基于翻转课堂式《虚拟仪器技术》课程思考和实践

戴洪德, 卢建华, 郭 巍, 吴光彬, 王希彬

(海军航空工程学院 控制工程系,山东 烟台 264001)

基于翻转课堂式《虚拟仪器技术》课程思考和实践

戴洪德, 卢建华, 郭 巍, 吴光彬, 王希彬

(海军航空工程学院 控制工程系,山东 烟台 264001)

不同专业或研究方向的研究生学习《虚拟仪器技术》课程的基础和将来课题研究的针对性不同,传统的教学方法是难以奏效的。针对这一问题,研究并实践了基于翻转课堂的硕士研究生《虚拟仪器技术》课程教学方法。翻转课堂方法适用于具备一定自学能力的研究生,知识点的获取由被动接受学习变为课前预习教材、查阅文献资料和观看教学视频的主动学习。教员通过概念问题和反馈问题在课堂上实现学习的互动,并使用同济教学的方法来提高不同层次的学习能力。实践证明了将往期的《虚拟仪器技术》教学内容录制视频供学员自主学习,采用翻转课堂的教学方法效果更好。

翻转课堂; 虚拟仪器; 概念问题; 反馈问题; 同侪教学

1 引 言

随着计算机技术、现代测量技术的发展,近年来虚拟仪器技术得到了迅猛的发展。虚拟仪器技术广泛应用于军事、民用的各个领域,特别是仪器、测量与控制、自动化等领域。为适应技术发展和人才需求,短期内国内众多院校增设了“虚拟仪器”课程,并在实验、实习、毕业设计、一些大学生设计大赛等教学环节和活动中增加了相关内容。以NI公司(美国国家仪器公司)为首的厂家,与清华大学、上海交通大学等许多大学以共建的形式,建立了大量实验室。可以说,“虚拟仪器”教学以及教学研究正如火如荼地展开[1]。另一方面,目前的“虚拟仪器”教学主要集中在推广虚拟仪器技术的应用上面,类似于许多信息技术和工具软件发展初期情况。相关专业一般将“虚拟仪器”作为一种工具或一个软件在教学。作为专业应用的软件和工具基础,如何安排对应的有效的教学内容,以及如何按照教育教学规律和认知规律,有效融入研究生教育教学经6验成果等等,这些方面的教学研究还鲜见成果,而这些研究的开展和深入,是研究生教育人才培养和教学效能的关键。

《虚拟仪器技术》课程是研究生的一门选修课,学时少(只有18学时),选用教材为普通高等教育“十二五”规划教材的贾惠芹主编的《虚拟仪器设计》,由机械工业出版社出版。研究生学员属于不同的专业或方向,对数据采集、总线接口技术、驱动程序设计方法和应用软件开发平台等课程教学内容的熟悉程度也不一样。在计算机软件技术不够成熟的时候,《虚拟仪器技术》课程的教学方法通常是在讲解课程教学内容后,安排学员上机完成相关案例的程序编写。然而,现在的研究生学员在本科期间大多已经有LabVIEW、Labwindows/CVI等软件平台的编程基础,按照原先教学方法的授课只是重新练习编程,效果较差。

针对学员的自主学习意识差、学习能力弱的问题,许多美国学者和教员经过思想的砥砺和实践探索,提出了翻转课堂的教学方法。这一教学法使课堂中的教员和学员的角色发生了转变,对常规教学内容和课外学习内容进行“翻转”,学员成为课堂的中心,由此提高了自主学习能力。教员把授课内容先期制作成教学视频,布置给学员在课外时间进行学习,学员则根据自己的学习水平和进度多次观看上述教学视频。而通过将常规教学内容翻转为学员的课外学习内容,翻转课堂为教员教学节省了大量宝贵的课堂时间,教员可以在课堂上组织互动和合作式的学习活动(如开展专题研究、测验等),解决学员观看视频后产生的问题,并在教员的指导下,引导学员进行知识的应用和扩展,提高学员认知水平[2]。

