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    線上線下教學(xué)模式在虛擬儀器課程中的探索

    2024-06-01 15:42:37任海霞茅大鈞蘇曉燕
    電腦知識(shí)與技術(shù) 2024年10期
    關(guān)鍵詞:過(guò)程化考核虛擬儀器混合式教學(xué)

    任海霞 茅大鈞 蘇曉燕

    摘要:虛擬儀器是測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的重要專業(yè)課。文章在分析了傳統(tǒng)教學(xué)存在的問(wèn)題后,從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)體系、教學(xué)實(shí)施等方面對(duì)本課程進(jìn)行了線上線下混合式教學(xué)方法的探討與改革,并在教學(xué)全過(guò)程中有機(jī)融入思政教育,強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué),采用過(guò)程化綜合考核,激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣,改善教學(xué)效果。

    關(guān)鍵詞:虛擬儀器;混合式教學(xué);教學(xué)設(shè)計(jì);實(shí)踐;過(guò)程化考核

    中圖分類號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

    文章編號(hào):1009-3044(2024)10-0159-03

    0 引言

    自20世紀(jì)90年代以來(lái),融合了測(cè)試技術(shù)、儀器原理、計(jì)算機(jī)接口技術(shù)以及圖形化編程技術(shù)的虛擬儀器技術(shù),是當(dāng)今儀器發(fā)展趨勢(shì)的一個(gè)重要方向,已經(jīng)在諸多高科技領(lǐng)域中得到了廣泛運(yùn)用。虛擬儀器是測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的一門重要專業(yè)課,具有專業(yè)性強(qiáng)和實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)。它既是前期基礎(chǔ)課:電工電子技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、微機(jī)原理與應(yīng)用等課程綜合,又是實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)、畢業(yè)設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)課[1]。該課程不僅要求學(xué)生熟練使用LabVIEW編程工具,還要培養(yǎng)學(xué)生利用虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái),將控制理論與生產(chǎn)過(guò)程知識(shí)有機(jī)結(jié)合起來(lái),設(shè)計(jì)合理測(cè)量方案,解決實(shí)際測(cè)量問(wèn)題,從而提高工程綜合應(yīng)用的能力。目前在虛擬儀器的教學(xué)過(guò)程中,依然存在如下問(wèn)題,使得課程教學(xué)的效果不夠理想,需要進(jìn)行改進(jìn)。

    1) 教學(xué)模式的單一性。虛擬儀器課程在傳統(tǒng)教學(xué)中采用單向傳輸?shù)哪J?,在課堂中教師邊講授邊演示的基礎(chǔ)上,學(xué)生跟隨編程,但由于學(xué)生基礎(chǔ)差異較大,部分學(xué)生領(lǐng)悟快能快速完成任務(wù),也有學(xué)生操作慢耗時(shí)長(zhǎng),教學(xué)進(jìn)度難以統(tǒng)一。傳統(tǒng)的課堂教學(xué),由于其時(shí)間局限性以及考慮到學(xué)生對(duì)課堂講授知識(shí)的理解能力,主要講解常用的基本理論知識(shí),而將比較復(fù)雜深刻的內(nèi)容作為選學(xué)和拓展內(nèi)容,留給學(xué)生課后完成。這樣對(duì)有學(xué)科競(jìng)賽要求的學(xué)生來(lái)說(shuō),會(huì)由于缺少有效指導(dǎo)而導(dǎo)致放棄參賽。應(yīng)把簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)理論部分放到線上學(xué)習(xí),難點(diǎn)和問(wèn)題則放到線下教學(xué),采用線上線下混合式教學(xué)模式更能夠提升教學(xué)效果[2]。

