基于翻轉(zhuǎn)課堂式《虛擬儀器技術(shù)》課程思考和實(shí)踐

戴洪德, 盧建華, 郭 巍, 吳光彬, 王希彬

(海軍航空工程學(xué)院 控制工程系,山東 煙臺(tái) 264001)

基于翻轉(zhuǎn)課堂式《虛擬儀器技術(shù)》課程思考和實(shí)踐

戴洪德, 盧建華, 郭 巍, 吳光彬, 王希彬

(海軍航空工程學(xué)院 控制工程系,山東 煙臺(tái) 264001)

不同專業(yè)或研究方向的研究生學(xué)習(xí)《虛擬儀器技術(shù)》課程的基礎(chǔ)和將來(lái)課題研究的針對(duì)性不同,傳統(tǒng)的教學(xué)方法是難以奏效的。針對(duì)這一問(wèn)題,研究并實(shí)踐了基于翻轉(zhuǎn)課堂的碩士研究生《虛擬儀器技術(shù)》課程教學(xué)方法。翻轉(zhuǎn)課堂方法適用于具備一定自學(xué)能力的研究生,知識(shí)點(diǎn)的獲取由被動(dòng)接受學(xué)習(xí)變?yōu)檎n前預(yù)習(xí)教材、查閱文獻(xiàn)資料和觀看教學(xué)視頻的主動(dòng)學(xué)習(xí)。教員通過(guò)概念問(wèn)題和反饋問(wèn)題在課堂上實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)的互動(dòng),并使用同濟(jì)教學(xué)的方法來(lái)提高不同層次的學(xué)習(xí)能力。實(shí)踐證明了將往期的《虛擬儀器技術(shù)》教學(xué)內(nèi)容錄制視頻供學(xué)員自主學(xué)習(xí),采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方法效果更好。

翻轉(zhuǎn)課堂; 虛擬儀器; 概念問(wèn)題; 反饋問(wèn)題; 同儕教學(xué)

1 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的發(fā)展,近年來(lái)虛擬儀器技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。虛擬儀器技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍事、民用的各個(gè)領(lǐng)域,特別是儀器、測(cè)量與控制、自動(dòng)化等領(lǐng)域。為適應(yīng)技術(shù)發(fā)展和人才需求,短期內(nèi)國(guó)內(nèi)眾多院校增設(shè)了“虛擬儀器”課程,并在實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、一些大學(xué)生設(shè)計(jì)大賽等教學(xué)環(huán)節(jié)和活動(dòng)中增加了相關(guān)內(nèi)容。以NI公司(美國(guó)國(guó)家儀器公司)為首的廠家,與清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等許多大學(xué)以共建的形式,建立了大量實(shí)驗(yàn)室?？梢哉f(shuō),“虛擬儀器”教學(xué)以及教學(xué)研究正如火如荼地展開(kāi)[1]。另一方面,目前的“虛擬儀器”教學(xué)主要集中在推廣虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用上面,類似于許多信息技術(shù)和工具軟件發(fā)展初期情況。相關(guān)專業(yè)一般將“虛擬儀器”作為一種工具或一個(gè)軟件在教學(xué)。作為專業(yè)應(yīng)用的軟件和工具基礎(chǔ),如何安排對(duì)應(yīng)的有效的教學(xué)內(nèi)容,以及如何按照教育教學(xué)規(guī)律和認(rèn)知規(guī)律,有效融入研究生教育教學(xué)經(jīng)6驗(yàn)成果等等,這些方面的教學(xué)研究還鮮見(jiàn)成果,而這些研究的開(kāi)展和深入,是研究生教育人才培養(yǎng)和教學(xué)效能的關(guān)鍵。

《虛擬儀器技術(shù)》課程是研究生的一門選修課,學(xué)時(shí)少(只有18學(xué)時(shí)),選用教材為普通高等教育“十二五”規(guī)劃教材的賈惠芹主編的《虛擬儀器設(shè)計(jì)》,由機(jī)械工業(yè)出版社出版。研究生學(xué)員屬于不同的專業(yè)或方向,對(duì)數(shù)據(jù)采集、總線接口技術(shù)、驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)等課程教學(xué)內(nèi)容的熟悉程度也不一樣。在計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)不夠成熟的時(shí)候,《虛擬儀器技術(shù)》課程的教學(xué)方法通常是在講解課程教學(xué)內(nèi)容后,安排學(xué)員上機(jī)完成相關(guān)案例的程序編寫。然而,現(xiàn)在的研究生學(xué)員在本科期間大多已經(jīng)有LabVIEW、Labwindows/CVI等軟件平臺(tái)的編程基礎(chǔ),按照原先教學(xué)方法的授課只是重新練習(xí)編程,效果較差。