2 实施方法

在《虚拟仪器技术》课程教学中,可以使用及时教学和同侪教学两种教学方法来激励学员参与课堂活动。

及时教学是由普渡大学教授格雷戈尔·诺瓦克(Gregor Novak)提出的。所谓及时教学就是用形成性评价来判断学员对课程内容的理解,并根据学员的理解情况安排课堂时间。在翻转课堂中,教员主要是利用课堂时间通过学员在课前构建起来的知识来进行加深知识的学习。课前知识的构建主要通过教员提供的视频资料,由学员自己完成。课堂时间内的加深知识学习要通过以下几步来完成。首先,教员提出两个概念问题(Conceptual Questions)。概念问题不应该是典型的记忆问题,应该是需要分析性思维的问题。好的概念问题可以引导学员思考他们应该做什么。谢尔指出,如果学员没有完成课前的知识学习,他们就无法回答概念问题。其次,教员要向学员提出一个反馈问题(Feedback Question)。谢尔认为这是非常关键的步骤。反馈问题可以是:“你认为关于这个概念或主题哪个部分是最难的,最令你费解的或者最使你感兴趣的？”谢尔教授指出,在她的课堂中得到最多的关于反馈问题的答案是:“我没有找到任何感到费解或感兴趣的部分。”那么接下来教员可以提出下一个问题:“关于这个概念你想知道什么？”从学员的回答中教员可以发现学员对于概念或主题在哪些方面是不理解的或理解错误的。对于有经验的教员来说,一般在课前就可以大概知道学员对哪些内容感到费解或感兴趣。但是在听取学员的回答时最有价值的问题应该是教员以前没有想到的问题。学员对于概念问题和反馈问题的回答就可以提示教员如何安排剩余的课堂时间。

谢尔教授会给学员的作答打分,她所定的打分标准分为三级:(1)0分,没有回答或没有答全;(2)1分,回答了,但是不合情理或没有根据;(3)2分,回答了,有理有据,即使答案是错误的。谢尔教授认为我们不应该以答案是否正确来给学员打分,我们试图做的是帮助学员建立参与课堂活动的动机,让他们参与到学习中来,以便在课堂中展开更深入的活动。

在多年对新的教学方法的研究和推广过程中,谢尔教授经常被问到一个问题:“如果学员课前什么都学了,那么上课做什么呢？”她的回答是同侪教学,这是20世纪90年代由哈佛大学教授埃里克·马祖尔(Eric Mazur)研发的教学技巧。同侪教学包括以下7个步骤:(1)教员对课堂主题作简要介绍;(2)学员问与主题相关的问题,这样会扩展他们的思维;(3)每个学员独立地挑选并回答一个问题,然后和同伴进行讨论,努力使同伴相信他的答案是正确的;(4)学员们回答相同的问题;(5)由教员公布正确答案;(6)学员被邀请分享为什么他们要选择那个问题,他们的答案是否正确;(7)教员给出一个详细的解释。在同侪教学的过程中,谢尔认为学员应该与自己持不同意见的同学一起讨论他的答案。教员应该创造条件让学员充分讨论,而且她发现越是知道自己答案错了的学员越愿意主动参与讨论,这正是为什么在公布正确答案前让他们解释自己想法的原因。

3 视频制作的内容

在制作课程视频模块时,要求各个模块具有相对的独立性,又具有一定的阶梯性[3],而且各个模块能够按一定的目标组合成一个较完整的体系;各个模块之间有一定的连续性,能够保证学员连续地学习相关的知识。

通过将课程划分成三个基本模块以满足不要层次学员的需要,学员可根据自己需要进行选择,其中:模块A是选课学员必选模块,这个模块达到第一类培养目标;模块A+B达到第二类培养目标;模块A+B+C完成第三类培养目标,如图1所示。

图1 课程结构图Fig.1 Structure chart of class

在课程模块视频制作中以实践为中心,采用“基础-应用-创新”三层次的教学模式,有效地提高学员的实际动手能力,更好地激发他们的学习兴趣和探索精神,达到培养出应用型人才的目标。

(1) 基础,应用和创新的基石

“虚拟仪器”课程主要学习虚拟仪器的工作原理、组成方式和开发软件LabVIEW编程,掌握虚拟仪器的面板设计、程序框图设计、测试信号分析与处理,学习虚拟仪器硬件的工作原理和电路设计,虚拟仪器系统集成和软件技术。

