基于工作过程系统化的虚拟仪器课程改革

刘海艳

（南京理工大学紫金学院机械工程学院机电系，江苏 南京210023）

0 引言

随着电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的发展，新的测试理论、测试方法、测试领域以及新的仪器结构不断涌现，在许多方面已经突破了传统仪器的概念。虚拟仪器是基于通用PC建立的可编程仪器及仪器系统。虚拟仪器（简称VI）技术由于其灵活性高、开发周期短等优点，受到众多科研与工程技术人员的广泛关注，其应用领域遍及工业、农业、交通、航空、航天等各种行业。在此背景下，越来越多的高校开设虚拟仪器课程，并建设虚拟仪器实验室，以培养虚拟仪器技术类的科研与应用人才。在有限学时内，如何达到课程培养目标，培养出能将理论知识充分运用于实践，利用工程应用观念来分析和设计仪器系统的学生，是一个需要不断探讨的问题。

1 虚拟仪器课程改革的思路

为提高学生对虚拟仪器的应用实践能力，帮助学生掌握课程知识点和知识体系，掌握一定的学科思维方法，培养适合测控技术与仪器专业特色的工程应用型人才，课程组在进行虚拟仪器课程教学实施过程中，从教学内容、教学方法、实践教学这3个环节，进行了多次改革，第一阶段采用传统的授课模式，以理论授课为主。主要依据教学大纲，按章节讲授，要求学生掌握课程的知识点和知识体系。但虚拟仪器技术是一种实践性较强的技术，需要学生参与其中才能真正会用。因此传统的授课方式传授的知识是死的，学生缺乏主动性与参与性，不能学以致用。

为改进这种情况，第二阶段主要采用理实一体，基于项目驱动开展教学内容，借鉴NI公司商业培训课模式，教学模式改变为完全以实战练习为中心。针对课程章节内容设计具体实践项目，教师科学引导，学生动手设计。在整个教学周期内，教师理论讲授和项目驱动教学互为补充。但这种模式的弊端在于，项目练习时，教学内容较为单一，工程背景不强，学生相当于在重复照搬，综合训练程度不够，造成学生对课程理解不透彻、缺乏工程应用意识。

第三阶段，课题小组在学习了姜大源工作过程系统化课程开发之后，按照培养学生能力为本位，以职业实践为主线，结合虚拟仪器技术这门课程的特点，从注重教学内容、教学方法、实践教学这3个环节，采用工作过程系统化理念对虚拟仪器这门课程的教学活动进行探索与实践。

2 工作过程系统化课程设计

所谓工作过程，指的是个体“为完成一件工作任务并获得工作成果而进行的一个完整的工作程序”[1]。工作过程系统化课程设计基于以下的思考，即课程开发必须是在有序性、整体性和生成性的原则下，从实际工作的需要和职业教育需要这两个维度上予以整体设计，必须有系统的逻辑路线。学生能力的培养必须遵循职业成长和认知学习这两个规律，在从新手到专家、从简单到复杂的学习过程中，使得知识、技能和价值观的学习实现融合，集成于一体，而不是分离[2]。依据工作过程系统化课程开发原则，本课程组依据工作任务分析——行动领域归纳——学习领域转换——学习情境设计的原则，重新设计了《虚拟仪器》课程教学情境，对原有学科化的课程知识进行解构和重构。

2.1 分析目标岗位，确定典型工作任务

工作过程系统化课程开发第一步是工作任务分析-典型工作筛选，即根据专业相应工作岗位及岗位群实施典型任务分析，根据本专业学生毕业后从事与虚拟仪器相关职业岗位，确定典型工作任务，如表1。专业教育除了要满足企业需求外，更要考虑学生职业成长，因此，典型职业岗位从LabVIEW初级助理开发工程师，LabVIEW测试工程师到LabVIEW开发工程师，以及未来发展到LabVIEW程序架构师，四个典型职业岗位反映了本专业学生职业成长规律，从入门到熟练，从单一到综合，从新手到专家。

