工程實踐思維下LabVIEW教學模式探索

陳 奎，張 雷，田秀玲

（1.徐州工程學院 信息工程學院，江蘇 徐州 221018；2.江蘇省大型工程裝備檢測與控制重點建設實驗室，江蘇 徐州 221008）

0 引言

工程實踐以實現一定的客觀對象為目標，并具有綜合性等特點。學生的工程實踐能力狹義上可解構為在專業學科背景下應用專業知識與技術解決工程問題的能力，側重于技術層面的問題解決。廣義上，工程實踐能力可解構為在真實的實踐情境下學生以準工程師身份從事專業實踐所需的能力集合，不僅注重在技術層面上解決專業問題，而且注重在非技術層面上與利益相關者進行互動［1］。基于工程實踐特點和工程實踐能力的解構，工程實踐思維是一種綜合性思維［2］，比如實踐中的均衡與妥協、簡化與最優、結構化思維和抽象思維等，可以指導工程師的工程實踐活動。

黨和國家出臺的一系列深化產教融合的“組合拳”，旨在構建教育與產業統籌融合、良性互動、協同育人的模式，旨在提升應用型本科高校的建設水平［3-4］。因此，在工程思維引導下，根據工程實踐能力的可行性、漸進性、層次性、系統性和可評價性，有必要對教學模式進行探索和重構［5-8］。

與C、MATLAB和Python一樣，LabVIEW也是一種通用編程系統。LabVIEW是面向工程師的圖形化編程語言，采用符合工程師思維習慣、契合工程思維的程序框圖（Block Diagram）編程方式。LabVIEW具有以下特點：①語法簡單、形象、易學，內置常見數據結構和相應I/O控件；②編程過程，即程序框圖繪制過程與工程實踐思維方式契合，所想所畫即所得；③LabVIEW程序架構和編程模式都經過工程實踐的長期檢驗，具有高效性、可行性和經濟性。Lab-VIEW也支持OOP面向對象編程，提高了代碼復用率，便于項目分工合作；④有豐富的擴展工具庫或第三方工具庫，利用庫內的函數可實現數據庫操作、時頻分析、圖像處理等功能。LabVIEW及其技術生態鏈鋪平了軟硬件之間的鴻溝，因此在數據采集、電子測試、儀器儀表、自動控制等工程領域得到了廣泛應用。這些特性表明了LabVIEW在塑造工程思維及工程實踐中的相對優勢。

常規的類似C語言的教學模式中過多強調語法和規則的掌握，勢必淡化LabVIEW工程化的優勢，不利于工程實踐思維能力的培養，致使學習過程簡單化、同質化。學生僅學會了基本語法和簡單流程，但不知也不敢將其應用于實踐。為此，很多高校結合并利用LabVIEW的特點開展了工程實踐課程改革，注重工程實踐思維的培養［11-15］，在具體的項目甄選、實驗實踐設計、應用拓展、創新創業導向及考核方法等方面各自給出了很好的解決思路。

LabVIEW符合工程師的思維習慣，工程實踐門檻低，易于培養工程思維素養。本文對近年來的教學工作進行總結，系統地給出工程實踐思維指導下的LabVIEW課程教學改革總體方案。從技術生態、專業背景、學校特色、人才需求幾方面進行綜合考慮，有目的地甄選實踐項目并圍繞項目設定教學內容、設計教學方法和手段、設置課內課外實踐，并制定綜合評價體系。同時針對方案在實踐過程中出現的關鍵問題探討對應的解決方案，希望對電子信息學科各專業的教學改革起到一定的參考作用。

1 原有LabVIEW教學模式與條件

徐州工程學院設有虛擬儀器技術、LabVIEW程序設計實訓和虛擬儀器系統設計與工程應用課程。學院與美國NI公司合作共建智慧工業控制技術實驗室，可為LabVIEW工程化教學提供平臺支撐，完成數據采集、信號處理、自動控制、實時嵌入式監測、機器視覺等方面的實踐教學以及創新創業項目。以往教學中沿用C語言的教學模式，無法體現工程思維，也無法滿足產教融合、應用型本科發展的需求［9-10，15］，主要原因如下：