針對(duì)學(xué)員的自主學(xué)習(xí)意識(shí)差、學(xué)習(xí)能力弱的問(wèn)題,許多美國(guó)學(xué)者和教員經(jīng)過(guò)思想的砥礪和實(shí)踐探索,提出了翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方法。這一教學(xué)法使課堂中的教員和學(xué)員的角色發(fā)生了轉(zhuǎn)變,對(duì)常規(guī)教學(xué)內(nèi)容和課外學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行“翻轉(zhuǎn)”,學(xué)員成為課堂的中心,由此提高了自主學(xué)習(xí)能力。教員把授課內(nèi)容先期制作成教學(xué)視頻,布置給學(xué)員在課外時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí),學(xué)員則根據(jù)自己的學(xué)習(xí)水平和進(jìn)度多次觀看上述教學(xué)視頻。而通過(guò)將常規(guī)教學(xué)內(nèi)容翻轉(zhuǎn)為學(xué)員的課外學(xué)習(xí)內(nèi)容,翻轉(zhuǎn)課堂為教員教學(xué)節(jié)省了大量寶貴的課堂時(shí)間,教員可以在課堂上組織互動(dòng)和合作式的學(xué)習(xí)活動(dòng)(如開(kāi)展專題研究、測(cè)驗(yàn)等),解決學(xué)員觀看視頻后產(chǎn)生的問(wèn)題,并在教員的指導(dǎo)下,引導(dǎo)學(xué)員進(jìn)行知識(shí)的應(yīng)用和擴(kuò)展,提高學(xué)員認(rèn)知水平[2]。

2 實(shí)施方法

在《虛擬儀器技術(shù)》課程教學(xué)中,可以使用及時(shí)教學(xué)和同儕教學(xué)兩種教學(xué)方法來(lái)激勵(lì)學(xué)員參與課堂活動(dòng)。

及時(shí)教學(xué)是由普渡大學(xué)教授格雷戈?duì)枴ぶZ瓦克(Gregor Novak)提出的。所謂及時(shí)教學(xué)就是用形成性評(píng)價(jià)來(lái)判斷學(xué)員對(duì)課程內(nèi)容的理解,并根據(jù)學(xué)員的理解情況安排課堂時(shí)間。在翻轉(zhuǎn)課堂中,教員主要是利用課堂時(shí)間通過(guò)學(xué)員在課前構(gòu)建起來(lái)的知識(shí)來(lái)進(jìn)行加深知識(shí)的學(xué)習(xí)。課前知識(shí)的構(gòu)建主要通過(guò)教員提供的視頻資料,由學(xué)員自己完成。課堂時(shí)間內(nèi)的加深知識(shí)學(xué)習(xí)要通過(guò)以下幾步來(lái)完成。首先,教員提出兩個(gè)概念問(wèn)題(Conceptual Questions)。概念問(wèn)題不應(yīng)該是典型的記憶問(wèn)題,應(yīng)該是需要分析性思維的問(wèn)題。好的概念問(wèn)題可以引導(dǎo)學(xué)員思考他們應(yīng)該做什么。謝爾指出,如果學(xué)員沒(méi)有完成課前的知識(shí)學(xué)習(xí),他們就無(wú)法回答概念問(wèn)題。其次,教員要向?qū)W員提出一個(gè)反饋問(wèn)題(Feedback Question)。謝爾認(rèn)為這是非常關(guān)鍵的步驟。反饋問(wèn)題可以是:“你認(rèn)為關(guān)于這個(gè)概念或主題哪個(gè)部分是最難的,最令你費(fèi)解的或者最使你感興趣的？”謝爾教授指出,在她的課堂中得到最多的關(guān)于反饋問(wèn)題的答案是:“我沒(méi)有找到任何感到費(fèi)解或感興趣的部分?！蹦敲唇酉聛?lái)教員可以提出下一個(gè)問(wèn)題:“關(guān)于這個(gè)概念你想知道什么？”從學(xué)員的回答中教員可以發(fā)現(xiàn)學(xué)員對(duì)于概念或主題在哪些方面是不理解的或理解錯(cuò)誤的。對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的教員來(lái)說(shuō),一般在課前就可以大概知道學(xué)員對(duì)哪些內(nèi)容感到費(fèi)解或感興趣。但是在聽(tīng)取學(xué)員的回答時(shí)最有價(jià)值的問(wèn)題應(yīng)該是教員以前沒(méi)有想到的問(wèn)題。學(xué)員對(duì)于概念問(wèn)題和反饋問(wèn)題的回答就可以提示教員如何安排剩余的課堂時(shí)間。

