虚拟仪器线上线下混合翻转创新教学研究

陶 锴，王 强，郑 伟

（1.南京邮电大学 自动化学院、人工智能学院，江苏 南京 210046；2.重庆大学 光电工程学院，重庆 400030）

0 引言

虚拟仪器是一门以计算机为核心，采用图形化编程语言实现模块化仪器功能的技术［1］。采用虚拟仪器技术构建的测控系统功能由用户灵活定义，能达到“软件即仪器”的效果，具有硬件资源利用率高、功能灵活等优点，已广泛应用于电子信息、测试计量、航空航天等领域［2-5］。

新工科教育背景的虚拟仪器技术教学旨在培养具备创新精神的实践型人才，为新一轮产业革命和教育转型提供创新方法，进而完善中国特色工程教育体系［6-9］。对于信息技术类专业人才培养，单一的授课模式难以满足理论与实践并重的教学要求，无法培养学生利用虚拟仪器技术进行实践应用的能力。因此，利用多维教学手段和多样教学资源开展虚拟仪器技术课程教学改革具有迫切的现实需求。

翻转课堂教学法起源于美国，是一种通过课前自主学习、课中师生互动探讨等环节深化知识的方法［10-13］。在课前学习中，学生需要发挥自主性构建知识体系，并在课中探讨中不断加以完善，因此该方法能够加强学生对理论知识的实践和应用能力。虚拟仪器技术面向测控系统软硬件协同应用，翻转课堂能够很好地适用于此种应用导向的课程，这种教学方法已经得到教育与科研工作者的广泛好评。例如，冯菲等［14］基于众多案例总结了利用慕课开展翻转课堂教学的基本理念；柳春艳等［15］采用系统评价方法对比研究了翻转课堂与传统教学的教学效果；郭建鹏［16］提出一个通用的翻转课堂教学模式，提高了翻转课堂教学的普适性。

虽然当前翻转课堂在虚拟仪器技术教学中的应用案例较多，但翻转教学过程与内容结构设置较为固化，学生在大多数时间内依旧处于被动客体状态，产生这种现象的原因可总结如下：

（1）教学需求痛点不清晰。当前，翻转课堂的主要形式是课前视频资料+课中问题探讨，这种方法虽然具备翻转课堂的基本要素，但翻转教学流程较为单一，线上与线下教学资源重复度较高，在课中环节教师大多也是对线上教学资料的重复，没有做到交叉互补，无法满足学生对应用实践型知识的关键需求。

（2）教学资源单一。当前，翻转课堂教学资源的主要形式为教材附带的视频学习资料，这种学习资料虽能涵盖基本知识点，但其面向的学生群体庞大，不能针对小型教学班学生的学习能力和习惯进行教学，导致学生在课前自主学习时效率低下。

（3）教学环境与条件缺乏。虽然翻转课堂的实施对硬件设施要求不高，但虚拟仪器技术需要进行编程训练，对教学系统与软件环境有一定的要求。此外，课中倘若需要学生进行汇报展示，相关的电子设备也十分重要。

上述问题为虚拟仪器技术翻转教学实施带来了挑战。针对虚拟仪器技术教学改革的迫切需求，本文充分发挥南京邮电大学线上慕课资源与线下翻转课堂专用教室设备优势，采用线上+线下混合方法，提出“三要素三模块二重点”教学策略，实现虚拟仪器技术翻转课堂高质量教学。

1 翻转教学可行性分析

1.1 学生教学需求可行性

南京邮电大学自开设虚拟仪器技术课程以来一直采用传统的讲授式教学方法，这种教学方法虽然可以完成基本的教学任务和知识讲授，但为了更好地契合实践型创新人才培养标准，虚拟仪器技术教学组定期开展问卷调查，以获得学生对授课方法的满意度和对教学改革的期待度。近两学年的问卷调查结果如图1所示。

Fig.1 Results of a survey of intention to change teaching methods图1 学生对教学方法转变的意向调查结果

由此可知，虽然传统教学方法能满足正常学习需求，但大部分学生对变更教学方式抱有期待，希望教师尝试新的教学方法，且持此种态度的人数处于上升趋势。这种结果说明，大部分学生愿意尝试新的教学方法，具备翻转课堂改革的教学需求可行性。