（1）教學內容無法體現工程思維。與C語言相比，Lab-VIEW學習門檻低、易入門，豐富的前面板控件、函數庫和程序結構更易于構建工程化應用程序。但在教學過程中，依舊采用C語言課程的教學模式，關注點側重于數據類型、程序結構、函數與文件等編程語法和要件。

（2）教學手段無法體現工程實踐思維。教學手段上借助靜態PPT并以課堂講述為主，如知識點講解、例程說明等。學習期間，學生被動接受，無法主動思考，也無法發揮主觀能動性。LabVIEW框圖式編程環境更適合按照工程思維邊講解、邊分析、邊繪制（編程），讓學生感受工程思維下分析問題、解決問題的過程。

（3）教學實踐設置單一。課內安排8學時上機實驗，實驗內容僅是獨立教學單元內的分立實驗或簡單實踐，缺少知識間的連貫與串聯；實踐內容多為脫離工程背景的抽象的語法訓練、數學算法或程序邏輯設計，忽視了解決實際問題中的思維訓練，無法考量學生分析與解決問題的能力。

實訓課由學生選題，其中算法結構占比30%，考察算法邏輯和程序結構的掌握情況，綜合實踐題占比70%，考察系統設計的合理性與完整性。但實施效果不理想，存在選題簡單、脫離實際、突擊完成等現象，無法客觀判斷學生綜合運用LabVIEW解決實際工程問題的能力，無法實現教學成效的本質提升。

（4）教學評價手段單一。以紙質試卷考察基本概念，分數占比30%～40%，5～8題獨立程序考察基本編程邏輯和編程要件的使用，分數占比60%～70%。但實訓課程僅能反映學生對LabVIEW語言的掌握情況，無法反映出其工程實踐思維和解決問題的能力。

2 工程實踐思維下的LabVIEW教學模式

以工程化思維方式設計LabVIEW教學模式，通過引入項目和工程，幫助學生在LabVIEW語言學習的基礎上將問題發現、問題分析、問題解決的工程思維通道理順。以工程情境為先，編程要件隨后，實驗和實踐驗證次之，最后拓展思路［10-15］。以機器視覺檢測為工程背景設計教學模式如圖1所示。

Fig.1 Teaching system under the thinking of engineering practice圖1 工程實踐思維下的教學體系

（1）征集工程背景和應用場景。課程開始前，以課程組教師為主，學生參與討論LabVIEW工程應用情況，從技術生態、專業背景、學校特色和人才需求幾個方面討論課程的工程應用背景與應用場景，并根據師資力量和學生興趣選定課程的主要工程背景。

（2）制定教學內容和各教學環節。以“LabVIEW機器視覺幾何測量應用”為例，教學內容、單元劃分和實踐環節層層遞進設置。教學內容劃分為：LabVIEW語言基礎、機器視覺基礎、圖像與視頻采集、圖像與視覺函數、幾何量檢測5個核心任務。基礎部分包括解決此類工程問題必要的編程要件、背景常識的學習等，教師重點講解并鼓勵學生課后強化。其余3個任務在教學中以發現問題、分析問題和解決問題的模式逐層展開課堂教學。

（3）開展課外拓展實踐活動。課后組織開展工程拓展實踐，鍛煉學生解決工程問題的能力，從而深入驗證課堂教學內容，使其觸類旁通。同時對新技術、新設備與Lab-VIEW的融合開展研討，進一步拓展學生視野。

3 LabVIEW機器視覺教學設計

貫徹工程實踐思維下的LabVIEW課堂教學模式，需要在教學內容選定、教學方法制定、教學實踐設置以及教學評價體系構建等多個環節提供支撐。

3.1 教學內容選定

LabVIEW教學內容體系包括編程基礎、工程應用和拓展工程應用3部分，如圖2所示。其中，編程基礎指Lab-VIEW編程語法以及有別于文本語言的一些特殊編程要素、概念等。圖形化的LabVIEW編程形象、直觀，易上手，已有C語言基礎的學生在教師的實時示范下可較容易掌握。此部分可以盡量弱化課堂教學，采取自學、MOOC等方式。

Fig.2 Teaching content and arrangement under the thinking of engineering practice圖2 工程實踐思維下的教學內容與安排

