虛擬儀器技術(shù)線上線下混合式課程教學(xué)分析及設(shè)計

鮑嶠

摘要??? 針對當(dāng)前虛擬儀器技術(shù)課程授課方式單一、教學(xué)內(nèi)容偏軟件等導(dǎo)致教學(xué)效果不佳的問題，本文從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)理念和教學(xué)設(shè)計等方面進(jìn)行了虛擬儀器技術(shù)線上線下混合式教學(xué)方法的探討與改革。利用慕課資源及工具，建立高效率的互動混合式課堂;完善教學(xué)內(nèi)容，打造圍繞解決工程技術(shù)問題的知識架構(gòu);優(yōu)化考核方式，提出考試、團(tuán)隊作業(yè)、平時作業(yè)、考勤等多維度評分方法;并在教學(xué)全過程中始終貫徹潛移默化的課程思政教育。

關(guān)鍵詞??? 虛擬儀器技術(shù);混合教學(xué);教學(xué)設(shè)計

中圖分類號：G424??? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2022.04.041

Teaching Analysis and Design of Online and Offline Hybrid Course of Virtual Instrument Technology

BAO Qiao

（College of Automation & College of Artificial Intelligence，Nanjing University of Posts & Telecommunications，Nanjing，Jiangsu 210023）

Abstract In view of the poor teaching effect caused by the single teaching method and the partial software teaching content of the current virtual instrument technology course，this paper studies the discussion and reform of the online and offline hybrid teaching method of virtual instrument technology from the aspects of teaching objectives，teaching ideas and teaching design. Use MOOC resources and tools to establish an efficient interactive hybrid classroom;Improve the teaching content and build a knowledge framework around solving engineering and technical problems;Optimize the assessment methods and put forward multi-dimensional scoring methods such as examination，team work，daily work and attendance;And in the whole process of teaching，we always implement the imperceptible curriculum ideological and political education.

Keywords virtual instrument technology;mixed teaching;teaching design

引言

隨著計算機(jī)、控制、通信和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等新興電子信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)已發(fā)展成為工業(yè)上廣泛使用的一項(xiàng)通用的技術(shù)架構(gòu)，并在眾多高科技領(lǐng)域中得到了應(yīng)用，例如5G通信、自動駕駛等。虛擬儀器技術(shù)課程，不僅是讓學(xué)生掌握一門技術(shù)，更是加強(qiáng)學(xué)生對工程技術(shù)問題的理解，培養(yǎng)學(xué)生的工程技術(shù)創(chuàng)新能力，讓學(xué)生通過“虛擬儀器技術(shù)”課程平臺學(xué)會真正解決一些與專業(yè)相結(jié)合的工程實(shí)際問題。但是，在虛擬儀器技術(shù)的教學(xué)過程中，依然存在許多問題，使得課程教學(xué)的實(shí)施效果不佳，亟需提出對策，改善教學(xué)質(zhì)量。

（1）在授課方式方面，當(dāng)前的教學(xué)以課堂理論授課為主，主要針對LabVIEW編程基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)采集與信號處理、虛擬儀器工程設(shè)計方法等方面進(jìn)行教學(xué)，而學(xué)生自己實(shí)踐、動手操作環(huán)節(jié)偏少，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不高。

（2）在教學(xué)內(nèi)容方面，由于虛擬儀器技術(shù)是一門多學(xué)科交叉、軟硬件相結(jié)合的課程，涉及傳感器、數(shù)字信號處理、通信原理等專業(yè)知識，若只是傳授虛擬儀器相關(guān)內(nèi)容，學(xué)生往往會陷入“虛擬”的軟件編程中，忽略“儀器”的硬件設(shè)計，無法將學(xué)習(xí)到的技術(shù)應(yīng)用至實(shí)踐中。而且，學(xué)生也無法建立本課程與其專業(yè)的聯(lián)系，也就不能真正將虛擬儀器技術(shù)用起來。

（3）在課程考核方面，當(dāng)前課程考核成績由三部分組成，分別是期末考試（70%）、平時作業(yè)（20%）和考勤情況（10%）。其中，期末考試采用開卷考試方式。開卷考試的初衷是讓學(xué)生不要死背硬記知識點(diǎn)，能夠靈活地運(yùn)用學(xué)到的知識設(shè)計虛擬儀器。然而，考試不可避免地涉及基礎(chǔ)知識的考核，真正的工程設(shè)計題分值比重較小，導(dǎo)致學(xué)生依然只注重書本上的知識，而不重視工程實(shí)踐中所需的虛擬儀器設(shè)計能力。