謝爾教授會(huì)給學(xué)員的作答打分,她所定的打分標(biāo)準(zhǔn)分為三級(jí):(1)0分,沒(méi)有回答或沒(méi)有答全;(2)1分,回答了,但是不合情理或沒(méi)有根據(jù);(3)2分,回答了,有理有據(jù),即使答案是錯(cuò)誤的。謝爾教授認(rèn)為我們不應(yīng)該以答案是否正確來(lái)給學(xué)員打分,我們?cè)噲D做的是幫助學(xué)員建立參與課堂活動(dòng)的動(dòng)機(jī),讓他們參與到學(xué)習(xí)中來(lái),以便在課堂中展開(kāi)更深入的活動(dòng)。

在多年對(duì)新的教學(xué)方法的研究和推廣過(guò)程中,謝爾教授經(jīng)常被問(wèn)到一個(gè)問(wèn)題:“如果學(xué)員課前什么都學(xué)了,那么上課做什么呢？”她的回答是同儕教學(xué),這是20世紀(jì)90年代由哈佛大學(xué)教授埃里克·馬祖爾(Eric Mazur)研發(fā)的教學(xué)技巧。同儕教學(xué)包括以下7個(gè)步驟:(1)教員對(duì)課堂主題作簡(jiǎn)要介紹;(2)學(xué)員問(wèn)與主題相關(guān)的問(wèn)題,這樣會(huì)擴(kuò)展他們的思維;(3)每個(gè)學(xué)員獨(dú)立地挑選并回答一個(gè)問(wèn)題,然后和同伴進(jìn)行討論,努力使同伴相信他的答案是正確的;(4)學(xué)員們回答相同的問(wèn)題;(5)由教員公布正確答案;(6)學(xué)員被邀請(qǐng)分享為什么他們要選擇那個(gè)問(wèn)題,他們的答案是否正確;(7)教員給出一個(gè)詳細(xì)的解釋。在同儕教學(xué)的過(guò)程中,謝爾認(rèn)為學(xué)員應(yīng)該與自己持不同意見(jiàn)的同學(xué)一起討論他的答案。教員應(yīng)該創(chuàng)造條件讓學(xué)員充分討論,而且她發(fā)現(xiàn)越是知道自己答案錯(cuò)了的學(xué)員越愿意主動(dòng)參與討論,這正是為什么在公布正確答案前讓他們解釋自己想法的原因。

3 視頻制作的內(nèi)容

在制作課程視頻模塊時(shí),要求各個(gè)模塊具有相對(duì)的獨(dú)立性,又具有一定的階梯性[3],而且各個(gè)模塊能夠按一定的目標(biāo)組合成一個(gè)較完整的體系;各個(gè)模塊之間有一定的連續(xù)性,能夠保證學(xué)員連續(xù)地學(xué)習(xí)相關(guān)的知識(shí)。

通過(guò)將課程劃分成三個(gè)基本模塊以滿足不要層次學(xué)員的需要,學(xué)員可根據(jù)自己需要進(jìn)行選擇,其中:模塊A是選課學(xué)員必選模塊,這個(gè)模塊達(dá)到第一類培養(yǎng)目標(biāo);模塊A+B達(dá)到第二類培養(yǎng)目標(biāo);模塊A+B+C完成第三類培養(yǎng)目標(biāo),如圖1所示。

圖1 課程結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of class

在課程模塊視頻制作中以實(shí)踐為中心,采用“基礎(chǔ)-應(yīng)用-創(chuàng)新”三層次的教學(xué)模式,有效地提高學(xué)員的實(shí)際動(dòng)手能力,更好地激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和探索精神,達(dá)到培養(yǎng)出應(yīng)用型人才的目標(biāo)。

