師”的身份作業(yè)，了解了工程師作業(yè)的基本流程和嚴(yán)格要求，為以后從事相關(guān)行業(yè)打下了基礎(chǔ)。

圖4 改革前后五個(gè)指標(biāo)比較

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)突出OBE理念明確教學(xué)目標(biāo)、調(diào)整課時(shí)結(jié)構(gòu)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、嵌入項(xiàng)目學(xué)習(xí)打破學(xué)用脫節(jié)、開放學(xué)習(xí)路徑輔助拓展深化、重構(gòu)考評(píng)體系推動(dòng)教學(xué)實(shí)施，有力推動(dòng)了虛擬儀器課程教學(xué)改革，第一點(diǎn)解決教學(xué)目的的問(wèn)題，第二、三、四點(diǎn)解決教學(xué)手段的問(wèn)題，第五點(diǎn)解決教學(xué)評(píng)價(jià)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)目的、教學(xué)手段、教學(xué)評(píng)價(jià)統(tǒng)一于提升學(xué)生關(guān)鍵能力，有效保證了學(xué)生獲得成果的最大化。