基于OBE理念的“虚拟仪器技术”教学改革

张 晨

(南京理工大学紫金学院,江苏 南京 210023)

0 引言

OBE(Outcome-based Education)成果导向教育,以学生为中心,关注学生通过教育过程后能获得怎样的学习成果[1]。我国在《工程教育认证标准(2015)》中体现了对OBE教育理念的认可[2]。OBE要求将人才培养目标落实到教师的教学设计中,对最终的产出结果进行评价,并以评价反馈机制持续推进教学改革。采用OBE 理念探索教学改革,将有助于高校开展课程建设工作并提高人才培养质量。

虚拟仪器技术采用图形化编程软件Labview,结合硬件采集卡等设备,完成信号的采集、分析、处理、输出等内容,广泛应用于工程检测、航空航天、军事科技等与电子信息类技术相关的测量、控制领域,有很强的实用性[3]。因此,本文采用OBE理念指导“虚拟仪器技术”教学改革,以学生为中心,关注学习效果,对培养行业所需的合格毕业生有重要意义。

1 “虚拟仪器技术”课程教学现状

传统教学方式以“教师为中心”。学生在教室完全处于听讲状态,看教师演示编程,课后容易忘记,再将书本翻开对照操作,效率不高。如果遇到编程基础问题再得不到及时解决,学生又比较容易放弃。传统教学方式忽略了对学生自主学习能力、实践能力及创新能力培养。

实验内容较单一,实践环节欠缺。实验以软件为主,按指导步骤完成即可,缺少综合课程设计,未能充分调动学生的学习积极性展开实践训练,没有发挥课程对学生综合能力的提升作用,影响后续毕业设计和专业实践。

考核方式以卷面考试为主。虽然考核过程已将考勤、课后作业及实验作为平时分参与总成绩计算,但占比较低,学生关注的是最后的考卷,忽视了分析问题、解决问题的过程,这样的方式不利于对学生实践能力及综合素质做出客观评价。

2 基于OBE理念开展教学改革

虚拟仪器是一门综合知识多、实践性强的专业课,教学过程中需要改变针对教材讲课的传统思路,转而思考如何让学生满足毕业要求,采用OBE理念反向进行教学设计,从以下3方面进行改革。

2.1 明确学习目标,合理优化教学内容

结合专业特点,从毕业要求及就业需求出发,明确学习目标,使学生通过虚拟仪器技术课程的学习,能够完成信号的采集、分析与处理,结果的输出与显示,使学生具备工程意识,培养学生分析解决实际问题的能力以及团队合作、沟通能力。教学内容划分为两大部分,一是软件设计,主要包括基础程序设计和信号处理两方面,课程有程序结构,基本数据类型,变量,文件操作,图形显示,程序调试、子VI设计,信号的产生、时域及频域分析,数字滤波器,串行通信及网络通信；二是硬件采集,主要包括:数据采集,总线接口技术。根据课程内容和学习效果,将32学时的理论课主要安排为软件设计授课,最后2学时为硬件采集,之后为基于硬件采集卡的实验课,学期结束前安排一周的课程设计。作为上位机与单片机等进行串口通信的内容将在课程设计中采用自学方式进行。

2.2 以学生为中心,更新教学方式

OBE理念关注以学生为中心,不是学生学过什么,而是学生可以做什么。“虚拟仪器技术”是一门应用型较强的课程,重点不在理论知识推导,而是编程实现。课内的学时有限,而课外的学习无限。根据课程特点对教学方式进行以下三方面的改革。

2.2.1 激发学习兴趣，提升学生主动学习意识

第一节理论课,教师从采用虚拟仪器技术完成的工程项目、全国虚拟仪器大赛的获奖作品、大学生创新创业训练作品开始介绍,再由远及近介绍学生们可以选择的毕业设计课题,之后由大到小,落实到课程需要学习的知识点,使学生们直观地认识到课程的实用性,并理解教学内容设置的作用,同时提供有效的网络及参考教材资源介绍,为后续课程学习做好铺垫。

2.2.2 提高课堂学习效率，强化学生学习主体作用

理论课改为在实验室授课,采用讲、练结合的方式,教师讲授编程要点,演示例题运行结果,学生在课内完成基础练习并由教师记录课堂练习完成情况,将原来课堂比较放松的听讲状态,转变为需要检验成果的有压力状态,督促学生们从“做”中“学”,及时完成每次课需要掌握的核心内容。授课过程中,对不同的内容采用不同的授课方式,对基础程序设计的内容多采用启发式、对比式。例如,循环结构,主要通过while循环和for循环实现,学生对这两种循环结构并不陌生,在之前的文本语言编程课接触过,教师可以提问,这两种都是循环,各自需要怎样的参数或条件设置可以完成循环,使学生从以往知识的参照去思考,相应的编程在图形化语言labview的模块中如何实现,介绍实现方法后,再提出用循环实现累加或计算阶乘如何实现,引出移位寄存器的使用介绍,接着就请学生完成一个累加设计,从理解到实现,授课节奏紧凑,有助于及时消化基础知识,解决主要问题。

另外,教师不仅需要在课堂教学过程中督促学生学习,也需要基于课堂逐步培养学生的自主学习能力,启发学生综合运用目前所学实现新的设计需求。例如,关于状态机的设计,在讲授并练习过while循环、移位寄存器、条件结构及枚举常量的情况下,不具体讲述如何运用上述内容实现状态机中的状态转换及状态机的维护,只讲授状态机的概念和设计效果,引导学生通过查阅资料,理解设计思想,独立思考并完成状态转换小程序设计。教师可以进一步提出模拟商品售货机和交通灯控制等课后练习要求,将所学内容与实际需求相结合,开拓学生思路,提升实践能力。

