線上線下教學模式在虛擬儀器課程中的探索

任海霞 茅大鈞 蘇曉燕

摘要：虛擬儀器是測控技術與儀器專業的重要專業課。文章在分析了傳統教學存在的問題后，從教學目標、教學體系、教學實施等方面對本課程進行了線上線下混合式教學方法的探討與改革，并在教學全過程中有機融入思政教育，強化實踐教學，采用過程化綜合考核，激發學生的自主學習興趣，改善教學效果。

關鍵詞：虛擬儀器；混合式教學；教學設計；實踐；過程化考核

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）10-0159-03

0 引言

自20世紀90年代以來，融合了測試技術、儀器原理、計算機接口技術以及圖形化編程技術的虛擬儀器技術，是當今儀器發展趨勢的一個重要方向，已經在諸多高科技領域中得到了廣泛運用。虛擬儀器是測控技術與儀器專業的一門重要專業課，具有專業性強和實踐性強等特點。它既是前期基礎課：電工電子技術、檢測技術、微機原理與應用等課程綜合，又是實踐教學環節、畢業設計的重要基礎課[1]。該課程不僅要求學生熟練使用LabVIEW編程工具，還要培養學生利用虛擬儀器開發平臺，將控制理論與生產過程知識有機結合起來，設計合理測量方案，解決實際測量問題，從而提高工程綜合應用的能力。目前在虛擬儀器的教學過程中，依然存在如下問題，使得課程教學的效果不夠理想，需要進行改進。

1） 教學模式的單一性。虛擬儀器課程在傳統教學中采用單向傳輸的模式，在課堂中教師邊講授邊演示的基礎上，學生跟隨編程，但由于學生基礎差異較大，部分學生領悟快能快速完成任務，也有學生操作慢耗時長，教學進度難以統一。傳統的課堂教學，由于其時間局限性以及考慮到學生對課堂講授知識的理解能力，主要講解常用的基本理論知識，而將比較復雜深刻的內容作為選學和拓展內容，留給學生課后完成。這樣對有學科競賽要求的學生來說，會由于缺少有效指導而導致放棄參賽。應把簡單的基礎理論部分放到線上學習，難點和問題則放到線下教學，采用線上線下混合式教學模式更能夠提升教學效果[2]。

2） 教學內容的綜合性較差。虛擬儀器是一門多學科交叉、軟硬件相結合的課程，涉及檢測技術、數字信號處理、測控儀器聯網技術等多門課程的專業知識。若只是傳授如何使用LabVIEW進行編程，學生往往會以為能夠進行數據操作、結構控制、文件讀寫、信號處理、數學分析等就學好了虛擬儀器，但是忽略與儀器相關的硬件設計，不知道如何進行數據采集、串口通信、網絡通信、系統集成等，這樣就不能解決實際問題，無法面對工程實踐中的復雜工程問題，不能真正將虛擬儀器技術用起來。應豐富教學內容，強化實驗實踐，教學內容與工程項目實例有機結合。

3） 課程思政內容的缺乏。現階段的課堂教學更多考慮到專業知識傳授和能力訓練，課程思政元素和教學環節的融合程度不夠。應結合虛擬儀器的教學目的，深入挖掘思政教育元素，融入教學過程各環節，使學生不僅掌握課程的基本內容，同時培養學生正確的世界觀、職業素養和創新精神。

針對上述問題，本文結合新時代高等教育思想，從明確教學理念、完善教學體系、開展線上線下混合式教學等方面對虛擬儀器課程建設進行了探索。

1 明確虛擬儀器課程目標

依托于上海市應用型本科建設、上海市重點課程建設和教育部產學合作協同育人項目等支撐平臺，結合課程兩大特點：多學科知識綜合的教學內容特點和有初步編程基礎、有能力、有興趣探索測控系統的教學對象特點，提出了虛擬儀器課程的育人目標：

1） 知識傳授：掌握虛擬儀器的設計方法，軟件開發工具，能夠進行數據操作、結構控制、文件讀寫、信號處理、數學分析等。

2） 能力訓練：具備系統設計和系統開發層面的初步能力，能夠對工業生產過程測量與控制相關領域中的復雜工程問題進行預測與仿真模擬。

3） 價值引領：正確引導學生塑造科學世界觀，培育學生愛崗敬業、精益生產、專心致志的匠人精神，培育學生的探索精神和創新意識。

2 完善虛擬儀器課程教學體系

2.1 轉變教學理念

課程改革堅持工程教育專業認證的OBE原則，以學生為中心、以產出為導向，持續改進，推進建設[3]。將教學理念由傳統的“以教為主”翻轉為“以學為主”，充分利用豐富的線上資源和教學平臺，實現虛擬儀器課程目標。

