虛擬儀器設(shè)計(jì)應(yīng)用型課程的教學(xué)改革與實(shí)踐

［摘要］

虛擬儀器設(shè)計(jì)課程是自動(dòng)化、電子和通信等專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課程，通過(guò)對(duì)這門(mén)課程做了為期2年的應(yīng)用型課程建設(shè)，從課程定位、課程設(shè)計(jì)、課程實(shí)施和課程評(píng)價(jià)4個(gè)角度出發(fā)，介紹圍繞這門(mén)課程所做的教學(xué)改革和實(shí)踐。在電氣專(zhuān)業(yè)進(jìn)行工程認(rèn)證的背景下，這些教學(xué)改革旨在提高學(xué)生解決實(shí)際工程應(yīng)用問(wèn)題的能力。［關(guān)鍵詞］

虛擬儀器；應(yīng)用型課程；教學(xué)改革；工程認(rèn)證虛擬儀器設(shè)計(jì)課程是理工科類(lèi)電子信息工程、通信工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、自動(dòng)化、機(jī)電一體化、電氣等專(zhuān)業(yè)本科生的一門(mén)側(cè)重于軟件和硬件設(shè)計(jì)應(yīng)用能力方向的專(zhuān)業(yè)課程。虛擬儀器系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與儀器系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的強(qiáng)大功能，結(jié)合相應(yīng)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(hù)可以方便地對(duì)其進(jìn)行維護(hù)、擴(kuò)展、升級(jí)等，廣泛地應(yīng)用在通信、自動(dòng)化、半導(dǎo)體、航空、電子、生化制藥和工業(yè)生產(chǎn)制造等各個(gè)領(lǐng)域。一、課程定位對(duì)理工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，在掌握了智能傳感檢測(cè)技術(shù)、C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、智能設(shè)備通訊這些大類(lèi)基礎(chǔ)課程之后，虛擬儀器設(shè)計(jì)這門(mén)課一般開(kāi)設(shè)在第5或第6學(xué)期，通過(guò)這門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握LabVIEW這門(mén)圖形化的語(yǔ)言，彌補(bǔ)在編程軟件上的不足。通過(guò)對(duì)各大求職網(wǎng)站的分析，發(fā)現(xiàn)電氣工程師、設(shè)備工程師、測(cè)試工程師、LabVIEW工程師、計(jì)算機(jī)視覺(jué)工程師這幾個(gè)崗位要求掌握一定的LabVIEW技能，比如開(kāi)發(fā)自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備LabVIEW測(cè)試程序之類(lèi)。其實(shí)，電氣、通信這幾個(gè)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生在掌握這門(mén)語(yǔ)言之后，得益于LabVIEW工具包的強(qiáng)大，也很容易轉(zhuǎn)型為視覺(jué)工程師、AI工程師之類(lèi)去做算法。為貫徹黨的十九大精神，落實(shí)《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于深化產(chǎn)教融合的若干意見(jiàn)》，進(jìn)一步深化產(chǎn)教融合，促進(jìn)教育鏈、人才鏈與產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈有機(jī)銜接，推動(dòng)學(xué)科專(zhuān)業(yè)建設(shè)與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)相適應(yīng)，促進(jìn)應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式改革，綜合教育部學(xué)校規(guī)劃建設(shè)發(fā)展中心實(shí)施的產(chǎn)教融合應(yīng)用型課程改革試點(diǎn)院校項(xiàng)目，我院對(duì)虛擬儀器設(shè)計(jì)課程實(shí)行了應(yīng)用型課程的立項(xiàng)建設(shè)。