虛擬儀器線上線下混合翻轉(zhuǎn)創(chuàng)新教學(xué)研究

陶 鍇，王 強(qiáng)，鄭 偉

（1.南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院、人工智能學(xué)院，江蘇 南京 210046；2.重慶大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶 400030）

0 引言

虛擬儀器是一門以計(jì)算機(jī)為核心，采用圖形化編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)模塊化儀器功能的技術(shù)［1］。采用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的測(cè)控系統(tǒng)功能由用戶靈活定義，能達(dá)到“軟件即儀器”的效果，具有硬件資源利用率高、功能靈活等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于電子信息、測(cè)試計(jì)量、航空航天等領(lǐng)域［2-5］。

新工科教育背景的虛擬儀器技術(shù)教學(xué)旨在培養(yǎng)具備創(chuàng)新精神的實(shí)踐型人才，為新一輪產(chǎn)業(yè)革命和教育轉(zhuǎn)型提供創(chuàng)新方法，進(jìn)而完善中國(guó)特色工程教育體系［6-9］。對(duì)于信息技術(shù)類專業(yè)人才培養(yǎng)，單一的授課模式難以滿足理論與實(shí)踐并重的教學(xué)要求，無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生利用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用的能力。因此，利用多維教學(xué)手段和多樣教學(xué)資源開(kāi)展虛擬儀器技術(shù)課程教學(xué)改革具有迫切的現(xiàn)實(shí)需求。

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法起源于美國(guó)，是一種通過(guò)課前自主學(xué)習(xí)、課中師生互動(dòng)探討等環(huán)節(jié)深化知識(shí)的方法［10-13］。在課前學(xué)習(xí)中，學(xué)生需要發(fā)揮自主性構(gòu)建知識(shí)體系，并在課中探討中不斷加以完善，因此該方法能夠加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的實(shí)踐和應(yīng)用能力。虛擬儀器技術(shù)面向測(cè)控系統(tǒng)軟硬件協(xié)同應(yīng)用，翻轉(zhuǎn)課堂能夠很好地適用于此種應(yīng)用導(dǎo)向的課程，這種教學(xué)方法已經(jīng)得到教育與科研工作者的廣泛好評(píng)。例如，馮菲等［14］基于眾多案例總結(jié)了利用慕課開(kāi)展翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的基本理念；柳春艷等［15］采用系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法對(duì)比研究了翻轉(zhuǎn)課堂與傳統(tǒng)教學(xué)的教學(xué)效果；郭建鵬［16］提出一個(gè)通用的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，提高了翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的普適性。

雖然當(dāng)前翻轉(zhuǎn)課堂在虛擬儀器技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用案例較多，但翻轉(zhuǎn)教學(xué)過(guò)程與內(nèi)容結(jié)構(gòu)設(shè)置較為固化，學(xué)生在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)依舊處于被動(dòng)客體狀態(tài)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可總結(jié)如下：

（1）教學(xué)需求痛點(diǎn)不清晰。當(dāng)前，翻轉(zhuǎn)課堂的主要形式是課前視頻資料+課中問(wèn)題探討，這種方法雖然具備翻轉(zhuǎn)課堂的基本要素，但翻轉(zhuǎn)教學(xué)流程較為單一，線上與線下教學(xué)資源重復(fù)度較高，在課中環(huán)節(jié)教師大多也是對(duì)線上教學(xué)資料的重復(fù)，沒(méi)有做到交叉互補(bǔ)，無(wú)法滿足學(xué)生對(duì)應(yīng)用實(shí)踐型知識(shí)的關(guān)鍵需求。

（2）教學(xué)資源單一。當(dāng)前，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)資源的主要形式為教材附帶的視頻學(xué)習(xí)資料，這種學(xué)習(xí)資料雖能涵蓋基本知識(shí)點(diǎn)，但其面向的學(xué)生群體龐大，不能針對(duì)小型教學(xué)班學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和習(xí)慣進(jìn)行教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生在課前自主學(xué)習(xí)時(shí)效率低下。

（3）教學(xué)環(huán)境與條件缺乏。雖然翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)施對(duì)硬件設(shè)施要求不高，但虛擬儀器技術(shù)需要進(jìn)行編程訓(xùn)練，對(duì)教學(xué)系統(tǒng)與軟件環(huán)境有一定的要求。此外，課中倘若需要學(xué)生進(jìn)行匯報(bào)展示，相關(guān)的電子設(shè)備也十分重要。

