融合OBE理念的虛擬儀器課程教學改革與探索

洪改艷，彭文竹

（集美大學誠毅學院，福建廈門 361000)

針對性改革優化高校課程教學，提高教學育人質量，是新時代高校課程建設的必然要求，也是培養創新人才的現實需要。OBE(Outcome Based Education)即能力導向教育，這一理念是以學生為中心，通過有效教學使學生取得應有的學習成果。對此，應當不斷優化教學計劃、教學內容、教學手段，進而實現學生能力提升的教學目標[1]。

1 虛擬儀器課程教學存在的問題

虛擬儀器是電子信息工程、通信工程等專業的一門必修課程。隨著計算機技術和電子技術的發展成熟，虛擬儀器技術在航空航天、自動化等領域廣泛應用[2-3]。這門課程專業性、實踐性強，傳統的教學模式與新工科背景下創新人才培養要求不相適應，與課程高質量建設、學生高質量需求不相適應，亟待教學“供給側”結構改革。

1.1 教學目標重當前輕長遠

分析傳統教學，教師和學生普遍關注虛擬儀器基本知識點、圖形化編程語言LabVIEW 的學習，不太重視實踐運用、工程思維和創新能力的培養。結果是當前的知識學到了、分數拿到了，但長遠更需要的能力得不到，特別是結合專業知識解決實際工程項目能力欠缺，學生不清楚工程項目的分析、分解、分配，不熟悉項目過程記錄、項目報告撰寫、項目成果匯報。既抑制學生學向用的轉化，也影響畢業后的理想擇業。

1.2 教學手段重灌輸輕創新

分析傳統教學，多以教師為主體，教師講、學生聽，“吃大鍋飯”多、“開小灶”少，因人而異的個性化教學不足；課堂灌輸多、工程實踐少；按部就班、遞推流水的教學多，誘導思考、解決問題的設計少，工程思維和工程訓練缺失。隨著網絡廣泛運用、電子技術快速發展，新的教育理念在教學中得到探索實踐，受到具有鮮明信息特點的學生歡迎，這對動手操作要求高的虛擬儀器課程更是如此。

1.3 教學評價重成績輕能力

分析傳統教學，對教師的教學評價注重教學環節設計、教學質量評價等方面，對學生則注重課程成績，通常是平時成績加期末成績，更多的是反映學生背記能力、應試能力，無法反映學生解決實際工程問題的能力。教學評價是課程重要的風向標，單一的教學評價方式，不利于教師和學生以提升能力為導向同向發力。

2 融合OBE理念的虛擬儀器課程的改革策略

針對當前虛擬儀器課程教學存在的普遍問題，以中央人才工作會議精神為指導，以培養學生關鍵能力為出發點和落腳點，探索融合OBE理念的課程教學改革。對此，與OBE 理念學習成果、教學實施和教學設計相對應，需要解決教學目的、教學手段和教學評價三個問題。

圖1 融合OBE理念的虛擬儀器課程的改革策略架構

2.1 突出OBE理念，明確教學目標

融合OBE理念的虛擬儀器課程教學改革，強調以提升學生關鍵能力為導向，以學生關鍵能力獲取最大化為主線。對此，要弄清通過課程學習學生要獲得的關鍵能力，也就是明確教學目標。通過問卷調查、座談了解、走訪企業，結合人才培養的要求，這門課程學生關鍵能力體現在創新實踐能力、項目管理能力、知識掌握能力、專注專心能力。創新實踐能力主要是培養學生發現、分析、思考、解決問題的能力，結合軟硬件運用專業知識完成實驗或工程項目；項目管理能力主要是培養學生分工負責、相互協作和嚴密細致的團隊精神；知識掌握能力從狹義角度講是掌握這門課程的專業知識，從廣義角度講是掌握學習的方法，培養良好的學習習慣；專注專心能力主要是培養學生踏實學習的思想品德、扎實工作的職業道德。這與中央人才工作會議提出的“愛黨報國、敬業奉獻，具有突出技術創新能力、善于解決復雜工程問題”的要求是完全一致的。

2.2 調整課時結構，優化教學內容

傳統課程教學，46 個學時中38 個學時在課堂講授、8個學時在普通計算機機房進行軟件操作，軟件實際操作的時間短，并且沒有將虛擬儀器技術與實際硬件電路進行聯系，學生普遍只是掌握LabVIEW的基本操作方法，動手操作、解決工程問題能力欠缺。新的課程教學，以提升學生關鍵能力為目標，安排26個學時在教室或機房，主要是講授關鍵知識點、加強編程練習；安排8個學時的軟件綜合實訓課，主要是完成程序結構、復合數據類型、圖形顯示、文件I/O 等4 個軟件強化實驗；安排8 個課時的硬件實訓課，結合NImyDAQ和LabVIEW軟件，完成流水燈、十進制轉換為二進制、電壓頻率轉換器電路和惠斯通電橋煙霧探測器設計等4 次綜合實驗；安排4 個學時組織實施項目學習，以小組為單位組織方案設計、分組討論、答辯評定等內容，特別是運用電子測量、單片機原理等知識解決實際問題。

圖2 學生在實驗室做電壓頻率轉換器電路實驗

2.3 嵌入項目學習，打破學用脫節

項目學習是一種項目驅動式的教學方法[4-5]，教師給出不同的項目課題，學生在完成這些項目過程中，主要依靠自主學習、教師輔助解決遇到的重難點問題。學院NI-myDAQ平臺、LabVIEW軟件及實驗室其他硬件設備為項目學習提供了軟硬件保障。課程基礎知識學完后即可實施項目學習，為了提升學習效果，教師可圍繞項目學習作一次專題輔導，講清目的、意義、程序和要求。項目學習一般以小組形式開展，一個小組不超過5個人，以3人為宜，小組不能隨便組合，特別是不能強強搭配或是弱弱搭配，最理想的是根據組員的興趣愛好、專業特長和能力素質等編組，把每個人的特長充分發揮出來，同時也是相互學習的過程。