工程應用部分的教學內容包括信號、通信、視覺以及第三方庫，此部分體現LabVIEW工程應用的深度和廣度，體現其在工程場景中應用的優勢，應作為課堂教學的講授重點。另外，實際工程應用中常采用不同的LabVIEW程序架構與編程模式以面對不同的工程應用。合適的架構和模式可以合理組織程序，減少邏輯、時序上的錯誤。

拓展工程實踐通過實際案例介紹LabVIEW技術及其技術生態在工業環境下的應用與定位，介紹LabVIEW與其他技術的融合，如與Python、深度學習技術的融合等。通過對LabVIEW技術生態解決實際問題的分析，進一步提升學生解決工程問題的能力，增強其課程學習的動力。

LabVIEW技術生態鏈較長，圖2中的工程應用與其他課程也有著緊密聯系。學生經過機器視覺課程的學習和鍛煉后，輔以其他理論和實踐課程的知識，完全可以在工程實踐思維下采用LabVIEW技術生態解決其他工程問題。

3.2 教學方法制定

在工程應用背景下，傳統的教師主導、學生被動的教學模式往往使教學內容脫離實際、缺乏指向性，無法喚起學生學習的積極性、主動性。采用工程實踐思維的教學方法如圖3所示，突出以工程應用或工程項目為核心的理念。項目應用背景和場景由師生共同確定，學生多提出問題，教師詮釋和拓展背景。解決思路和方案由教師給出分析與建議，學生給出自己的方案。技術支撐和具體程序內容是以學生為主體，在教師的指導下學習完成。整個過程凸顯工程背景，學生以興趣為動力，全程參與問題的提出、分析和解決，教師把握難點和方向，定向指導。

Fig.3 Teaching method with engineering application as the core圖3 以工程應用為核心的教學方法

為順利實施上述教學方法，在具體教學過程中應結合學情反饋和教學內容的特點靈活運用各種教學手段。以LabVIEW機器視覺工程領域應用為背景，教學內容按其特點分為視覺編程基礎、視覺函數和程序框架及工程項目實踐3個層次類別。具體教學手段如圖4所示。

Fig.4 Teaching means圖4 教學手段

視覺編程基礎部分包括LabVIEW語言基本語法和概念、數據結構、程序結構、數據I/O等內容。此部分相對簡單、直觀，采用師生互動、以學生為主的教學方式。在工程背景下，采用項目驅動方式由教師演示具體程序編寫流程。學生同步編寫程序，可隨時提出問題，并討論和解決問題。

視覺函數種類繁雜，參數含義深厚，使用場景及參數設置需要教師詳細引導，并進行案例演示。對于講解過的視覺函數，需要讓學生課后查找資料學習，理解其算法原理和理論背景。視覺類應用的編程模式也較為繁瑣，且不直觀，需要了解一定的軟件工程概念，也需要學生有高屋建瓴的視界。學生對此部分內容較為陌生，有一定的畏難心理，因此需要發揮教師的引導作用。編程模式有著固定的程序邏輯和架構，課程中采用工程背景帶入、案例分析、師生互動的教學方式，再加上一定的工程實踐，學生可以基本掌握。對于講解過的程序結構或框架，可以采用留白方式讓學生課后補充完成。

拓展工程實踐主要是應用LabVIEW及其技術生態鏈解決實際問題。一般采用項目任務驅動模式，以及以學生為主、分組協作與研討、教師定向指導的教學方式。在以上教學方法的實施過程中，還需要實時監控學情，對教學過程中出現的問題及時進行調整與糾正，形成良性閉環系統。

3.3 教學實踐設置

LabVIEW及其技術生態鏈從誕生開始就是面向工業領域的，在解決工業實際問題的應用實踐中不斷發展。LabVIEW教學一開始就具備面向工程思維的背景，在具體教學中更應將重點放在培養學生利用工程思維發現、分析和解決問題的能力上。為此，教學實踐可劃分成課內實踐和課外綜合實踐兩個階段，如圖5所示。課內實踐包括LabVIEW語法和程序設計實踐、工程項目引導實踐及課外延展性實踐，課外綜合實踐包括項目引導綜合實踐和課外工程化延展綜合實踐。

