虚拟仪器设计应用型课程的教学改革与实践

［摘要］

虚拟仪器设计课程是自动化、电子和通信等专业的基础课程，通过对这门课程做了为期2年的应用型课程建设，从课程定位、课程设计、课程实施和课程评价4个角度出发，介绍围绕这门课程所做的教学改革和实践。在电气专业进行工程认证的背景下，这些教学改革旨在提高学生解决实际工程应用问题的能力。［关键词］

虚拟仪器；应用型课程；教学改革；工程认证虚拟仪器设计课程是理工科类电子信息工程、通信工程、计算机科学与技术、自动化、机电一体化、电气等专业本科生的一门侧重于软件和硬件设计应用能力方向的专业课程。虚拟仪器系统是计算机系统与仪器系统技术相结合的产物，它利用计算机系统的强大功能，结合相应的软件、硬件，突破传统仪器在数据处理、显示、传送等方面的限制，使用户可以方便地对其进行维护、扩展、升级等，广泛地应用在通信、自动化、半导体、航空、电子、生化制药和工业生产制造等各个领域。一、课程定位对理工科类专业的学生来说，在掌握了智能传感检测技术、C语言程序设计、智能设备通讯这些大类基础课程之后，虚拟仪器设计这门课一般开设在第5或第6学期，通过这门实践性很强的专业课程的学习，学生可以掌握LabVIEW这门图形化的语言，弥补在编程软件上的不足。通过对各大求职网站的分析，发现电气工程师、设备工程师、测试工程师、LabVIEW工程师、计算机视觉工程师这几个岗位要求掌握一定的LabVIEW技能，比如开发自动化测试设备LabVIEW测试程序之类。其实，电气、通信这几个专业的学生在掌握这门语言之后，得益于LabVIEW工具包的强大，也很容易转型为视觉工程师、AI工程师之类去做算法。为贯彻党的十九大精神，落实《国务院办公厅关于深化产教融合的若干意见》，进一步深化产教融合，促进教育链、人才链与产业链、创新链有机衔接，推动学科专业建设与产业转型升级相适应，促进应用型人才培养模式改革，综合教育部学校规划建设发展中心实施的产教融合应用型课程改革试点院校项目，我院对虚拟仪器设计课程实行了应用型课程的立项建设。二、课程设计虚拟仪器设计这门课程的实用性很强，如何让学生通过一学期的学习具有一定解决实际工程应用问题的能力是本课程设计的重点和难点。在进行课程改革前，这门课程的48学时是由32学时的理论学习和16学时的实验室操作组成的，先在教室里面讲授理论知识，然后在第7周后去实验室上手操作，第7周之后是一周理论、一周实验交替进行教学。这样的传统教学方式很不利于软件技能的掌握，学生在走进实验室之后，所学的理论知识由于时间关系都已经遗忘了。首先，做教学方式的改革。将这门课程的培养方案修改为48学时的实验课，全部在实验室施教，让学生边学边做，在学习一个知识点后立马上手实践，理实结合，提高学生的动手能力。其次，采用项目驱动式教学法，改变传统的按照章节教学的方式。传统的课程体系教学架构不符合实际的工程项目设计流程。在设计实际的工程项目之前，需要对本门课程的知识点进行分解，学生通过本课程的学习需要掌握的知识点有60个，如表1所示。通过这些知识点的学习，希望学生掌握的专业技能有43个，如表2所示。针对这些知识点和需要掌握的技能，精心设计了4个项目，这4个项目从简单到复杂，课时从少到多，在完成这4个项目的过程中，一些基础技能会重复性地得到强化，同时每个项目又都各有侧重点。比如，“项目1交通灯控制系统”侧重程序结构的运用，“项目2学生成绩管理系统”侧重图形控件的运用，“项目3粮仓管理系统”侧重全局变量和局部变量的运用，“项目4虚拟示波器”侧重波形模块的运用。最后，课程评价方式的改革，更注重教学过程中的成绩考核，加大了平时成绩的比重。