(1) 基礎(chǔ),應(yīng)用和創(chuàng)新的基石

“虛擬儀器”課程主要學(xué)習(xí)虛擬儀器的工作原理、組成方式和開(kāi)發(fā)軟件LabVIEW編程,掌握虛擬儀器的面板設(shè)計(jì)、程序框圖設(shè)計(jì)、測(cè)試信號(hào)分析與處理,學(xué)習(xí)虛擬儀器硬件的工作原理和電路設(shè)計(jì),虛擬儀器系統(tǒng)集成和軟件技術(shù)。

視頻制作的方案是:在系統(tǒng)介紹虛擬儀器的基本概念、構(gòu)成分類和最新發(fā)展方向的基礎(chǔ)上,把虛擬儀器代碼設(shè)計(jì)和面板設(shè)計(jì)、文件存儲(chǔ)技術(shù)、DAQ儀器工作過(guò)程、數(shù)據(jù)信號(hào)處理、虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和虛擬儀器的應(yīng)用等作為教學(xué)的主要內(nèi)容。

(2) 應(yīng)用,彰顯學(xué)以致用

虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的不同在于它由測(cè)試硬件完成信號(hào)的采集與控制,而將信號(hào)分析與處理、結(jié)果表達(dá)與輸出讓計(jì)算機(jī)來(lái)完成,編制具有某種測(cè)量功能的軟件就可構(gòu)成具有該種功能的測(cè)試儀器。針對(duì)以上特點(diǎn),我們把課程的主要內(nèi)容講述為重點(diǎn)在于應(yīng)用,以一系列使用性、操作性、應(yīng)用性項(xiàng)目為主,設(shè)計(jì)出測(cè)試和應(yīng)用等一系列實(shí)驗(yàn)和訓(xùn)練模塊。如:虛擬示波器、頻譜分析儀的設(shè)計(jì)、溫度和壓力等檢測(cè)儀表的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通信等,重點(diǎn)突出應(yīng)用技能的基本訓(xùn)練與綜合設(shè)計(jì),為后續(xù)基于虛擬儀器技術(shù)的創(chuàng)新實(shí)踐打下基礎(chǔ)。

(3) 創(chuàng)新,教學(xué)實(shí)戰(zhàn)一體化

為培養(yǎng)學(xué)員的工程意識(shí)和能力,教學(xué)內(nèi)容取材于部隊(duì)實(shí)際案例和典型系統(tǒng)。根據(jù)知識(shí)點(diǎn)將整個(gè)項(xiàng)目分解開(kāi)來(lái),由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由局部到整體、由分立到綜合,構(gòu)建項(xiàng)目化教學(xué)內(nèi)容體系,應(yīng)用性更加突出。采用的是項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法,具體過(guò)程如圖2所示。

圖2 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)過(guò)程Fig.2 Project drived Teaching Process

4 培養(yǎng)目標(biāo)

由于虛擬儀器是工科類選修課,課程更應(yīng)該關(guān)注研究生學(xué)員的自身發(fā)展和需求,教學(xué)必須滿足學(xué)員不同層次學(xué)習(xí)的要求,因此,將課程的培養(yǎng)目標(biāo)分成三類,即:

第一類:拓展知識(shí)、了解當(dāng)代新技術(shù)發(fā)展

這類學(xué)員有良好的基礎(chǔ)知識(shí),有明確的學(xué)習(xí)目標(biāo),選修本課程是為了在今后的工作中能了解當(dāng)代新技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用,因此,課程培養(yǎng)目標(biāo)是要求學(xué)員掌握虛擬儀器的基本概念、組成、工作原理和使用技巧,全面了解虛擬儀器的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用。

第二類:從事相關(guān)行業(yè),有一定的開(kāi)發(fā)能力

這類學(xué)員的專業(yè)與測(cè)控、電氣專業(yè)相近,認(rèn)為學(xué)習(xí)虛擬儀器的開(kāi)發(fā)軟件有助于將來(lái)從事相關(guān)工作,因此,課程培養(yǎng)目標(biāo)是要求學(xué)員掌握虛擬儀器的原理及開(kāi)發(fā)技術(shù),熟悉虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)和軟件設(shè)計(jì)的方法,并能結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡來(lái)組建虛擬儀器系統(tǒng),能運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)從事虛擬儀器的設(shè)計(jì)、應(yīng)用和測(cè)試,有獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

