工程實踐思維下LabVIEW教學(xué)模式探索

陳 奎，張 雷，田秀玲

（1.徐州工程學(xué)院 信息工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018；2.江蘇省大型工程裝備檢測與控制重點建設(shè)實驗室，江蘇 徐州 221008）

0 引言

工程實踐以實現(xiàn)一定的客觀對象為目標(biāo)，并具有綜合性等特點。學(xué)生的工程實踐能力狹義上可解構(gòu)為在專業(yè)學(xué)科背景下應(yīng)用專業(yè)知識與技術(shù)解決工程問題的能力，側(cè)重于技術(shù)層面的問題解決。廣義上，工程實踐能力可解構(gòu)為在真實的實踐情境下學(xué)生以準(zhǔn)工程師身份從事專業(yè)實踐所需的能力集合，不僅注重在技術(shù)層面上解決專業(yè)問題，而且注重在非技術(shù)層面上與利益相關(guān)者進(jìn)行互動［1］。基于工程實踐特點和工程實踐能力的解構(gòu)，工程實踐思維是一種綜合性思維［2］，比如實踐中的均衡與妥協(xié)、簡化與最優(yōu)、結(jié)構(gòu)化思維和抽象思維等，可以指導(dǎo)工程師的工程實踐活動。

黨和國家出臺的一系列深化產(chǎn)教融合的“組合拳”，旨在構(gòu)建教育與產(chǎn)業(yè)統(tǒng)籌融合、良性互動、協(xié)同育人的模式，旨在提升應(yīng)用型本科高校的建設(shè)水平［3-4］。因此，在工程思維引導(dǎo)下，根據(jù)工程實踐能力的可行性、漸進(jìn)性、層次性、系統(tǒng)性和可評價性，有必要對教學(xué)模式進(jìn)行探索和重構(gòu)［5-8］。

與C、MATLAB和Python一樣，LabVIEW也是一種通用編程系統(tǒng)。LabVIEW是面向工程師的圖形化編程語言，采用符合工程師思維習(xí)慣、契合工程思維的程序框圖（Block Diagram）編程方式。LabVIEW具有以下特點：①語法簡單、形象、易學(xué)，內(nèi)置常見數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和相應(yīng)I/O控件；②編程過程，即程序框圖繪制過程與工程實踐思維方式契合，所想所畫即所得；③LabVIEW程序架構(gòu)和編程模式都經(jīng)過工程實踐的長期檢驗，具有高效性、可行性和經(jīng)濟(jì)性。Lab-VIEW也支持OOP面向?qū)ο缶幊蹋岣吡舜a復(fù)用率，便于項目分工合作；④有豐富的擴(kuò)展工具庫或第三方工具庫，利用庫內(nèi)的函數(shù)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫操作、時頻分析、圖像處理等功能。LabVIEW及其技術(shù)生態(tài)鏈鋪平了軟硬件之間的鴻溝，因此在數(shù)據(jù)采集、電子測試、儀器儀表、自動控制等工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。這些特性表明了LabVIEW在塑造工程思維及工程實踐中的相對優(yōu)勢。

常規(guī)的類似C語言的教學(xué)模式中過多強調(diào)語法和規(guī)則的掌握，勢必淡化LabVIEW工程化的優(yōu)勢，不利于工程實踐思維能力的培養(yǎng)，致使學(xué)習(xí)過程簡單化、同質(zhì)化。學(xué)生僅學(xué)會了基本語法和簡單流程，但不知也不敢將其應(yīng)用于實踐。為此，很多高校結(jié)合并利用LabVIEW的特點開展了工程實踐課程改革，注重工程實踐思維的培養(yǎng)［11-15］，在具體的項目甄選、實驗實踐設(shè)計、應(yīng)用拓展、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)導(dǎo)向及考核方法等方面各自給出了很好的解決思路。

LabVIEW符合工程師的思維習(xí)慣，工程實踐門檻低，易于培養(yǎng)工程思維素養(yǎng)。本文對近年來的教學(xué)工作進(jìn)行總結(jié)，系統(tǒng)地給出工程實踐思維指導(dǎo)下的LabVIEW課程教學(xué)改革總體方案。從技術(shù)生態(tài)、專業(yè)背景、學(xué)校特色、人才需求幾方面進(jìn)行綜合考慮，有目的地甄選實踐項目并圍繞項目設(shè)定教學(xué)內(nèi)容、設(shè)計教學(xué)方法和手段、設(shè)置課內(nèi)課外實踐，并制定綜合評價體系。同時針對方案在實踐過程中出現(xiàn)的關(guān)鍵問題探討對應(yīng)的解決方案，希望對電子信息學(xué)科各專業(yè)的教學(xué)改革起到一定的參考作用。

