虛擬儀器設計應用型課程的教學改革與實踐

［摘要］

虛擬儀器設計課程是自動化、電子和通信等專業(yè)的基礎課程，通過對這門課程做了為期2年的應用型課程建設，從課程定位、課程設計、課程實施和課程評價4個角度出發(fā)，介紹圍繞這門課程所做的教學改革和實踐。在電氣專業(yè)進行工程認證的背景下，這些教學改革旨在提高學生解決實際工程應用問題的能力。［關鍵詞］

虛擬儀器；應用型課程；教學改革；工程認證虛擬儀器設計課程是理工科類電子信息工程、通信工程、計算機科學與技術、自動化、機電一體化、電氣等專業(yè)本科生的一門側(cè)重于軟件和硬件設計應用能力方向的專業(yè)課程。虛擬儀器系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)與儀器系統(tǒng)技術相結(jié)合的產(chǎn)物，它利用計算機系統(tǒng)的強大功能，結(jié)合相應的軟件、硬件，突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳送等方面的限制，使用戶可以方便地對其進行維護、擴展、升級等，廣泛地應用在通信、自動化、半導體、航空、電子、生化制藥和工業(yè)生產(chǎn)制造等各個領域。一、課程定位對理工科類專業(yè)的學生來說，在掌握了智能傳感檢測技術、C語言程序設計、智能設備通訊這些大類基礎課程之后，虛擬儀器設計這門課一般開設在第5或第6學期，通過這門實踐性很強的專業(yè)課程的學習，學生可以掌握LabVIEW這門圖形化的語言，彌補在編程軟件上的不足。通過對各大求職網(wǎng)站的分析，發(fā)現(xiàn)電氣工程師、設備工程師、測試工程師、LabVIEW工程師、計算機視覺工程師這幾個崗位要求掌握一定的LabVIEW技能，比如開發(fā)自動化測試設備LabVIEW測試程序之類。其實，電氣、通信這幾個專業(yè)的學生在掌握這門語言之后，得益于LabVIEW工具包的強大，也很容易轉(zhuǎn)型為視覺工程師、AI工程師之類去做算法。為貫徹黨的十九大精神，落實《國務院辦公廳關于深化產(chǎn)教融合的若干意見》，進一步深化產(chǎn)教融合，促進教育鏈、人才鏈與產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈有機銜接，推動學科專業(yè)建設與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級相適應，促進應用型人才培養(yǎng)模式改革，綜合教育部學校規(guī)劃建設發(fā)展中心實施的產(chǎn)教融合應用型課程改革試點院校項目，我院對虛擬儀器設計課程實行了應用型課程的立項建設。二、課程設計虛擬儀器設計這門課程的實用性很強，如何讓學生通過一學期的學習具有一定解決實際工程應用問題的能力是本課程設計的重點和難點。在進行課程改革前，這門課程的48學時是由32學時的理論學習和16學時的實驗室操作組成的，先在教室里面講授理論知識，然后在第7周后去實驗室上手操作，第7周之后是一周理論、一周實驗交替進行教學。這樣的傳統(tǒng)教學方式很不利于軟件技能的掌握，學生在走進實驗室之后，所學的理論知識由于時間關系都已經(jīng)遺忘了。首先，做教學方式的改革。將這門課程的培養(yǎng)方案修改為48學時的實驗課，全部在實驗室施教，讓學生邊學邊做，在學習一個知識點后立馬上手實踐，理實結(jié)合，提高學生的動手能力。其次，采用項目驅(qū)動式教學法，改變傳統(tǒng)的按照章節(jié)教學的方式。傳統(tǒng)的課程體系教學架構(gòu)不符合實際的工程項目設計流程。在設計實際的工程項目之前，需要對本門課程的知識點進行分解，學生通過本課程的學習需要掌握的知識點有60個，如表1所示。通過這些知識點的學習，希望學生掌握的專業(yè)技能有43個，如表2所示。針對這些知識點和需要掌握的技能，精心設計了4個項目，這4個項目從簡單到復雜，課時從少到多，在完成這4個項目的過程中，一些基礎技能會重復性地得到強化，同時每個項目又都各有側(cè)重點。比如，“項目1交通燈控制系統(tǒng)”側(cè)重程序結(jié)構(gòu)的運用，“項目2學生成績管理系統(tǒng)”側(cè)重圖形控件的運用，“項目3糧倉管理系統(tǒng)”側(cè)重全局變量和局部變量的運用，“項目4虛擬示波器”側(cè)重波形模塊的運用。