平时成绩为60分，期末成绩为40分。平时成绩的60分是课堂组员20分+4个项目40分（每个项目10分），期末成绩的40分是上机解决实际问题能力的考核。三、课程实施本课程在应用型课程的改革和进行专业认证的大背景下，采用项目驱动式教学法，以学生为主体，课堂内容围绕项目展开。在教学实施过程中，首先做“项目引入”，学生对项目任务书进行“需求分析”，带着学生去做“知识点分解”、接着以学生为主体去做“知识准备”、分组进行“项目分工”“项目实施”，最后进行“项目汇报”，教师进行“成果点评”，点评后学生进一步进行下面的“纠错优化”，形成一个闭环。（一）项目引入以“项目4虚拟示波器”为例，提前一周发布项目任务书、参考资料、网站和教学视频，通过课前自学和讨论，提高学生参与课堂的积极性和课堂效率。这个项目要求学生利用虚拟仪器软件实现传统示波器的以下功能。1.信号生成功能——双通道波形产生（信号类型包括正弦波、三角波、方波、锯齿波、噪声波等）（最少5种）。2.信号控制功能——前面板可以通过旋钮或者输入（形式不限）等多种形式控制信号的赋值、频率、相位、采样信息等基本信息。3.可以用游标功能测量曲线中任意点的幅值。4.信号运算功能——双通道的信号可以实现卷积运算；信号的A+B、A-B运算。5.信号处理功能——可以对任意通道信号进行滤波，滤波方式包括巴特沃斯滤波器（低通、高通、带通、带阻）、切比雪夫滤波器等。6.信号变换功能——可以对信号进行FFT变换。7.信号存储功能——信号可以以指定命名格式存储在硬盘中。在拿到项目任务书后，学生需要进行需求分析、查找资料，观看网络教学资源。我们在超星通平台建立了丰富的视频教学资源，对项目的重难点进行了详细的讲解，也提供了很多优秀的案例。学生要提前进行自学和讨论，增强学习的主动性。（二）项目知识点分解通过项目任务的分析，这个虚拟示波器项目用到的知识点涉及：波形的产生；信号的分析、滤波、运算和存储；前面板设计能力的不断加强。因为波形显示模块比较多，前面板的设计能力在这个项目中得到最终的考查。师生分析项目目标如下：1.强化程序结构的使用。2.强化前面板的设计。3.强化图表控件的使用。4.掌握使用信号发生模块。5.掌握使用波形产生模块。6.掌握信号卷积、加减运算。7.掌握信号滤波分析。8.学习信号的频谱分析。9.了解曲线拟合模块。（三）项目设计与实施在做过需求分析和知识点分解后，学生对这个项目所需要掌握的技能就很清楚了。项目小组可以进行项目分工，进入具体的项目实施过程。项目组成员由5～6人组成，身份分别为项目负责人、需求分析工程师、程序设计工程师、程序测试工程师、界面美工师、项目文档整理和汇报。首先，为了保证每个学生对这些角色工作内容的认识和参与，在一学期4个项目的实施过程中，学生的角色是轮流滚动的，力求每个学生都能了解实际工程应用项目实施的整个流程。其次，工程师角色的工作内容是交叉的，比如程序设计工程师是要编写设计文档的，调试工程师要写出规范的调试文档。团队成员既要分工，又要合作。在学习专业知识的同时，还培养学生团队合作的能力。团队合作能力对标毕业要求9：个人和团队中的9-1能够承担团队中个人角色与责任，独立完成团队分配的工作；和9-2具有组织与协作能力，能倾听其他团队成员意见，与团队成员共享信息，团结协作完成任务。在项目实施的过程中，遵循以成果为导向，OBE理念“定义学习目标→实现学习成果→评价学习成果→使用学习成果”这4个步骤展开。（四）项目汇报在完成项目之后，小组还需要制作PPT来汇报从接收到任务书之后，团队是如何分工、如何开展合作的。最重要的是需要展示项目成果。