（4）在課程思政方面，雖然虛擬儀器技術(shù)課程在教學(xué)過程中涉及了按時考勤、作業(yè)不弄虛作假、團(tuán)隊合作、作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)日n程思政方面的內(nèi)容，但沒有進(jìn)一步提煉總結(jié)，學(xué)生的認(rèn)識不深刻。

針對上述問題，本文結(jié)合新時代高等教育思想，利用已建設(shè)的慕課線上資源整理改進(jìn)的措施，進(jìn)行了虛擬儀器技術(shù)線上線下混合式課程教學(xué)分析與設(shè)計。

1??? 教學(xué)目標(biāo)

“虛擬儀器技術(shù)”這門課程在測控技術(shù)與儀器、電氣工程及其自動化、自動化等專業(yè)中占據(jù)著越來越重要的作用，迫切需要教師改進(jìn)教學(xué)方法和完善教學(xué)內(nèi)容，預(yù)期達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)如下：

（1）構(gòu)建理論知識體系。希望以虛擬儀器技術(shù)課程為引導(dǎo)，以實(shí)際工程問題為驅(qū)動，使學(xué)生將所學(xué)的專業(yè)知識，如傳感器、信號分析處理、電子測量等綜合起來并構(gòu)建出一套工程技術(shù)的理論知識體系。

（2）提升動手實(shí)踐能力。希望利用虛擬儀器技術(shù)課程注重實(shí)踐學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，鍛煉學(xué)生的動手操作能力，將所學(xué)的理論知識應(yīng)用于解決專業(yè)相關(guān)問題。

（3）拓展科學(xué)技術(shù)視野。希望利用虛擬儀器技術(shù)眾多應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)勢，在工程案例中可添加介紹我國先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用，拓寬學(xué)生的知識視野。

2??? 教學(xué)核心理念

2.1??? 融入課程思政

對于以培養(yǎng)工程技術(shù)創(chuàng)新人才為目標(biāo)的虛擬儀器技術(shù)課程而言，在教學(xué)過程中不僅要重視專業(yè)知識和實(shí)踐技能的傳授，更應(yīng)將社會主義價值引領(lǐng)與知識傳授相結(jié)合，充分發(fā)揮課堂教學(xué)在思政教育中的主渠道作用。

（1）教學(xué)過程須有教育性。在傳授虛擬儀器專業(yè)知識的過程中應(yīng)當(dāng)明確體現(xiàn)虛擬儀器的科學(xué)性，體現(xiàn)虛擬儀器技術(shù)在工程應(yīng)用中的價值。通過虛擬儀器應(yīng)用領(lǐng)域眾多的優(yōu)勢，可充分展示我國工業(yè)的發(fā)展前景，激發(fā)學(xué)生的愛國、奮斗精神。

（2）教學(xué)環(huán)節(jié)須有靈活性。在教學(xué)過程中應(yīng)當(dāng)避免生搬硬套地插入思政教育環(huán)節(jié)，而是靈活地安排相關(guān)環(huán)節(jié)插入思政元素，如課堂討論、團(tuán)隊合作編寫軟件，潛移默化地提高思政教學(xué)的效果。

（3）教學(xué)評價須有引導(dǎo)性。在考核及作業(yè)評分部分，應(yīng)當(dāng)構(gòu)建一套體現(xiàn)思政知識掌握情況的評價體系，從而提高學(xué)生對思政教育的重視程度。

2.2??? 創(chuàng)新教學(xué)模式

教學(xué)模式的創(chuàng)新應(yīng)當(dāng)以促使學(xué)生積極參與教學(xué)過程為主要目的。在教學(xué)過程中，利用慕課資源實(shí)現(xiàn)線上線下混合式互動教學(xué)，豐富教學(xué)手段，充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性。利用慕課工具建立學(xué)生與教師的交流溝通橋梁，提高學(xué)生和教師的課堂效率。

教學(xué)模式的創(chuàng)新還應(yīng)當(dāng)以引導(dǎo)學(xué)生解決實(shí)際專業(yè)問題的過程為主要部分。教學(xué)過程中應(yīng)當(dāng)時刻注意培養(yǎng)學(xué)生解決工程技術(shù)的能力，以實(shí)際工程問題為引導(dǎo)，注重各種虛擬儀器技術(shù)的分析比較及使用場景，掌握LabVIEW編程技術(shù)的運(yùn)行機(jī)制，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

2.3??? 更新教學(xué)內(nèi)容

教學(xué)內(nèi)容須有整體性。虛擬儀器技術(shù)課程涉及眾多其它課程的知識，所以在其教學(xué)過程中應(yīng)當(dāng)以虛擬儀器技術(shù)的知識為主，同時融入其它相關(guān)課程的知識點(diǎn)，構(gòu)建出一套解決工程問題的技術(shù)架構(gòu)，鍛煉學(xué)生的綜合能力。

