工程認證背景下虛擬儀器實訓課程教學改革探索

司娟寧 張曉青 郭陽寬

0 引言

在高等學校開展創新創業教育，積極鼓勵高校學生自主創業，是深化高等教育教學改革、培養學生創新精神和實踐能力的重要途徑。在新工科、卓越工程師、工程教育認證等背景下，要求高等教育在應用型人才培養過程中更加重視實踐教學，注重學生對所學知識的融會貫通，激發學生的學習興趣和創新意識，提高學生的動手能力和工程實踐能力。

虛擬儀器技術（LabVIEW）是20 世紀90 年代出現的一項革命性的技術，它將測量技術、控制技術、信號處理技術、計算機技術等有機融合[1]，利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件，取代傳統的常規實驗儀器設備，完成各種測試、測量和自動化應用。LabVIEW 摒棄了傳統開發工具的復雜性，將數據采集、控制、分析、顯示功能集成在同一環境中，方便用戶在平臺上無縫地集成一整套完整的解決方案。

鑒于此，本課程依托北京信息科技大學提供的硬件平臺，并結合測控技術與儀器專業培養的目標精心設計了該實訓課程的混合式教學改革與探索，本文主要從課程教學內容設計、教學資源整合、課程考核評價體系建設、教學效果評價等幾個方面論述。

1 教學內容優化設計

學生提出問題、分析問題、解決問題能力的培養是一個循序漸進的過程。在實訓課程的開展過程中，根據虛擬儀器的發展要求和學生的學習規律，“基于模塊化教學”“項目驅動教學”分階段分層次的開展，包括知識講授環節、基礎性實踐環節、創新性實踐環節。

第一部分：知識點講授環節。

（1）介紹軟件的基本功能，如：虛擬儀器的概念、LabVIEW軟件環境的熟悉、編輯LabVIEW 程序設計（前面板設計、架構設計、自定義控件、結構設計）。

（2）介紹數據流編程、模塊化編程、事件編程、數據結構、軟件架構等高級軟件設計方法。

（3）介紹數據采集、通訊協議、文件I/O，以及NI myDAQ、NI myRIO、NI ELVIS 等“口袋儀器”的使用方法。

（4）在課教學過程中以項目導向教學，通過舉例介紹大量實際應用案例，分析系統的軟硬件組成、通訊方式及虛擬儀器設計思路等，引導學生根據自己的興趣愛好，主動探索與思考，設計個性化的實踐項目，并設計合理的系統結構。

第二部分：基礎性實踐環節。

針對訓練科目制定合理崗位標準作業大練兵流程，同時理論結合實際，在訓練課目中加強對崗位標準作業流程的培訓與考核，通過規范崗位大練兵培養隊員處理應急事件的正確行為，保證隊員自身安全的同時也提高了隊員的應急反應與處置能力。

實踐環節可細分成基礎性實踐環節和創新型綜合實踐環節。在基礎性實踐環節中，實驗內容采用基礎性的程序設計，教師提供基本的設計思想和方法，學生通過查閱相關資料，自行設計方案進行針對性的訓練：如基于狀態機編程結構設計一個四則運算、基于生產者消費者模式設計一個示波器，搭配硬件設計一個簡單的溫度采集與控制系統等等。

第三部分：創新性實踐環節。

根據理論課程的內容和進度，以及學生學習的反饋情況，在完成基礎實踐環節后，構建創新性實踐環節。此環節啟發學生自主選題、自主設計，以項目團隊為單位開展。創新性實踐環節按照“項目化管理”的方式進行，通過項目團隊協作驅動教學[3]，指導教師定期開展項目進度檢查與評審，包括：選題報告、方案評審、中期檢查、項目驗收等。

（1）團隊協作：將學生2～3 人分為一個項目團隊，以項目團隊的形式完成實踐任務，能夠促進學生之間的相互交流，培養團隊分工協作精神，提高學生的學習效率。同時有助于解決傳統教學模式中，教師精力有限，無法兼顧每個學生的難題。

（2）自主選題：尊重學生的個體化差異，鼓勵團隊成員提出新穎的設計題目，并運用之前所學的電路、計算機、傳感器等基礎知識解決實際問題。課程的題目主要是軟硬件結合，充分利用實驗室現有的NI myDAQ、NI myRIO、NI NI ELVIS 等“口袋儀器”，注重培養學生對知識的綜合運用能力。