Fig.5 Hierarchical teaching practice圖5 層次化的教學實踐

LabVIEW語法和程序設計實踐用于鞏固課堂教學基本內容，掌握語法、程序結構和編程模式，為后續工程實踐提供編程能力支撐。在課外綜合實踐任務中，順接課內實踐所涉及到的技術解決方案，強化其工程應用背景和場景，解決課程最開始提出的問題，提升學生學以致用的能力，檢驗與提升教學成效。

3.4 教學評價體系構建

傳統的“平時成績+期末成績”僅側重于對知識點的考察，無法實現工程實踐級別上的能力評估。在工程實踐思維下，LabVIEW教學評價體系應能準確評估學生運用Lab-VIEW解決實際問題的能力，以及教師的實際教學成效。工程實踐思維下的教學模式評價體系以知識點掌握情況為考察基礎，以教學實踐中工程問題的解決和成效為考察重點，從而將教學評價從以知識考查為主轉變為以能力考查為主。具體評價體系如表1所示。

Table 1 Teaching evaluation表1 教學評價

在表1中，期末試卷反映了學生對課程基礎理論、概念和知識點的掌握程度。教學過程評價學生在教師指導下的實際動手能力，課程實踐評價學生解決問題的能力，課外實踐評價學生系統的工程實踐能力。

4 教學實施過程及效果

4.1 實施過程

以徐州工程學院電子信息科學與技術專業作為教學改革實施對象。LabVIEW基礎編程課程共有32課時，并集中進行實踐4周。LabVIEW系統設計與工程應用課程有32課時，其中理論課程24課時，實踐8課時。課程以工程項目背景為引導，教學過程中以學生為中心、以學生為主導。

以“LabVIEW機器視覺幾何測量應用”工程任務為例，學生結合視頻資源、MOOC 等線上教學資源學習LabVIEW和視覺編程的基礎內容，羅列項目必須的編程概念、函數等要件，再通過程序框圖進行演示與講解，最后由教師進行點評與總結。在此過程中，LabVIEW與視覺函數基礎編程部分采用任務驅動、輔助課外實踐作業的方式。教師提前給定任務并講解，學生分組完成任務并討論得失。圖像采集、視覺處理與編程模式部分是重點和難點，設置理論課12 課時、實驗課4課時，采用師生互動方式，并輔助情境式案例等。教師分析并演示圖像采集模式、LabVIEW編程模式和程序架構，講解不同模式和框架的使用場景，啟發與引導學生進行實踐和驗證。課外實踐注重LabVIEW技術生態鏈，以及LabVIEW與其他技術平臺的融合，課時安排根據學情反饋進行彈性設置。此部分采用教師講解與案例介紹的方式，以工程任務驅動教學，突出課外實踐作用，拓展學生工程視野，提升其學以致用的工程實踐能力。

4.2 實施成效

通過上述工程思維下教學模式的嘗試、確立和實驗，學生的學習積極性明顯提高，課堂活躍度得到改善，綜合能力有較大提升。培養目標中掌握LabVIEW基礎語法和程序結構的目標達成度為86%；利用LabVIEW系統解決一般工程問題的目標達成度為80%，部分學生仍需進一步加強問題分析與實踐能力。課外實踐成果表明，通過組隊合作、教師指導，學生可解決較為復雜的工程問題。部分成果如表2和圖6所示。圖6中所列學生成果為基于數字圖像的形變場檢測，以及基于深度學習和機器視覺的文字噴碼瑕疵檢測系統框架。

Table 2 Extracurricular practice achievements表2 課外實踐成果

Fig.6 Results of extracurricular practice圖6 課外實踐成果

5 結語

應用型本科教學中采用工程實踐思維可實現理論與實踐結合，讓學生在工程思維下指導實踐、學以致用。結合LabVIEW及其技術生態鏈工程應用的特點，本課程教學模式的改革與實踐提升了培養目標達成度，使學生真正具備了一定的工程實際能力。但由于工程實踐的綜合性較強、知識技術鏈較長，完全以工程項目為主的教學模式會對學生系統、完整地學習知識不利，且對教師的工程實踐背景有較高要求。因此，在后期教學過程中，需要對項目進行認真甄選，按照難度、綜合度以及與其他課程的關聯程度進行劃分，按照項目難易程度因材施教，并按照項目小組中學生的不同貢獻合理給出評價。