“虚拟仪器设计”教学改革和实验平台建设_葛双超.pdf

第 卷第 期 年 月电气电子教学学报 收稿日期：；修回日期：基金项目：山西省高等学校科技创新项目（）；中北大学本科教育教学改革项目作者简介：葛双超（），女，博士，副教授，主要从事自动控制技术、微弱信号检测的研究工作，：“虚拟仪器设计”教学改革和实验平台建设葛双超（中北大学 仪器与电子学院，太原）摘要：通过分析目前“虚拟仪器设计”课程在教学内容、教学方法等方面存在的问题和不足，根据“以学生为中心”的工程教育理念和新工科建设内涵和需求，通过模块化教学内容划分和设计、明辨性思维能力培养、科研项目式教学方法、贴合实际工程背景的实践教学考核方式确定，实现“虚拟仪器设计”教学改革和实验平台建设，实现科研与教学的有机融合，拓宽了学生视野、学习主动性和创造性。关键词：实践课堂；项目式教学；明辨性思维中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：，：；虚拟仪器技术是测控技术和计算机技术相结合的产物，应用方案灵活，性价比高、便于集成和扩展，近年来得到飞速发展和广泛应用。“虚拟仪器设计”课程是测控技术及仪器专业的一门实践性很强的专业课程，在测控技术与仪器专业整个课程体系中起到承上启下的关键作用，通过该课程的学习可以将先修课程“传感器原理及设计”“微机原理及接口技术”“信号与系统”等多门课程进行融会贯通，同时虚拟仪器设计对于后修课程如“测控综合实践”毕业设计等具有重要应用价值。“虚拟仪器设计”是测控专业学生及工程师所必需掌握的专业技术。随着教育教学改革的不断深化，“虚拟仪器设计”课程在教学内容、教学方法、实验室建设等方面亟需解决如下问题：（）解决普遍存在的“虚拟仪器设计 程序设计”这一错误理念，实现合理的虚拟仪器设计教学内容调整和模块划分，由浅至深逐步引导学生完成课程学习的同时提高学生的综合实践能力；（）解决以往学生学习兴趣低迷、知识点掌握不牢的问题，提高学生的全程参与度，以参与项目式教学方法从实践意义上落实“以学生为中心”的教学理念；（）解决如何建设专业的虚拟仪器设计实验室，更为全面地培养学生具备应用虚拟仪器技术解决复杂工程问题分析、设计的能力问题。“虚拟仪器设计”课程目标“虚拟仪器设计”课程以实践性强为主要特点，属于应用导向型的课程，实践与理论结合比较紧密。结合中北大学加强学生创新能力和实践应用能力要求，在测控专业培养高素质应用研究型人才的目标基础上，按照行业发展背景需求，“虚拟仪器设计”课程制定如表 所述课程目标。表 “虚拟仪器设计”课程目标序号课程目标支撑毕业要求指标点基本原理与方法：能够基于虚拟仪器软件开发平台程序设计的基本原理与方法，将复杂工程问题进行分解和任务规划。问题识别：能应用科学原理对测控技术与仪器专业复杂工程问题进行分解，并识别其中的关键特征和参数。对工程问题进行描述、建模，将工程问题转化为技术问题。软硬件设计：能够熟练使用、等虚拟仪器开发语言进行相关任务的设计；能够应用虚拟仪器设计的基本原理及其软、硬件系统设计方法及具体指标要求选择设计方案。专业工具使用：能够针对测控电路或系统建立恰当的模型，并针对涉及到的环节和过程使用专门的工具进行设计和仿真，确定功能和工艺参数。综合应用：能够综合应用计算机、虚拟仪器技术和设计软件相关知识设计测量仪器和测试系统，并能够使用相关仪器观测系统输出结果，对系统进行有效控制。按需设计：能够根据用户特定需求设计复杂工程问题的解决方案，设计能够满足特定需求的传感器、测控系统以及工艺流程。对于“虚拟仪器设计”课程，传统的教学理念是让学生学会使用虚拟仪器设计相关软件，从而产生一种“虚拟仪器设计等价于 程序设计”的错误观念。新工科专业人才需要适应新行业需求，解决实际问题，在人才培养过程中需要更关注工程问题。