二、課程設(shè)計(jì)虛擬儀器設(shè)計(jì)這門(mén)課程的實(shí)用性很強(qiáng)，如何讓學(xué)生通過(guò)一學(xué)期的學(xué)習(xí)具有一定解決實(shí)際工程應(yīng)用問(wèn)題的能力是本課程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在進(jìn)行課程改革前，這門(mén)課程的48學(xué)時(shí)是由32學(xué)時(shí)的理論學(xué)習(xí)和16學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)室操作組成的，先在教室里面講授理論知識(shí)，然后在第7周后去實(shí)驗(yàn)室上手操作，第7周之后是一周理論、一周實(shí)驗(yàn)交替進(jìn)行教學(xué)。這樣的傳統(tǒng)教學(xué)方式很不利于軟件技能的掌握，學(xué)生在走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室之后，所學(xué)的理論知識(shí)由于時(shí)間關(guān)系都已經(jīng)遺忘了。首先，做教學(xué)方式的改革。將這門(mén)課程的培養(yǎng)方案修改為48學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課，全部在實(shí)驗(yàn)室施教，讓學(xué)生邊學(xué)邊做，在學(xué)習(xí)一個(gè)知識(shí)點(diǎn)后立馬上手實(shí)踐，理實(shí)結(jié)合，提高學(xué)生的動(dòng)手能力。其次，采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法，改變傳統(tǒng)的按照章節(jié)教學(xué)的方式。傳統(tǒng)的課程體系教學(xué)架構(gòu)不符合實(shí)際的工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)流程。在設(shè)計(jì)實(shí)際的工程項(xiàng)目之前，需要對(duì)本門(mén)課程的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分解，學(xué)生通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)需要掌握的知識(shí)點(diǎn)有60個(gè)，如表1所示。通過(guò)這些知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，希望學(xué)生掌握的專(zhuān)業(yè)技能有43個(gè)，如表2所示。針對(duì)這些知識(shí)點(diǎn)和需要掌握的技能，精心設(shè)計(jì)了4個(gè)項(xiàng)目，這4個(gè)項(xiàng)目從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，課時(shí)從少到多，在完成這4個(gè)項(xiàng)目的過(guò)程中，一些基礎(chǔ)技能會(huì)重復(fù)性地得到強(qiáng)化，同時(shí)每個(gè)項(xiàng)目又都各有側(cè)重點(diǎn)。比如，“項(xiàng)目1交通燈控制系統(tǒng)”側(cè)重程序結(jié)構(gòu)的運(yùn)用，“項(xiàng)目2學(xué)生成績(jī)管理系統(tǒng)”側(cè)重圖形控件的運(yùn)用，“項(xiàng)目3糧倉(cāng)管理系統(tǒng)”側(cè)重全局變量和局部變量的運(yùn)用，“項(xiàng)目4虛擬示波器”側(cè)重波形模塊的運(yùn)用。最后，課程評(píng)價(jià)方式的改革，更注重教學(xué)過(guò)程中的成績(jī)考核，加大了平時(shí)成績(jī)的比重。平時(shí)成績(jī)?yōu)?0分，期末成績(jī)?yōu)?0分。平時(shí)成績(jī)的60分是課堂組員20分+4個(gè)項(xiàng)目40分（每個(gè)項(xiàng)目10分），期末成績(jī)的40分是上機(jī)解決實(shí)際問(wèn)題能力的考核。三、課程實(shí)施本課程在應(yīng)用型課程的改革和進(jìn)行專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的大背景下，采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法，以學(xué)生為主體，課堂內(nèi)容圍繞項(xiàng)目展開(kāi)。在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，首先做“項(xiàng)目引入”，學(xué)生對(duì)項(xiàng)目任務(wù)書(shū)進(jìn)行“需求分析”，帶著學(xué)生去做“知識(shí)點(diǎn)分解”、接著以學(xué)生為主體去做“知識(shí)準(zhǔn)備”、分組進(jìn)行“項(xiàng)目分工”“項(xiàng)目實(shí)施”，最后進(jìn)行“項(xiàng)目匯報(bào)”，教師進(jìn)行“成果點(diǎn)評(píng)”，點(diǎn)評(píng)后學(xué)生進(jìn)一步進(jìn)行下面的“糾錯(cuò)優(yōu)化”，形成一個(gè)閉環(huán)。