2.2 豐富教學內容

不同于其他的專業課程，虛擬儀器課程更加注重實踐性，關注解決實際的工程應用問題。教學內容不能僅有虛擬儀器的基礎理論專業知識，如LabVIEW基本編程等，還要培養學生測控系統設計和系統開發的初步能力。后者要與相關的專業知識點聯系起來構成體系，與工程應用問題聯系起來，提升學生的綜合素質[4]。此外，還邀請校外專家舉辦講座，總結多年開發虛擬儀器測試系統的豐富經驗，使學生獲得最新的信息和資訊，以開拓學生的視野，同時提升實踐活動能力和工程實踐能力。

2.3 強化師資隊伍

為了加強教師實踐能力和工程素質培養，除了本校的雙師培訓外，本課程組還依托產教聯盟（上海計量院、NI有限公司、上海華依科技有限公司等）對教師進行了相關培訓，注重產教融合，以便培養應用技術型人才。鼓勵教師積極參與教學改革研究項目，潛心教學改革研究，并將教學手段創新、行業前沿知識架構等教研教改各項成果運用至課堂教學，以實現對學生自主學習和創新能力培養。本課程組老師積極開展與課程、教學改進和實踐素質相關的主題活動。

2.4 建設線上教學資源

線上教學具有教學資源豐富、學生學習時間自由、學習狀態可控等優點。已有教學大綱、教學進度、電子教案、電子課件、實驗指導書等教學文件，配有各章節的重點內容的微課視頻和課后習題等，以及實驗實踐項目中主要設備的使用視頻和操作注意事項等。學生可自主學習基礎理論知識，并按照簡單例程編寫程序，無需占用課堂教學時間，提高課堂教學效率。

2.5 強化實踐教學

虛擬儀器課程是一門軟硬件相結合的程序設計實踐課程，實驗實踐教學非常重要，不僅要求學生熟練掌握LabVIEW圖形化編程語言的使用，更要利用虛擬儀器設計平臺組建測控系統來實現數據采集、儀器控制、信號分析與處理等任務。通過實踐加深學生對理論知識的理解，增加對虛擬儀器課程的興趣，提高編程、創新及動手實踐能力[4]。

測控技術與儀器專業的學習內容多，涉及面廣，雖然在不同的課程中都有課內實驗和獨立開設的檢測技術實驗、自動控制原理實驗，也包括電子設計制作等實踐課程，但都側重單門課程的知識應用。因此學生在完成本專業各門課程的學習后，仍然缺乏測控技術系統的整體概念，在實際工作中面對具體問題無從下手。為了改善這一問題，培養學生的工程實踐能力和創新能力，結合測控技術與儀器專業的培養計劃和培養方案，建設了基于NI ELVIS Ⅲ的測控技術與儀器專業實踐平臺。在本專業四年級開設的測控系統綜合與創新設計實踐課程至少會有1學分（20學時）與虛擬儀器相關，主要培養學生設計某一特定的測控系統的能力。具體設計項目會對接企業，由企業提出具體需求，讓學生學會解決實際工程問題。

3 組織實施虛擬儀器線上線下混合教學

結合已建成的互聯網教學資源，在教學過程中實施線上線下相結合、理論與實際相結合、課程內容與思政元素相結合，通過過程化考核加以持續改進，反饋到課程的教學任務和學習要求，形成教學閉環，具體過程見圖1所示。

3.1 課前布置預習內容

以觀看虛擬儀器教學微視頻、課前基本知識訓練為主導。學生應先根據課前發布的微視頻開展知識點預習，視頻學習情況記入考核環節。在線上視頻教學完畢后，發布上機操作習題，檢查學生對基本知識要點的理解程度[5]。可在智慧樹平臺結合思政主題活動發布預習任務，比如結合我國虛擬儀器使用情況調查等思想政治主題，對儀器行業相關的新設備、新技術、新發展等進行宣傳，引導學生樹立科學的世界觀。

3.2 課中講解重點難點+實驗實踐

教師通過網絡學習情況和作業反饋，針對各班教學難點，結合專業特性與學生興趣，通過問題驅動、任務設置、合作探索等方式，對學生進行教學。結合模塊化硬件和LabVIEW軟件，對測控系統進行了應用設計和集成開發，并通過實驗實踐加強了學生的動手能力。通過分組實驗，增強學生的團隊合作與溝通能力。在此環節融入專業規范與規則，提高學生的職業素養。

