虛擬儀器技術線上線下混合式課程教學分析及設計

鮑嶠

摘要??? 針對當前虛擬儀器技術課程授課方式單一、教學內容偏軟件等導致教學效果不佳的問題，本文從教學目標、教學理念和教學設計等方面進行了虛擬儀器技術線上線下混合式教學方法的探討與改革。利用慕課資源及工具，建立高效率的互動混合式課堂;完善教學內容，打造圍繞解決工程技術問題的知識架構;優化考核方式，提出考試、團隊作業、平時作業、考勤等多維度評分方法;并在教學全過程中始終貫徹潛移默化的課程思政教育。

關鍵詞??? 虛擬儀器技術;混合教學;教學設計

中圖分類號：G424??? 文獻標識碼：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、控制、通信和網絡互聯等新興電子信息技術的發展，虛擬儀器技術已發展成為工業上廣泛使用的一項通用的技術架構，并在眾多高科技領域中得到了應用，例如5G通信、自動駕駛等。虛擬儀器技術課程，不僅是讓學生掌握一門技術，更是加強學生對工程技術問題的理解，培養學生的工程技術創新能力，讓學生通過“虛擬儀器技術”課程平臺學會真正解決一些與專業相結合的工程實際問題。但是，在虛擬儀器技術的教學過程中，依然存在許多問題，使得課程教學的實施效果不佳，亟需提出對策，改善教學質量。

（1）在授課方式方面，當前的教學以課堂理論授課為主，主要針對LabVIEW編程基礎、數據采集與信號處理、虛擬儀器工程設計方法等方面進行教學，而學生自己實踐、動手操作環節偏少，學生的學習興趣不高。

（2）在教學內容方面，由于虛擬儀器技術是一門多學科交叉、軟硬件相結合的課程，涉及傳感器、數字信號處理、通信原理等專業知識，若只是傳授虛擬儀器相關內容，學生往往會陷入“虛擬”的軟件編程中，忽略“儀器”的硬件設計，無法將學習到的技術應用至實踐中。而且，學生也無法建立本課程與其專業的聯系，也就不能真正將虛擬儀器技術用起來。

（3）在課程考核方面，當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（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生不要死背硬記知識點，能夠靈活地運用學到的知識設計虛擬儀器。然而，考試不可避免地涉及基礎知識的考核，真正的工程設計題分值比重較小，導致學生依然只注重書本上的知識，而不重視工程實踐中所需的虛擬儀器設計能力。

（4）在課程思政方面，雖然虛擬儀器技術課程在教學過程中涉及了按時考勤、作業不弄虛作假、團隊合作、作風嚴謹等課程思政方面的內容，但沒有進一步提煉總結，學生的認識不深刻。

針對上述問題，本文結合新時代高等教育思想，利用已建設的慕課線上資源整理改進的措施，進行了虛擬儀器技術線上線下混合式課程教學分析與設計。

1??? 教學目標

“虛擬儀器技術”這門課程在測控技術與儀器、電氣工程及其自動化、自動化等專業中占據著越來越重要的作用，迫切需要教師改進教學方法和完善教學內容，預期達到的教學目標如下：

（1）構建理論知識體系。希望以虛擬儀器技術課程為引導，以實際工程問題為驅動，使學生將所學的專業知識，如傳感器、信號分析處理、電子測量等綜合起來并構建出一套工程技術的理論知識體系。

（2）提升動手實踐能力。希望利用虛擬儀器技術課程注重實踐學習的特點，鍛煉學生的動手操作能力，將所學的理論知識應用于解決專業相關問題。

（3）拓展科學技術視野。希望利用虛擬儀器技術眾多應用領域的優勢，在工程案例中可添加介紹我國先進的科學技術應用，拓寬學生的知識視野。

2??? 教學核心理念

2.1??? 融入課程思政

對于以培養工程技術創新人才為目標的虛擬儀器技術課程而言，在教學過程中不僅要重視專業知識和實踐技能的傳授，更應將社會主義價值引領與知識傳授相結合，充分發揮課堂教學在思政教育中的主渠道作用。