上述問(wèn)題為虛擬儀器技術(shù)翻轉(zhuǎn)教學(xué)實(shí)施帶來(lái)了挑戰(zhàn)。針對(duì)虛擬儀器技術(shù)教學(xué)改革的迫切需求，本文充分發(fā)揮南京郵電大學(xué)線上慕課資源與線下翻轉(zhuǎn)課堂專用教室設(shè)備優(yōu)勢(shì)，采用線上+線下混合方法，提出“三要素三模塊二重點(diǎn)”教學(xué)策略，實(shí)現(xiàn)虛擬儀器技術(shù)翻轉(zhuǎn)課堂高質(zhì)量教學(xué)。

1 翻轉(zhuǎn)教學(xué)可行性分析

1.1 學(xué)生教學(xué)需求可行性

南京郵電大學(xué)自開(kāi)設(shè)虛擬儀器技術(shù)課程以來(lái)一直采用傳統(tǒng)的講授式教學(xué)方法，這種教學(xué)方法雖然可以完成基本的教學(xué)任務(wù)和知識(shí)講授，但為了更好地契合實(shí)踐型創(chuàng)新人才培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)，虛擬儀器技術(shù)教學(xué)組定期開(kāi)展問(wèn)卷調(diào)查，以獲得學(xué)生對(duì)授課方法的滿意度和對(duì)教學(xué)改革的期待度。近兩學(xué)年的問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果如圖1所示。

Fig.1 Results of a survey of intention to change teaching methods圖1 學(xué)生對(duì)教學(xué)方法轉(zhuǎn)變的意向調(diào)查結(jié)果

由此可知，雖然傳統(tǒng)教學(xué)方法能滿足正常學(xué)習(xí)需求，但大部分學(xué)生對(duì)變更教學(xué)方式抱有期待，希望教師嘗試新的教學(xué)方法，且持此種態(tài)度的人數(shù)處于上升趨勢(shì)。這種結(jié)果說(shuō)明，大部分學(xué)生愿意嘗試新的教學(xué)方法，具備翻轉(zhuǎn)課堂改革的教學(xué)需求可行性。

1.2 線上教學(xué)資源可行性

虛擬儀器技術(shù)課程教學(xué)組于2020 年錄制制作了慕課教學(xué)資源，包括教學(xué)視頻、教學(xué)PPT、課后習(xí)題及期末考試，能支持學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)、課中交流、課后復(fù)習(xí)、周期測(cè)試等。如圖2 所示，（a）為教學(xué)視頻展示，（b）為教學(xué)PPT（c）為單元測(cè)試，（d）為交流討論區(qū)。教學(xué)組整理了完備的NI 框架下軟硬件應(yīng)用的技術(shù)資料，慕課資料與線下教學(xué)資料做到了交叉互補(bǔ)。此外，為了便于學(xué)生與教師的溝通交流，慕課資源開(kāi)設(shè)了課堂交流論壇區(qū)，支持主題發(fā)帖、回復(fù)評(píng)論、關(guān)注、投票等操作，基于此種慕課資源，能保障翻轉(zhuǎn)課堂開(kāi)展的資源可行性。

Fig.2 MOOCs teaching resources圖2 慕課教學(xué)資源

1.3 線下教學(xué)條件可行性

南京郵電大學(xué)擁有多媒體功能的翻轉(zhuǎn)課堂專用教室，最大可容納100 人同時(shí)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)教學(xué)。該教室多媒體系統(tǒng)具有無(wú)線投影、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、觸控式電子大屏、激光教具等設(shè)備。軟件配套上，為實(shí)現(xiàn)虛擬儀器測(cè)量與控制功能，搭建了Labview 軟件系統(tǒng)，并配套安裝了DAQmx 模塊、VDM模塊等驅(qū)動(dòng)程序包，能實(shí)現(xiàn)音頻、圖像、視頻等信號(hào)采集，并支持UART、PCI、GPIB 等主流總線的傳輸與雙向通訊協(xié)議。此外，利用內(nèi)部集成的算法，能進(jìn)行卷積運(yùn)算、相關(guān)性分析、諧波分析、頻響分析、數(shù)字濾波等時(shí)頻域信號(hào)處理，滿足基本的測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用需求，具備翻轉(zhuǎn)課堂開(kāi)展的線下教學(xué)條件與環(huán)境可行性。

