基于翻轉課堂式《虛擬儀器技術》課程思考和實踐

戴洪德, 盧建華, 郭 巍, 吳光彬, 王希彬

(海軍航空工程學院 控制工程系,山東 煙臺 264001)

基于翻轉課堂式《虛擬儀器技術》課程思考和實踐

戴洪德, 盧建華, 郭 巍, 吳光彬, 王希彬

(海軍航空工程學院 控制工程系,山東 煙臺 264001)

不同專業或研究方向的研究生學習《虛擬儀器技術》課程的基礎和將來課題研究的針對性不同,傳統的教學方法是難以奏效的。針對這一問題,研究并實踐了基于翻轉課堂的碩士研究生《虛擬儀器技術》課程教學方法。翻轉課堂方法適用于具備一定自學能力的研究生,知識點的獲取由被動接受學習變為課前預習教材、查閱文獻資料和觀看教學視頻的主動學習。教員通過概念問題和反饋問題在課堂上實現學習的互動,并使用同濟教學的方法來提高不同層次的學習能力。實踐證明了將往期的《虛擬儀器技術》教學內容錄制視頻供學員自主學習,采用翻轉課堂的教學方法效果更好。

翻轉課堂; 虛擬儀器; 概念問題; 反饋問題; 同儕教學

1 引 言

隨著計算機技術、現代測量技術的發展,近年來虛擬儀器技術得到了迅猛的發展。虛擬儀器技術廣泛應用于軍事、民用的各個領域,特別是儀器、測量與控制、自動化等領域。為適應技術發展和人才需求,短期內國內眾多院校增設了“虛擬儀器”課程,并在實驗、實習、畢業設計、一些大學生設計大賽等教學環節和活動中增加了相關內容。以NI公司(美國國家儀器公司)為首的廠家,與清華大學、上海交通大學等許多大學以共建的形式,建立了大量實驗室。可以說,“虛擬儀器”教學以及教學研究正如火如荼地展開[1]。另一方面,目前的“虛擬儀器”教學主要集中在推廣虛擬儀器技術的應用上面,類似于許多信息技術和工具軟件發展初期情況。相關專業一般將“虛擬儀器”作為一種工具或一個軟件在教學。作為專業應用的軟件和工具基礎,如何安排對應的有效的教學內容,以及如何按照教育教學規律和認知規律,有效融入研究生教育教學經6驗成果等等,這些方面的教學研究還鮮見成果,而這些研究的開展和深入,是研究生教育人才培養和教學效能的關鍵。

《虛擬儀器技術》課程是研究生的一門選修課,學時少(只有18學時),選用教材為普通高等教育“十二五”規劃教材的賈惠芹主編的《虛擬儀器設計》,由機械工業出版社出版。研究生學員屬于不同的專業或方向,對數據采集、總線接口技術、驅動程序設計方法和應用軟件開發平臺等課程教學內容的熟悉程度也不一樣。在計算機軟件技術不夠成熟的時候,《虛擬儀器技術》課程的教學方法通常是在講解課程教學內容后,安排學員上機完成相關案例的程序編寫。然而,現在的研究生學員在本科期間大多已經有LabVIEW、Labwindows/CVI等軟件平臺的編程基礎,按照原先教學方法的授課只是重新練習編程,效果較差。

針對學員的自主學習意識差、學習能力弱的問題,許多美國學者和教員經過思想的砥礪和實踐探索,提出了翻轉課堂的教學方法。這一教學法使課堂中的教員和學員的角色發生了轉變,對常規教學內容和課外學習內容進行“翻轉”,學員成為課堂的中心,由此提高了自主學習能力。教員把授課內容先期制作成教學視頻,布置給學員在課外時間進行學習,學員則根據自己的學習水平和進度多次觀看上述教學視頻。而通過將常規教學內容翻轉為學員的課外學習內容,翻轉課堂為教員教學節省了大量寶貴的課堂時間,教員可以在課堂上組織互動和合作式的學習活動(如開展專題研究、測驗等),解決學員觀看視頻后產生的問題,并在教員的指導下,引導學員進行知識的應用和擴展,提高學員認知水平[2]。