（一）項(xiàng)目引入以“項(xiàng)目4虛擬示波器”為例，提前一周發(fā)布項(xiàng)目任務(wù)書(shū)、參考資料、網(wǎng)站和教學(xué)視頻，通過(guò)課前自學(xué)和討論，提高學(xué)生參與課堂的積極性和課堂效率。這個(gè)項(xiàng)目要求學(xué)生利用虛擬儀器軟件實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)示波器的以下功能。1.信號(hào)生成功能——雙通道波形產(chǎn)生（信號(hào)類(lèi)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(hào)控制功能——前面板可以通過(guò)旋鈕或者輸入（形式不限）等多種形式控制信號(hào)的賦值、頻率、相位、采樣信息等基本信息。3.可以用游標(biāo)功能測(cè)量曲線(xiàn)中任意點(diǎn)的幅值。4.信號(hào)運(yùn)算功能——雙通道的信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)卷積運(yùn)算；信號(hào)的A+B、A-B運(yùn)算。5.信號(hào)處理功能——可以對(duì)任意通道信號(hào)進(jìn)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?yàn)V波器等。6.信號(hào)變換功能——可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行FFT變換。7.信號(hào)存儲(chǔ)功能——信號(hào)可以以指定命名格式存儲(chǔ)在硬盤(pán)中。在拿到項(xiàng)目任務(wù)書(shū)后，學(xué)生需要進(jìn)行需求分析、查找資料，觀(guān)看網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源。我們?cè)诔峭ㄆ脚_(tái)建立了豐富的視頻教學(xué)資源，對(duì)項(xiàng)目的重難點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的講解，也提供了很多優(yōu)秀的案例。學(xué)生要提前進(jìn)行自學(xué)和討論，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。（二）項(xiàng)目知識(shí)點(diǎn)分解通過(guò)項(xiàng)目任務(wù)的分析，這個(gè)虛擬示波器項(xiàng)目用到的知識(shí)點(diǎn)涉及：波形的產(chǎn)生；信號(hào)的分析、濾波、運(yùn)算和存儲(chǔ)；前面板設(shè)計(jì)能力的不斷加強(qiáng)。因?yàn)椴ㄐ物@示模塊比較多，前面板的設(shè)計(jì)能力在這個(gè)項(xiàng)目中得到最終的考查。師生分析項(xiàng)目目標(biāo)如下：1.強(qiáng)化程序結(jié)構(gòu)的使用。2.強(qiáng)化前面板的設(shè)計(jì)。3.強(qiáng)化圖表控件的使用。4.掌握使用信號(hào)發(fā)生模塊。5.掌握使用波形產(chǎn)生模塊。6.掌握信號(hào)卷積、加減運(yùn)算。7.掌握信號(hào)濾波分析。8.學(xué)習(xí)信號(hào)的頻譜分析。9.了解曲線(xiàn)擬合模塊。（三）項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)施在做過(guò)需求分析和知識(shí)點(diǎn)分解后，學(xué)生對(duì)這個(gè)項(xiàng)目所需要掌握的技能就很清楚了。項(xiàng)目小組可以進(jìn)行項(xiàng)目分工，進(jìn)入具體的項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程。項(xiàng)目組成員由5～6人組成，身份分別為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、需求分析工程師、程序設(shè)計(jì)工程師、程序測(cè)試工程師、界面美工師、項(xiàng)目文檔整理和匯報(bào)。首先，為了保證每個(gè)學(xué)生對(duì)這些角色工作內(nèi)容的認(rèn)識(shí)和參與，在一學(xué)期4個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生的角色是輪流滾動(dòng)的，力求每個(gè)學(xué)生都能了解實(shí)際工程應(yīng)用項(xiàng)目實(shí)施的整個(gè)流程。其次，工程師角色的工作內(nèi)容是交叉的，比如程序設(shè)計(jì)工程師是要編寫(xiě)設(shè)計(jì)文檔的，調(diào)試工程師要寫(xiě)出規(guī)范的調(diào)試文檔。團(tuán)隊(duì)成員既要分工，又要合作。