最后，課程評價方式的改革，更注重教學過程中的成績考核，加大了平時成績的比重。平時成績?yōu)?0分，期末成績?yōu)?0分。平時成績的60分是課堂組員20分+4個項目40分（每個項目10分），期末成績的40分是上機解決實際問題能力的考核。三、課程實施本課程在應用型課程的改革和進行專業(yè)認證的大背景下，采用項目驅(qū)動式教學法，以學生為主體，課堂內(nèi)容圍繞項目展開。在教學實施過程中，首先做“項目引入”，學生對項目任務書進行“需求分析”，帶著學生去做“知識點分解”、接著以學生為主體去做“知識準備”、分組進行“項目分工”“項目實施”，最后進行“項目匯報”，教師進行“成果點評”，點評后學生進一步進行下面的“糾錯優(yōu)化”，形成一個閉環(huán)。（一）項目引入以“項目4虛擬示波器”為例，提前一周發(fā)布項目任務書、參考資料、網(wǎng)站和教學視頻，通過課前自學和討論，提高學生參與課堂的積極性和課堂效率。這個項目要求學生利用虛擬儀器軟件實現(xiàn)傳統(tǒng)示波器的以下功能。1.信號生成功能——雙通道波形產(chǎn)生（信號類型包括正弦波、三角波、方波、鋸齒波、噪聲波等）（最少5種）。2.信號控制功能——前面板可以通過旋鈕或者輸入（形式不限）等多種形式控制信號的賦值、頻率、相位、采樣信息等基本信息。3.可以用游標功能測量曲線中任意點的幅值。4.信號運算功能——雙通道的信號可以實現(xiàn)卷積運算；信號的A+B、A-B運算。5.信號處理功能——可以對任意通道信號進行濾波，濾波方式包括巴特沃斯濾波器（低通、高通、帶通、帶阻）、切比雪夫濾波器等。6.信號變換功能——可以對信號進行FFT變換。7.信號存儲功能——信號可以以指定命名格式存儲在硬盤中。在拿到項目任務書后，學生需要進行需求分析、查找資料，觀看網(wǎng)絡教學資源。我們在超星通平臺建立了豐富的視頻教學資源，對項目的重難點進行了詳細的講解，也提供了很多優(yōu)秀的案例。學生要提前進行自學和討論，增強學習的主動性。（二）項目知識點分解通過項目任務的分析，這個虛擬示波器項目用到的知識點涉及：波形的產(chǎn)生；信號的分析、濾波、運算和存儲；前面板設計能力的不斷加強。因為波形顯示模塊比較多，前面板的設計能力在這個項目中得到最終的考查。師生分析項目目標如下：1.強化程序結(jié)構(gòu)的使用。2.強化前面板的設計。3.強化圖表控件的使用。4.掌握使用信號發(fā)生模塊。5.掌握使用波形產(chǎn)生模塊。6.掌握信號卷積、加減運算。7.掌握信號濾波分析。8.學習信號的頻譜分析。9.了解曲線擬合模塊。（三）項目設計與實施在做過需求分析和知識點分解后，學生對這個項目所需要掌握的技能就很清楚了。項目小組可以進行項目分工，進入具體的項目實施過程。項目組成員由5～6人組成，身份分別為項目負責人、需求分析工程師、程序設計工程師、程序測試工程師、界面美工師、項目文檔整理和匯報。首先，為了保證每個學生對這些角色工作內(nèi)容的認識和參與，在一學期4個項目的實施過程中，學生的角色是輪流滾動的，力求每個學生都能了解實際工程應用項目實施的整個流程。其次，工程師角色的工作內(nèi)容是交叉的，比如程序設計工程師是要編寫設計文檔的，調(diào)試工程師要寫出規(guī)范的調(diào)試文檔。團隊成員既要分工，又要合作。在學習專業(yè)知識的同時，還培養(yǎng)學生團隊合作的能力。團隊合作能力對標畢業(yè)要求9：個人和團隊中的9-1能夠承擔團隊中個人角色與責任，獨立完成團隊分配的工作；和9-2具有組織與協(xié)作能力，能傾聽其他團隊成員意見，與團隊成員共享信息，團結(jié)協(xié)作完成任務。在項目實施的過程中，遵循以成果為導向，OBE理念“定義學習目標→實現(xiàn)學習成果→評價學習成果→使用學習成果”這4個步驟展開。（四）項目匯報在完成項目之后，小組還需要制作PPT來匯報從接收到任務書之后，團隊是如何分工、如何開展合作的。最重要的是需要展示項目成果。LabVIEW軟件在界面設計上有獨特的優(yōu)越性和便利性，每組學生的界面都獨一無二的。