基于专业认证的虚拟仪器课程教学改革与探讨

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　　摘  要 基于高等院校工程教育专业认证的基本理念，针对虚拟仪器课程综合性强、实践性强的特点以及学生缺乏学习主动性的现状，对该课程的理论、实验教学内容、教学方式、课程设计和考核方式进行有效的改革探索，激发学生的学习兴趣，改善教学效果，提高人才培养质量。
　　关键词 工程教育专业认证;虚拟仪器课程;LabVIEW;口袋实验室;课程设计;教学改革
　　中图分类号：TP391.9    文献标识码：B
　　文章编号：1671-489X（2019）14-0086-03
　　Abstract Based on the basic concept of engineering education certi-fication in colleges and universities， and in view of the comprehen-sive and practical characteristics of virtual instrument course and the current situation of students’ lack of learning initiative， an effective reform of the course’s theory， experimental teaching content， tea-ching method， course design and examination mode is explored. The reform has greatly stimulated the student’s interest in learning， im-proved the teaching effect and the quality of personnel training in colleges and universities.
　　Key words professional certification of engineering education; vir-tual instrument course; LabVIEW; pocket lab; course design; tea-ching reform
　　1 引言
　　虛拟仪器技术是一门新兴的多学科融合的技术，它将测量技术、计算机和控制技术、信号处理技术等融为一体，是经典的测量技术与现代信息技术相结合的产物，在测控技术领域占据着越来越重要的位置[1]。青岛科技大学自动化学院开设的虚拟仪器课程，主要讲授虚拟仪器的概念和设计思想、LabVIEW软件的使用及在数据采集方面的应用。目前实验室配置的主要设备是NI公司的ELVIS实验平台，但是设备台套数较少。授课过程主要是完成软件的学习和使用，以及软件和硬件结合的内容数据采集部分，但学生的侧重点在软件基本练习，对于其应用和系统设计的能力比较薄弱。因为对学习的知识缺少实际应用的机会，学生学习的主动性也不强。
　　工程教育专业认证的基本理念是“以学生为中心”“目标导向”和“持续改进”，这也是当前国际工程教育发展的趋势[2]。目前，青岛科技大学测控技术与仪器专业已顺利通过工程教育专业认证，借此契机，探索和寻求提升测控学生工程实践能力的途径和平台是非常重要的。虚拟仪器课程是测控专业的一门专业限选课程，有针对性地对其教学进行探索和改革势在必行。
　　2 教学内容改革：以学生为中心，精心设计教学内容
　　目前，高校工程教育认证的基本标准之一是以学生为中心。本课程在教授内容上以此标准进行精心设计，课程内容既要体现大纲要求，又要根据学生的专业特点和需求添加新内容，尤其是和后面实践部分关系密切的内容作为重点。整体上来讲，学生的学习主要分为两大部分，即软件和硬件，对这两个方面的教学内容做了调整。
　　1）软件方面。通过课堂教学，让学生学习LabVIEW软件编程特点和编程技术，熟悉软件开发环境，掌握基本操作和基本功能;同时通过上机做练习和实验，针对性地做编程练习，熟练运用LabVIEW软件，具有整体的编程开发能力。
　　2）综合应用设计。通过综合应用设计，让学生掌握虚拟仪器技术的设计方法，同时熟悉虚拟仪器在测量、控制、信号处理以及网络远程控制等领域的应用，重点掌握数据采集卡PCI、PXI、USB等硬件平台的使用，实现其综合性、设计性、创新性的应用。