    2) 教學(xué)內(nèi)容的綜合性較差。虛擬儀器是一門多學(xué)科交叉、軟硬件相結(jié)合的課程,涉及檢測(cè)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理、測(cè)控儀器聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等多門課程的專業(yè)知識(shí)。若只是傳授如何使用LabVIEW進(jìn)行編程,學(xué)生往往會(huì)以為能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)操作、結(jié)構(gòu)控制、文件讀寫(xiě)、信號(hào)處理、數(shù)學(xué)分析等就學(xué)好了虛擬儀器,但是忽略與儀器相關(guān)的硬件設(shè)計(jì),不知道如何進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、串口通信、網(wǎng)絡(luò)通信、系統(tǒng)集成等,這樣就不能解決實(shí)際問(wèn)題,無(wú)法面對(duì)工程實(shí)踐中的復(fù)雜工程問(wèn)題,不能真正將虛擬儀器技術(shù)用起來(lái)。應(yīng)豐富教學(xué)內(nèi)容,強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)實(shí)踐,教學(xué)內(nèi)容與工程項(xiàng)目實(shí)例有機(jī)結(jié)合。

    3) 課程思政內(nèi)容的缺乏?,F(xiàn)階段的課堂教學(xué)更多考慮到專業(yè)知識(shí)傳授和能力訓(xùn)練,課程思政元素和教學(xué)環(huán)節(jié)的融合程度不夠。應(yīng)結(jié)合虛擬儀器的教學(xué)目的,深入挖掘思政教育元素,融入教學(xué)過(guò)程各環(huán)節(jié),使學(xué)生不僅掌握課程的基本內(nèi)容,同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生正確的世界觀、職業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新精神。

    針對(duì)上述問(wèn)題,本文結(jié)合新時(shí)代高等教育思想,從明確教學(xué)理念、完善教學(xué)體系、開(kāi)展線上線下混合式教學(xué)等方面對(duì)虛擬儀器課程建設(shè)進(jìn)行了探索。

    1 明確虛擬儀器課程目標(biāo)

    依托于上海市應(yīng)用型本科建設(shè)、上海市重點(diǎn)課程建設(shè)和教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目等支撐平臺(tái),結(jié)合課程兩大特點(diǎn):多學(xué)科知識(shí)綜合的教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)和有初步編程基礎(chǔ)、有能力、有興趣探索測(cè)控系統(tǒng)的教學(xué)對(duì)象特點(diǎn),提出了虛擬儀器課程的育人目標(biāo):

    1) 知識(shí)傳授:掌握虛擬儀器的設(shè)計(jì)方法,軟件開(kāi)發(fā)工具,能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)操作、結(jié)構(gòu)控制、文件讀寫(xiě)、信號(hào)處理、數(shù)學(xué)分析等。

    2) 能力訓(xùn)練:具備系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)層面的初步能力,能夠?qū)I(yè)生產(chǎn)過(guò)程測(cè)量與控制相關(guān)領(lǐng)域中的復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)與仿真模擬。

    3) 價(jià)值引領(lǐng):正確引導(dǎo)學(xué)生塑造科學(xué)世界觀,培育學(xué)生愛(ài)崗敬業(yè)、精益生產(chǎn)、專心致志的匠人精神,培育學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識(shí)。

    2 完善虛擬儀器課程教學(xué)體系

    2.1 轉(zhuǎn)變教學(xué)理念

    課程改革堅(jiān)持工程教育專業(yè)認(rèn)證的OBE原則,以學(xué)生為中心、以產(chǎn)出為導(dǎo)向,持續(xù)改進(jìn),推進(jìn)建設(shè)[3]。將教學(xué)理念由傳統(tǒng)的“以教為主”翻轉(zhuǎn)為“以學(xué)為主”,充分利用豐富的線上資源和教學(xué)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)虛擬儀器課程目標(biāo)。

    2.2 豐富教學(xué)內(nèi)容

    不同于其他的專業(yè)課程,虛擬儀器課程更加注重實(shí)踐性,關(guān)注解決實(shí)際的工程應(yīng)用問(wèn)題。教學(xué)內(nèi)容不能僅有虛擬儀器的基礎(chǔ)理論專業(yè)知識(shí),如LabVIEW基本編程等,還要培養(yǎng)學(xué)生測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的初步能力。后者要與相關(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)[4]。此外,還邀請(qǐng)校外專家舉辦講座,總結(jié)多年開(kāi)發(fā)虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的豐富經(jīng)驗(yàn),使學(xué)生獲得最新的信息和資訊,以開(kāi)拓學(xué)生的視野,同時(shí)提升實(shí)踐活動(dòng)能力和工程實(shí)踐能力。