视频制作的方案是:在系统介绍虚拟仪器的基本概念、构成分类和最新发展方向的基础上,把虚拟仪器代码设计和面板设计、文件存储技术、DAQ仪器工作过程、数据信号处理、虚拟仪器的网络通信技术和虚拟仪器的应用等作为教学的主要内容。

(2) 应用,彰显学以致用

虚拟仪器与传统仪器的不同在于它由测试硬件完成信号的采集与控制,而将信号分析与处理、结果表达与输出让计算机来完成,编制具有某种测量功能的软件就可构成具有该种功能的测试仪器。针对以上特点,我们把课程的主要内容讲述为重点在于应用,以一系列使用性、操作性、应用性项目为主,设计出测试和应用等一系列实验和训练模块。如:虚拟示波器、频谱分析仪的设计、温度和压力等检测仪表的设计和数据实时通信等,重点突出应用技能的基本训练与综合设计,为后续基于虚拟仪器技术的创新实践打下基础。

(3) 创新,教学实战一体化

为培养学员的工程意识和能力,教学内容取材于部队实际案例和典型系统。根据知识点将整个项目分解开来,由简单到复杂、由局部到整体、由分立到综合,构建项目化教学内容体系,应用性更加突出。采用的是项目驱动教学方法,具体过程如图2所示。

图2 项目驱动教学过程Fig.2 Project drived Teaching Process

4 培养目标

由于虚拟仪器是工科类选修课,课程更应该关注研究生学员的自身发展和需求,教学必须满足学员不同层次学习的要求,因此,将课程的培养目标分成三类,即:

第一类:拓展知识、了解当代新技术发展

这类学员有良好的基础知识,有明确的学习目标,选修本课程是为了在今后的工作中能了解当代新技术发展与应用,因此,课程培养目标是要求学员掌握虚拟仪器的基本概念、组成、工作原理和使用技巧,全面了解虚拟仪器的关键技术和实际应用。

第二类:从事相关行业,有一定的开发能力

这类学员的专业与测控、电气专业相近,认为学习虚拟仪器的开发软件有助于将来从事相关工作,因此,课程培养目标是要求学员掌握虚拟仪器的原理及开发技术,熟悉虚拟仪器开发平台和软件设计的方法,并能结合数据采集卡来组建虚拟仪器系统,能运用所学专业知识从事虚拟仪器的设计、应用和测试,有独立分析问题和解决问题的能力。

第三类:从事虚拟仪器技术开发应用

这类测控、电气专业的学员,作为专业技术课,其培养目标是要求学员掌握虚拟仪器的基本概念和使用,掌握利用虚拟仪器来解决生产实际中信息采集与处理问题的基本技能,培养学员综合运用所学知识的能力、加强学员工程观念的培养,提高学员分析问题、解决问题和实践动手的能力,为后续的其它专业技术课程的学习打下必要的基础。

针对多层次的培养目标,必须确定虚拟仪器课程的不同层次教学要求,开展多层次的基础教学工作。

因此,课程必须确定一些既相互独立又能有效组合而且能扩展的教学模块。针对以上三类不同层次的基础培养目标,将虚拟仪器技术课程设置为三个模块:(A)基础编程、(B)应用开发、(C)创新教学。

基础编程模块:在系统介绍虚拟仪器的基本概念、构成分类和最新发展方向的基础上,把虚拟仪器前面板设计和程序框图设计、文件I/O、数据采集、虚拟仪器的网络通信技术、虚拟仪器的应用-数字信号处理等作为教学的主要内容。

应用开发模块:课程的主要内容从理论讲述转换到重点在于应用,以操作性、应用性项目为主,设计出测试、应用等一系列实验模块。如:虚拟电压表、频谱分析仪、信号发生器的设计,发动机排气温度、发动机燃油压力等检测仪表的设计,数据实时通信等,重点突出应用技能的基本训练与综合设计,为后续基于虚拟仪器技术的创新实践打下基础。

创新教学模块:采用项目驱动教学方式[4-6],教学内容取材于实际的工程项目,根据知识点将整个项目分解开来,由简单到复杂、由局部到整体、由分立到综合。在整体结构上,将知识点与具体实例应用相融合,应用针对性更强。

