以課題研究為導向的虛擬儀器實踐教學改革

李梅

摘要：“虛擬儀器實踐”是我校電子信息工程專業高年級本科生的實踐課，我們借鑒以課題研究為導向的教學方法，在課程內容、授課模式和考核方式等幾方面進行了改革，極大地調動了學生學習的主動性和積極性，提高了學習效率，本文介紹了我們的探索和體會。

關鍵詞：課題研究；虛擬儀器實踐；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）31-0075-02

一、引言

虛擬儀器技術是當前儀器與測量發展的一個重要方向，它為各學科提供了一個通用的測量及儀器設計平臺，因此“虛擬儀器實踐”課程不僅提供了虛擬儀器技術理論與實踐結合的環節，也是學生綜合應用所學各門學科知識的一個很好的實踐機會。對于工科學生來說，加強對他們的實踐能力的培養尤為重要。

“虛擬儀器實踐”課之前的教學內容是讓學生完成“虛擬儀器實驗箱”配套的實驗指導書上的5個實驗，實驗指導書詳細介紹了實驗步驟，學生按照實驗指導書的內容完成即可。但是每次課程結束，學生仍然不懂虛擬儀器的基本知識，更不用說獨立完成一個虛擬儀器的設計與實現，遠遠達不到開設這門課的目的以及培養學生創新實踐能力的目標，因此對這門課的教學改革勢在必行。

通過分析“虛擬儀器實踐”課程的課程目的以及學生的實際情況，我們在課程中借鑒了以課題研究為導向的教學方法，對課程內容、授課模式和考核方式等幾方面進行了改革，經過2年的教學實踐，均取得了較好的教學效果和學生反饋。

二、課題研究為導向的教學法

課題研究為導向的教學法，是指在教學中引入課題研究任務，引導學生帶著一定的目的性主動學習，這可以提高學生學習的積極性，并提高獨立科研的能力。從課程伊始布置課題任務，期末提交課程設計報告，課題研究任務貫穿整個課程教學過程。

以課題研究為導向的教學過程，學生可以根據興趣自主選題，所以學習的興趣和動力較大，不僅會自己去研究“怎么做”，還會研究“怎么做得更好”，因此是學生在教師的指導下變被動學習為主動學習的過程。

課題研究為導向的教學法，實際上是以建構主義教育理念為指導的“做中學”，要求學生通過“動手做”獲得直接經驗，并運用已掌握的知識去分析和解決實踐中的問題，對獲得的數據進行整理、分析等處理，最終得出結論。因此，學生得到的知識是鮮活的知識，并且易于內化為認知結構。

做中學的教學思想被認為是最有效的教學策略之一。正如美國“2061計劃”中指出，最有效的向各類學生教授科學的策略應是支持學生對他們自己動手的和與他們的生活和文化相關的活動形成他們自己的理解[7]。

對于如何開展做中學，國內外教育界做了很多有效的嘗試和探索，丹麥的奧爾大學創立的課題（項目）組織教學（project organized）模式便是一個成功范例。這一模式包括選擇課題、師生協同研究、撰寫研究報告、課題評價四個階段，真正做到了按課題（項目）組織教學，以課題研究貫穿于教學的全過程。

三、課題研究為導向的教學實踐

在“虛擬儀器實踐”課程教學過程中實施以課題研究為導向的教學法，不僅僅是幫助學生更好地掌握虛擬儀器技術的知識，包括虛擬儀器系統的構成、虛擬儀器的編程環境和編程方法、虛擬儀器的編程技巧以及優化策略，也重在培養各種能力，包括發現和運用學習資源的能力，合作學習的能力，口頭表達能力和書面表達能力，運用在大學學到的知識和發展的智力等。

改革以后的課程內容、授課模式和考核方式都圍繞以上目標進行，課程內容不再是幾個固定的實驗，而是學生自主完成一個課題的設計并實現；授課模式也主要是“以學生為中心”的研究型課堂模式，教師主要工作是答疑和點評；課程考核是根據課題完成情況和課程設計報告的情況綜合評分。具體步驟如下。

（一）確定課題

主要是給學生們布置課題任務，同時介紹考核的標準、查找文獻的方法、課程設計報告的格式要求，并提供示范的優秀作品。

課題的確定是實施項目教學法的關鍵環節。選題既要新穎有趣，能夠激發學生的興趣，又要有一定綜合性和難度，能夠讓學生對所學知識進行綜合、學會理論聯系實際、學會解決處理實際問題，從中培養學生的綜合能力。

為了激發學生的學習熱情和創新意識，鼓勵學生根據自己的興趣愛好以及查找資料的結果自主選題，再由教師審批確定。

（二）知識梳理

任何一個領域的知識都是有結構的。把知識放到一個大的架構下學習，有助于掌握和理解，有益于記憶和應用，可以有效提高學習效率。學生在小學期生產實習時已經學過了LabVIEW的基本知識，但是比較零碎，沒有構建起虛擬儀器技術的整體知識脈絡，因此，在學生開始他們的課題研究之前，我們用2個課時給學生做了必要的知識梳理，把虛擬儀器技術的基本知識點貫穿起來，也解決了學時少的情況下盡可能提高課題研究質量的問題。