（1）教學過程須有教育性。在傳授虛擬儀器專業知識的過程中應當明確體現虛擬儀器的科學性，體現虛擬儀器技術在工程應用中的價值。通過虛擬儀器應用領域眾多的優勢，可充分展示我國工業的發展前景，激發學生的愛國、奮斗精神。

（2）教學環節須有靈活性。在教學過程中應當避免生搬硬套地插入思政教育環節，而是靈活地安排相關環節插入思政元素，如課堂討論、團隊合作編寫軟件，潛移默化地提高思政教學的效果。

（3）教學評價須有引導性。在考核及作業評分部分，應當構建一套體現思政知識掌握情況的評價體系，從而提高學生對思政教育的重視程度。

2.2??? 創新教學模式

教學模式的創新應當以促使學生積極參與教學過程為主要目的。在教學過程中，利用慕課資源實現線上線下混合式互動教學，豐富教學手段，充分調動學生的主觀能動性。利用慕課工具建立學生與教師的交流溝通橋梁，提高學生和教師的課堂效率。

教學模式的創新還應當以引導學生解決實際專業問題的過程為主要部分。教學過程中應當時刻注意培養學生解決工程技術的能力，以實際工程問題為引導，注重各種虛擬儀器技術的分析比較及使用場景，掌握LabVIEW編程技術的運行機制，提升學生的綜合素質。

2.3??? 更新教學內容

教學內容須有整體性。虛擬儀器技術課程涉及眾多其它課程的知識，所以在其教學過程中應當以虛擬儀器技術的知識為主，同時融入其它相關課程的知識點，構建出一套解決工程問題的技術架構，鍛煉學生的綜合能力。

教學內容須有先進性。教學內容應當與時俱進，先進的編程思想和技術須及時更新，保持教學內容的實時性。

教學內容須有科學性。除了常規虛擬儀器技術基礎知識外，配套的工程應用案例應當從正規期刊雜志或實際工程項目中獲取，保證教學內容符合課程的科學理論體系。3課程教學設計

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手段，本文作者前期已參與建設了南京郵電大學“虛擬儀器技術”慕課課程，目前已開課2次，共2000余人次參加了線上課程學習，為線上線下混合教學提供了基礎和經驗。因而在授課方式方面，可充分利用慕課資源，豐富課堂教學中的互動環節，調動學生的學習興趣。如圖1所示，線上線下互動式教學手段主要包括課堂練習、單元測驗、討論交流、掃碼考勤、作業互評、學習時長數據等。

其中，課堂練習和單元測驗環節可大大提高學生在課堂上的集中注意力，增強學生對課程知識的理解，也可及時讓教師了解學生對知識點的掌握情況，以便進一步在課堂上補充講解。討論交流和作業互評環節使得學生在課后也能針對問題疑惑展開討論交流，特別是作業互評環節可極大地提高學生的查錯能力，從而促進學生的自我反思。同時，給其他同學批改作業打分也能潛移默化地提高學生的責任心。掃碼考勤和學習時長數據管理環節也都能提高教師的管理效率，把時間全力集中于教學中。

相對于傳統的課堂理論教學，線上線下混合互動式課堂更容易激發學生的學習興趣，提高學生在課堂上的注意力及學習效率。

3.2??? 完善教學內容，打造體系知識架構

不同于其他專業課程，虛擬儀器技術是一門多學科交叉、軟硬件相結合的課程，更加注重于解決工程技術問題。因而在教學內容方面，不能局限于LabVIEW編程，而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。

在緒論部分，首先要介紹虛擬儀器技術的課程性質，即理論與實踐緊密結合、軟件和硬件相結合，需要對數據采集、總線技術、信號分析處理、電子測量原理、傳感器相關知識進行學習，并利用計算機和虛擬儀器的強大功能去解決各種實際問題。根據此課程特點，給學生強調本課程的學習方法，即理解掌握基本概念原理，多編程、多動手、多操作，廣度和深度有機統一以及基于項目的學習等。