1 原有LabVIEW教學(xué)模式與條件

徐州工程學(xué)院設(shè)有虛擬儀器技術(shù)、LabVIEW程序設(shè)計實訓(xùn)和虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計與工程應(yīng)用課程。學(xué)院與美國NI公司合作共建智慧工業(yè)控制技術(shù)實驗室，可為LabVIEW工程化教學(xué)提供平臺支撐，完成數(shù)據(jù)采集、信號處理、自動控制、實時嵌入式監(jiān)測、機(jī)器視覺等方面的實踐教學(xué)以及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目。以往教學(xué)中沿用C語言的教學(xué)模式，無法體現(xiàn)工程思維，也無法滿足產(chǎn)教融合、應(yīng)用型本科發(fā)展的需求［9-10，15］，主要原因如下：

（1）教學(xué)內(nèi)容無法體現(xiàn)工程思維。與C語言相比，Lab-VIEW學(xué)習(xí)門檻低、易入門，豐富的前面板控件、函數(shù)庫和程序結(jié)構(gòu)更易于構(gòu)建工程化應(yīng)用程序。但在教學(xué)過程中，依舊采用C語言課程的教學(xué)模式，關(guān)注點側(cè)重于數(shù)據(jù)類型、程序結(jié)構(gòu)、函數(shù)與文件等編程語法和要件。

（2）教學(xué)手段無法體現(xiàn)工程實踐思維。教學(xué)手段上借助靜態(tài)PPT并以課堂講述為主，如知識點講解、例程說明等。學(xué)習(xí)期間，學(xué)生被動接受，無法主動思考，也無法發(fā)揮主觀能動性。LabVIEW框圖式編程環(huán)境更適合按照工程思維邊講解、邊分析、邊繪制（編程），讓學(xué)生感受工程思維下分析問題、解決問題的過程。

（3）教學(xué)實踐設(shè)置單一。課內(nèi)安排8學(xué)時上機(jī)實驗，實驗內(nèi)容僅是獨立教學(xué)單元內(nèi)的分立實驗或簡單實踐，缺少知識間的連貫與串聯(lián)；實踐內(nèi)容多為脫離工程背景的抽象的語法訓(xùn)練、數(shù)學(xué)算法或程序邏輯設(shè)計，忽視了解決實際問題中的思維訓(xùn)練，無法考量學(xué)生分析與解決問題的能力。

實訓(xùn)課由學(xué)生選題，其中算法結(jié)構(gòu)占比30%，考察算法邏輯和程序結(jié)構(gòu)的掌握情況，綜合實踐題占比70%，考察系統(tǒng)設(shè)計的合理性與完整性。但實施效果不理想，存在選題簡單、脫離實際、突擊完成等現(xiàn)象，無法客觀判斷學(xué)生綜合運用LabVIEW解決實際工程問題的能力，無法實現(xiàn)教學(xué)成效的本質(zhì)提升。

（4）教學(xué)評價手段單一。以紙質(zhì)試卷考察基本概念，分?jǐn)?shù)占比30%～40%，5～8題獨立程序考察基本編程邏輯和編程要件的使用，分?jǐn)?shù)占比60%～70%。但實訓(xùn)課程僅能反映學(xué)生對LabVIEW語言的掌握情況，無法反映出其工程實踐思維和解決問題的能力。

2 工程實踐思維下的LabVIEW教學(xué)模式

以工程化思維方式設(shè)計LabVIEW教學(xué)模式，通過引入項目和工程，幫助學(xué)生在LabVIEW語言學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上將問題發(fā)現(xiàn)、問題分析、問題解決的工程思維通道理順。以工程情境為先，編程要件隨后，實驗和實踐驗證次之，最后拓展思路［10-15］。以機(jī)器視覺檢測為工程背景設(shè)計教學(xué)模式如圖1所示。

Fig.1 Teaching system under the thinking of engineering practice圖1 工程實踐思維下的教學(xué)體系

（1）征集工程背景和應(yīng)用場景。課程開始前，以課程組教師為主，學(xué)生參與討論LabVIEW工程應(yīng)用情況，從技術(shù)生態(tài)、專業(yè)背景、學(xué)校特色和人才需求幾個方面討論課程的工程應(yīng)用背景與應(yīng)用場景，并根據(jù)師資力量和學(xué)生興趣選定課程的主要工程背景。