3.3 課后鞏固及開放性實驗

根據課后作業和實驗報告等反饋情況，老師因材施教。學有余力或者有興趣愛好的學生可在課后開展開放性試驗，將學習到的基礎知識去處理實踐應用問題。同時鼓勵學生參加大學生科創活動或虛擬儀器競賽等，進而塑造學生的自學能力和創新能力。將課堂以外的專業主題活動列入過程化考核范圍之內，能夠更加整體地評價學生的表現，從而使學生可以形成把學習到的基礎知識應用到實踐活動中的良好習慣。

3.4 全程融入課程思政

教學過程的各環節都可以融入課程思政，指導學生塑造社會主義核心價值觀，推進工程倫理和職業道德教育，提升創新能力，如圖1所示。在課堂教學中，教師可以采用設置問題法、專題嵌入法、因勢利導法、潛移默化法等多種方法，將課程思政內容融入課堂思維之中，達到本課程的育人目標。在上機操作環節，學生在編程時發生錯誤，不愿主動探究時，教師可適當進行鼓勵，告訴他們不能一遇到問題就向老師或同學請教，要學會先獨立思考，自己發現、糾正代碼錯誤，收獲自信和成就感；項目設計是一個不斷修改、不斷測試的過程，要有一絲不茍、精益求精的精神；在輔導答疑時，與學習任務完成較差的學生面對面地進行交流，了解他們的學習困難之處，鼓勵他們解決問題，表揚付出多、進步大的學生，可以增強他們的自信心。

3.5 優化過程評價

本課程采用過程化考核，考核方案為：線上教學部分（觀看視頻15%+平時作業15%） +線下教學（實驗20%+設計型大作業50%） 。

觀看教學視頻，并完成相應的上機練習題。根據完成情況進行評價。

基于知識單元進行作業管理。作業由導師從課后習題中選擇需要自己編寫程序的題目，并要求學生提交程序VI的文檔說明，表明編程設計思路，每次作業一周后，導師隨機抽取學生演示程序并回答作業問題，從作業提交準時、VI程序界面美觀、各控件布局合理、函數調用合適、程序運行結果正確、設計思路和程序出現問題后的解決方法等方面給與評價。

在實驗方面，利用NI的ELVIS Ⅲ實驗平臺完成。每個實驗項目都有由簡單到復雜的多重任務，在鞏固所學知識和技能的基礎上，充分培養學生的虛擬儀器設計能力，使學生能夠發現設計中存在的問題，從而解決問題。在實驗環節，根據學生提交的成果，分別從學生的實驗方案實施能力、信息分析及處理能力、動手操作能力等方面給予全面測評。

在設計項目選題上，針對當前虛擬儀器的行業應用和近期虛擬儀器大賽內容，通過課程組老師的集體研究，最終確定設計題目及內容。項目完成需要設計整體思路的構建、測試硬件電路的搭建、測試軟件的設計、整體功能的驗證、設計報告的編寫和答辯等幾個步驟。在此環節對學生在整個設計過程中的參與度、動手能力、設計能力、創新能力、報告撰寫能力及表達能力進行多方位綜合評定。

通過上述過程化評價機制，可以更加全面地考查學生對課程的學習效果。

3.6 持續改進

由過程化考核給出的成績，從及格率、成績分布情況等對課程目標達成情況進行分析，并提出改進措施。同時在教學過程中，通過課后作業、輔導答疑、課堂實驗及學生對課堂教學的反饋信息，及時調整教學進度和方法，實現對學習效果偏差的實時調節。

4 結論

通過虛擬儀器課程教學建設的初步研究，明確教學目標，轉變教學理念，豐富教學內容，大力建設線上教學資源，培養學生自主學習能力；強化實踐教學，理論知識和工程應用緊密結合；組織實施線上線下混合教學，形成閉環教學環節；優化評價方法，將思想政治教育課融入教學全過程，提高課程的教學效果。

參考文獻：

[1] 任海霞，李志斌，夏飛.基于NI ELVISⅢ的虛擬儀器課程教學探討[J].電腦知識與技術，2019，15（36）：119-120.

[2] 沈冰夏，焦瑞莉，厲夫兵，等.基于翻轉課堂的混合式教學模式在虛擬儀器課程中的探索[J].高教學刊，2018（20）：93-95.

[3] 霍海波，徐勝，孫曉明，等.線上線下混合式一流課程建設探究——以“信號分析與處理” 課程為例[J].中國多媒體與網絡教學學報（上旬刊），2021（7）：38-40.

[4] 鮑嶠.虛擬儀器技術線上線下混合式課程教學分析及設計[J].科教導刊，2022（4）：127-129，149.

[5] 董浩斌，葛健“. 虛擬儀器” 課程翻轉課堂教學探索[J].教育教學論壇，2018（51）：145-146.

【通聯編輯：王 力】