（三）課題研究

學生可以選擇獨立完成或者2人一組完成課程設計。學生利用網絡、參考書籍查找相關資料，實現課題的預期效果。在教師的建議和指導下，學生尋找符合項目性能指標要求的傳感器和元器件，完成硬件電路的搭建。硬件電路完成后，進入軟件框圖程序設計。最終進行軟硬件系統調試，完成設計要求。也允許有一定難度和實用價值的純軟件的課題。

（四）課題評價

每組同學用PPT和課題成果演示相結合的方式展示課題的研究成果以及獲得的知識和技能，老師進行點評，主要從綜合性、界面友好性、程序規范性、創新性四個方面進行評價和考核，鼓勵學生的創新意識和有難度的課題。

（五）撰寫報告

之前絕大多數學生都沒有做過小論文，我們參考畢設論文的格式向學生提出了課程設計報告的要求（即應包括摘要、關鍵詞、全文、心得總結及參考文獻，且參考文獻應在文中標注等），并給出示例范文。這不僅使學生得到了初步的科學研究訓練，也為即將到來的畢業設計做了很好的過渡。

四、教學實踐的實施效果

我們從2014年開始對電子信息工程專業兩屆共108名學生進行了以課題研究為導向的“虛擬儀器實踐”課的教學改革探索。學生用9周時間，利用美國NI公司LabVIEW虛擬儀器軟件、數據采集卡及其他傳感器和元器件分別完成了自動溫度監測儀、多媒體小助手、基于LabVIEW的遠程實驗、實時變聲器、基于LabVIEW的多媒體通訊系統、十字路口交通燈控制系統、直流電機轉速控制儀設計等多個課題的設計。學生們還自擬了全國大學生體質健康測試計算器、學生宿舍簡易監控系統等反映學生日常生活需要的題目，學生們做得興趣盎然，相關作品參加校內外的虛擬儀器競賽也獲得了較好的成績。

通過本課程，學生不但完成了虛擬儀器技術相關知識的學習和綜合應用，還加深了對傳感器技術、測控技術、計算機原理與接口技術、信號與系統、計算機網絡技術等理論知識的理解。課堂氣氛活躍，學生分析能力、組織協調能力和動手能力顯著提高，基本達到了預期教學目標。

為了提高學生的課程論文質量，我們要求每個課題都小題大做。從課題調研、提交方案、課題完成，到最后的論文提交，完成了一個系統的學術訓練過程。在最近的這期教學實踐中，我們強化了方案環節，要求學生在前期要提交一份研究方案的報告，因此這期提交的論文質量整體上比上期有較大的提高。學生在完成論文后普遍有一種成就感。

五、教學實踐中的教學體會及應注意的問題

以課題研究為導向的“虛擬儀器實踐”課的教學改革探索取得了比較好的教學效果，但是還是有些需要注意改進的問題。

（一）項目設計要合理

學生的層次和素質有較大的差別，為了滿足每個學生的不同需求，使他們有不同程度的收獲，項目設計必須有層次。同時，給學生布置任務時一定要提出明確的要求和目標。

另外，根據學生的反饋，多數學生希望在選題時能夠得到更多老師的引導和支持。我們的學生經過多年應試教育的培養，創新意識比較缺乏，希望老師有現成的題目給他們。改變這種狀況還需要長期的培養和引導。

（二）把握好教師的地位

以課題研究為導向的教學中，學生為主體，教師設計課題任務、提供指導和建議并且做好督促和檢查。

由于已經是大四階段，很多同學在外實習，加上考研的比例很大，所以不少學生直到期末交稿的截止期限前才真正開始做，這就很難保證課題研究的質量。因此教師要經常性的檢查，以增加他們的時間緊迫感，確保課題和論文完成的質量。

六、結語

經實踐證明，以課題研究為導向的教學法是一套行之有效的教學方法。在“虛擬儀器實踐”課程中的教學實踐表明，不僅可以讓學生綜合應用所學知識，同時培養了學生的獨立思考能力，為培養具有創新實踐能力的人才培養目標以及工程教育創新改革提供了一種新思路和有效模式。

參考文獻：

[1]夏紀梅.“任務教學法”給大學英語教學帶來的效益[J].中國大學教學，2001，（6）：32-34.

[2]劉科，宋秦中.以實踐為中心的“虛擬儀器”教學研究[J].中國電力教育，2011，（19）：97-98.

[3]聶鐵力，梁栩凌.管理理論基礎課程的情境教學設計——與美國課題導向教學方式的比較[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2014，（6）：50-51.

[4]邱宏，吳平，陳森，張師平.研究型教學中科研訓練環節的教學實踐[J].中國科教創新導刊，2013，（13）：26-27.

[5]郭杰，周祥才，張美鳳.項目教學法在“虛擬儀器技術”課程教學中的應用研究[J].科技信息，2011，（6）：130-133.

[6]黃獻海.課題研究為導向的材料力學教學方法初探[J].力學與實踐，2012，（6）：74-76.

[7]美國科學促進會.科學教育標準（草案）[M].北京：科學普及出版社，2001.