表1 虚拟仪器相关职业岗位与典型任务对应

2.2 学习领域转换，学习情境设计

从表1典型岗位的职业发展对应工作任务分析可知，在组织教学过程中，学生能力培养需遵循认知学习规律，由浅入深、由简单到复杂、从知识掌握到能力培养。因此，根据职业成长及认知规律递进，重构行动领域转换为课程。课程内容和结构追求的不是学科架构的系统化，而是工作过程的系统化，旨在培养人的综合能力[3]。工作过程系统化教学学习情境设计是教学的关键，教师除了要考虑教学所需的实验条件之外，还要充分考虑学生的知识水平和实际动手能力，同时还要包含教学目标所给定的知识点。因此，教学项目的选择要符合学生的实际情况，并具有启发性、典型性[4]。在《虚拟仪器》这门课程里，主要设计六个学习情境，如表2。这六个情境选取的参考系为项目，项目由简单到复杂，但都具有完整的工作过程，都需要经历需求分析、项目软体设计、软件调试、功能验证、维护及优化，完成项目相关的文档编写工作，重复的是步骤，变化的是内容。情境之间相对独立，具有平行关系，而且后面情境的内容包含了前面情境的内容，情境之间具有包容关系。

表2 虚拟仪器学习情境设计

2.3 课程教学内容组织安排

从课程教学情境设计可以看出，情境中的操作对象选择在测试控制领域具有代表性的典型量，比如温度量为典型的缓变或者静态量，振动、音频信号为典型动态量。学生通过掌握这两种量的检测控制可以推广到所有工程量。例如，从情境一以虚拟的温度仪设计开始，通过随机数产生、输入输出控件使用，到子VI的创建、数学运算、报警、数据记录存储，到情境五中网络通信采用的也是情境一中设计的温度仪进行传输，以及到情境六的硬件采集中也是以温度为载体，通过完成温度的测量、报警、记录、存储等功能。这样的设计有利于学习的连贯性，有助于培养学生综合运用知识能力。

另外，在课程教学实施过程中，考虑培养学生的能力，一般情境中子情境一内容设计简单，主要由教师演示，学生模仿，手把手教学；子情境二、三难度稍微增加一点，老师将基本知识点提醒，放开手让学生试着自己完成；在学生将虚拟仪器基本操作掌握之后，情境三的学习增加一些需要学生结合其他课程中专业知识进行分析的练习，老师将原理讲解清楚，由学生独立做；到第六个情境的子情境二是在巩固已学知识技能的基础上，充分放手培养学生虚拟仪器设计能力，并在信号于测试系统课程实验中应用课程实施采用顺序渐进，讲练结合，边讲边练，强调实训的教学方法让学生自己发现问题和解决问题。更好的提高教学效果，调动学生的学习积极性和主动型，提高学生对虚拟仪器的应用实践能力，培养适合本专业特色的工程应用型人才。

3 课程考核评价

根据本课程实践性强等特点，结合教学方法的改革，对虚拟仪器课程考试方式和成绩评定方法进行了相应的改革。课程总成绩由平时成绩和课程考试成绩2部分组成，其中平时成绩占30%，课程考试成绩占70%。主要以过程考核为主，课程全部在实验机房完成，每个情境学习过程中都需要综合考察学生的实操能力，记为平时成绩。课程期末考核以上机考试代替传统的笔试考核，主要将课程所要求知识点集合在两个综合性的题目中，每个同学都需要完成一个完整的工作过程，需要经历需求分析、项目软体设计、软件调试、功能验证，完成项目保存等几个步骤。并且采用相邻同学不同卷的考核方式，在从一定程度上杜绝了个别学生想蒙混过关的现象。

4 总结

本课题小组针对虚拟仪器技术这门课程的特点，从注重教学内容、教学方法、实践教学这3个环节，对虚拟仪器这门课程的教学活动进行探索与实践，构建以培养工程应用型人才为目标的虚拟仪器教学模式。加强实践能力，注重动手能力、强化实践创新意识，结合专业特点，突出教学特色；形成“以学生为主体、教师为主导”的教学方法，以点代面，引导、培养学生自学能力，将实际工程案例引入实践教学中，以知识为载体，注重讲授解决问题的思维方式和方法，指导学生进行开发，增强了学生学习的积极性、主动性和创造性，使学生通过课程的学习，学习到高于知识本身的解决问题的思维方式和方法，将基础课程和专业课程的学习加以灵活运用，学会解决各类问题的方式方法，增强解决实际问题的能力。