但是都要遵循界面設計的基本規(guī)律和規(guī)范，比如控件的統(tǒng)一、對齊和易用性、顏色不能太過于花里胡哨等，這些都是界面顯示效果的評判標準。學生聽取小組匯報的過程就是一個互相學習、取長補短的過程，一個體現(xiàn)大學生創(chuàng)造性的機會。在前面板設計和項目匯報中更加出彩，比如有的班級團隊合作凝聚力更強，PPT有很多創(chuàng)意，在項目中具體的創(chuàng)意點有：（1）把整體項目相關資料（程序、PPT、參考文獻）做成一個公眾號的二維碼上傳分享；（2）同一個項目會給出2種設計方案；（3）功能會超出項目指導書的需求，會有額外的功能驚喜呈現(xiàn)。高考班在學習這個專業(yè)課的時候大三了，又學過底層語言，設計起來更加游刃有余，所以也有一些優(yōu)秀的項目小組，比如“學生成績管理系統(tǒng)”學生設計的密碼登錄界面、“交通燈控制系統(tǒng)”在功能要求之外的車輛通行的模擬動畫顯示。本項目我們選取了一組界面如圖1所示，這個界面基本符合前面板統(tǒng)一和對齊的基本原則。同時項目小組實行輪崗制，力求讓學生對每個崗位都有一定的認識，有助于他們鍛煉各個方面的能力，認識自我，明確自己的職業(yè)生涯規(guī)劃。（五）項目評價項目評價分為兩方面：一方面是師評分，另一方面是自評分。師評分是指教師根據(jù)學生項目完成情況結(jié)合匯報情況給出一個分數(shù)。自評分由項目負責人根據(jù)本次項目分工和組內(nèi)成員的完成情況進行打分。這兩個分數(shù)結(jié)合構(gòu)成了這個項目小組成員的分數(shù)，通過輪崗制也能讓項目評價更加客觀真實。在每組項目匯報后的指導環(huán)節(jié)，教師會根據(jù)共性進行技術點評，一些優(yōu)秀的項目組哪里值得大家學習，大家共同需要改正的地方在哪里。對于優(yōu)秀的學生作品，后續(xù)會指導小組申請軟件著作權，培養(yǎng)學生的科研能力。四、課程評價網(wǎng)絡教學平臺的問卷調(diào)查結(jié)果表明，兩個班分別有100%、97%的學生表示對項目驅(qū)動式教學感興趣，問卷調(diào)查38%的學生認為這種教學方法培養(yǎng)了他們的資料收集能力，55%的學生認為培養(yǎng)了程序設計能力，68%的學生認為提高了團隊合作能力，45%的學生認為提高了匯報演講能力，45%的學生認為提高了分析解決問題的能力，58%的學生認為設計任務非常有幫助。為加強虛擬儀器設計應用型課程的建設，深化教育教學改革，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，加快學院的發(fā)展速度，在工學院統(tǒng)一組織籌劃下，組建了本課程教學團隊。為了提高教學團隊的專業(yè)素質(zhì)，優(yōu)化教師隊伍結(jié)構(gòu)，提高教學與科研能力，學院按照高素質(zhì)“雙師型”的標準著力建設本課程教學團隊。1.引進高職稱、高學歷人才。由于本專業(yè)獨立開展高水平學術研究的能力比較薄弱，因此，引進了兩名高級工程師，以進一步提高師資隊伍的學歷層次和科研工作能力。2.貫徹實行青年教師導師制。通過實行傳幫帶的師徒制，由高職稱教學經(jīng)驗豐富的教師擔任指導教師，負責指導青年教師學習、聽課、授課、參與課題研究、參加專業(yè)競賽和校企合作等工作。通過青藍相接的傳承，促進青年教師快速成長。3.組織教學觀摩與培訓交流。學院專門組織進行培訓，通過培訓收獲了很多應用型課程建設的實戰(zhàn)經(jīng)驗。在應用型課程授課過程中，學院組織開展公開課，學院領導、督導、我的導師和其他教師多次旁聽，并展開討論，提出優(yōu)勢與不足。同時團隊成員也定期聽取課堂經(jīng)驗豐富的教師授課，取長補短，不斷提高教學水平。4.積極申報教改、科研課題。鼓勵團隊教師申報學院的教改項目，深化教改成果，以提高團隊的教學業(yè)務能力；要求教師積極參加校企合作、專業(yè)競賽，加強技能訓練，提高實踐教學能力。該課程取得的成果有：（1）網(wǎng)絡平臺課程的建設，完成超星通平臺項目式教學的多媒體課件、教學視頻和項目案例、項目指導書等豐富的教學資源的建設；（2）大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目1項、蘇州大學大學生課外學術基金重點