5 结束语

《虚拟仪器技术》这门研究生的选修课开设已10余年了,研究生学员选课的积极性很高,学习效果较好,为我院各型测试设备的设计生产研制培养了大批人才。鉴于不同学员对本门课不同内容学习的广度和深度不同,使用传统模式进行因材施教的困难较大;为此,在总结历年成功经验的基础上,提出翻转课堂的教学方法:学员通过收看教员事先录好的教学视频,和教员提出的关键问题进行互动,并结合自身的研究方向撰写出1-2篇学术论文。往期学员均认为本门课实用性很强,此期授课学员表示收获很大。翻转课堂教学模式在不同的地区,不同的学科中运用所产生的效果是不一样的,那么虚拟仪器课程使用翻转课堂操作所需要的条件具体有哪些,是否还会取得更好的教学效果,这将是我们今后研究的重点。

[1] 王聪,张凤娟.翻转课堂教学法在美国:历史、现状与课题[J].外国教育研究,2015,9(42):96-107.

WANG Cong,ZHANG Fengjuan.The Flipped Classroom in America:Evolution,Application Effect and Practical Issures[J].Studies in Foreign Education,2015,9(42):96-107.

[2] 张晓燕.国内关于翻转课堂的研究综述[J].广西广播电视大学学报,2015,6(26):60-64.

ZHANG Xiaoyan.Review of the Research aoubt Flipped Classroom inboard[J].Journal of Guangxi Open University,2015,6(26):60-64.

[3] 胡乾苗,简家文.虚拟仪器课程多层次教学模式研究[C].The Conference on Management Innovation,Intelligent Technology and Economic Development,Fenghuang Hunan,China,Aug.25,2012:215-217.

HU Qianmiao,JIAN Jiawen.Study on the Model of Multi-level Teaching for Virtual Instrument course[C].The Conference on Management Innovation,Intelligent Technology and Economic Development,2012:215-217.

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WU Xinghua,WANG Xu.Present Situation and Prospect of Application Research on DomesticVirtual Instrument Technology[J].Modern Scientific Instruments,2011(4):112-116.

[5] 崔文华,杨立娜,崔清华.基于自主学习的“虚拟仪器”实验教学软件设计[J].实验室研究与探索,2013,32(10):73-75.

CUI Wenhua,YANG Lina,CUI Qinghua.Design of experimental teaching software for course of ‘Virtual Instrument’ based on students independent learning[J].Research and Exploration in Laboratory,2013,32(10):73-75.

[6] 向学军,刘平,夏昌浩.基于项目的学习模式在“虚拟仪器技术”课程的应用[J].电气电子教学学报,2006,3(28):18-20. XIANG Xuejun,LIU Ping,XIA Changhao.The application of Project-based Learning in “Virtual Instrument Technology”[J].Journal of EEE,2006,3(28):18-20.

戴洪德 男(1981-),江苏泰州人,博士,副教授,主要研究方向为航空自动化,惯性技术与组合导航。

卢建华 男(1970-),江苏南通人,硕士,副教授,主要研究方向为飞机电源与电气控制,飞机检测。

Consideration and Practice about the Course Virtual InstrumentTechnology based on Flipped Classroom

DAIHongde,LUJianhua,GUOWei,WUGuangbin,WANGXibin

Department of Control Engineering,Naval Aeronautical and Astronautical University,Yantai 264001,China

For graduate students from different discipline or research area,the foundation and potential future project for them to learn the course ‘Virtual Instrument Technology’ are different.So,the classical teaching methods are difficult to play well.Aiming at this problem,a teaching method based on flipped classroom for the course ‘Virtual Instrument Technology’ is studied and practiced.Flipped classroom is suitable for the graduate students who have better selflearning ability,the obtain of knowledge is changed from passive acceptance to initiative learning,such as preparing lessons before class,reading meterials and watching teaching video.By conceptual questions and feedback questions,teacher can implement interaction in classroom,and improve learning ability at different level by applying peer teaching.Practical results show that better effect can be achieved by providing teaching videos of ‘Virtual Instrument Technology’ to students for selflearning and applying the flipped classroom.

flipped classroom; virtual instrument; conceptual questions; feedback questions; peer teaching

TP 216,N 41

A