1.2 线上教学资源可行性

虚拟仪器技术课程教学组于2020 年录制制作了慕课教学资源，包括教学视频、教学PPT、课后习题及期末考试，能支持学生进行课前预习、课中交流、课后复习、周期测试等。如图2 所示，（a）为教学视频展示，（b）为教学PPT（c）为单元测试，（d）为交流讨论区。教学组整理了完备的NI 框架下软硬件应用的技术资料，慕课资料与线下教学资料做到了交叉互补。此外，为了便于学生与教师的沟通交流，慕课资源开设了课堂交流论坛区，支持主题发帖、回复评论、关注、投票等操作，基于此种慕课资源，能保障翻转课堂开展的资源可行性。

Fig.2 MOOCs teaching resources图2 慕课教学资源

1.3 线下教学条件可行性

南京邮电大学拥有多媒体功能的翻转课堂专用教室，最大可容纳100 人同时进行翻转教学。该教室多媒体系统具有无线投影、无线网络、触控式电子大屏、激光教具等设备。软件配套上，为实现虚拟仪器测量与控制功能，搭建了Labview 软件系统，并配套安装了DAQmx 模块、VDM模块等驱动程序包，能实现音频、图像、视频等信号采集，并支持UART、PCI、GPIB 等主流总线的传输与双向通讯协议。此外，利用内部集成的算法，能进行卷积运算、相关性分析、谐波分析、频响分析、数字滤波等时频域信号处理，满足基本的测控系统应用需求，具备翻转课堂开展的线下教学条件与环境可行性。

2 翻转教学创新方案

方案整体分为3 个阶段［17-18］，即课前、课中和课后，采用“三要素”、“三模块”和“二重点”的方法，利用线上慕课资源和线下教学资源混合方法加以实现。整体思路如图3所示。

Fig.3 Overall teaching ideas图3 整体教学思路

2.1 课前“三要素”学习

要素化的课前学习能够更好地突出学习重点，课前因学生对知识点的熟悉度较低，明确学习要素能够提高学习效率。将虚拟仪器技术课程知识点分为技术原理要素、函数功能要素和应用方法要素。这部分内容主要利用线上慕课资源完成，每种要素在学习中应分配不同的时间，通常采用1/4、1/4、1/2的分配方法，如图4所示。

Fig.4 Study time allocation for each element图4 各要素的学习时间分配

技术原理要素学习主要指基于虚拟仪器技术开展测控任务的实现原理，这部分内容在慕课资源中处于教学视频的最开始部分，主要从理论原理、实现思路等方面进行教学。例如，对于一维数据采集章节，首先介绍数据采集基本指标、采样定理、信号源种类、信号接入方式等内容，上述内容作为数据采集的基础知识，能为后续基于Labview 设计一维数据采集任务夯实基础。

函数功能要素学习指针对虚拟仪器设计任务选择所需函数。作为虚拟仪器任务的主要实现工具，学生对Labview 软件中函数参数定义和端口功能的学习是该部分的重点。如果涉及到外部驱动程序，则需要了解驱动包的安装、测试及调用方法［19-20］。这部分学习能够让学生了解虚拟仪器测控任务实现的具体工具，为系统实现奠定基础。

应用方法要素学习指利用函数、驱动等工具构建测控系统，进而实现虚拟仪器任务，此部分在慕课教学资源中的占比最高。在数据采集教学中，这部分主要包含数据采集流程、各步骤对应函数、数据流编程方法等内容，并通过实例展示深化应用方法。

2.2 课中“三模块”探讨

翻转课堂中的课中学习环节由师生共同参与，但主体依旧是学生，主要任务是探讨与合作，教师承担学生探索引导人角色。在此环节，主要包含答疑模块、案例展示模块、探索提高模块。3 个模块应当遵从先后顺序，课中学习开展流程如图5所示。

Fig.5 Flow of "three modules"during class图5 课中“三模块”开展流程

答疑模块的基本流程为学生提出在课前自主学习中遇到的问题，由教师或其他同学解答，问题可以是理论原理、函数功能、编程方法等专业知识问题，也可以是编程思想、系统设计思路等宏观问题。教师在解答过程中应避免直接给出答案，应当引导学生回顾慕课资源，帮助其深入思考并解决问题。

案例展示模块以个人或小组为单位开展，小组成员在前期准备一个完整的虚拟仪器测控任务，完成技术原理介绍、函数参数讲解、功能方法设计和实现流程演示。小组成员自由分工，承担一部分素材准备工作，并在汇报中讲解此部分内容。在学生汇报中，教师可作为特殊“组员”参加汇报，在其中扮演教学内容串联者、汇报材料衔接者的角色。在汇报评价环节，教师作为评委，从设计原理、设计步骤、设计方法、汇报素材、语言表达等方面给予评价，实现课中全方位的师生互动。

