基于OBE理念的“虛擬儀器技術”教學改革

張 晨

(南京理工大學紫金學院,江蘇 南京 210023)

0 引言

OBE(Outcome-based Education)成果導向教育,以學生為中心,關注學生通過教育過程后能獲得怎樣的學習成果[1]。我國在《工程教育認證標準(2015)》中體現了對OBE教育理念的認可[2]。OBE要求將人才培養目標落實到教師的教學設計中,對最終的產出結果進行評價,并以評價反饋機制持續推進教學改革。采用OBE 理念探索教學改革,將有助于高校開展課程建設工作并提高人才培養質量。

虛擬儀器技術采用圖形化編程軟件Labview,結合硬件采集卡等設備,完成信號的采集、分析、處理、輸出等內容,廣泛應用于工程檢測、航空航天、軍事科技等與電子信息類技術相關的測量、控制領域,有很強的實用性[3]。因此,本文采用OBE理念指導“虛擬儀器技術”教學改革,以學生為中心,關注學習效果,對培養行業所需的合格畢業生有重要意義。

1 “虛擬儀器技術”課程教學現狀

傳統教學方式以“教師為中心”。學生在教室完全處于聽講狀態,看教師演示編程,課后容易忘記,再將書本翻開對照操作,效率不高。如果遇到編程基礎問題再得不到及時解決,學生又比較容易放棄。傳統教學方式忽略了對學生自主學習能力、實踐能力及創新能力培養。

實驗內容較單一,實踐環節欠缺。實驗以軟件為主,按指導步驟完成即可,缺少綜合課程設計,未能充分調動學生的學習積極性展開實踐訓練,沒有發揮課程對學生綜合能力的提升作用,影響后續畢業設計和專業實踐。

考核方式以卷面考試為主。雖然考核過程已將考勤、課后作業及實驗作為平時分參與總成績計算,但占比較低,學生關注的是最后的考卷,忽視了分析問題、解決問題的過程,這樣的方式不利于對學生實踐能力及綜合素質做出客觀評價。

2 基于OBE理念開展教學改革

虛擬儀器是一門綜合知識多、實踐性強的專業課,教學過程中需要改變針對教材講課的傳統思路,轉而思考如何讓學生滿足畢業要求,采用OBE理念反向進行教學設計,從以下3方面進行改革。

2.1 明確學習目標,合理優化教學內容

結合專業特點,從畢業要求及就業需求出發,明確學習目標,使學生通過虛擬儀器技術課程的學習,能夠完成信號的采集、分析與處理,結果的輸出與顯示,使學生具備工程意識,培養學生分析解決實際問題的能力以及團隊合作、溝通能力。教學內容劃分為兩大部分,一是軟件設計,主要包括基礎程序設計和信號處理兩方面,課程有程序結構,基本數據類型,變量,文件操作,圖形顯示,程序調試、子VI設計,信號的產生、時域及頻域分析,數字濾波器,串行通信及網絡通信；二是硬件采集,主要包括:數據采集,總線接口技術。根據課程內容和學習效果,將32學時的理論課主要安排為軟件設計授課,最后2學時為硬件采集,之后為基于硬件采集卡的實驗課,學期結束前安排一周的課程設計。作為上位機與單片機等進行串口通信的內容將在課程設計中采用自學方式進行。

2.2 以學生為中心,更新教學方式

OBE理念關注以學生為中心,不是學生學過什么,而是學生可以做什么?！疤摂M儀器技術”是一門應用型較強的課程,重點不在理論知識推導,而是編程實現。課內的學時有限,而課外的學習無限。根據課程特點對教學方式進行以下三方面的改革。

2.2.1 激發學習興趣，提升學生主動學習意識

第一節理論課,教師從采用虛擬儀器技術完成的工程項目、全國虛擬儀器大賽的獲獎作品、大學生創新創業訓練作品開始介紹,再由遠及近介紹學生們可以選擇的畢業設計課題,之后由大到小,落實到課程需要學習的知識點,使學生們直觀地認識到課程的實用性,并理解教學內容設置的作用,同時提供有效的網絡及參考教材資源介紹,為后續課程學習做好鋪墊。

2.2.2 提高課堂學習效率，強化學生學習主體作用

理論課改為在實驗室授課,采用講、練結合的方式,教師講授編程要點,演示例題運行結果,學生在課內完成基礎練習并由教師記錄課堂練習完成情況,將原來課堂比較放松的聽講狀態,轉變為需要檢驗成果的有壓力狀態,督促學生們從“做”中“學”,及時完成每次課需要掌握的核心內容。授課過程中,對不同的內容采用不同的授課方式,對基礎程序設計的內容多采用啟發式、對比式。例如,循環結構,主要通過while循環和for循環實現,學生對這兩種循環結構并不陌生,在之前的文本語言編程課接觸過,教師可以提問,這兩種都是循環,各自需要怎樣的參數或條件設置可以完成循環,使學生從以往知識的參照去思考,相應的編程在圖形化語言labview的模塊中如何實現,介紹實現方法后,再提出用循環實現累加或計算階乘如何實現,引出移位寄存器的使用介紹,接著就請學生完成一個累加設計,從理解到實現,授課節奏緊湊,有助于及時消化基礎知識,解決主要問題。

另外,教師不僅需要在課堂教學過程中督促學生學習,也需要基于課堂逐步培養學生的自主學習能力,啟發學生綜合運用目前所學實現新的設計需求。例如,關于狀態機的設計,在講授并練習過while循環、移位寄存器、條件結構及枚舉常量的情況下,不具體講述如何運用上述內容實現狀態機中的狀態轉換及狀態機的維護,只講授狀態機的概念和設計效果,引導學生通過查閱資料,理解設計思想,獨立思考并完成狀態轉換小程序設計。教師可以進一步提出模擬商品售貨機和交通燈控制等課后練習要求,將所學內容與實際需求相結合,開拓學生思路,提升實踐能力。