在这一导向需求下，虚拟仪器设计并不是单纯的 程序设计，其核心在于引导学生学会利用不同的硬件架构和软件架构来设计合理的自动化测试测量解决方案。为解决上述问题，主要开展了课程内容调整、多元化实践课堂建设、实验平台建设等研究内容，如图 所示。图 主要研究内容首先，进行合理的课程规划和教学安排，提高虚拟仪器硬件架构和系统设计等知识比重，改掉影响实现教学目标的不利因素；其次，增加先进的教学方式和方法，打造多元化实践课堂，培养学生明辨性思维能力，以参与项目式教学手段实现课堂教学和实践的高效有机结合；第三，建设专业虚拟仪器设计实验室，引进国内领先的开源虚拟仪器开发软件平台和先进的综合型虚拟仪器设计硬件资源，丰富学生的实验内容，提高学生的操作灵活性；最后制定更加合理的考核方式，实现闭环持续改进。通过以上几部分研究内容的有机结合，确保“虚拟仪器设计”课程的探索和实践取得成功。“虚拟仪器设计”教学改革 教学内容调整早期“虚拟仪器设计”课程侧重点在 软件学习，故师生均存在虚拟仪器设计等同于 程序设计这样的误区。针对这一问题，对该课程知识结构进行调整，增大虚拟仪器硬件架构、选型、系统设计等内容的比重，课程内容紧跟虚拟仪器技术最新研究进展和发展动向、最新设计理念和实践应用。调整后教学内容由如下 部分构成：（）虚拟仪器的体系结构（支持课程目标、）：该部分重点在于理论和概念的讲授，主要包括虚拟仪器基本概念、组成及特点，虚拟仪器技术应用及发展趋势，以及虚拟仪器软硬件架构基础知识；（）虚拟仪器软件开发平台及设计基础（支持课程目标）：主要包括虚拟仪器软件操作环境、编程方法和技巧，基本原理，硬件选择和配置方法等；（）虚拟仪器系统设计原则和方法（支持课程目标、）：该部分重点强调独立完成一个数据采集系统的搭建和实现，主要包括常用板卡技术指标和选型依据，虚拟仪器系统设计原则和步骤，综合型设计实例等；（）虚拟仪器设计实验（支持课程目标、）：在整个实验过程中自主学习软件编程需要用到的图形显示控件和字符串及文件 等，自主学会硬件的连接方式包括采集卡设置、采样方式、触发方式等。该部分以操作性和应用性为主，要求学生都能独立地搭建一个简单的数据采集系统，例如，环境噪声采集系统等。根据项目的需求，反过来激发学生自主查找和学习数据采集过程中需要用到的软硬件知识。教学内容及其与教学目标之间的支撑关系如图 所示，通过课程内容和课时划分，可以加强虚拟仪器技术在实践应用中的拓展。电气电子教学学报 第 卷图 教学内容划分 多元化实践课堂设计从以往经验来看，单纯讲授式课堂教学和纯动手型实验教学在该课程教学过程中均无法取得令人满意的教学效果，故本研究将课堂授课环节打造为包含实践课堂、云课堂、动画展示、互动游戏、板书、展示、提问、讨论等多种教学手段融合的多元实践课堂，并针对不同教学内容，采用最适合学生的教学方式。课上关键程序、实例等均由教师引导学生一步步完成，极大提升学习效率。将教师的作用由直接讲授改为间接引导，以所授知识点结合紧密的科研或工程实例问题为导入点，引导学生发挥主体作用解决问题获得答案。如图 所示，利用科研案例、同步编程、互动游戏等手段打造多元化实践课堂，并根据不同的教学内容灵活采用不同组合方式的教学手段来提高学习效果。图 多元化实践课堂）明辨性思维能力培养明辨性思维（）主要指那种怀疑的、分析的、推断性的、反思性的思考方式。该思维方式起源于西方，经过几十年的发展以及成为国际教育改革的焦点。作为一种创新性思维方式，明辨性思维要求学生对所有的信息保持一种审慎的态度，勇于理性思考和解决问题。“虚拟仪器设计”课程为了培养学生明辨性思维方式，主张以问题为先导，先练后讲，先学后教，强调学生的自主学习，主动参与，从动手编程入手，从问题出发，调动学生学习的主动性、创造性、积极性等。