    2.3 強(qiáng)化師資隊(duì)伍

    為了加強(qiáng)教師實(shí)踐能力和工程素質(zhì)培養(yǎng),除了本校的雙師培訓(xùn)外,本課程組還依托產(chǎn)教聯(lián)盟(上海計(jì)量院、NI有限公司、上海華依科技有限公司等)對(duì)教師進(jìn)行了相關(guān)培訓(xùn),注重產(chǎn)教融合,以便培養(yǎng)應(yīng)用技術(shù)型人才。鼓勵(lì)教師積極參與教學(xué)改革研究項(xiàng)目,潛心教學(xué)改革研究,并將教學(xué)手段創(chuàng)新、行業(yè)前沿知識(shí)架構(gòu)等教研教改各項(xiàng)成果運(yùn)用至課堂教學(xué),以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)。本課程組老師積極開(kāi)展與課程、教學(xué)改進(jìn)和實(shí)踐素質(zhì)相關(guān)的主題活動(dòng)。

    2.4 建設(shè)線上教學(xué)資源

    線上教學(xué)具有教學(xué)資源豐富、學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)間自由、學(xué)習(xí)狀態(tài)可控等優(yōu)點(diǎn)。已有教學(xué)大綱、教學(xué)進(jìn)度、電子教案、電子課件、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)等教學(xué)文件,配有各章節(jié)的重點(diǎn)內(nèi)容的微課視頻和課后習(xí)題等,以及實(shí)驗(yàn)實(shí)踐項(xiàng)目中主要設(shè)備的使用視頻和操作注意事項(xiàng)等。學(xué)生可自主學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識(shí),并按照簡(jiǎn)單例程編寫(xiě)程序,無(wú)需占用課堂教學(xué)時(shí)間,提高課堂教學(xué)效率。

    2.5 強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)

    虛擬儀器課程是一門軟硬件相結(jié)合的程序設(shè)計(jì)實(shí)踐課程,實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)非常重要,不僅要求學(xué)生熟練掌握LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言的使用,更要利用虛擬儀器設(shè)計(jì)平臺(tái)組建測(cè)控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、儀器控制、信號(hào)分析與處理等任務(wù)。通過(guò)實(shí)踐加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解,增加對(duì)虛擬儀器課程的興趣,提高編程、創(chuàng)新及動(dòng)手實(shí)踐能力[4]。

    測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的學(xué)習(xí)內(nèi)容多,涉及面廣,雖然在不同的課程中都有課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和獨(dú)立開(kāi)設(shè)的檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)、自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn),也包括電子設(shè)計(jì)制作等實(shí)踐課程,但都側(cè)重單門課程的知識(shí)應(yīng)用。因此學(xué)生在完成本專業(yè)各門課程的學(xué)習(xí)后,仍然缺乏測(cè)控技術(shù)系統(tǒng)的整體概念,在實(shí)際工作中面對(duì)具體問(wèn)題無(wú)從下手。為了改善這一問(wèn)題,培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力,結(jié)合測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的培養(yǎng)計(jì)劃和培養(yǎng)方案,建設(shè)了基于NI ELVIS Ⅲ的測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)實(shí)踐平臺(tái)。在本專業(yè)四年級(jí)開(kāi)設(shè)的測(cè)控系統(tǒng)綜合與創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐課程至少會(huì)有1學(xué)分(20學(xué)時(shí))與虛擬儀器相關(guān),主要培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)某一特定的測(cè)控系統(tǒng)的能力。具體設(shè)計(jì)項(xiàng)目會(huì)對(duì)接企業(yè),由企業(yè)提出具體需求,讓學(xué)生學(xué)會(huì)解決實(shí)際工程問(wèn)題。

    3 組織實(shí)施虛擬儀器線上線下混合教學(xué)

    結(jié)合已建成的互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)資源,在教學(xué)過(guò)程中實(shí)施線上線下相結(jié)合、理論與實(shí)際相結(jié)合、課程內(nèi)容與思政元素相結(jié)合,通過(guò)過(guò)程化考核加以持續(xù)改進(jìn),反饋到課程的教學(xué)任務(wù)和學(xué)習(xí)要求,形成教學(xué)閉環(huán),具體過(guò)程見(jiàn)圖1所示。