2 實施方法

在《虛擬儀器技術》課程教學中,可以使用及時教學和同儕教學兩種教學方法來激勵學員參與課堂活動。

及時教學是由普渡大學教授格雷戈爾·諾瓦克(Gregor Novak)提出的。所謂及時教學就是用形成性評價來判斷學員對課程內容的理解,并根據學員的理解情況安排課堂時間。在翻轉課堂中,教員主要是利用課堂時間通過學員在課前構建起來的知識來進行加深知識的學習。課前知識的構建主要通過教員提供的視頻資料,由學員自己完成。課堂時間內的加深知識學習要通過以下幾步來完成。首先,教員提出兩個概念問題(Conceptual Questions)。概念問題不應該是典型的記憶問題,應該是需要分析性思維的問題。好的概念問題可以引導學員思考他們應該做什么。謝爾指出,如果學員沒有完成課前的知識學習,他們就無法回答概念問題。其次,教員要向學員提出一個反饋問題(Feedback Question)。謝爾認為這是非常關鍵的步驟。反饋問題可以是:“你認為關于這個概念或主題哪個部分是最難的,最令你費解的或者最使你感興趣的？”謝爾教授指出,在她的課堂中得到最多的關于反饋問題的答案是:“我沒有找到任何感到費解或感興趣的部分。”那么接下來教員可以提出下一個問題:“關于這個概念你想知道什么？”從學員的回答中教員可以發現學員對于概念或主題在哪些方面是不理解的或理解錯誤的。對于有經驗的教員來說,一般在課前就可以大概知道學員對哪些內容感到費解或感興趣。但是在聽取學員的回答時最有價值的問題應該是教員以前沒有想到的問題。學員對于概念問題和反饋問題的回答就可以提示教員如何安排剩余的課堂時間。

謝爾教授會給學員的作答打分,她所定的打分標準分為三級:(1)0分,沒有回答或沒有答全;(2)1分,回答了,但是不合情理或沒有根據;(3)2分,回答了,有理有據,即使答案是錯誤的。謝爾教授認為我們不應該以答案是否正確來給學員打分,我們試圖做的是幫助學員建立參與課堂活動的動機,讓他們參與到學習中來,以便在課堂中展開更深入的活動。

在多年對新的教學方法的研究和推廣過程中,謝爾教授經常被問到一個問題:“如果學員課前什么都學了,那么上課做什么呢？”她的回答是同儕教學,這是20世紀90年代由哈佛大學教授埃里克·馬祖爾(Eric Mazur)研發的教學技巧。同儕教學包括以下7個步驟:(1)教員對課堂主題作簡要介紹;(2)學員問與主題相關的問題,這樣會擴展他們的思維;(3)每個學員獨立地挑選并回答一個問題,然后和同伴進行討論,努力使同伴相信他的答案是正確的;(4)學員們回答相同的問題;(5)由教員公布正確答案;(6)學員被邀請分享為什么他們要選擇那個問題,他們的答案是否正確;(7)教員給出一個詳細的解釋。在同儕教學的過程中,謝爾認為學員應該與自己持不同意見的同學一起討論他的答案。教員應該創造條件讓學員充分討論,而且她發現越是知道自己答案錯了的學員越愿意主動參與討論,這正是為什么在公布正確答案前讓他們解釋自己想法的原因。

3 視頻制作的內容

在制作課程視頻模塊時,要求各個模塊具有相對的獨立性,又具有一定的階梯性[3],而且各個模塊能夠按一定的目標組合成一個較完整的體系;各個模塊之間有一定的連續性,能夠保證學員連續地學習相關的知識。