LabVIEW软件在界面设计上有独特的优越性和便利性，每组学生的界面都独一无二的。但是都要遵循界面设计的基本规律和规范，比如控件的统一、对齐和易用性、颜色不能太过于花里胡哨等，这些都是界面显示效果的评判标准。学生听取小组汇报的过程就是一个互相学习、取长补短的过程，一个体现大学生创造性的机会。在前面板设计和项目汇报中更加出彩，比如有的班级团队合作凝聚力更强，PPT有很多创意，在项目中具体的创意点有：（1）把整体项目相关资料（程序、PPT、参考文献）做成一个公众号的二维码上传分享；（2）同一个项目会给出2种设计方案；（3）功能会超出项目指导书的需求，会有额外的功能惊喜呈现。高考班在学习这个专业课的时候大三了，又学过底层语言，设计起来更加游刃有余，所以也有一些优秀的项目小组，比如“学生成绩管理系统”学生设计的密码登录界面、“交通灯控制系统”在功能要求之外的车辆通行的模拟动画显示。本项目我们选取了一组界面如图1所示，这个界面基本符合前面板统一和对齐的基本原则。同时项目小组实行轮岗制，力求让学生对每个岗位都有一定的认识，有助于他们锻炼各个方面的能力，认识自我，明确自己的职业生涯规划。（五）项目评价项目评价分为两方面：一方面是师评分，另一方面是自评分。师评分是指教师根据学生项目完成情况结合汇报情况给出一个分数。自评分由项目负责人根据本次项目分工和组内成员的完成情况进行打分。这两个分数结合构成了这个项目小组成员的分数，通过轮岗制也能让项目评价更加客观真实。在每组项目汇报后的指导环节，教师会根据共性进行技术点评，一些优秀的项目组哪里值得大家学习，大家共同需要改正的地方在哪里。对于优秀的学生作品，后续会指导小组申请软件著作权，培养学生的科研能力。四、课程评价网络教学平台的问卷调查结果表明，两个班分别有100%、97%的学生表示对项目驱动式教学感兴趣，问卷调查38%的学生认为这种教学方法培养了他们的资料收集能力，55%的学生认为培养了程序设计能力，68%的学生认为提高了团队合作能力，45%的学生认为提高了汇报演讲能力，45%的学生认为提高了分析解决问题的能力，58%的学生认为设计任务非常有帮助。为加强虚拟仪器设计应用型课程的建设，深化教育教学改革，提高人才培养质量，加快学院的发展速度，在工学院统一组织筹划下，组建了本课程教学团队。为了提高教学团队的专业素质，优化教师队伍结构，提高教学与科研能力，学院按照高素质“双师型”的标准着力建设本课程教学团队。1.引进高职称、高学历人才。由于本专业独立开展高水平学术研究的能力比较薄弱，因此，引进了两名高级工程师，以进一步提高师资队伍的学历层次和科研工作能力。2.贯彻实行青年教师导师制。通过实行传帮带的师徒制，由高职称教学经验丰富的教师担任指导教师，负责指导青年教师学习、听课、授课、参与课题研究、参加专业竞赛和校企合作等工作。通过青蓝相接的传承，促进青年教师快速成长。3.组织教学观摩与培训交流。学院专门组织进行培训，通过培训收获了很多应用型课程建设的实战经验。在应用型课程授课过程中，学院组织开展公开课，学院领导、督导、我的导师和其他教师多次旁听，并展开讨论，提出优势与不足。同时团队成员也定期听取课堂经验丰富的教师授课，取长补短，不断提高教学水平。4.积极申报教改、科研课题。鼓励团队教师申报学院的教改项目，深化教改成果，以提高团队的教学业务能力；要求教师积极参加校企合作、专业竞赛，加强技能训练，提高实践教学能力。该课程取得的成果有：（1）网络平台课程的建设，完成超星通平台项目式教学的多媒体课件、教学视频和项目案例、项目指导书等丰富的教学资源的建设；（2）大学生创新创业项目1项、苏州大学大学生课外学术基金重点