（2）制定教學(xué)內(nèi)容和各教學(xué)環(huán)節(jié)。以“LabVIEW機(jī)器視覺幾何測量應(yīng)用”為例，教學(xué)內(nèi)容、單元劃分和實踐環(huán)節(jié)層層遞進(jìn)設(shè)置。教學(xué)內(nèi)容劃分為：LabVIEW語言基礎(chǔ)、機(jī)器視覺基礎(chǔ)、圖像與視頻采集、圖像與視覺函數(shù)、幾何量檢測5個核心任務(wù)。基礎(chǔ)部分包括解決此類工程問題必要的編程要件、背景常識的學(xué)習(xí)等，教師重點講解并鼓勵學(xué)生課后強化。其余3個任務(wù)在教學(xué)中以發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的模式逐層展開課堂教學(xué)。

（3）開展課外拓展實踐活動。課后組織開展工程拓展實踐，鍛煉學(xué)生解決工程問題的能力，從而深入驗證課堂教學(xué)內(nèi)容，使其觸類旁通。同時對新技術(shù)、新設(shè)備與Lab-VIEW的融合開展研討，進(jìn)一步拓展學(xué)生視野。

3 LabVIEW機(jī)器視覺教學(xué)設(shè)計

貫徹工程實踐思維下的LabVIEW課堂教學(xué)模式，需要在教學(xué)內(nèi)容選定、教學(xué)方法制定、教學(xué)實踐設(shè)置以及教學(xué)評價體系構(gòu)建等多個環(huán)節(jié)提供支撐。

3.1 教學(xué)內(nèi)容選定

LabVIEW教學(xué)內(nèi)容體系包括編程基礎(chǔ)、工程應(yīng)用和拓展工程應(yīng)用3部分，如圖2所示。其中，編程基礎(chǔ)指Lab-VIEW編程語法以及有別于文本語言的一些特殊編程要素、概念等。圖形化的LabVIEW編程形象、直觀，易上手，已有C語言基礎(chǔ)的學(xué)生在教師的實時示范下可較容易掌握。此部分可以盡量弱化課堂教學(xué)，采取自學(xué)、MOOC等方式。

Fig.2 Teaching content and arrangement under the thinking of engineering practice圖2 工程實踐思維下的教學(xué)內(nèi)容與安排

工程應(yīng)用部分的教學(xué)內(nèi)容包括信號、通信、視覺以及第三方庫，此部分體現(xiàn)LabVIEW工程應(yīng)用的深度和廣度，體現(xiàn)其在工程場景中應(yīng)用的優(yōu)勢，應(yīng)作為課堂教學(xué)的講授重點。另外，實際工程應(yīng)用中常采用不同的LabVIEW程序架構(gòu)與編程模式以面對不同的工程應(yīng)用。合適的架構(gòu)和模式可以合理組織程序，減少邏輯、時序上的錯誤。

拓展工程實踐通過實際案例介紹LabVIEW技術(shù)及其技術(shù)生態(tài)在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用與定位，介紹LabVIEW與其他技術(shù)的融合，如與Python、深度學(xué)習(xí)技術(shù)的融合等。通過對LabVIEW技術(shù)生態(tài)解決實際問題的分析，進(jìn)一步提升學(xué)生解決工程問題的能力，增強其課程學(xué)習(xí)的動力。

LabVIEW技術(shù)生態(tài)鏈較長，圖2中的工程應(yīng)用與其他課程也有著緊密聯(lián)系。學(xué)生經(jīng)過機(jī)器視覺課程的學(xué)習(xí)和鍛煉后，輔以其他理論和實踐課程的知識，完全可以在工程實踐思維下采用LabVIEW技術(shù)生態(tài)解決其他工程問題。

3.2 教學(xué)方法制定

在工程應(yīng)用背景下，傳統(tǒng)的教師主導(dǎo)、學(xué)生被動的教學(xué)模式往往使教學(xué)內(nèi)容脫離實際、缺乏指向性，無法喚起學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性。采用工程實踐思維的教學(xué)方法如圖3所示，突出以工程應(yīng)用或工程項目為核心的理念。項目應(yīng)用背景和場景由師生共同確定，學(xué)生多提出問題，教師詮釋和拓展背景。解決思路和方案由教師給出分析與建議，學(xué)生給出自己的方案。技術(shù)支撐和具體程序內(nèi)容是以學(xué)生為主體，在教師的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)完成。整個過程凸顯工程背景，學(xué)生以興趣為動力，全程參與問題的提出、分析和解決，教師把握難點和方向，定向指導(dǎo)。