第三類:從事虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用

這類測(cè)控、電氣專業(yè)的學(xué)員,作為專業(yè)技術(shù)課,其培養(yǎng)目標(biāo)是要求學(xué)員掌握虛擬儀器的基本概念和使用,掌握利用虛擬儀器來(lái)解決生產(chǎn)實(shí)際中信息采集與處理問(wèn)題的基本技能,培養(yǎng)學(xué)員綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力、加強(qiáng)學(xué)員工程觀念的培養(yǎng),提高學(xué)員分析問(wèn)題、解決問(wèn)題和實(shí)踐動(dòng)手的能力,為后續(xù)的其它專業(yè)技術(shù)課程的學(xué)習(xí)打下必要的基礎(chǔ)。

針對(duì)多層次的培養(yǎng)目標(biāo),必須確定虛擬儀器課程的不同層次教學(xué)要求,開(kāi)展多層次的基礎(chǔ)教學(xué)工作。

因此,課程必須確定一些既相互獨(dú)立又能有效組合而且能擴(kuò)展的教學(xué)模塊。針對(duì)以上三類不同層次的基礎(chǔ)培養(yǎng)目標(biāo),將虛擬儀器技術(shù)課程設(shè)置為三個(gè)模塊:(A)基礎(chǔ)編程、(B)應(yīng)用開(kāi)發(fā)、(C)創(chuàng)新教學(xué)。

基礎(chǔ)編程模塊:在系統(tǒng)介紹虛擬儀器的基本概念、構(gòu)成分類和最新發(fā)展方向的基礎(chǔ)上,把虛擬儀器前面板設(shè)計(jì)和程序框圖設(shè)計(jì)、文件I/O、數(shù)據(jù)采集、虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、虛擬儀器的應(yīng)用-數(shù)字信號(hào)處理等作為教學(xué)的主要內(nèi)容。

應(yīng)用開(kāi)發(fā)模塊:課程的主要內(nèi)容從理論講述轉(zhuǎn)換到重點(diǎn)在于應(yīng)用,以操作性、應(yīng)用性項(xiàng)目為主,設(shè)計(jì)出測(cè)試、應(yīng)用等一系列實(shí)驗(yàn)?zāi)K。如:虛擬電壓表、頻譜分析儀、信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì),發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油壓力等檢測(cè)儀表的設(shè)計(jì),數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通信等,重點(diǎn)突出應(yīng)用技能的基本訓(xùn)練與綜合設(shè)計(jì),為后續(xù)基于虛擬儀器技術(shù)的創(chuàng)新實(shí)踐打下基礎(chǔ)。

創(chuàng)新教學(xué)模塊:采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)方式[4-6],教學(xué)內(nèi)容取材于實(shí)際的工程項(xiàng)目,根據(jù)知識(shí)點(diǎn)將整個(gè)項(xiàng)目分解開(kāi)來(lái),由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由局部到整體、由分立到綜合。在整體結(jié)構(gòu)上,將知識(shí)點(diǎn)與具體實(shí)例應(yīng)用相融合,應(yīng)用針對(duì)性更強(qiáng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

《虛擬儀器技術(shù)》這門研究生的選修課開(kāi)設(shè)已10余年了,研究生學(xué)員選課的積極性很高,學(xué)習(xí)效果較好,為我院各型測(cè)試設(shè)備的設(shè)計(jì)生產(chǎn)研制培養(yǎng)了大批人才。鑒于不同學(xué)員對(duì)本門課不同內(nèi)容學(xué)習(xí)的廣度和深度不同,使用傳統(tǒng)模式進(jìn)行因材施教的困難較大;為此,在總結(jié)歷年成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,提出翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方法:學(xué)員通過(guò)收看教員事先錄好的教學(xué)視頻,和教員提出的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行互動(dòng),并結(jié)合自身的研究方向撰寫出1-2篇學(xué)術(shù)論文。往期學(xué)員均認(rèn)為本門課實(shí)用性很強(qiáng),此期授課學(xué)員表示收獲很大。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式在不同的地區(qū),不同的學(xué)科中運(yùn)用所產(chǎn)生的效果是不一樣的,那么虛擬儀器課程使用翻轉(zhuǎn)課堂操作所需要的條件具體有哪些,是否還會(huì)取得更好的教學(xué)效果,這將是我們今后研究的重點(diǎn)。

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戴洪德 男(1981-),江蘇泰州人,博士,副教授,主要研究方向?yàn)楹娇兆詣?dòng)化,慣性技術(shù)與組合導(dǎo)航。

盧建華 男(1970-),江蘇南通人,碩士,副教授,主要研究方向?yàn)轱w機(jī)電源與電氣控制,飛機(jī)檢測(cè)。

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