    3.1 課前布置預(yù)習(xí)內(nèi)容

    以觀看虛擬儀器教學(xué)微視頻、課前基本知識(shí)訓(xùn)練為主導(dǎo)。學(xué)生應(yīng)先根據(jù)課前發(fā)布的微視頻開(kāi)展知識(shí)點(diǎn)預(yù)習(xí),視頻學(xué)習(xí)情況記入考核環(huán)節(jié)。在線上視頻教學(xué)完畢后,發(fā)布上機(jī)操作習(xí)題,檢查學(xué)生對(duì)基本知識(shí)要點(diǎn)的理解程度[5]??稍谥腔蹣?shù)平臺(tái)結(jié)合思政主題活動(dòng)發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù),比如結(jié)合我國(guó)虛擬儀器使用情況調(diào)查等思想政治主題,對(duì)儀器行業(yè)相關(guān)的新設(shè)備、新技術(shù)、新發(fā)展等進(jìn)行宣傳,引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立科學(xué)的世界觀。

    3.2 課中講解重點(diǎn)難點(diǎn)+實(shí)驗(yàn)實(shí)踐

    教師通過(guò)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)情況和作業(yè)反饋,針對(duì)各班教學(xué)難點(diǎn),結(jié)合專業(yè)特性與學(xué)生興趣,通過(guò)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)、任務(wù)設(shè)置、合作探索等方式,對(duì)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)。結(jié)合模塊化硬件和LabVIEW軟件,對(duì)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用設(shè)計(jì)和集成開(kāi)發(fā),并通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐加強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力。通過(guò)分組實(shí)驗(yàn),增強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作與溝通能力。在此環(huán)節(jié)融入專業(yè)規(guī)范與規(guī)則,提高學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)。

    3.3 課后鞏固及開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)

    根據(jù)課后作業(yè)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告等反饋情況,老師因材施教。學(xué)有余力或者有興趣愛(ài)好的學(xué)生可在課后開(kāi)展開(kāi)放性試驗(yàn),將學(xué)習(xí)到的基礎(chǔ)知識(shí)去處理實(shí)踐應(yīng)用問(wèn)題。同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生參加大學(xué)生科創(chuàng)活動(dòng)或虛擬儀器競(jìng)賽等,進(jìn)而塑造學(xué)生的自學(xué)能力和創(chuàng)新能力。將課堂以外的專業(yè)主題活動(dòng)列入過(guò)程化考核范圍之內(nèi),能夠更加整體地評(píng)價(jià)學(xué)生的表現(xiàn),從而使學(xué)生可以形成把學(xué)習(xí)到的基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐活動(dòng)中的良好習(xí)慣。

    3.4 全程融入課程思政

    教學(xué)過(guò)程的各環(huán)節(jié)都可以融入課程思政,指導(dǎo)學(xué)生塑造社會(huì)主義核心價(jià)值觀,推進(jìn)工程倫理和職業(yè)道德教育,提升創(chuàng)新能力,如圖1所示。在課堂教學(xué)中,教師可以采用設(shè)置問(wèn)題法、專題嵌入法、因勢(shì)利導(dǎo)法、潛移默化法等多種方法,將課程思政內(nèi)容融入課堂思維之中,達(dá)到本課程的育人目標(biāo)。在上機(jī)操作環(huán)節(jié),學(xué)生在編程時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤,不愿主動(dòng)探究時(shí),教師可適當(dāng)進(jìn)行鼓勵(lì),告訴他們不能一遇到問(wèn)題就向老師或同學(xué)請(qǐng)教,要學(xué)會(huì)先獨(dú)立思考,自己發(fā)現(xiàn)、糾正代碼錯(cuò)誤,收獲自信和成就感;項(xiàng)目設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷修改、不斷測(cè)試的過(guò)程,要有一絲不茍、精益求精的精神;在輔導(dǎo)答疑時(shí),與學(xué)習(xí)任務(wù)完成較差的學(xué)生面對(duì)面地進(jìn)行交流,了解他們的學(xué)習(xí)困難之處,鼓勵(lì)他們解決問(wèn)題,表?yè)P(yáng)付出多、進(jìn)步大的學(xué)生,可以增強(qiáng)他們的自信心。