教學(xué)內(nèi)容須有先進(jìn)性。教學(xué)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)與時俱進(jìn)，先進(jìn)的編程思想和技術(shù)須及時更新，保持教學(xué)內(nèi)容的實(shí)時性。

教學(xué)內(nèi)容須有科學(xué)性。除了常規(guī)虛擬儀器技術(shù)基礎(chǔ)知識外，配套的工程應(yīng)用案例應(yīng)當(dāng)從正規(guī)期刊雜志或?qū)嶋H工程項(xiàng)目中獲取，保證教學(xué)內(nèi)容符合課程的科學(xué)理論體系。3課程教學(xué)設(shè)計

3.1??? 利用慕課資源，建立互動混合課堂

為配合和豐富本課程的教學(xué)手段，本文作者前期已參與建設(shè)了南京郵電大學(xué)“虛擬儀器技術(shù)”慕課課程，目前已開課2次，共2000余人次參加了線上課程學(xué)習(xí)，為線上線下混合教學(xué)提供了基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)。因而在授課方式方面，可充分利用慕課資源，豐富課堂教學(xué)中的互動環(huán)節(jié)，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如圖1所示，線上線下互動式教學(xué)手段主要包括課堂練習(xí)、單元測驗(yàn)、討論交流、掃碼考勤、作業(yè)互評、學(xué)習(xí)時長數(shù)據(jù)等。

其中，課堂練習(xí)和單元測驗(yàn)環(huán)節(jié)可大大提高學(xué)生在課堂上的集中注意力，增強(qiáng)學(xué)生對課程知識的理解，也可及時讓教師了解學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握情況，以便進(jìn)一步在課堂上補(bǔ)充講解。討論交流和作業(yè)互評環(huán)節(jié)使得學(xué)生在課后也能針對問題疑惑展開討論交流，特別是作業(yè)互評環(huán)節(jié)可極大地提高學(xué)生的查錯能力，從而促進(jìn)學(xué)生的自我反思。同時，給其他同學(xué)批改作業(yè)打分也能潛移默化地提高學(xué)生的責(zé)任心。掃碼考勤和學(xué)習(xí)時長數(shù)據(jù)管理環(huán)節(jié)也都能提高教師的管理效率，把時間全力集中于教學(xué)中。

相對于傳統(tǒng)的課堂理論教學(xué)，線上線下混合互動式課堂更容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生在課堂上的注意力及學(xué)習(xí)效率。

3.2??? 完善教學(xué)內(nèi)容，打造體系知識架構(gòu)

不同于其他專業(yè)課程，虛擬儀器技術(shù)是一門多學(xué)科交叉、軟硬件相結(jié)合的課程，更加注重于解決工程技術(shù)問題。因而在教學(xué)內(nèi)容方面，不能局限于LabVIEW編程，而要與相關(guān)的專業(yè)知識點(diǎn)聯(lián)系起來構(gòu)成體系，與工程應(yīng)用問題聯(lián)系起來，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

在緒論部分，首先要介紹虛擬儀器技術(shù)的課程性質(zhì)，即理論與實(shí)踐緊密結(jié)合、軟件和硬件相結(jié)合，需要對數(shù)據(jù)采集、總線技術(shù)、信號分析處理、電子測量原理、傳感器相關(guān)知識進(jìn)行學(xué)習(xí)，并利用計算機(jī)和虛擬儀器的強(qiáng)大功能去解決各種實(shí)際問題。根據(jù)此課程特點(diǎn)，給學(xué)生強(qiáng)調(diào)本課程的學(xué)習(xí)方法，即理解掌握基本概念原理，多編程、多動手、多操作，廣度和深度有機(jī)統(tǒng)一以及基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)等。

除了LabVIEW基本編程外，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)更加豐富，更加貼近于工程技術(shù)問題。例如，在程序結(jié)構(gòu)章節(jié)，除了順序結(jié)構(gòu)、條件結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、事件結(jié)構(gòu)等基本編程結(jié)構(gòu)外，應(yīng)當(dāng)在深度上進(jìn)一步拓展，給學(xué)生講解生產(chǎn)者/消費(fèi)者、狀態(tài)機(jī)等適用于工程技術(shù)的高級編程結(jié)構(gòu)，如圖2所示。當(dāng)然，在教學(xué)過程中，不能僅單純講解高級編程結(jié)構(gòu)，而是先比較這些高級編程結(jié)構(gòu)與常規(guī)結(jié)構(gòu)的區(qū)別，分析高級編程結(jié)構(gòu)的適用場景。如生產(chǎn)者/消費(fèi)者適用于一邊采集數(shù)據(jù)一邊存儲數(shù)據(jù)且采集速度快于存儲速度的情況。因而生產(chǎn)者/消費(fèi)者為兩個循環(huán)并行的架構(gòu)，主循環(huán)與從循環(huán)并行執(zhí)行，主循環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從循環(huán)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存，主循環(huán)的數(shù)據(jù)通過隊列傳送給從循環(huán)。這樣，學(xué)生更容易理解LabVIEW高級編程結(jié)構(gòu)的原理和運(yùn)行機(jī)制。