2 翻轉(zhuǎn)教學(xué)創(chuàng)新方案

方案整體分為3 個(gè)階段［17-18］，即課前、課中和課后，采用“三要素”、“三模塊”和“二重點(diǎn)”的方法，利用線上慕課資源和線下教學(xué)資源混合方法加以實(shí)現(xiàn)。整體思路如圖3所示。

Fig.3 Overall teaching ideas圖3 整體教學(xué)思路

2.1 課前“三要素”學(xué)習(xí)

要素化的課前學(xué)習(xí)能夠更好地突出學(xué)習(xí)重點(diǎn)，課前因?qū)W生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的熟悉度較低，明確學(xué)習(xí)要素能夠提高學(xué)習(xí)效率。將虛擬儀器技術(shù)課程知識(shí)點(diǎn)分為技術(shù)原理要素、函數(shù)功能要素和應(yīng)用方法要素。這部分內(nèi)容主要利用線上慕課資源完成，每種要素在學(xué)習(xí)中應(yīng)分配不同的時(shí)間，通常采用1/4、1/4、1/2的分配方法，如圖4所示。

Fig.4 Study time allocation for each element圖4 各要素的學(xué)習(xí)時(shí)間分配

技術(shù)原理要素學(xué)習(xí)主要指基于虛擬儀器技術(shù)開(kāi)展測(cè)控任務(wù)的實(shí)現(xiàn)原理，這部分內(nèi)容在慕課資源中處于教學(xué)視頻的最開(kāi)始部分，主要從理論原理、實(shí)現(xiàn)思路等方面進(jìn)行教學(xué)。例如，對(duì)于一維數(shù)據(jù)采集章節(jié)，首先介紹數(shù)據(jù)采集基本指標(biāo)、采樣定理、信號(hào)源種類、信號(hào)接入方式等內(nèi)容，上述內(nèi)容作為數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)知識(shí)，能為后續(xù)基于Labview 設(shè)計(jì)一維數(shù)據(jù)采集任務(wù)夯實(shí)基礎(chǔ)。

函數(shù)功能要素學(xué)習(xí)指針對(duì)虛擬儀器設(shè)計(jì)任務(wù)選擇所需函數(shù)。作為虛擬儀器任務(wù)的主要實(shí)現(xiàn)工具，學(xué)生對(duì)Labview 軟件中函數(shù)參數(shù)定義和端口功能的學(xué)習(xí)是該部分的重點(diǎn)。如果涉及到外部驅(qū)動(dòng)程序，則需要了解驅(qū)動(dòng)包的安裝、測(cè)試及調(diào)用方法［19-20］。這部分學(xué)習(xí)能夠讓學(xué)生了解虛擬儀器測(cè)控任務(wù)實(shí)現(xiàn)的具體工具，為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

應(yīng)用方法要素學(xué)習(xí)指利用函數(shù)、驅(qū)動(dòng)等工具構(gòu)建測(cè)控系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)虛擬儀器任務(wù)，此部分在慕課教學(xué)資源中的占比最高。在數(shù)據(jù)采集教學(xué)中，這部分主要包含數(shù)據(jù)采集流程、各步驟對(duì)應(yīng)函數(shù)、數(shù)據(jù)流編程方法等內(nèi)容，并通過(guò)實(shí)例展示深化應(yīng)用方法。

2.2 課中“三模塊”探討

翻轉(zhuǎn)課堂中的課中學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)由師生共同參與，但主體依舊是學(xué)生，主要任務(wù)是探討與合作，教師承擔(dān)學(xué)生探索引導(dǎo)人角色。在此環(huán)節(jié)，主要包含答疑模塊、案例展示模塊、探索提高模塊。3 個(gè)模塊應(yīng)當(dāng)遵從先后順序，課中學(xué)習(xí)開(kāi)展流程如圖5所示。

Fig.5 Flow of "three modules"during class圖5 課中“三模塊”開(kāi)展流程

答疑模塊的基本流程為學(xué)生提出在課前自主學(xué)習(xí)中遇到的問(wèn)題，由教師或其他同學(xué)解答，問(wèn)題可以是理論原理、函數(shù)功能、編程方法等專業(yè)知識(shí)問(wèn)題，也可以是編程思想、系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路等宏觀問(wèn)題。教師在解答過(guò)程中應(yīng)避免直接給出答案，應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生回顧慕課資源，幫助其深入思考并解決問(wèn)題。