在课程教学过程中强调主动思考、辩证和参与的作用，授课形式以启发式教学为主，以一个具体案例引出新知识点，抛出问题由学生思考或讨论，当学生给出答案后，教师不对答案的对错做出评价，而是通过课内师生同步编程，让学生根据程序运行结果对前述问题做出判断。之后教师再给出总结性结论。针对不易掌握和理解的问题会适当增加互动游戏、趣味编程等环节。以移位寄存器的使用为例，该知识点属于教学难点，以往讲授和实例演示相结合的方法很难让学生透彻理解移位寄存器的运行机制，采用以课内同步编程、动画演示、合作游戏三个环节相结合的多元教学方法可以有效强化学生对知识点的理解，如图 所示。（）随堂编程（）动画演示第 期葛双超：“虚拟仪器设计”教学改革和实验平台建设（）互动游戏图 多元融合教学实例）科研项目式教学项目式教学法围绕一个完整的项目工作展开教学活动，将理论和实践有机地结合，它以任务为导向进行教学活动，以培养学生的专业技能为教学首要任务。与传统教学方式相比，项目式教学法将传统的以教师为中心的培养模式转变为以学生为中心进行自主学习的模式。进行项目式教学时，教师先对项目进行示范性介绍和分解；然后让学生按照自己的兴趣和特长进行分组，然后围绕小组题目进行讨论，协作、实践、探究性学习，有利于培养自主学习和探索研究的意识和能力。同时，为了与当代科技并轨，加强实践应用在课程中的扩展应用，教学案例不仅停留在课本和软件例程，而是更多地寻求本专业教师的最新科研项目中的具体问题以及行业最新进展，激发学生主动关注行业最新发展动向。在“虚拟仪器设计”课堂上采用参与项目式教学方法，引导学生进行复杂工程问题分解，培养学生将测控专业知识体系进行融会贯通，提高学生虚拟仪器系统设计的综合应用能力。首先将科研项目分解成若干个简单的知识点，进行简单局部讲解后鼓励学生通过讨论给出复杂工程问题的虚拟仪器设计解决方案，从而激发学生学习的兴趣，提高其学习动力。让学生完整经历问题提出、资料查阅、方案论证、设计或实验研究、中期报告、研究报告撰写、结题验收答辩等项目的全过程锻炼，学生可以把所学的知识与实践结合起来，并综合运用所学知识来解决实际问题，从而显著地提高学生发现问题和解决问题的能力、创新意识与能力、总结报告及口头表达能力。图 是虚拟仪器系统设计部分采用的授课教师课题组在研项目进行项目式教学实例。结合科研项目（图），首先进行需求分析，然后进行硬件选项和系统搭建（图），再对系统软件进行模块化划分设计（图），最终完成虚拟软面板开发（图）。通过参与项目式学习最后引导学生总结虚拟仪器设计流程（图），可以起到良好的教学效果。（）案例来源：授课教师科研项目（）硬件系统设计（）软件模块划分电气电子教学学报 第 卷（）虚拟软面板开发图 虚拟仪器系统设计实例图 虚拟仪器设计流程 课程成绩评定方式改革为提高课程成绩评定方式的有效性，课程成绩评定采用定性评价和定量评价相结合的评定方式。）定性评价每堂课结束后，利用教学助手进行随堂测评，根据测评结果调整授课环节搭配、调整课内编程难易程度等。每学期结束后，根据课程目标，制定调查问卷，通过对反馈结果统计分析获得定性评价结果。）定量评价课程最终成绩由课堂、实验、期末考试（）组成。课堂成绩由出勤、参与讨论、作业和回答问题情况组成，为调动学生的积极性、提高课堂参与度，在课堂定量评价环节规定课堂主动回答问题答对 分、答错不扣分，被提问答对 分、答错 分，积极参与讨论并展示讨论结果 分；在实验定量评价环节，除根据实验过程、实验结果和实验报告构成的基础分之外，为锻炼学生利用所学知识解决实际问题的能力和培养学生的团队合作和人际沟通能力，项目规定完成自己的实验后每指导一名或一组同学可 分；此外，如果有学生参加各个层次的虚拟仪器大赛，可以根据参赛项目的实际水平进行评分。根据中北大学规定的总目标和分课程目标达成情况评价方法，各环节对课程目标、达成评价所使用到的权重占比分配及考核权重分配分别为 、和 。