2.2.3 提升課后學習要求，增強學生自主學習動力

在目前大力推行的工程教育專業認證模式中,傳統教學模式下必修課的課時均要求壓縮,增加學生自我探索、鉆研的時間與空間[4]?！疤摂M儀器技術”課程涵蓋的內容比較多,完全依靠課堂教學無法保質保量達到預期的教學效果,因此,需要在課堂基礎上進行課后擴展、深入學習,對于這部分內容,既需要避免完全由學生無的放矢盲目選擇,也需要考慮到每個學生的理解快慢程度不同,需要教師做好具體規劃,每節課都提出明確的課后學習要求,發揮線上教學平臺的作用,提供豐富的學習資料,結合實際案例,與課內教學配合,將課程對學生探索、創新能力的培養落到實處。學生需要通過查閱推薦的書籍,觀看微課視頻,結合討論完成課后作業并總結課內所學、課后遇到的問題和解決方法。課程組每周都會安排教師值班,與學生進行線上及線下的答疑交流,輔助學生課后學習,積極思考。建立專業口袋實驗室,配置myDAQ采集卡,可以進行軟件自帶儀器測量、音頻信號處理、模擬信號和數字信號采集與輸出等實驗,滿足學生對信號采集、處理及輸出整個過程的實驗需求,并結合傳感器及單片機共同建立綜合開放實驗室,便于學生在已有的課內實驗基礎上進行改進和優化,參考工程項目實例及競賽作品,嘗試探究性、創新性設計。學生根據自己感興趣的內容,3人一小組,進一步展開討論和研究,形成初步想法后與教師交流,明確設計方案,在綜合課程設計周完成設計,撰寫設計報告,制作PPT講解設計過程,展示成果。這樣促進學生在課后繼續思考,充分利用實驗平臺,在解決問題的過程中提升學生學習的成就感,有利于增強自主學習動力,形成良好的學習氛圍。

2.3 立足學習效果,改進課程考核標準

“虛擬儀器技術”作為一門專業課,基于OBE理念改進考核方式和評價標準,需要體現學生的實踐能力、綜合水平并鼓勵創新,對學生的學習積極性和學習熱情起到積極正面的影響,注重過程化、多元化,同時注意個性化和差異化,采取過程評定與最終考試結合的方式。課程評分由3部分組成:平時表現30%+實踐成果30%+期末考試40%。

平時表現包括課堂學習表現和課后練習的完成情況,涉及課程考勤、課堂紀律、課堂練習、課后的擴展學習和作業提交,實驗課的動手操作及實驗報告的撰寫,不只看學生是否在規定時間內完成,也關注學習過程中遇到問題如何解決,能否積極思考及時總結,促使學生持續開展有效學習。

實踐成果主要針對課程設計環節,以成果為導向,考評實踐學習過程。參照畢業設計答辯流程和虛擬儀器競賽評分要求,聘請開發經驗豐富的合作企業工程師和課程組老師共同參與評審,不僅考察設計文檔撰寫質量、設計能力及作品演示效果,也考察方案的實用性和創意性、學生的團隊合作、溝通情況、促進學生從實際需求出發思考問題并提高分析解決工程問題的實踐能力。

期末考試采用卷面答題的形式,由不定項選擇和簡答兩種題型組成。不定項選擇參考LabVIEW助理開發工程師認證的模擬題,考核學生對開發系統中的核心特征和功能是否具備廣泛全面的認識,并且可以用這些知識開發、調試、維護小型程序模塊。簡答則考核學生是否能分析實際工程問題并提出可行方案,題目的選取盡可能覆蓋課程的各部分要點,從知識掌握的廣度和實用度檢測課程教學目標達成度。

3 提升師生協同發展素養,保障課程教學持續改進

OBE教學改革要求以學生為中心,首先需要教師保持積極的學習狀態,提升思想覺悟、教學能力和專業水平,使德育育人和知識育人同向而行。教師通過思政學習研討,加強對新時代中國特色社會主義思想的理解,深入挖掘課程蘊含的思政元素,激發學生的學習自覺性,通過參加線上線下的教學會議及課程觀摩,更新教學方法和教學資源,順應學生的學習習慣,使學生樂于學習,通過加強校間交流、校企合作,關注本專業的行業發展與企業需求,修訂教學內容及實踐訓練要求,增強學生的實踐發展適應性。

教師做好上述工作才能更好地與學生對話,將所做工作轉化為學生的成果。教師要及時關注學生的反饋信息,檢測學習效果,解答學生疑問,了解學生的需求,啟發探索及創新精神,跟進實踐過程,從而掌握哪些方面已被學生理解吸收,哪些方面并未取得理想的效果,積累經驗,根據學生的具體情況改進教學工作,提升學生的學習獲得感和課程的教學目標達成度,激勵師生雙方共同進步,教學協同持續發展。

4 結語

提升專業人才培養質量,需要落實在課程改革過程中。本文基于OBE理念,對虛擬儀器技術課程開展教學改革,尊重學生的學習主體地位,以學習產出為導向,在課堂講練結合中及時解決基礎問題,督促并保障課后的拓展學習和實踐訓練有序開展。改革促使學生積極思考,勤于實踐,提高了學習主動性,豐富了學習生活,提升了校內外學科競賽的參與度及獲獎名次,獲得了較好的效果。