通過將課程劃分成三個基本模塊以滿足不要層次學員的需要,學員可根據自己需要進行選擇,其中:模塊A是選課學員必選模塊,這個模塊達到第一類培養目標;模塊A+B達到第二類培養目標;模塊A+B+C完成第三類培養目標,如圖1所示。

圖1 課程結構圖Fig.1 Structure chart of class

在課程模塊視頻制作中以實踐為中心,采用“基礎-應用-創新”三層次的教學模式,有效地提高學員的實際動手能力,更好地激發他們的學習興趣和探索精神,達到培養出應用型人才的目標。

(1) 基礎,應用和創新的基石

“虛擬儀器”課程主要學習虛擬儀器的工作原理、組成方式和開發軟件LabVIEW編程,掌握虛擬儀器的面板設計、程序框圖設計、測試信號分析與處理,學習虛擬儀器硬件的工作原理和電路設計,虛擬儀器系統集成和軟件技術。

視頻制作的方案是:在系統介紹虛擬儀器的基本概念、構成分類和最新發展方向的基礎上,把虛擬儀器代碼設計和面板設計、文件存儲技術、DAQ儀器工作過程、數據信號處理、虛擬儀器的網絡通信技術和虛擬儀器的應用等作為教學的主要內容。

(2) 應用,彰顯學以致用

虛擬儀器與傳統儀器的不同在于它由測試硬件完成信號的采集與控制,而將信號分析與處理、結果表達與輸出讓計算機來完成,編制具有某種測量功能的軟件就可構成具有該種功能的測試儀器。針對以上特點,我們把課程的主要內容講述為重點在于應用,以一系列使用性、操作性、應用性項目為主,設計出測試和應用等一系列實驗和訓練模塊。如:虛擬示波器、頻譜分析儀的設計、溫度和壓力等檢測儀表的設計和數據實時通信等,重點突出應用技能的基本訓練與綜合設計,為后續基于虛擬儀器技術的創新實踐打下基礎。

(3) 創新,教學實戰一體化

為培養學員的工程意識和能力,教學內容取材于部隊實際案例和典型系統。根據知識點將整個項目分解開來,由簡單到復雜、由局部到整體、由分立到綜合,構建項目化教學內容體系,應用性更加突出。采用的是項目驅動教學方法,具體過程如圖2所示。

圖2 項目驅動教學過程Fig.2 Project drived Teaching Process

4 培養目標

由于虛擬儀器是工科類選修課,課程更應該關注研究生學員的自身發展和需求,教學必須滿足學員不同層次學習的要求,因此,將課程的培養目標分成三類,即:

第一類:拓展知識、了解當代新技術發展

這類學員有良好的基礎知識,有明確的學習目標,選修本課程是為了在今后的工作中能了解當代新技術發展與應用,因此,課程培養目標是要求學員掌握虛擬儀器的基本概念、組成、工作原理和使用技巧,全面了解虛擬儀器的關鍵技術和實際應用。

第二類:從事相關行業,有一定的開發能力

這類學員的專業與測控、電氣專業相近,認為學習虛擬儀器的開發軟件有助于將來從事相關工作,因此,課程培養目標是要求學員掌握虛擬儀器的原理及開發技術,熟悉虛擬儀器開發平臺和軟件設計的方法,并能結合數據采集卡來組建虛擬儀器系統,能運用所學專業知識從事虛擬儀器的設計、應用和測試,有獨立分析問題和解決問題的能力。

第三類:從事虛擬儀器技術開發應用

這類測控、電氣專業的學員,作為專業技術課,其培養目標是要求學員掌握虛擬儀器的基本概念和使用,掌握利用虛擬儀器來解決生產實際中信息采集與處理問題的基本技能,培養學員綜合運用所學知識的能力、加強學員工程觀念的培養,提高學員分析問題、解決問題和實踐動手的能力,為后續的其它專業技術課程的學習打下必要的基礎。