Fig.3 Teaching method with engineering application as the core圖3 以工程應(yīng)用為核心的教學(xué)方法

為順利實施上述教學(xué)方法，在具體教學(xué)過程中應(yīng)結(jié)合學(xué)情反饋和教學(xué)內(nèi)容的特點靈活運用各種教學(xué)手段。以LabVIEW機(jī)器視覺工程領(lǐng)域應(yīng)用為背景，教學(xué)內(nèi)容按其特點分為視覺編程基礎(chǔ)、視覺函數(shù)和程序框架及工程項目實踐3個層次類別。具體教學(xué)手段如圖4所示。

Fig.4 Teaching means圖4 教學(xué)手段

視覺編程基礎(chǔ)部分包括LabVIEW語言基本語法和概念、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)I/O等內(nèi)容。此部分相對簡單、直觀，采用師生互動、以學(xué)生為主的教學(xué)方式。在工程背景下，采用項目驅(qū)動方式由教師演示具體程序編寫流程。學(xué)生同步編寫程序，可隨時提出問題，并討論和解決問題。

視覺函數(shù)種類繁雜，參數(shù)含義深厚，使用場景及參數(shù)設(shè)置需要教師詳細(xì)引導(dǎo)，并進(jìn)行案例演示。對于講解過的視覺函數(shù)，需要讓學(xué)生課后查找資料學(xué)習(xí)，理解其算法原理和理論背景。視覺類應(yīng)用的編程模式也較為繁瑣，且不直觀，需要了解一定的軟件工程概念，也需要學(xué)生有高屋建瓴的視界。學(xué)生對此部分內(nèi)容較為陌生，有一定的畏難心理，因此需要發(fā)揮教師的引導(dǎo)作用。編程模式有著固定的程序邏輯和架構(gòu)，課程中采用工程背景帶入、案例分析、師生互動的教學(xué)方式，再加上一定的工程實踐，學(xué)生可以基本掌握。對于講解過的程序結(jié)構(gòu)或框架，可以采用留白方式讓學(xué)生課后補充完成。

拓展工程實踐主要是應(yīng)用LabVIEW及其技術(shù)生態(tài)鏈解決實際問題。一般采用項目任務(wù)驅(qū)動模式，以及以學(xué)生為主、分組協(xié)作與研討、教師定向指導(dǎo)的教學(xué)方式。在以上教學(xué)方法的實施過程中，還需要實時監(jiān)控學(xué)情，對教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題及時進(jìn)行調(diào)整與糾正，形成良性閉環(huán)系統(tǒng)。

3.3 教學(xué)實踐設(shè)置

LabVIEW及其技術(shù)生態(tài)鏈從誕生開始就是面向工業(yè)領(lǐng)域的，在解決工業(yè)實際問題的應(yīng)用實踐中不斷發(fā)展。LabVIEW教學(xué)一開始就具備面向工程思維的背景，在具體教學(xué)中更應(yīng)將重點放在培養(yǎng)學(xué)生利用工程思維發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力上。為此，教學(xué)實踐可劃分成課內(nèi)實踐和課外綜合實踐兩個階段，如圖5所示。課內(nèi)實踐包括LabVIEW語法和程序設(shè)計實踐、工程項目引導(dǎo)實踐及課外延展性實踐，課外綜合實踐包括項目引導(dǎo)綜合實踐和課外工程化延展綜合實踐。

Fig.5 Hierarchical teaching practice圖5 層次化的教學(xué)實踐

LabVIEW語法和程序設(shè)計實踐用于鞏固課堂教學(xué)基本內(nèi)容，掌握語法、程序結(jié)構(gòu)和編程模式，為后續(xù)工程實踐提供編程能力支撐。在課外綜合實踐任務(wù)中，順接課內(nèi)實踐所涉及到的技術(shù)解決方案，強化其工程應(yīng)用背景和場景，解決課程最開始提出的問題，提升學(xué)生學(xué)以致用的能力，檢驗與提升教學(xué)成效。

3.4 教學(xué)評價體系構(gòu)建

傳統(tǒng)的“平時成績+期末成績”僅側(cè)重于對知識點的考察，無法實現(xiàn)工程實踐級別上的能力評估。在工程實踐思維下，LabVIEW教學(xué)評價體系應(yīng)能準(zhǔn)確評估學(xué)生運用Lab-VIEW解決實際問題的能力，以及教師的實際教學(xué)成效。工程實踐思維下的教學(xué)模式評價體系以知識點掌握情況為考察基礎(chǔ)，以教學(xué)實踐中工程問題的解決和成效為考察重點，從而將教學(xué)評價從以知識考查為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐阅芰疾闉橹鳌＞唧w評價體系如表1所示。