    3.5 優(yōu)化過(guò)程評(píng)價(jià)

    本課程采用過(guò)程化考核,考核方案為:線上教學(xué)部分(觀看視頻15%+平時(shí)作業(yè)15%) +線下教學(xué)(實(shí)驗(yàn)20%+設(shè)計(jì)型大作業(yè)50%) 。

    觀看教學(xué)視頻,并完成相應(yīng)的上機(jī)練習(xí)題。根據(jù)完成情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

    基于知識(shí)單元進(jìn)行作業(yè)管理。作業(yè)由導(dǎo)師從課后習(xí)題中選擇需要自己編寫(xiě)程序的題目,并要求學(xué)生提交程序VI的文檔說(shuō)明,表明編程設(shè)計(jì)思路,每次作業(yè)一周后,導(dǎo)師隨機(jī)抽取學(xué)生演示程序并回答作業(yè)問(wèn)題,從作業(yè)提交準(zhǔn)時(shí)、VI程序界面美觀、各控件布局合理、函數(shù)調(diào)用合適、程序運(yùn)行結(jié)果正確、設(shè)計(jì)思路和程序出現(xiàn)問(wèn)題后的解決方法等方面給與評(píng)價(jià)。

    在實(shí)驗(yàn)方面,利用NI的ELVIS Ⅲ實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成。每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都有由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的多重任務(wù),在鞏固所學(xué)知識(shí)和技能的基礎(chǔ)上,充分培養(yǎng)學(xué)生的虛擬儀器設(shè)計(jì)能力,使學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題,從而解決問(wèn)題。在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),根據(jù)學(xué)生提交的成果,分別從學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施能力、信息分析及處理能力、動(dòng)手操作能力等方面給予全面測(cè)評(píng)。

    在設(shè)計(jì)項(xiàng)目選題上,針對(duì)當(dāng)前虛擬儀器的行業(yè)應(yīng)用和近期虛擬儀器大賽內(nèi)容,通過(guò)課程組老師的集體研究,最終確定設(shè)計(jì)題目及內(nèi)容。項(xiàng)目完成需要設(shè)計(jì)整體思路的構(gòu)建、測(cè)試硬件電路的搭建、測(cè)試軟件的設(shè)計(jì)、整體功能的驗(yàn)證、設(shè)計(jì)報(bào)告的編寫(xiě)和答辯等幾個(gè)步驟。在此環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的參與度、動(dòng)手能力、設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力、報(bào)告撰寫(xiě)能力及表達(dá)能力進(jìn)行多方位綜合評(píng)定。

    通過(guò)上述過(guò)程化評(píng)價(jià)機(jī)制,可以更加全面地考查學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)效果。

    3.6 持續(xù)改進(jìn)

    由過(guò)程化考核給出的成績(jī),從及格率、成績(jī)分布情況等對(duì)課程目標(biāo)達(dá)成情況進(jìn)行分析,并提出改進(jìn)措施。同時(shí)在教學(xué)過(guò)程中,通過(guò)課后作業(yè)、輔導(dǎo)答疑、課堂實(shí)驗(yàn)及學(xué)生對(duì)課堂教學(xué)的反饋信息,及時(shí)調(diào)整教學(xué)進(jìn)度和方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)效果偏差的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

    4 結(jié)論

    通過(guò)虛擬儀器課程教學(xué)建設(shè)的初步研究,明確教學(xué)目標(biāo),轉(zhuǎn)變教學(xué)理念,豐富教學(xué)內(nèi)容,大力建設(shè)線上教學(xué)資源,培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力;強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué),理論知識(shí)和工程應(yīng)用緊密結(jié)合;組織實(shí)施線上線下混合教學(xué),形成閉環(huán)教學(xué)環(huán)節(jié);優(yōu)化評(píng)價(jià)方法,將思想政治教育課融入教學(xué)全過(guò)程,提高課程的教學(xué)效果。

    參考文獻(xiàn):

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    【通聯(lián)編輯:王 力】

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