案例展示模塊以個(gè)人或小組為單位開(kāi)展，小組成員在前期準(zhǔn)備一個(gè)完整的虛擬儀器測(cè)控任務(wù)，完成技術(shù)原理介紹、函數(shù)參數(shù)講解、功能方法設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)流程演示。小組成員自由分工，承擔(dān)一部分素材準(zhǔn)備工作，并在匯報(bào)中講解此部分內(nèi)容。在學(xué)生匯報(bào)中，教師可作為特殊“組員”參加匯報(bào)，在其中扮演教學(xué)內(nèi)容串聯(lián)者、匯報(bào)材料銜接者的角色。在匯報(bào)評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，教師作為評(píng)委，從設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)步驟、設(shè)計(jì)方法、匯報(bào)素材、語(yǔ)言表達(dá)等方面給予評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)課中全方位的師生互動(dòng)。

學(xué)生在匯報(bào)中注重生生互動(dòng)，小組內(nèi)成員除作為匯報(bào)者外，對(duì)于有疑問(wèn)的知識(shí)點(diǎn)也可以提問(wèn)。其他小組成員可針對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行咨詢，對(duì)于其他學(xué)生提出的問(wèn)題，亦可發(fā)表自己的看法，即學(xué)生在“提問(wèn)者”和“回答者”之間可自由切換身份，最大程度地調(diào)動(dòng)學(xué)生的課堂參與度。對(duì)于匯報(bào)表現(xiàn)優(yōu)秀或回答問(wèn)題積極的學(xué)生，教師可給予適當(dāng)?shù)莫?jiǎng)勵(lì)。部分匯報(bào)展示案例如表1所示。

Table 1 Group report case表1 小組匯報(bào)案例

探索提高模塊是對(duì)案例展示的拓展，此模塊主要出現(xiàn)在小組匯報(bào)后其他學(xué)生的提問(wèn)與教師評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，是對(duì)基礎(chǔ)虛擬儀器測(cè)控任務(wù)的功能拓展和深化。例如，在數(shù)據(jù)采集章節(jié)中，教學(xué)資料中給出了單幅圖像的采集例程，學(xué)生在進(jìn)行此案例講解后，教師會(huì)要求其深入思考：如何將單幅圖像采集推廣至連續(xù)多幅圖像采集，需要在原始采集例程上修改哪些參數(shù)，在哪里增加循環(huán)結(jié)構(gòu)；如何將坐標(biāo)點(diǎn)簇?cái)?shù)組作為波形圖表的輸入推廣至將坐標(biāo)數(shù)組作為輸入，如圖6 所示。學(xué)生在思考后可以現(xiàn)場(chǎng)修改例程實(shí)現(xiàn)新的功能，提升了對(duì)知識(shí)的靈活應(yīng)用能力。

Fig.6 An array of coordinate point clusters as the input promoted to an array of coordinates as input圖6 將坐標(biāo)點(diǎn)簇?cái)?shù)組作為波形圖表輸入推廣至將坐標(biāo)數(shù)組作為輸入

2.3 課后“二重點(diǎn)”鞏固

課后“二重點(diǎn)”包括重點(diǎn)知識(shí)復(fù)習(xí)和重點(diǎn)測(cè)試練習(xí)。課后學(xué)習(xí)是鞏固知識(shí)、完善不足的重要環(huán)節(jié)，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的課后鞏固由師生共同完成。重點(diǎn)知識(shí)復(fù)習(xí)包括對(duì)技術(shù)原理、函數(shù)功能以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法作全方位梳理，可以通過(guò)學(xué)習(xí)內(nèi)容總結(jié)、學(xué)習(xí)報(bào)告等方式進(jìn)行書面總結(jié)，以獲得更好的復(fù)習(xí)效果。總結(jié)報(bào)告可作為課后作業(yè)的一部分，由教師參與批閱，作為最終考評(píng)成績(jī)的參考。

重點(diǎn)測(cè)試練習(xí)通過(guò)線上實(shí)現(xiàn)，學(xué)生依據(jù)教師安排在慕課資源中完成相應(yīng)的課后測(cè)試，測(cè)試結(jié)果由學(xué)生互評(píng)、教師評(píng)閱兩種形式，最終成績(jī)?yōu)槎咴u(píng)分的加權(quán)綜合。題目類型為選擇題和設(shè)計(jì)題，分別考察基本概念和工程應(yīng)用能力，通過(guò)理論與應(yīng)用結(jié)合，完成混合翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的最后一環(huán)。

