数据驱动的“虚拟仪器技术”一流课程建设探索＊

袁 明，戎 舟，鲍 峤，王 强

（南京邮电大学自动化学院、人工智能学院，江苏 南京210023）

新时代一流本科教育强调固根基、扬优势、补短板、强弱项，通过建金师、建金课和建高地，推动本科人才高质量发展。

2019-10，教育部启动了一流本科课程建设工作，通过一流本科课程的建设，进一步提升课程教育教学质量，全面贯彻立德树人根本任务[1]。

在面向一流课程的建设过程中，如何有效提高课程的授课质量，如何有效通过课程学习切实提高工科学生的工程素质与能力，是各高校面临和亟待解决的重要问题，尤其是在信息化技术飞速发展的当下，信息的传播较以往更加多元化和开放化，学生获取知识的渠道也已经不局限于线下课堂，以上现状对传统的教学理念、教学方式和实验实践模式均提出了较大的挑战。此外，近年来实施的工程教育专业认证要求以学生为中心[2]，实现对每位学生的全覆盖，也要求任课教师不断探索和改进更加有效的教学方式和方法。

在以往教学过程中，通常使用标准化的流程来开展教学，常忽略了学生的个体差异，学生的个性化特征体现不充分，也导致教师对部分学习困难的学生关注度不够，对学生学习过程的状态获取常出现不全面、不具体、信息滞后等缺憾。

另一方面，随着教育信息化的快速发展，高校教师已经获得了越来越多的信息化教学工具，这些工具可以帮助教师对现有课程进行大胆的改革，以实现对课程的重塑。其中，近年来各高校纷纷大力建设的慕课或SPOC等在线课程，已经在当下的本科生教育教学中发挥了越来越重要的作用。

作为线下课程的有益补充，线上课程的特点是内容编排紧凑，更侧重对知识点的传授。但是，线上课程无法实现教师与学生的有效交互，也难以实现个性化的指导，目前尚无法全面替代线下教学。因此，将线上、线下两种教学模式结合起来，发挥不同模式各自的优势，这种混合式的教学方式给授课教师和学生学习均提供了较大扩展空间。目前，已经有不少高校在混合式课程教学改革上开展了有益的探索[3-5]。

需要注意的是，混合式教学虽然具有扩展性强等优势，但在建设过程中仍然需要注意避免部分问题的发生。例如，部分混合式教学在实施过程中仍然是线上线下环节独立开展，缺乏整体性的课程教学设计，在课程执行过程中仍采取以往的教学管理模式，缺少对学生个体的关注及预警，没有实现对学生的全覆盖。

为了解决上述问题，更好地贯彻以学生为中心的教学理念，教学团队在开设“虚拟仪器技术”课程时，以一流课程为建设目标，提出了课程教学执行周期的全链条数据驱动法。该方法从4个主要维度开展工作，实现对课程执行过程中各项数据的采集、分析与评价，此方法能够全面具体地关注到学生的学习状态，进而驱动学生及时发现自己在知识和能力上的缺失，驱动授课教师及时帮助学生解决问题，以进一步提升课堂教学效果，提高学生的工程应用能力。

1 “虚拟仪器技术”课程简介

虚拟仪器技术综合运用了计算机技术、数字信号处理技术、标准总线技术和软件工程方法，代表了测量仪器与自动测试系统的发展方向，被广泛应用于航空航天、自动化、通讯、电子等各种领域。

“虚拟仪器技术”课程是教学团队面向本校测控技术与仪器、电气工程与自动化、智能电网与信息工程、微电子技术等专业开设的一门应用技术型课程。该课程以基于LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrument EngineeringWorkbench）图形化编程语言的虚拟仪器开发平台为基础，使学生通过学习掌握LabVIEW编程环境、编程方法、数据采集、仪器控制、信号分析与处理等方面的内容。同时在掌握基本理论知识和编程方法的基础上，能够从测量问题的本身出发，通过任务分析，设计合理的测量方案，利用相应的硬件模块完成测控系统的设计与实现，初步具有虚拟仪器的开发能力和解决实际测量问题的能力。

课程教学团队成员目前包括1名教授、2名副教授和2名讲师。项目组成员在测控技术与仪器领域具备了一定的学科优势和较强的师资力量，建有虚拟仪器实验室，在虚拟仪器领域积累了丰富的教学和指导竞赛的经验，指导学生获得多项虚拟仪器竞赛的省赛和国赛一、二、三等奖。

