线上线下教学模式在虚拟仪器课程中的探索

任海霞 茅大钧 苏晓燕

摘要：虚拟仪器是测控技术与仪器专业的重要专业课。文章在分析了传统教学存在的问题后，从教学目标、教学体系、教学实施等方面对本课程进行了线上线下混合式教学方法的探讨与改革，并在教学全过程中有机融入思政教育，强化实践教学，采用过程化综合考核，激发学生的自主学习兴趣，改善教学效果。

关键词：虚拟仪器；混合式教学；教学设计；实践；过程化考核

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）10-0159-03

0 引言

自20世纪90年代以来，融合了测试技术、仪器原理、计算机接口技术以及图形化编程技术的虚拟仪器技术，是当今仪器发展趋势的一个重要方向，已经在诸多高科技领域中得到了广泛运用。虚拟仪器是测控技术与仪器专业的一门重要专业课，具有专业性强和实践性强等特点。它既是前期基础课：电工电子技术、检测技术、微机原理与应用等课程综合，又是实践教学环节、毕业设计的重要基础课[1]。该课程不仅要求学生熟练使用LabVIEW编程工具，还要培养学生利用虚拟仪器开发平台，将控制理论与生产过程知识有机结合起来，设计合理测量方案，解决实际测量问题，从而提高工程综合应用的能力。目前在虚拟仪器的教学过程中，依然存在如下问题，使得课程教学的效果不够理想，需要进行改进。

1） 教学模式的单一性。虚拟仪器课程在传统教学中采用单向传输的模式，在课堂中教师边讲授边演示的基础上，学生跟随编程，但由于学生基础差异较大，部分学生领悟快能快速完成任务，也有学生操作慢耗时长，教学进度难以统一。传统的课堂教学，由于其时间局限性以及考虑到学生对课堂讲授知识的理解能力，主要讲解常用的基本理论知识，而将比较复杂深刻的内容作为选学和拓展内容，留给学生课后完成。这样对有学科竞赛要求的学生来说，会由于缺少有效指导而导致放弃参赛。应把简单的基础理论部分放到线上学习，难点和问题则放到线下教学，采用线上线下混合式教学模式更能够提升教学效果[2]。

2） 教学内容的综合性较差。虚拟仪器是一门多学科交叉、软硬件相结合的课程，涉及检测技术、数字信号处理、测控仪器联网技术等多门课程的专业知识。若只是传授如何使用LabVIEW进行编程，学生往往会以为能够进行数据操作、结构控制、文件读写、信号处理、数学分析等就学好了虚拟仪器，但是忽略与仪器相关的硬件设计，不知道如何进行数据采集、串口通信、网络通信、系统集成等，这样就不能解决实际问题，无法面对工程实践中的复杂工程问题，不能真正将虚拟仪器技术用起来。应丰富教学内容，强化实验实践，教学内容与工程项目实例有机结合。

3） 课程思政内容的缺乏。现阶段的课堂教学更多考虑到专业知识传授和能力训练，课程思政元素和教学环节的融合程度不够。应结合虚拟仪器的教学目的，深入挖掘思政教育元素，融入教学过程各环节，使学生不仅掌握课程的基本内容，同时培养学生正确的世界观、职业素养和创新精神。

针对上述问题，本文结合新时代高等教育思想，从明确教学理念、完善教学体系、开展线上线下混合式教学等方面对虚拟仪器课程建设进行了探索。

1 明确虚拟仪器课程目标

依托于上海市应用型本科建设、上海市重点课程建设和教育部产学合作协同育人项目等支撑平台，结合课程两大特点：多学科知识综合的教学内容特点和有初步编程基础、有能力、有興趣探索测控系统的教学对象特点，提出了虚拟仪器课程的育人目标：

1） 知识传授：掌握虚拟仪器的设计方法，软件开发工具，能够进行数据操作、结构控制、文件读写、信号处理、数学分析等。

2） 能力训练：具备系统设计和系统开发层面的初步能力，能够对工业生产过程测量与控制相关领域中的复杂工程问题进行预测与仿真模拟。

3） 价值引领：正确引导学生塑造科学世界观，培育学生爱岗敬业、精益生产、专心致志的匠人精神，培育学生的探索精神和创新意识。

2 完善虚拟仪器课程教学体系

2.1 转变教学理念

课程改革坚持工程教育专业认证的OBE原则，以学生为中心、以产出为导向，持续改进，推进建设[3]。将教学理念由传统的“以教为主”翻转为“以学为主”，充分利用丰富的线上资源和教学平台，实现虚拟仪器课程目标。