在虛擬儀器工程設(shè)計方法這部分，應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目的執(zhí)行全流程，從廣度上給學(xué)生講解設(shè)計方法，包括需求分析和技術(shù)方案的制定、虛擬儀器系統(tǒng)選型、虛擬儀器軟件開發(fā)平臺選型、應(yīng)用軟件開發(fā)系統(tǒng)調(diào)試以及編寫系統(tǒng)開發(fā)文檔。同時講解過程中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際工程案例。

通過上述教學(xué)內(nèi)容的完善，可提高學(xué)生的實(shí)踐能力，能夠真正起到使用虛擬儀器技術(shù)解決工程技術(shù)問題的作用。

3.3 ???優(yōu)化考核方式，提出綜合評分方法

在期末考試方面，采用開卷方式，考試題型包括填空、選擇、概述、編程和綜合設(shè)計。在填空和選擇題中，可主要考察虛擬儀器技術(shù)課程的基礎(chǔ)知識，如虛擬儀器的概念、LabVIEW基礎(chǔ)知識、數(shù)據(jù)采集基本概念、儀器控制基本原理等;在概述題中，則設(shè)計一些開放性的應(yīng)用場景題目，考察學(xué)生根據(jù)應(yīng)用場景分析、比較并選擇最佳虛擬儀器設(shè)計方案的能力，如全校溫濕度測量的虛擬儀器總線選型、電池健康監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集卡信號接入方式比較等;在編程題中，不再是單調(diào)地給出一段程序，讓學(xué)生給出運(yùn)行結(jié)果，而是根據(jù)學(xué)生所在專業(yè)，編寫利用本專業(yè)知識解決問題的程序。例如，在考核自動化專業(yè)學(xué)生時，可設(shè)計根據(jù)控制系統(tǒng)方程繪制根軌跡圖并判斷其穩(wěn)定性的編程題。在綜合設(shè)計題中，同樣須設(shè)計一些與專業(yè)相關(guān)的實(shí)際工程應(yīng)用場景，且要包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩方面。

例如，在考核電氣專業(yè)學(xué)生時，可設(shè)計電力系統(tǒng)諧波幅值和總諧波畸變量測量的虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計題，考察學(xué)生真正使用虛擬儀器技術(shù)解決實(shí)際問題的能力。

在平時作業(yè)方面，減少作業(yè)次數(shù)的同時提高作業(yè)完成質(zhì)量，主要措施如下。首先，按照知識單元布置作業(yè)，分別是LabVIEW設(shè)計基礎(chǔ)、程序結(jié)構(gòu)、復(fù)合數(shù)據(jù)類型，文件I/O和圖形顯示、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、信號處理和分析，共6次作業(yè)。布置的作業(yè)多為需要學(xué)生自己動手編程的題目，且學(xué)生須在慕課上提交LabVIEW程序文件。作業(yè)評分也采取老師評分和學(xué)生互評兩種方式，這樣既可使老師了解學(xué)生的知識掌握情況，也可讓學(xué)生在給其他同學(xué)評分的同時進(jìn)一步復(fù)習(xí)并促進(jìn)學(xué)術(shù)交流。此外，除了常規(guī)作業(yè)外，還須布置團(tuán)隊作業(yè)。即在學(xué)期初讓學(xué)生組成小隊，合作設(shè)計并編寫與本專業(yè)相關(guān)的軟件程序，最后在學(xué)期末進(jìn)行PPT匯報和展示。

通過上述考核方式的優(yōu)化，可使學(xué)生更加注重學(xué)習(xí)虛擬儀器的分析及應(yīng)用設(shè)計方法，鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊合作能力，將課程思政潛移默化地融合至課程教學(xué)中。

4??? 結(jié)語

通過以上教學(xué)設(shè)計措施，增強(qiáng)了課堂的師生互動，能夠引導(dǎo)學(xué)生積極參與到課堂中;虛擬儀器技術(shù)的理論知識和工程應(yīng)用得到了緊密結(jié)合，學(xué)生的實(shí)踐能力得到了有效鍛煉;考核方式多樣且兼顧理論與實(shí)踐，更加公正全面。

參考文獻(xiàn)

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