在体系结构上，本课程主要按照绪论、LabVIEW编程基础、程序结构设计、复合数据类型、文件I/O和图形显示、数据采集、仪器控制、虚拟仪器信号处理、虚拟仪器设计实例等模块来安排教学。

自2020年起，该课程开始采用线上、线下相结合的混合型教学方式。其中，线上教学环节经过校内SPOC模式试运行后，已经在中国大学慕课平台正式上线，实现课程教学资源对全社会的共享。

2 数据驱动的课程建设探索

下面本文将从4个维度，阐述基于数据驱动的“虚拟仪器技术”课程在建设时采取的具体探索与举措。

2.1 线上慕课数据的采集、评价与驱动

目前，本校开设的“虚拟仪器技术”已经在中国大学慕课平台上线，线下学习这门课的同学需同时在线上选择这门课程同步学习。由于采用了线上线下的混合课程教学模式，课程组要求授课教师对教学计划合理编排。上线的慕课视频时长在15min左右，很多内容都进行了浓缩，知识点密集，视频教学以知识讲授为主。对虚拟仪器初学者而言，若直接使用慕课进行学习，具有较陡峭的学习曲线，也要求学生具备较高的自学能力。因此，在编排教学计划时，将慕课教学资源主要用来帮助学生实现课前预习、课后巩固复习及关键知识点的测试。

在线上慕课的教学环节进行过程中，任课教师在课程后台可以获得选课学生学习过程中产生的大量学习状态监测数据。这些数据涵盖了选课学生的慕课视频观看个数、视频观看次数、视频观看时长、学生作业得分、单元测验得分等内容。在课程教学过程中，任课教师通过定期对这些数据进行采集及分析，即可快速获得每个学生的学习状态量参数。

上述数据为任课教师开展学生学习过程的预警及有针对的指导提供了宝贵数据。例如，当学生学习状态数据显著低于群体数据均值时，任课教师将对学生个体发出提示，督促其提升在课程上的投入度。此外，线上作业和测验数据不易丢失、便于归纳整理、客观题目系统自动评分等特点，可帮助任课教师全覆盖地查看学生对知识点的掌握情况，并及时在线下开展辅导，有效帮扶学业困难学生，减少掉队学生的数量，也驱动任课教师开展更高质量的线下授课教学设计。

2.2 线下课堂数据的采集、评价与驱动

有了线上课程提供的良好基础，任课教师可以在线下课堂中获得更多的时间与学生进行交互，并在交互过程中获得学生的学习状态，对学生进行有针对的指导。线下课堂数据采集与线上课程数据采集相比，其组织方式和方法更加灵活多样，需要任课教师对课堂进行精心设计。例如，授课教师可将传统的课堂点名改造成课堂小测验，既可获得学生的课堂出勤数据，还能够获得学生对相关知识的掌握情况，帮助学生快速进入课堂状态，而所花费的时间与传统点名所花费的时间几乎相同。

在课程授课过程中，重视与学生的课堂交互及案例式、启发式的教学方法，并通过学生线上课程的学习数据，对掌握较差的内容进一步巩固提升；在案例教学时，可结合虚拟仪器技术在大飞机、深空探测、高铁、大科学装置中等的应用，既融入了课程思政的元素，又加深了学生对虚拟仪器强大功能的认识，驱动学生产生科技自信，对差距也能正确认识，激发学习热情。

在课程后期，要求学生结合自己所学的专业知识，并结合虚拟仪器的强大功能，两三个人一组，自主设计完成一个大作业。在结课前，要求学生制作PPT，在课堂上对自己的工作进行汇报展示。通过这种方式驱动学生去尝试和发现虚拟仪器与所学专业知识的结合点，提升学生的团队配合力、表达力。在验收工程中，任课教师也可以对每组学生的学习态度、解决实际问题的能力进行一次全方面的考量，给出评价，将此部分内容作为平时成绩的重要参考。