　　3 教学方式的改革
　　虚拟仪器课程是一门实践性很强的课程，融合了多学科的知识，因此，课程的讲授质量直接决定了学生的应用水平。近年来在教学方式上一直在探索和创新，希望学生能够变被动为主动，通过“在做中学”来提高综合应用能力。
　　项目驱动教学法  在课堂教学中采用以课题研究为导向的教学法[3-4]，在课程上首先给学生展示大量的LabVIEW的应用实例，使学生熟悉G语言编程的特点和虚拟仪器设计思路。其次是针对某一实例进行分析，给学生留下问题和要求，布置相应任务。这样给学生投放一个主动学习的引子，引导学生先有疑问和好奇心，从而去主动探讨，会帮助学生更好地理解虚拟仪器设计思想，掌握虚拟仪器系统的构成、编程环境和方法、编程技巧以及优化策略，同时重在培养学生查阅资料的能力、运用学习资源的能力、同学间的合作能力、撰写报告的能力、口头表达能力以及综合运用大学所学知识的能力和创新能力等。
　　选择的项目根据课程内容的设置分为两类：一是软件类，比如制作电子时钟和计算器、信号发生器、十字路口交通信号灯的模拟等;二是软件硬件结合类，比如温度信号采集、电压信号采集等。上课期间该课题就贯穿始终，逐步完善有关功能。如关于温度信号采集的例子，要求学生完成VI和子VI的创建、温度模拟、输入输出控件的使用、数学运算、采集信号、存储和记录信号等。学生把掌握的理论知识转化为实际应用，实现由传感器、信号采集和调理、数据采集卡和PC（包括LabVIEW软件）组成的硬件和软件结合的虚拟仪器系统设计。目标驱动教学法强调的是“在做中学”，学生通过自己动手来体会和理解有关知识，大大激发学习兴趣，培养了综合运用知识的能力。 　　实践环节强化：实验课程为主  鉴于虚拟仪器课程实践性强的特点，以实验为主的教学方法成为改革必然，实践动手+口袋实验室的多平台可选教学模式成为课程发展的必然趋势。
　　虚拟仪器课程传统的授课方式是课堂理论教学在教室上课，实验课程在实验室上课，理论教学和实验分开进行。新的授课方式打破这种传统方式，改为课堂讲授和实验一体化的教学方式，两者都在实验室进行，形成以具体事例为主导、以实验练习为主线的课堂和实验一体化教学。具体实施过程：将教学课堂搬到实验室，充分利用实验室资源;根据虚拟仪器课程的知识体系设计实验内容，实验中以工程项目做引子，贯穿实验内容于其中，并把实验内容整理成实验讲义，每个实验项目之间有连贯性，同时侧重点不同;课堂讲授时以实验内容为主、教材为辅。利用实验室的硬件平台设备进行演示，让学生亲眼看到实验的过程及其结果，激发学生的兴趣，把上课内容由抽象变为具体，由枯燥变得有趣。具体采用以下措施。
　　1）使用ELVISⅡ实验箱。NI ELVIS II实验箱既具备已集成的虚拟仪器功能（可以运行软件NI ELVISmx Instru-ment Launcher），又可以使用LabVIEW软件在平台上开发新的仪器功能，比如可以设计针对不同学科的实验，电子学和信号处理等方面。
　　2）选择日常生活中学生可以接触到的一些问题作为切入点，引起学生兴趣，如解决运算困难的数学函数（解微分方程、贝塞尔函数等）、电路中的仿真功能、自动控制原理中的PID控制函数等，航空航天工程中应用的界面设计和信号处理功能、机器人的设计等。在课堂上大量引用这些实例，将讲授的知识与学生自己动手实践相结合。在本次动手课程中，练习将覆盖使用ELVIS II平台涉及的各个基础知识点。
　　课程设计改革：口袋实验室  课程设计环节是大学某一课程的综合性实践教学环节，一般是完成一项涉及本课程主要内容的综合性、应用性的设计。虚拟仪器的课程设计就是针对课程的教学大纲和教学计划，使学生能够根据要求设计出合理的虚拟仪器。
　　在本次课程设计中，和迪芝伦公司合作开展产学合作协同育人项目，利用DIGILENT提供的口袋实验室完成设计。公司提供的Diligent Analog Discovery 2是一个迷你型USB示波器和多功能仪器，是与Analog Devices联合开发的产品。该产品的功能是方便地进行测量、读取和生成信号、记录和控制各种混合信号。这是一款便携式产品，小巧实用，小到可以轻而易举地放进口袋，功能却强大到足以替代一堆实验室设备。无论是在课堂上还是实验室，Analog Discovery 2都能够为测控专业的学生提供一个随心所欲地开展动手项目的“口袋仪器实验室”。
　　另外，在教学形式上也进行了多元化尝试，比如采取小组教学法、任务教学法;还尝试了时下流行的微课教学形式以及利用网络环境授课等[5-6]。