Table 1 Teaching evaluation表1 教學(xué)評價

在表1中，期末試卷反映了學(xué)生對課程基礎(chǔ)理論、概念和知識點的掌握程度。教學(xué)過程評價學(xué)生在教師指導(dǎo)下的實際動手能力，課程實踐評價學(xué)生解決問題的能力，課外實踐評價學(xué)生系統(tǒng)的工程實踐能力。

4 教學(xué)實施過程及效果

4.1 實施過程

以徐州工程學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)作為教學(xué)改革實施對象。LabVIEW基礎(chǔ)編程課程共有32課時，并集中進(jìn)行實踐4周。LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計與工程應(yīng)用課程有32課時，其中理論課程24課時，實踐8課時。課程以工程項目背景為引導(dǎo)，教學(xué)過程中以學(xué)生為中心、以學(xué)生為主導(dǎo)。

以“LabVIEW機(jī)器視覺幾何測量應(yīng)用”工程任務(wù)為例，學(xué)生結(jié)合視頻資源、MOOC 等線上教學(xué)資源學(xué)習(xí)LabVIEW和視覺編程的基礎(chǔ)內(nèi)容，羅列項目必須的編程概念、函數(shù)等要件，再通過程序框圖進(jìn)行演示與講解，最后由教師進(jìn)行點評與總結(jié)。在此過程中，LabVIEW與視覺函數(shù)基礎(chǔ)編程部分采用任務(wù)驅(qū)動、輔助課外實踐作業(yè)的方式。教師提前給定任務(wù)并講解，學(xué)生分組完成任務(wù)并討論得失。圖像采集、視覺處理與編程模式部分是重點和難點，設(shè)置理論課12 課時、實驗課4課時，采用師生互動方式，并輔助情境式案例等。教師分析并演示圖像采集模式、LabVIEW編程模式和程序架構(gòu)，講解不同模式和框架的使用場景，啟發(fā)與引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實踐和驗證。課外實踐注重LabVIEW技術(shù)生態(tài)鏈，以及LabVIEW與其他技術(shù)平臺的融合，課時安排根據(jù)學(xué)情反饋進(jìn)行彈性設(shè)置。此部分采用教師講解與案例介紹的方式，以工程任務(wù)驅(qū)動教學(xué)，突出課外實踐作用，拓展學(xué)生工程視野，提升其學(xué)以致用的工程實踐能力。

4.2 實施成效

通過上述工程思維下教學(xué)模式的嘗試、確立和實驗，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性明顯提高，課堂活躍度得到改善，綜合能力有較大提升。培養(yǎng)目標(biāo)中掌握LabVIEW基礎(chǔ)語法和程序結(jié)構(gòu)的目標(biāo)達(dá)成度為86%；利用LabVIEW系統(tǒng)解決一般工程問題的目標(biāo)達(dá)成度為80%，部分學(xué)生仍需進(jìn)一步加強問題分析與實踐能力。課外實踐成果表明，通過組隊合作、教師指導(dǎo)，學(xué)生可解決較為復(fù)雜的工程問題。部分成果如表2和圖6所示。圖6中所列學(xué)生成果為基于數(shù)字圖像的形變場檢測，以及基于深度學(xué)習(xí)和機(jī)器視覺的文字噴碼瑕疵檢測系統(tǒng)框架。

Table 2 Extracurricular practice achievements表2 課外實踐成果

Fig.6 Results of extracurricular practice圖6 課外實踐成果

5 結(jié)語

應(yīng)用型本科教學(xué)中采用工程實踐思維可實現(xiàn)理論與實踐結(jié)合，讓學(xué)生在工程思維下指導(dǎo)實踐、學(xué)以致用。結(jié)合LabVIEW及其技術(shù)生態(tài)鏈工程應(yīng)用的特點，本課程教學(xué)模式的改革與實踐提升了培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成度，使學(xué)生真正具備了一定的工程實際能力。但由于工程實踐的綜合性較強、知識技術(shù)鏈較長，完全以工程項目為主的教學(xué)模式會對學(xué)生系統(tǒng)、完整地學(xué)習(xí)知識不利，且對教師的工程實踐背景有較高要求。因此，在后期教學(xué)過程中，需要對項目進(jìn)行認(rèn)真甄選，按照難度、綜合度以及與其他課程的關(guān)聯(lián)程度進(jìn)行劃分，按照項目難易程度因材施教，并按照項目小組中學(xué)生的不同貢獻(xiàn)合理給出評價。