3 實(shí)施效果分析

3.1 周期測(cè)試結(jié)果

為驗(yàn)證此教學(xué)方法的效果，在南京郵電大學(xué)2018級(jí)測(cè)控技術(shù)與儀器、微電子技術(shù)、智能科學(xué)技術(shù)3 個(gè)專業(yè)開(kāi)展教學(xué)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)測(cè)控技術(shù)與儀器、微電子技術(shù)專業(yè)學(xué)生開(kāi)展這種形式的翻轉(zhuǎn)教學(xué)，智能科學(xué)技術(shù)專業(yè)學(xué)生開(kāi)展傳統(tǒng)講授式教學(xué)。在2022-2023 學(xué)年第一學(xué)期的每個(gè)月末進(jìn)行一次周期測(cè)試，3 個(gè)專業(yè)的平均成績(jī)變化如圖7所示。

Fig.7 The fluctuation of grade圖7 成績(jī)變化

可以看出，剛開(kāi)始進(jìn)行教學(xué)對(duì)比時(shí)（第一次測(cè)試），3 個(gè)班級(jí)的測(cè)試成績(jī)相差較小，這說(shuō)明不同專業(yè)學(xué)生的原始學(xué)習(xí)能力相似。隨著翻轉(zhuǎn)課堂的進(jìn)行，從第二次測(cè)試開(kāi)始，采用翻轉(zhuǎn)教學(xué)方法的兩個(gè)專業(yè)成績(jī)有著明顯提高，而采用傳統(tǒng)教學(xué)方法的專業(yè)成績(jī)則變化較小，學(xué)期結(jié)束時(shí)平均成績(jī)差異已達(dá)到10 分左右，此種結(jié)果驗(yàn)證了線上線下混合翻轉(zhuǎn)創(chuàng)新教學(xué)方法的良好效果。

3.2 學(xué)習(xí)體會(huì)調(diào)查

為了解學(xué)生對(duì)這種教學(xué)方法的感想與體會(huì)，利用座談法對(duì)參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生進(jìn)行調(diào)查，學(xué)生的學(xué)習(xí)感想情況如表2所示。

Table 2 Survey result of learning impressions表2 學(xué)習(xí)感想調(diào)查結(jié)果

由此可知，學(xué)生最主要的兩個(gè)體會(huì)是激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣和提高了知識(shí)應(yīng)用能力。這說(shuō)明此種教學(xué)方法調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，有助于虛擬儀器技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用技能培養(yǎng)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)教學(xué)成績(jī)和座談?wù){(diào)查可知，本文提出的教學(xué)方法能夠充分結(jié)合線上慕課教學(xué)資源與線下翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)備的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，具體如下：①慕課資源基于學(xué)生學(xué)情制作，具有更好的針對(duì)性，在課前學(xué)習(xí)中能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，同時(shí)設(shè)計(jì)了多樣化的學(xué)習(xí)資料，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣度；②課中階段充分利用線上和線上資源，以小組匯報(bào)形式將學(xué)習(xí)的主體變成學(xué)生，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，讓學(xué)生在競(jìng)爭(zhēng)的環(huán)境中提高了學(xué)習(xí)效率；③課后結(jié)合慕課資源進(jìn)行復(fù)習(xí)與測(cè)試，設(shè)置學(xué)生互評(píng)環(huán)節(jié)，讓每個(gè)學(xué)生都成為學(xué)習(xí)的監(jiān)督者，從而加深了重點(diǎn)知識(shí)的理解。

虛擬儀器技術(shù)是一門面向工程應(yīng)用的課程，為了滿足新工科背景下信息技術(shù)專業(yè)應(yīng)用實(shí)踐型創(chuàng)新人才培養(yǎng)需求，提出基于“三要素三模塊二重點(diǎn)”的線上線下混合翻轉(zhuǎn)創(chuàng)新教學(xué)方法。通過(guò)線上與線下的混合，翻轉(zhuǎn)課堂極大地提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)參與感，提高了其學(xué)習(xí)主動(dòng)性和效率，周期測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了這種方法對(duì)教學(xué)的促進(jìn)作用。此外，學(xué)生在翻轉(zhuǎn)課堂學(xué)習(xí)中普遍反映，這種方式的教學(xué)提高了他們自身的知識(shí)應(yīng)用能力，這符合新工科教育背景下對(duì)信息技術(shù)人才的培養(yǎng)要求。