2.2 丰富教学内容

不同于其他的专业课程，虚拟仪器课程更加注重实践性，关注解决实际的工程应用问题。教学内容不能仅有虚拟仪器的基础理论专业知识，如LabVIEW基本编程等，还要培养学生测控系统设计和系统开发的初步能力。后者要与相关的专业知识点联系起来构成体系，与工程应用问题联系起来，提升学生的综合素质[4]。此外，还邀请校外专家举办讲座，总结多年开发虚拟仪器测试系统的丰富经验，使学生获得最新的信息和资讯，以开拓学生的视野，同时提升实践活动能力和工程实践能力。

2.3 强化师资队伍

为了加强教师实践能力和工程素质培养，除了本校的双师培训外，本课程组还依托产教联盟（上海计量院、NI有限公司、上海华依科技有限公司等）对教师进行了相关培训，注重产教融合，以便培养应用技术型人才。鼓励教师积极参与教学改革研究项目，潜心教学改革研究，并将教学手段创新、行业前沿知识架构等教研教改各项成果运用至课堂教学，以实现对学生自主学习和创新能力培养。本课程组老师积极开展与课程、教学改进和实践素质相关的主题活动。

2.4 建设线上教学资源

线上教学具有教学资源丰富、学生学习时间自由、学习状态可控等优点。已有教学大纲、教学进度、电子教案、电子课件、实验指导书等教学文件，配有各章节的重点内容的微课视频和课后习题等，以及实验实践项目中主要设备的使用视频和操作注意事项等。学生可自主学习基础理论知识，并按照简单例程编写程序，无需占用课堂教学时间，提高课堂教学效率。

2.5 强化实践教学

虚拟仪器课程是一门软硬件相结合的程序设计实践课程，实验实践教学非常重要，不仅要求学生熟练掌握LabVIEW图形化编程语言的使用，更要利用虚拟仪器设计平台组建测控系统来实现数据采集、仪器控制、信号分析与处理等任务。通过实践加深学生对理论知识的理解，增加对虚拟仪器课程的兴趣，提高编程、创新及动手实践能力[4]。

测控技术与仪器专业的学习内容多，涉及面广，虽然在不同的课程中都有课内实验和独立开设的检测技术实验、自动控制原理实验，也包括电子设计制作等实践课程，但都侧重单门课程的知识应用。因此学生在完成本专业各门课程的学习后，仍然缺乏测控技术系统的整体概念，在实际工作中面对具体问题无从下手。为了改善这一问题，培养学生的工程实践能力和创新能力，结合测控技术与仪器专业的培养计划和培养方案，建设了基于NI ELVIS Ⅲ的测控技术与仪器专业实践平台。在本专业四年级开设的测控系统综合与创新设计实践课程至少会有1学分（20学时）与虚拟仪器相关，主要培养学生设计某一特定的测控系统的能力。具体设计项目会对接企业，由企业提出具体需求，让学生学会解决实际工程问题。

3 组织实施虚拟仪器线上线下混合教学

结合已建成的互联网教学资源，在教学过程中实施线上线下相结合、理论与实际相结合、课程内容与思政元素相结合，通过过程化考核加以持续改进，反馈到课程的教学任务和学习要求，形成教学闭环，具体过程见图1所示。

3.1 课前布置预习内容

以观看虚拟仪器教学微视频、课前基本知识训练为主导。学生应先根据课前发布的微视频开展知识点预习，视频学习情况记入考核环节。在线上视频教学完毕后，发布上机操作习题，检查学生对基本知识要点的理解程度[5]。可在智慧树平台结合思政主题活动发布预习任务，比如结合我国虚拟仪器使用情况调查等思想政治主题，对仪器行业相关的新设备、新技术、新发展等进行宣传，引导学生树立科学的世界观。

3.2 课中讲解重点难点+实验实践

教师通过网络学习情况和作业反馈，针对各班教学难点，结合专业特性与学生兴趣，通过问题驱动、任务设置、合作探索等方式，对学生进行教学。结合模块化硬件和LabVIEW软件，对测控系统进行了应用设计和集成开发，并通过实验实践加强了学生的动手能力。通过分组实验，增强学生的团队合作与沟通能力。在此环节融入专业规范与规则，提高学生的职业素养。