針對多層次的培養目標,必須確定虛擬儀器課程的不同層次教學要求,開展多層次的基礎教學工作。

因此,課程必須確定一些既相互獨立又能有效組合而且能擴展的教學模塊。針對以上三類不同層次的基礎培養目標,將虛擬儀器技術課程設置為三個模塊:(A)基礎編程、(B)應用開發、(C)創新教學。

基礎編程模塊:在系統介紹虛擬儀器的基本概念、構成分類和最新發展方向的基礎上,把虛擬儀器前面板設計和程序框圖設計、文件I/O、數據采集、虛擬儀器的網絡通信技術、虛擬儀器的應用-數字信號處理等作為教學的主要內容。

應用開發模塊:課程的主要內容從理論講述轉換到重點在于應用,以操作性、應用性項目為主,設計出測試、應用等一系列實驗模塊。如:虛擬電壓表、頻譜分析儀、信號發生器的設計,發動機排氣溫度、發動機燃油壓力等檢測儀表的設計,數據實時通信等,重點突出應用技能的基本訓練與綜合設計,為后續基于虛擬儀器技術的創新實踐打下基礎。

創新教學模塊:采用項目驅動教學方式[4-6],教學內容取材于實際的工程項目,根據知識點將整個項目分解開來,由簡單到復雜、由局部到整體、由分立到綜合。在整體結構上,將知識點與具體實例應用相融合,應用針對性更強。

5 結束語

《虛擬儀器技術》這門研究生的選修課開設已10余年了,研究生學員選課的積極性很高,學習效果較好,為我院各型測試設備的設計生產研制培養了大批人才。鑒于不同學員對本門課不同內容學習的廣度和深度不同,使用傳統模式進行因材施教的困難較大;為此,在總結歷年成功經驗的基礎上,提出翻轉課堂的教學方法:學員通過收看教員事先錄好的教學視頻,和教員提出的關鍵問題進行互動,并結合自身的研究方向撰寫出1-2篇學術論文。往期學員均認為本門課實用性很強,此期授課學員表示收獲很大。翻轉課堂教學模式在不同的地區,不同的學科中運用所產生的效果是不一樣的,那么虛擬儀器課程使用翻轉課堂操作所需要的條件具體有哪些,是否還會取得更好的教學效果,這將是我們今后研究的重點。

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WANG Cong,ZHANG Fengjuan.The Flipped Classroom in America:Evolution,Application Effect and Practical Issures[J].Studies in Foreign Education,2015,9(42):96-107.

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戴洪德 男(1981-),江蘇泰州人,博士,副教授,主要研究方向為航空自動化,慣性技術與組合導航。

盧建華 男(1970-),江蘇南通人,碩士,副教授,主要研究方向為飛機電源與電氣控制,飛機檢測。

Consideration and Practice about the Course Virtual InstrumentTechnology based on Flipped Classroom

DAIHongde,LUJianhua,GUOWei,WUGuangbin,WANGXibin

Department of Control Engineering,Naval Aeronautical and Astronautical University,Yantai 264001,China

For graduate students from different discipline or research area,the foundation and potential future project for them to learn the course ‘Virtual Instrument Technology’ are different.So,the classical teaching methods are difficult to play well.Aiming at this problem,a teaching method based on flipped classroom for the course ‘Virtual Instrument Technology’ is studied and practiced.Flipped classroom is suitable for the graduate students who have better selflearning ability,the obtain of knowledge is changed from passive acceptance to initiative learning,such as preparing lessons before class,reading meterials and watching teaching video.By conceptual questions and feedback questions,teacher can implement interaction in classroom,and improve learning ability at different level by applying peer teaching.Practical results show that better effect can be achieved by providing teaching videos of ‘Virtual Instrument Technology’ to students for selflearning and applying the flipped classroom.

flipped classroom; virtual instrument; conceptual questions; feedback questions; peer teaching

TP 216,N 41

A