除了LabVIEW基本編程外，教學內容應當更加豐富，更加貼近于工程技術問題。例如，在程序結構章節，除了順序結構、條件結構、循環結構、事件結構等基本編程結構外，應當在深度上進一步拓展，給學生講解生產者/消費者、狀態機等適用于工程技術的高級編程結構，如圖2所示。當然，在教學過程中，不能僅單純講解高級編程結構，而是先比較這些高級編程結構與常規結構的區別，分析高級編程結構的適用場景。如生產者/消費者適用于一邊采集數據一邊存儲數據且采集速度快于存儲速度的情況。因而生產者/消費者為兩個循環并行的架構，主循環與從循環并行執行，主循環進行數據采集，從循環實現數據的保存，主循環的數據通過隊列傳送給從循環。這樣，學生更容易理解LabVIEW高級編程結構的原理和運行機制。

在虛擬儀器工程設計方法這部分，應當結合實際工程項目的執行全流程，從廣度上給學生講解設計方法，包括需求分析和技術方案的制定、虛擬儀器系統選型、虛擬儀器軟件開發平臺選型、應用軟件開發系統調試以及編寫系統開發文檔。同時講解過程中，應當結合實際工程案例。

通過上述教學內容的完善，可提高學生的實踐能力，能夠真正起到使用虛擬儀器技術解決工程技術問題的作用。

3.3 ???優化考核方式，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、編程和綜合設計。在填空和選擇題中，可主要考察虛擬儀器技術課程的基礎知識，如虛擬儀器的概念、LabVIEW基礎知識、數據采集基本概念、儀器控制基本原理等;在概述題中，則設計一些開放性的應用場景題目，考察學生根據應用場景分析、比較并選擇最佳虛擬儀器設計方案的能力，如全校溫濕度測量的虛擬儀器總線選型、電池健康監測的數據采集卡信號接入方式比較等;在編程題中，不再是單調地給出一段程序，讓學生給出運行結果，而是根據學生所在專業，編寫利用本專業知識解決問題的程序。例如，在考核自動化專業學生時，可設計根據控制系統方程繪制根軌跡圖并判斷其穩定性的編程題。在綜合設計題中，同樣須設計一些與專業相關的實際工程應用場景，且要包括硬件設計和軟件設計兩方面。

例如，在考核電氣專業學生時，可設計電力系統諧波幅值和總諧波畸變量測量的虛擬儀器系統設計題，考察學生真正使用虛擬儀器技術解決實際問題的能力。

在平時作業方面，減少作業次數的同時提高作業完成質量，主要措施如下。首先，按照知識單元布置作業，分別是LabVIEW設計基礎、程序結構、復合數據類型，文件I/O和圖形顯示、數據采集、儀器控制、信號處理和分析，共6次作業。布置的作業多為需要學生自己動手編程的題目，且學生須在慕課上提交LabVIEW程序文件。作業評分也采取老師評分和學生互評兩種方式，這樣既可使老師了解學生的知識掌握情況，也可讓學生在給其他同學評分的同時進一步復習并促進學術交流。此外，除了常規作業外，還須布置團隊作業。即在學期初讓學生組成小隊，合作設計并編寫與本專業相關的軟件程序，最后在學期末進行PPT匯報和展示。

通過上述考核方式的優化，可使學生更加注重學習虛擬儀器的分析及應用設計方法，鍛煉學生的團隊合作能力，將課程思政潛移默化地融合至課程教學中。

4??? 結語

通過以上教學設計措施，增強了課堂的師生互動，能夠引導學生積極參與到課堂中;虛擬儀器技術的理論知識和工程應用得到了緊密結合，學生的實踐能力得到了有效鍛煉;考核方式多樣且兼顧理論與實踐，更加公正全面。

參考文獻

[1]王晨，曹民，姜浩然.《虛擬與智能儀器技術》課程教學分析及設計[J].軟件，2021，42（8）：4-6.

[2]李曙光，金銘，劉金生，等.“虛擬儀器”雙語課程混合式教學探索與實踐[J].浙江科技學院學報，2021，33（04）：342-348.

[3]司娟寧，張曉青，郭陽寬.工程認證背景下虛擬儀器實訓課程教學改革探索[J].科技視界，2020（25）：15-17.