（3）自主設計：要求學生能夠在系統設計、硬件選型、軟件編程等具體實施的過程中，充分利用所學的專業基礎知識，結合LabVIEW 靈活的設計模式，自主規劃、自主動手、自主調試、將整個系統的硬件和軟件分模塊、分階段的實施，培養學生的工程意識和解決工程實際問題的能力。

強化實踐教學環節力度，基于模塊化教學，組織開展虛擬儀器設計競賽、創新創業競賽等學科競賽，激發學生的創新能力和動手能力，培養適應社會需求的專業人才。以項目化的方式管理為主導思想，將基本概念、知識點、系統軟硬件設計能力貫穿始終，在項目實施過程中對課題設計進度分階段檢查和評價，有助于推動項目的順利開展，同時學生對課程的評價反饋結果也將進一步用于課程教學的改進和提高。與傳統教學方法相比，由教師為中心轉變為以學生為中心，由課堂為中心轉變為由實踐為中心，激發學生的學習興趣和鉆研熱情。另外，把傳統獨立分散的、以驗證類實驗為主的實踐內容改革成創新性和綜合性實訓項目，不但可以拓展學生的知識面，還可以激發學生的創新能力、增強學生的工程實踐能力，推動實現學生為主體的自我學習、自我導學、自我提升。

2 教學資源整合

充分發揮線上教學和線下教學的互補優勢，構建多維教學資源[4]。基于學習通等網絡教學平臺構建在線課程網絡教學資源，覆蓋課前預習、課堂學習、課后復習各個環節，實現教學資源網絡共享。

圖1 口袋儀器

充分利用網上電子教學資源，錄制和整理與教學內容相關的知識點，在學習通平臺上歸檔，方便學生課前預習、開拓視野。這樣可以提高學生自主學習的質量，也可有效地實現課堂的翻轉。

課堂學習的內容側重于難點和重點的深入講解、系統設計思路的分析、項目化學習、以及答疑。線下或線上課堂教學的內容也可以錄制歸檔到教學平臺，方便學生根據自身學習情況，有針對性地對任務點進行回放和反復學習。

學生完成課前預習、課堂學習環節后，基于教學內容設置針對性的作業或測試題，幫助學生進一步鞏固重點和難點，為教學質量的提高提供支撐。這樣可以方便授課教授了解學生對知識點的掌握情況，有效組織和調整教學內容，從而更好地提高教與學的質量和效率。

3 課程考核評價體系優化

依據課程目標以及本校學生的學習情況，優化現有課程考核評價體系，使得評價結果更加真實地反映學生對虛擬儀器技術的掌握和運用能力，并將評價反饋用于課程后續的優化與改進過程當中。

將考核環節按照項目化、階段化過程考核，如：方案設計、系統設計、項目中期檢查、項目驗收報告，并制定各環節的評價標準和得分細則，將階段性進展情況納入最終評分。在虛擬儀器實訓課程中，始終以學生的全面發展為核心理念，建立多角度、多元化、開放化的綜合評價機制。評價內容包括：知識點掌握情況、小組匯報情況、項目完成情況、驗收答辯情況、項目論文報告、以及虛擬儀器競賽情況。此外，從學生自評、組內互評、組間互評、教師點評等多角度出發，建立相對完善的課程考核評價體系，對項目成員的成績進行綜合評價。

4 教學效果評價方法

對于教學效果的分析主要通過學生的項目成果、課程達成度、以及學習反饋等方面綜合評價。這樣方便于及時發現實踐教學中存在的問題和不足，深入分析原因并提出改進措施，同時在下一次的實踐教學中進一步驗證改進后的效果，遵循以學生為中心，不斷持續改進的準則，不斷探索適應當前工程認證、新工科等背景下的教育教學新方法和新手段。

5 結語

在虛擬儀器實訓課程中，始終堅持以學生為本、目標導向、持續改進的核心理念，根據教學目標和本校學生的學習情況，不斷嘗試和探索新時代的教育教學方法。優化設計教學內容，提出基于模塊化、項目驅動的教學方法，培養學生的自主學習能力和工程意識。將線上教學和線下教學有機融合，構建多維教學資源，拓展學生的視野。優化課程考核評價體系，側重于過程設計，構建全方位、多角度綜合評價的課程考核評價體系。從而激發學生的學習興趣和創新意識，提高學生的綜合實踐能力和解決工程問題的能力。