在學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的同時(shí)，還培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作的能力。團(tuán)隊(duì)合作能力對(duì)標(biāo)畢業(yè)要求9：個(gè)人和團(tuán)隊(duì)中的9-1能夠承擔(dān)團(tuán)隊(duì)中個(gè)人角色與責(zé)任，獨(dú)立完成團(tuán)隊(duì)分配的工作；和9-2具有組織與協(xié)作能力，能傾聽(tīng)其他團(tuán)隊(duì)成員意見(jiàn)，與團(tuán)隊(duì)成員共享信息，團(tuán)結(jié)協(xié)作完成任務(wù)。在項(xiàng)目實(shí)施的過(guò)程中，遵循以成果為導(dǎo)向，OBE理念“定義學(xué)習(xí)目標(biāo)→實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)成果→評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)成果→使用學(xué)習(xí)成果”這4個(gè)步驟展開(kāi)。（四）項(xiàng)目匯報(bào)在完成項(xiàng)目之后，小組還需要制作PPT來(lái)匯報(bào)從接收到任務(wù)書(shū)之后，團(tuán)隊(duì)是如何分工、如何開(kāi)展合作的。最重要的是需要展示項(xiàng)目成果。LabVIEW軟件在界面設(shè)計(jì)上有獨(dú)特的優(yōu)越性和便利性，每組學(xué)生的界面都獨(dú)一無(wú)二的。但是都要遵循界面設(shè)計(jì)的基本規(guī)律和規(guī)范，比如控件的統(tǒng)一、對(duì)齊和易用性、顏色不能太過(guò)于花里胡哨等，這些都是界面顯示效果的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)生聽(tīng)取小組匯報(bào)的過(guò)程就是一個(gè)互相學(xué)習(xí)、取長(zhǎng)補(bǔ)短的過(guò)程，一個(gè)體現(xiàn)大學(xué)生創(chuàng)造性的機(jī)會(huì)。在前面板設(shè)計(jì)和項(xiàng)目匯報(bào)中更加出彩，比如有的班級(jí)團(tuán)隊(duì)合作凝聚力更強(qiáng)，PPT有很多創(chuàng)意，在項(xiàng)目中具體的創(chuàng)意點(diǎn)有：（1）把整體項(xiàng)目相關(guān)資料（程序、PPT、參考文獻(xiàn)）做成一個(gè)公眾號(hào)的二維碼上傳分享；（2）同一個(gè)項(xiàng)目會(huì)給出2種設(shè)計(jì)方案；（3）功能會(huì)超出項(xiàng)目指導(dǎo)書(shū)的需求，會(huì)有額外的功能驚喜呈現(xiàn)。高考班在學(xué)習(xí)這個(gè)專(zhuān)業(yè)課的時(shí)候大三了，又學(xué)過(guò)底層語(yǔ)言，設(shè)計(jì)起來(lái)更加游刃有余，所以也有一些優(yōu)秀的項(xiàng)目小組，比如“學(xué)生成績(jī)管理系統(tǒng)”學(xué)生設(shè)計(jì)的密碼登錄界面、“交通燈控制系統(tǒng)”在功能要求之外的車(chē)輛通行的模擬動(dòng)畫(huà)顯示。本項(xiàng)目我們選取了一組界面如圖1所示，這個(gè)界面基本符合前面板統(tǒng)一和對(duì)齊的基本原則。同時(shí)項(xiàng)目小組實(shí)行輪崗制，力求讓學(xué)生對(duì)每個(gè)崗位都有一定的認(rèn)識(shí)，有助于他們鍛煉各個(gè)方面的能力，認(rèn)識(shí)自我，明確自己的職業(yè)生涯規(guī)劃。（五）項(xiàng)目評(píng)價(jià)項(xiàng)目評(píng)價(jià)分為兩方面：一方面是師評(píng)分，另一方面是自評(píng)分。師評(píng)分是指教師根據(jù)學(xué)生項(xiàng)目完成情況結(jié)合匯報(bào)情況給出一個(gè)分?jǐn)?shù)。自評(píng)分由項(xiàng)目負(fù)責(zé)人根據(jù)本次項(xiàng)目分工和組內(nèi)成員的完成情況進(jìn)行打分。這兩個(gè)分?jǐn)?shù)結(jié)合構(gòu)成了這個(gè)項(xiàng)目小組成員的分?jǐn)?shù)，通過(guò)輪崗制也能讓項(xiàng)目評(píng)價(jià)更加客觀(guān)真實(shí)。在每組項(xiàng)目匯報(bào)后的指導(dǎo)環(huán)節(jié)，教師會(huì)根據(jù)共性進(jìn)行技術(shù)點(diǎn)評(píng)，一些優(yōu)秀的項(xiàng)目組哪里值得大家學(xué)習(xí)，大家共同需要改正的地方在哪里。