根据学生三个环节的成绩进行加权得到各分目标和总目标的达成评价结果。以上所有方法手段都会随教学进度和学生学习效果形成闭环，根据学生反馈意见和需求评判方法的有效性和局限性，不断改进以满足新工科建设背景下对虚拟仪器设计人才的培养需求。在以上研究内容的基础上，每学期初填写一个学期的授课计划，其中包含授课日历和授课目标，总结前一轮评价过程中存在的不足。授课过程中，落实改进措施，并根据每届学生的特点和实际情况实时调整授课手段组合方式，最大限度提高学生的学习效果。学期末根据课程目标达成情况，针对评价结果提出的改进建议，进而形成闭环持续改进，如图 所示。图 闭环持续改进 “虚拟仪器设计”专业实验平台建设“虚拟仪器设计”课程开设以来，实验课程都是在专业基础实验室完成的，可利用资源包括安装有 的台式计算机、接口简单的板卡和其他外围配件，实验内容不够丰富，可供学生选择的设计方案也相对不全。因此建设专业实验平台是“虚拟仪器设计”课程教学改革的重要组成部分。年 月，中北大学仪器与电子学院测试技术及仪器国家级实验教学示范中心联合上海简仪科技建立了开源工程创新实验基地，在此基础上创建了虚拟仪器设计实验室，旨在丰富虚拟仪器教学实验、为学生利用虚拟仪器解决实际工程问题提供技术支持和实践基地，使学生迅速掌握虚拟仪器系统解决方案。在虚拟仪器设计软件方面，让学生在学习基于美国 推出的 软件平台的虚拟仪器设计方法之外，将简仪公司开发的具有我国自主知识产权的免费开源锐视开发软件 纳入课第 期葛双超：“虚拟仪器设计”教学改革和实验平台建设堂教学，提高学生的综合能力的同时培养学生的家国情怀；在硬件方法，引入了接口丰富、配置灵活的虚拟仪器开发资源。学生进行虚拟仪器系统设计时，可以灵活地选择软硬件资源，形成更加合理的解决方案，全面提升学生解决复杂工程问题的能力。为提高教学效果，优化改进实验教学组织形式。将简单、生动有趣、逻辑性强的案例放在实践课题或课下练习完成，而实验课主要完成具有一定复杂性的虚拟仪器系统设计。图 所示为虚拟示波器。在如图（）所示的实验系统上搭建示波器硬件系统，分别利用 和 软件开发了虚拟示波器软面板，如图（）和（）所示。（）虚拟示波器硬件系统（）基于 平台的虚拟示波器软面板（）基于 平台的虚拟示波器软面板图 虚拟示波器设计 实验教学与课堂授课交叉进行，按照由易到难、循序渐进的思路设计实验，实验开始前详细地向学生讲述设计需求，然后由学生自主设计完成实验，充分调动学生的主体地位。为了保证实验顺利进行，除实验指导教师外至少配备 名研究生助教，同时以分数奖励鼓励方式能力强的学生完成实验后去指导其他同学。结语通过对课题内容、选题方法、教学方式、考核方法、专业虚拟仪器设计实验室建设等各方面进行改革和优化，使学生对专业基础理论和专业知识有更全面、更系统的理解，从而提高了学生解决复杂工程问题的能力和创新意识，同时培养学生责任意识、团队合作等方面的素质，实现了有限学时下让学生高效掌握虚拟仪器的开发技术的目标，成功拓展了学生视野，并培养了学生的家国情怀。参考文献 ，（）：，（）：刘玉秋，曹生现 虚拟仪器技术课程教学实践研究 实验技术与管理，（）：，郭颖 虚拟仪器技术及应用教学方法的探索与改革 新教育时代电子杂志：教师版，（）：王耿，樊磊，王莹，等 虚拟仪器设计课程的教学改革的探索与实践 中国现代教育装备，（）：钟登华 新工科建设的内涵与行动 高等工程教育研究，（）：黄峰，雷芳芳 虚拟仪器技术 课程教学改革探究 教育现代化，（）：苏华 工程基础课程批判性思维培养的探析 高等工程教育研究，（）：宋朝霞，俞启定 基于翻转课堂的项目式教学模式研究 远程教育杂志，（）：董介春，于瑞涛，卫成兵“基于项目学习 ”的“虚拟仪器技术”课程教学模式 电气电子教学学报，（）：，：，（）：电气电子教学学报 第 卷