学生在汇报中注重生生互动，小组内成员除作为汇报者外，对于有疑问的知识点也可以提问。其他小组成员可针对设计内容进行咨询，对于其他学生提出的问题，亦可发表自己的看法，即学生在“提问者”和“回答者”之间可自由切换身份，最大程度地调动学生的课堂参与度。对于汇报表现优秀或回答问题积极的学生，教师可给予适当的奖励。部分汇报展示案例如表1所示。

Table 1 Group report case表1 小组汇报案例

探索提高模块是对案例展示的拓展，此模块主要出现在小组汇报后其他学生的提问与教师评价环节，是对基础虚拟仪器测控任务的功能拓展和深化。例如，在数据采集章节中，教学资料中给出了单幅图像的采集例程，学生在进行此案例讲解后，教师会要求其深入思考：如何将单幅图像采集推广至连续多幅图像采集，需要在原始采集例程上修改哪些参数，在哪里增加循环结构；如何将坐标点簇数组作为波形图表的输入推广至将坐标数组作为输入，如图6 所示。学生在思考后可以现场修改例程实现新的功能，提升了对知识的灵活应用能力。

Fig.6 An array of coordinate point clusters as the input promoted to an array of coordinates as input图6 将坐标点簇数组作为波形图表输入推广至将坐标数组作为输入

2.3 课后“二重点”巩固

课后“二重点”包括重点知识复习和重点测试练习。课后学习是巩固知识、完善不足的重要环节，翻转课堂教学的课后巩固由师生共同完成。重点知识复习包括对技术原理、函数功能以及系统设计方法作全方位梳理，可以通过学习内容总结、学习报告等方式进行书面总结，以获得更好的复习效果。总结报告可作为课后作业的一部分，由教师参与批阅，作为最终考评成绩的参考。

重点测试练习通过线上实现，学生依据教师安排在慕课资源中完成相应的课后测试，测试结果由学生互评、教师评阅两种形式，最终成绩为二者评分的加权综合。题目类型为选择题和设计题，分别考察基本概念和工程应用能力，通过理论与应用结合，完成混合翻转课堂教学的最后一环。

3 实施效果分析

3.1 周期测试结果

为验证此教学方法的效果，在南京邮电大学2018级测控技术与仪器、微电子技术、智能科学技术3 个专业开展教学对比实验，对测控技术与仪器、微电子技术专业学生开展这种形式的翻转教学，智能科学技术专业学生开展传统讲授式教学。在2022-2023 学年第一学期的每个月末进行一次周期测试，3 个专业的平均成绩变化如图7所示。

Fig.7 The fluctuation of grade图7 成绩变化

可以看出，刚开始进行教学对比时（第一次测试），3 个班级的测试成绩相差较小，这说明不同专业学生的原始学习能力相似。随着翻转课堂的进行，从第二次测试开始，采用翻转教学方法的两个专业成绩有着明显提高，而采用传统教学方法的专业成绩则变化较小，学期结束时平均成绩差异已达到10 分左右，此种结果验证了线上线下混合翻转创新教学方法的良好效果。

3.2 学习体会调查

为了解学生对这种教学方法的感想与体会，利用座谈法对参与实验的学生进行调查，学生的学习感想情况如表2所示。

Table 2 Survey result of learning impressions表2 学习感想调查结果

由此可知，学生最主要的两个体会是激发了学习兴趣和提高了知识应用能力。这说明此种教学方法调动了学生学习的积极性，有助于虚拟仪器技术实践应用技能培养。

4 结语

通过教学成绩和座谈调查可知，本文提出的教学方法能够充分结合线上慕课教学资源与线下翻转课堂教学设备的特点及优势，具体如下：①慕课资源基于学生学情制作，具有更好的针对性，在课前学习中能提高学生学习的自主性，同时设计了多样化的学习资料，提高了学生学习的兴趣度；②课中阶段充分利用线上和线上资源，以小组汇报形式将学习的主体变成学生，激发了学生学习的积极性，让学生在竞争的环境中提高了学习效率；③课后结合慕课资源进行复习与测试，设置学生互评环节，让每个学生都成为学习的监督者，从而加深了重点知识的理解。

虚拟仪器技术是一门面向工程应用的课程，为了满足新工科背景下信息技术专业应用实践型创新人才培养需求，提出基于“三要素三模块二重点”的线上线下混合翻转创新教学方法。通过线上与线下的混合，翻转课堂极大地提升了学生的学习参与感，提高了其学习主动性和效率，周期测试结果验证了这种方法对教学的促进作用。此外，学生在翻转课堂学习中普遍反映，这种方式的教学提高了他们自身的知识应用能力，这符合新工科教育背景下对信息技术人才的培养要求。