2.2.3 提升课后学习要求，增强学生自主学习动力

在目前大力推行的工程教育专业认证模式中,传统教学模式下必修课的课时均要求压缩,增加学生自我探索、钻研的时间与空间[4]。“虚拟仪器技术”课程涵盖的内容比较多,完全依靠课堂教学无法保质保量达到预期的教学效果,因此,需要在课堂基础上进行课后扩展、深入学习,对于这部分内容,既需要避免完全由学生无的放矢盲目选择,也需要考虑到每个学生的理解快慢程度不同,需要教师做好具体规划,每节课都提出明确的课后学习要求,发挥线上教学平台的作用,提供丰富的学习资料,结合实际案例,与课内教学配合,将课程对学生探索、创新能力的培养落到实处。学生需要通过查阅推荐的书籍,观看微课视频,结合讨论完成课后作业并总结课内所学、课后遇到的问题和解决方法。课程组每周都会安排教师值班,与学生进行线上及线下的答疑交流,辅助学生课后学习,积极思考。建立专业口袋实验室,配置myDAQ采集卡,可以进行软件自带仪器测量、音频信号处理、模拟信号和数字信号采集与输出等实验,满足学生对信号采集、处理及输出整个过程的实验需求,并结合传感器及单片机共同建立综合开放实验室,便于学生在已有的课内实验基础上进行改进和优化,参考工程项目实例及竞赛作品,尝试探究性、创新性设计。学生根据自己感兴趣的内容,3人一小组,进一步展开讨论和研究,形成初步想法后与教师交流,明确设计方案,在综合课程设计周完成设计,撰写设计报告,制作PPT讲解设计过程,展示成果。这样促进学生在课后继续思考,充分利用实验平台,在解决问题的过程中提升学生学习的成就感,有利于增强自主学习动力,形成良好的学习氛围。

2.3 立足学习效果,改进课程考核标准

“虚拟仪器技术”作为一门专业课,基于OBE理念改进考核方式和评价标准,需要体现学生的实践能力、综合水平并鼓励创新,对学生的学习积极性和学习热情起到积极正面的影响,注重过程化、多元化,同时注意个性化和差异化,采取过程评定与最终考试结合的方式。课程评分由3部分组成:平时表现30%+实践成果30%+期末考试40%。

平时表现包括课堂学习表现和课后练习的完成情况,涉及课程考勤、课堂纪律、课堂练习、课后的扩展学习和作业提交,实验课的动手操作及实验报告的撰写,不只看学生是否在规定时间内完成,也关注学习过程中遇到问题如何解决,能否积极思考及时总结,促使学生持续开展有效学习。

实践成果主要针对课程设计环节,以成果为导向,考评实践学习过程。参照毕业设计答辩流程和虚拟仪器竞赛评分要求,聘请开发经验丰富的合作企业工程师和课程组老师共同参与评审,不仅考察设计文档撰写质量、设计能力及作品演示效果,也考察方案的实用性和创意性、学生的团队合作、沟通情况、促进学生从实际需求出发思考问题并提高分析解决工程问题的实践能力。

期末考试采用卷面答题的形式,由不定项选择和简答两种题型组成。不定项选择参考LabVIEW助理开发工程师认证的模拟题,考核学生对开发系统中的核心特征和功能是否具备广泛全面的认识,并且可以用这些知识开发、调试、维护小型程序模块。简答则考核学生是否能分析实际工程问题并提出可行方案,题目的选取尽可能覆盖课程的各部分要点,从知识掌握的广度和实用度检测课程教学目标达成度。

3 提升师生协同发展素养,保障课程教学持续改进

OBE教学改革要求以学生为中心,首先需要教师保持积极的学习状态,提升思想觉悟、教学能力和专业水平,使德育育人和知识育人同向而行。教师通过思政学习研讨,加强对新时代中国特色社会主义思想的理解,深入挖掘课程蕴含的思政元素,激发学生的学习自觉性,通过参加线上线下的教学会议及课程观摩,更新教学方法和教学资源,顺应学生的学习习惯,使学生乐于学习,通过加强校间交流、校企合作,关注本专业的行业发展与企业需求,修订教学内容及实践训练要求,增强学生的实践发展适应性。

教师做好上述工作才能更好地与学生对话,将所做工作转化为学生的成果。教师要及时关注学生的反馈信息,检测学习效果,解答学生疑问,了解学生的需求,启发探索及创新精神,跟进实践过程,从而掌握哪些方面已被学生理解吸收,哪些方面并未取得理想的效果,积累经验,根据学生的具体情况改进教学工作,提升学生的学习获得感和课程的教学目标达成度,激励师生双方共同进步,教学协同持续发展。

4 结语

提升专业人才培养质量,需要落实在课程改革过程中。本文基于OBE理念,对虚拟仪器技术课程开展教学改革,尊重学生的学习主体地位,以学习产出为导向,在课堂讲练结合中及时解决基础问题,督促并保障课后的拓展学习和实践训练有序开展。改革促使学生积极思考,勤于实践,提高了学习主动性,丰富了学习生活,提升了校内外学科竞赛的参与度及获奖名次,获得了较好的效果。