對(duì)于優(yōu)秀的學(xué)生作品，后續(xù)會(huì)指導(dǎo)小組申請(qǐng)軟件著作權(quán)，培養(yǎng)學(xué)生的科研能力。四、課程評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果表明，兩個(gè)班分別有100%、97%的學(xué)生表示對(duì)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)感興趣，問(wèn)卷調(diào)查38%的學(xué)生認(rèn)為這種教學(xué)方法培養(yǎng)了他們的資料收集能力，55%的學(xué)生認(rèn)為培養(yǎng)了程序設(shè)計(jì)能力，68%的學(xué)生認(rèn)為提高了團(tuán)隊(duì)合作能力，45%的學(xué)生認(rèn)為提高了匯報(bào)演講能力，45%的學(xué)生認(rèn)為提高了分析解決問(wèn)題的能力，58%的學(xué)生認(rèn)為設(shè)計(jì)任務(wù)非常有幫助。為加強(qiáng)虛擬儀器設(shè)計(jì)應(yīng)用型課程的建設(shè)，深化教育教學(xué)改革，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，加快學(xué)院的發(fā)展速度，在工學(xué)院統(tǒng)一組織籌劃下，組建了本課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)。為了提高教學(xué)團(tuán)隊(duì)的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)，優(yōu)化教師隊(duì)伍結(jié)構(gòu)，提高教學(xué)與科研能力，學(xué)院按照高素質(zhì)“雙師型”的標(biāo)準(zhǔn)著力建設(shè)本課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)。1.引進(jìn)高職稱(chēng)、高學(xué)歷人才。由于本專(zhuān)業(yè)獨(dú)立開(kāi)展高水平學(xué)術(shù)研究的能力比較薄弱，因此，引進(jìn)了兩名高級(jí)工程師，以進(jìn)一步提高師資隊(duì)伍的學(xué)歷層次和科研工作能力。2.貫徹實(shí)行青年教師導(dǎo)師制。通過(guò)實(shí)行傳幫帶的師徒制，由高職稱(chēng)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富的教師擔(dān)任指導(dǎo)教師，負(fù)責(zé)指導(dǎo)青年教師學(xué)習(xí)、聽(tīng)課、授課、參與課題研究、參加專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽和校企合作等工作。通過(guò)青藍(lán)相接的傳承，促進(jìn)青年教師快速成長(zhǎng)。3.組織教學(xué)觀(guān)摩與培訓(xùn)交流。學(xué)院專(zhuān)門(mén)組織進(jìn)行培訓(xùn)，通過(guò)培訓(xùn)收獲了很多應(yīng)用型課程建設(shè)的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。在應(yīng)用型課程授課過(guò)程中，學(xué)院組織開(kāi)展公開(kāi)課，學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)、督導(dǎo)、我的導(dǎo)師和其他教師多次旁聽(tīng)，并展開(kāi)討論，提出優(yōu)勢(shì)與不足。同時(shí)團(tuán)隊(duì)成員也定期聽(tīng)取課堂經(jīng)驗(yàn)豐富的教師授課，取長(zhǎng)補(bǔ)短，不斷提高教學(xué)水平。4.積極申報(bào)教改、科研課題。鼓勵(lì)團(tuán)隊(duì)教師申報(bào)學(xué)院的教改項(xiàng)目，深化教改成果，以提高團(tuán)隊(duì)的教學(xué)業(yè)務(wù)能力；要求教師積極參加校企合作、專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽，加強(qiáng)技能訓(xùn)練，提高實(shí)踐教學(xué)能力。該課程取得的成果有：（1）網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)課程的建設(shè)，完成超星通平臺(tái)項(xiàng)目式教學(xué)的多媒體課件、教學(xué)視頻和項(xiàng)目案例、項(xiàng)目指導(dǎo)書(shū)等豐富的教學(xué)資源的建設(shè)；（2）大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目1項(xiàng)、蘇州大學(xué)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)基金重點(diǎn)