項目學習區分提出項目與明確要求、項目理解與大體思路、總體方案與設計說明、學習咨詢與積累匯總、詳細設計與過程記錄、系統測試與報告撰寫、最終評審與成績評定等七個步驟。①提出項目與明確要求。教師提供的選題不宜過難，常選用的有溫度傳感器測量系統、虛擬示波器、信號分析應用等，有興趣的學生可挑戰多功能頻譜分析儀等，學生也可以根據正在參加的競賽、創新項目等自擬項目。②任務理解與大體思路。小組集體討論分析所選項目，根據項目需求側分析完成供給側，構思完成的大體思路和步驟。③總體方案與設計說明。采取自上而下的方法對整個系統進行框架設計，包括總體設計、軟硬件設計等，形成各層次結構、功能模塊，并明確具體技術要求，撰寫相應說明書。同時，初步考慮傳感器、數據采集器等。④學習咨詢與積累匯總。進一步細化各層次結構、功能模塊，明確需要的知識點，通過后續教師講授、自主學習或咨詢他人等方式去積累。⑤詳細設計與過程記錄。這是項目學習的關鍵環節，重點是開發軟件、制作硬件，對過程中遇到的問題、解決的方案進行記錄以備后查。在此過程中小組成員對同一問題可能有不同解決方法，既在解決問題，也在相互學習。⑥系統測試與報告撰寫。檢查設計系統是否達到預期目標，進行調試直到滿意為止，并根據整個過程撰寫情況報告，作為教師、評審小組評定的重要依據。⑦最終評審與成績評定。學生先進行自評，爾后組織集體評審，既看撰寫的報告，也組織現場提問，避免學生以報告代替思考訓練的問題。這個過程還鍛煉了學生的語言表達能力和心理素質。

2.4 開放學習路徑，輔助拓展深化

虛擬儀器在企業、高校實驗室的廣泛應用和互聯網的普及，為開放學習、全時學習提供了條件。一是教師建立QQ交流群，學生可在群內討論問題，教師參與答疑解惑。二是借助優質MOOC資源，作為教師授課的輔助手段。三是鼓勵學生參加科技創新，比如虛擬儀器競賽、學科競賽和LabVIEW助理開發工程師認證(CLAD) 。四是走進企業現地參觀見學，依托校企共建讓學生更加直觀地了解虛擬儀器的應用。五是實驗室的課外開放，為學生實驗和項目學習提供場所。六是引入案例學習[6]，主要是授課過程中注重具體案例的剖析，輔助以案例視頻或邀請企業里的工程師到課堂教學。

2.5 重構考評體系，推動教學實施

建立以提升學生關鍵能力為導向的考評體系，對于教學實施具有重要的推動作用。采取的是教學滿意度測評、關鍵能力提升度測評、課程最終成績三個方面。學生最終成績包括平時成績、實驗成績、項目成績、期末成績四個部分，平時成績、實驗成績各占10%，項目成績占20%，期末成績占60%。平時成績包括考勤、平時作業，推動提升專注專心能力，學習態度端正、認真完成作業是對學生最基本要求，這點做到了才能為以后扎實工作打下基礎；實驗成績推動培養動手操作能力，是創新實踐能力中的實踐能力；項目成績推動提升創新實踐能力、項目管理能力；期末成績推動提升知識掌握能力，考查學生對專業知識的掌握情況。根據教學滿意度、關鍵能力提升度測評結果，對考評體系、教學設計實施進行相應改進和完善。

圖3 學生最終成績構成及關鍵指標對應

3 課程改革效果評估

采取問卷調查、集體座談等形式對課程改革進行調查和評估，參與的學生普遍感到收獲很大，表示提升了創新實踐能力、項目管理能力、知識掌握能力、專注專心能力，實現了課程教學效果、個人能力素質雙提升。歸納起來主要有以下四個方面：

1)打通理論與實踐的瓶頸點。融合OBE 理念的虛擬儀器課程教學改革，著重強調理論向實踐的轉化，把學和用有機結合起來，跳出為學而學、學而不用、想用不會用的怪圈。

2)提高自主學習和解決問題能力。項目設計對虛擬儀器專業知識、電子技術課程知識需求度高，倒逼學生復習運用學過的知識，提前或專注虛擬儀器知識的學習，帶著問題去查閱資料或咨詢有豐富經驗的人員。

3)增強團結協作和交流表達能力。通過案例式、項目式授課輔導和學習實踐，讓學生深刻認識到完成一個系統工程往往需要團隊共同的努力，找準自身定位、發揮特長、相互學習是完成工作的重要方法。

4)提前體驗工程師的角色。學生實現了從被動角色向主動角色的轉變，特別是項目學習讓學生以“小工程師”的身份作業，了解了工程師作業的基本流程和嚴格要求，為以后從事相關行業打下了基礎。

圖4 改革前后五個指標比較

4 結束語

通過突出OBE理念明確教學目標、調整課時結構優化教學內容、嵌入項目學習打破學用脫節、開放學習路徑輔助拓展深化、重構考評體系推動教學實施，有力推動了虛擬儀器課程教學改革，第一點解決教學目的的問題，第二、三、四點解決教學手段的問題，第五點解決教學評價的問題，實現了教學目的、教學手段、教學評價統一于提升學生關鍵能力，有效保證了學生獲得成果的最大化。