3.3 课后巩固及开放性实验

根据课后作业和实验报告等反馈情况，老师因材施教。学有余力或者有兴趣爱好的学生可在课后开展开放性试验，将学习到的基础知识去处理实践应用问题。同时鼓励学生参加大学生科创活动或虚拟仪器竞赛等，进而塑造学生的自学能力和创新能力。将课堂以外的专业主题活动列入过程化考核范围之内，能够更加整体地评价学生的表现，从而使学生可以形成把學习到的基础知识应用到实践活动中的良好习惯。

3.4 全程融入课程思政

教学过程的各环节都可以融入课程思政，指导学生塑造社会主义核心价值观，推进工程伦理和职业道德教育，提升创新能力，如图1所示。在课堂教学中，教师可以采用设置问题法、专题嵌入法、因势利导法、潜移默化法等多种方法，将课程思政内容融入课堂思维之中，达到本课程的育人目标。在上机操作环节，学生在编程时发生错误，不愿主动探究时，教师可适当进行鼓励，告诉他们不能一遇到问题就向老师或同学请教，要学会先独立思考，自己发现、纠正代码错误，收获自信和成就感；项目设计是一个不断修改、不断测试的过程，要有一丝不苟、精益求精的精神；在辅导答疑时，与学习任务完成较差的学生面对面地进行交流，了解他们的学习困难之处，鼓励他们解决问题，表扬付出多、进步大的学生，可以增强他们的自信心。

3.5 优化过程评价

本课程采用过程化考核，考核方案为：线上教学部分（观看视频15%+平时作业15%） +线下教学（实验20%+设计型大作业50%） 。

观看教学视频，并完成相应的上机练习题。根据完成情况进行评价。

基于知识单元进行作业管理。作业由导师从课后习题中选择需要自己编写程序的题目，并要求学生提交程序VI的文档说明，表明编程设计思路，每次作业一周后，导师随机抽取学生演示程序并回答作业问题，从作业提交准时、VI程序界面美观、各控件布局合理、函数调用合适、程序运行结果正确、设计思路和程序出现问题后的解决方法等方面给与评价。

在实验方面，利用NI的ELVIS Ⅲ实验平台完成。每个实验项目都有由简单到复杂的多重任务，在巩固所学知识和技能的基础上，充分培养学生的虚拟仪器设计能力，使学生能够发现设计中存在的问题，从而解决问题。在实验环节，根据学生提交的成果，分别从学生的实验方案实施能力、信息分析及处理能力、动手操作能力等方面给予全面测评。

在设计项目选题上，针对当前虚拟仪器的行业应用和近期虚拟仪器大赛内容，通过课程组老师的集体研究，最终确定设计题目及内容。项目完成需要设计整体思路的构建、测试硬件电路的搭建、测试软件的设计、整体功能的验证、设计报告的编写和答辩等几个步骤。在此环节对学生在整个设计过程中的参与度、动手能力、设计能力、创新能力、报告撰写能力及表达能力进行多方位综合评定。

通过上述过程化评价机制，可以更加全面地考查学生对课程的学习效果。

3.6 持续改进

由过程化考核给出的成绩，从及格率、成绩分布情况等对课程目标达成情况进行分析，并提出改进措施。同时在教学过程中，通过课后作业、辅导答疑、课堂实验及学生对课堂教学的反馈信息，及时调整教学进度和方法，实现对学习效果偏差的实时调节。

4 结论

通过虚拟仪器课程教学建设的初步研究，明确教学目标，转变教学理念，丰富教学内容，大力建设线上教学资源，培养学生自主学习能力；强化实践教学，理论知识和工程应用紧密结合；组织实施线上线下混合教学，形成闭环教学环节；优化评价方法，将思想政治教育课融入教学全过程，提高课程的教学效果。

参考文献：

[1] 任海霞，李志斌，夏飞.基于NI ELVISⅢ的虚拟仪器课程教学探讨[J].电脑知识与技术，2019，15（36）：119-120.

[2] 沈冰夏，焦瑞莉，厉夫兵，等.基于翻转课堂的混合式教学模式在虚拟仪器课程中的探索[J].高教学刊，2018（20）：93-95.

[3] 霍海波，徐胜，孙晓明，等.线上线下混合式一流课程建设探究——以“信号分析与处理” 课程为例[J].中国多媒体与网络教学学报（上旬刊），2021（7）：38-40.

[4] 鲍峤.虚拟仪器技术线上线下混合式课程教学分析及设计[J].科教导刊，2022（4）：127-129，149.

[5] 董浩斌，葛健“. 虚拟仪器” 课程翻转课堂教学探索[J].教育教学论坛，2018（51）：145-146.

【通联编辑：王 力】