2.3 实践实验数据的采集、评价与驱动

“虚拟仪器技术”是一门实践性很强的课程，需要配合一定的硬件，来实现测试、测量与控制等功能。这里，我们给学生提供的实验教学设备主要有Analog DiscoveryStudio、MyRIO等口袋实验室教学设备[6-7]。口袋实验室设备这种便携式设备集成了信号发生器、示波器、数字万用表、可编程电源、频谱分析仪、网络分析仪等多种测试功能，对虚拟仪器具备很好的兼容性，可通过虚拟仪器控制仪器，快速完成数据的采集与分析，非常适合工科学生随时随地开展工程实践探究。基于上述考虑，在讲述虚拟仪器技术时将口袋实验室引入课堂，与教学环节紧密结合，通过实验演示，让学生熟悉口袋实验室，并与数据采集的教学有机结合，使学生对测试测量系统的构成、数据采集各项技术指标、如何获取高质量数据波形等知识点具有更直观的理解，激发学生的学习兴趣。

为了更好地发挥这些设备的功能，还设计了多个综合性实验室开放项目，通过项目式的开展方式，提升学生的动手能力、独立思考能力和研究能力。

目前，开放项目主要包括基于口袋实验室的频谱分析仪、基于口袋实验室的音频均衡器、基于口袋实验室的模拟滤波器频率响应测试、基于口袋实验室的任意波形发生器4个符合电类本科生特点的探索性案例设计，并在后期进行完善和补充。例如，在模拟滤波器频率响应测试实验项目中，要求学生根据以往电路所学知识搭建一阶及二阶滤波电路，完成模拟滤波器的调试；编写程序实现限带白噪声的生成程序，在口袋实验上通过模拟输出通道实现D/A转换，实现对模拟滤波器的激励；编写双路数据采集程序，通过口袋实验室的模拟输入0通道采集激励信号，通过口袋实验室的模拟输入1通道采集响应信号；对2路信号进行时域和频域分析，给出时域波形、功率谱和频响曲线；对采集的波形进行平均和加窗处理，比较测试结果；改变滤波器的结构参数，观察对应测试结果的变化。

通过实验数据，可以有效检测学生对系统、频率响应、采样率、采样点数、平均次数等知识点的掌握程度，使得学生能够有效评估自身的水平，驱动其提升用实验数据校核其理论知识的能力，驱动其对所学课程内容进行综合运用，提升分析问题、解决问题的能力。进一步的，学生后续可使用口袋仪器，助力其在课下参加大学生创新训练、学科竞赛等实践训练，激发学生的思维主动性和学习兴趣，提高分析问题和解决问题的能力。

2.4 结论性数据的采集、评价与驱动

结论性数据的采集主要包含内部结论性数据和外部结论性数据2类。其中，内部结论性数据主要发生在期末考试结束之后，任课教师通过对每名学生试卷答题情况进行采集，获得教学班学生对相关知识点及能力目标的达成情况，并进一步去评估课程的目标达成情况。

外部结论性数据主要为同行评教、学生评教、督导评教、问卷调查、毕业生访谈等。外部数据的采集由于来源较为复杂，数据获取量较少，目前仍是本课程后续建设需要努力的方向。

课程组拟通过如下方面开展建设：①每学年开展学生问卷调查和座谈会，搜集学生对课程教学过程中的意见及建议，对后续课程大纲修订、教学进程安排、教材建设获得更多的反馈，全面打造立体式课程；②定期参与教育教学会议，与其他高校开展交流合作，积极借鉴其他高校的优秀做法；③邀请国内外行业知名企业，通过校企协同育人，开展课程内容和实践形式的改革与探索，通过产学合作，为课程的持续性改进提供强力支撑，有效提升学生解决复杂工程问题的能力。

课程团队将进一步对课程建设任务进行细化，更扎实有效地完成结论性数据的采集。此外，定期对上述这些结论性数据进行整理及汇总，分析关键因素，以明确下一年度课程教学质量提升的方向。

3 结语

在“虚拟仪器技术”课程的教学中，对标一流课程，开展线上线下混合式课程建设，通过数据驱动法，从线上慕课、线下课堂、实践实验、结论性环节4方面入手，强化对学生学习过程的管理。通过对完整课程学习状态数据的采集、分析，完成学生学习状态的动态评价，驱动学生增强课程的投入，降低学习风险，也驱动教师进一步完善教学过程设计及开展更有效的课程组织管理工作，为一流课程的建设奠定了坚实的基础。