　　将学生分成若干小组，以小组为单位完成任务，这样的分组培养了学生的团队精神，促进了小组成员之间的交流、分析和协作。给出项目要求，学生自己查阅资料，完成设计方案，进行相应的硬件设计和软件编程。针对设计内容进行模块化分析，把每一模块和可能遇到的问题单独录制一堂课重点讲授，学生遇到问题可以反复观看。学生也可以注册NI公司网站和DIGILENT网站，选择感兴趣的知识点和视频资料进行学习巩固，充分有效地利用互联网丰富的课程资源，既拓展了知识面，又提高了自学能力和悟性。
　　利用口袋实验室开发系统，开发板越来越小型化，学生可以将实验板卡/系统带到宿舍或其他实验室以外的环境中，随时随地实践，不再受到实验室场地及开放时间的限制，大大提高了仪器的利用率，也加深了对课程内容的理解，真正实现了理论知识和实践应用的无缝链接。
　　4 考核方式：侧重过程
　　根据本课程实践性强等特点，同时也是专业认证的要求，不断探索有效的考核方式以配合课程内容和教学方式方面的改革。传统的考核方式是直接由理论考试成绩决定，过于简单，而且不能体现学生实践能力的水平。因此，采用由平时成绩、实验成绩和考试成绩加权平均的形式。平时成绩反映学生平时学习状态，实验成绩包括实验完成效果和实验报告两方面，占总成绩的50%。这样的方式评价全面合理，能够真实反映出一个学生的水平;而且实验成绩比重加大，可以激励学生功夫下在平时，讲求学习过程的效果，只要平时功夫到，最后成绩一定好。这样的设置大大提高了学生实验课的学习质量。课程设计成绩也由三部分组成，课程设计成果占70%，课程设计报告占20%，课程设计答辩占10%。在答辩过程中，各小组成员答辩，教师进行提问，避免了学生抄袭和蒙混过关的念头，提高了教学质量。
　　5 教学效果分析
　　对于教学效果分两方面进行纵向对比。
　　通过学生成绩评价  根据专业认证的要求，每一门课程要进行达成度分析。试卷中每一个题对应课程的教学目标，根据学生答题统计分数，考查每一项教学目标的实现情况。如果达成度不理想，认真分析原因并提出改进措施，同时在下一次的学生考核中进一步认证，以这样“考查—分析—改进”的方式达到持续改进的目的。近两年的课程教学，从内容到方法，理论教学和实践教学时间合理分配，进行一系列尝试，达成度指标有了大幅度提升。
　　通过提交的课程设计成果评价  在课程设计环节学生自主完成一个课题，授课模式也主要是以学生为中心的研究型课堂模式，教师主要工作是答疑和点评;课程考核侧重课题完成过程，根据过程和最后作品运行情况打分。从近两年学生提交的课程设计成果看，学生对于基础知识掌握比较扎实，具有一定的分析问题能力，能够根据要求完成相应任务，满足了课程教学目标，实现了专业培养目标和毕业要求指标。
　　6 结语
　　在虚拟仪器课程教学中，始终坚持以学生为中心，以目标导向为准则，持续不断创新，广泛调研，不断尝试新方法，精心组织设计教学内容，将课堂内容和实践无缝衔接，采用课题驱动法教学模式，不断改革教学内容、教学方法和考核方式，采用口袋实验室，完成课程设计，达到预期的目标，取得满意的成绩。根据课堂表现，学生由原来的被动接受变为主动参与，对于LabVIEW编程产生濃厚的兴趣，教学效果明显改善。在课程设计环节，学生具有较强的动手能力与创新意识，每个小组都能够开发出具有一定功能的虚拟仪器，大大提高了学生对LabVIEW软件的综合应用能力，提高了学生将来在社会上的竞争力。
　　参考文献
　　[1]钟伟红，李园，叶凌箭，等.基于学科竞赛和专业认证的“虚拟仪器技术”课程教学改革与实践[J].工业和信息化教育，2013（10）：44-46.
　　[2]于海龙.工程教育专业认证背景下的课程教学改革研究[J].教育教学论坛，2018（42）：119-120.
　　[3]李梅.以课题研究为导向的虚拟仪器实践教学改革[J].教育教学论坛，2016（31）：75-76.
　　[4]郭杰，周祥才，张美凤.项目教学法在“虚拟仪器技术”课程教学中的应用研究[J].科技信息，2011（18）：130，133.
　　[5]贾佳.基于工作过程的高职虚拟仪器课程教学改革与实践[J].电子制作，2014（8）：142-143.
　　[6]周鹏，许钢，韩超，等.基于MOOC的《虚拟仪器》课程教学改革研究[J].科技展望，2016（2）：291.
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