基于OBE与虚实一体的测控专业实践教学改革

摘 要：为解决测控专业实践教学环节存在课内和课外实践联系不够紧密、缺乏激励机制、师生合作互动度不高以及因材施教不到位等问题，提出基于OBE和虚实一体的实践教学改革。从虚实结合、内涵建设、评价及改进等方面对实践教学体系进行优化。主要措施包括以学生为中心加强校企和师生共建专业，充分利用虚拟仿真和互联网技术，让学生从线上和线下、虚拟和现实、课内和课外的各类实践资源中提高动手能力和激发创新思维。经过实践，学生的工程应用开发和创新创业能力得到明显加强，工程应用类学科竞赛获奖数以及承担的创新创业类项目数均显著增加，从而证实相关改革措施的有效性。

关键词：成果导向；虚实一体；测控专业；工程应用；实践教学

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）21-0151-04

Abstract： In order to solve the problems of insufficient connection between in class and out of class practice， lack of incentive mechanisms， low cooperation and interaction between teachers and students， a practical teaching reform based on OBE and the integration of virtual and real is proposed. The optimization of the practical teaching system has been achieved through the combination of virtual and real， connotation construction， evaluation and improvement. The main measures include： strengthening the collaboration between schools， enterprises， and teachers and students in building majors with a student-centered approach; making full use of virtual simulation and Internet technology; enabling students to improve their hands-on abilities and stimulate innovative thinking through various practical resources， including online and offline， virtual and real， in class and out of class. It has confirmed that students' abilities in engineering application development and innovation and entrepreneurship have been significantly strengthened. The number of awards in engineering application subject competitions and the number of innovation and entrepreneurship projects undertaken have significantly increased， thus confirming the effectiveness of relevant reform measures.

Keywords： OBE; integration of the virtual and the real; Measuring and Controlling Specialty; engineering applications; practical teaching

测控技术与仪器专业是集合光、机、电和计算机技术等多个学科为一体的宽口径专业[1]。随着经济快速发展，各行业对测控技术与仪器专业人才的需求越来越多，对人才培养质量也提出了更高的要求[2]。OBE（Outcomes-based Education）教育理念起源于美国和澳大利亚，是一种以预期学习成果和学习目标为中心来组织、实施和评价教育的模式，通常称为成果导向或目标导向模式[3]。随着我国工程教育改革进程的加快，OBE教育理念得到了国内高校的广泛认同，大多数专业积极参加以OBE作为教育理念的国际工程教育认证，开展基于OBE的教学改革活动。但是当前测控专业的人才培养体系与经济发展和新质生产力的需求并没有完全相适应，在提高产出成果方面仍然缺乏足够的实践经验。参照仪器类专业认证标准，存在着落实人才培养目标达成的机制还有待完善，基于OBE教育理念的课程教学体系不够完整，持续改进的贯彻情况还不够到位，以及专业教育和创新教育的融合度不够高等问题[4]。

虚实一体教学模式中的“实”指实践操作或真实的实验，“虚”指虚拟仿真或接近真实的模拟实验，通过实与虚的结合能获得提高学习效率和降低实践成本等优势。2000年美国麻省理工学院实施了MIT TEAL项目，学生在实验课程中既可以进行真实的物理实验，也可以开展虚拟物理实验。指导教师利用计算机仿真技术搭建虚拟的实验环境，使学生在实践操作和学习过程中能够有效感受和切换各种接近真实的实验环境，提高实验效率，加强师生之间教与学的互动效果，增强学生对实验内容的认知，提高学习兴趣并积极参与学习[5]。2013年教育部发通知要求各高校高度重视实验教学与信息化的深度融合，支持虚拟仿真实验教学中心的建设工作。近年来，互联网技术和人工智能的快速发展也为虚实一体化的实践教学模式带来了更新的要求和发展契机。一些高校建设了智能化的网络虚拟实验室，借助新兴的网络和计算机技术将位于不同地点的师生联系在一起完成相关实践教学任务，这进一步加强了教师与学生之间的双向沟通，对学习者的学习效果产生积极的促进作用[6]。

OBE教育理念要求教师关注学生的个体差异和个性化学习需求，而虚实一体教学模式则易于通过调整教学内容的虚实比例满足该需求，因此，它们之间存在较多的契合点。在本校测控专业实践教学过程中，受制于实践教学的方法和管理模式等因素，存在课内和课外实践联系不够紧密、缺乏激励机制、师生合作互动度不高以及因材施教不到位等问题，导致实践教学与培养学生动手能力和激发学生创新思维存在一定程度的脱节，无法获得最优的成果产出。为此，本课题基于OBE理念和虚实一体模式，扎实推进实践教学改革，结合地方经济发展需求、学校办学特色和专业教学传承，以学生为中心，以成果为导向，通过虚实结合充分利用好线上和线下、虚拟与现实、课内和课外的各类实践资源，提高学生工程实践能力培养质量[7]。以改革为动力推进“双一流”和新工科建设，推动测控技术与仪器专业参与国际工程教育认证相关工作，满足培养新型工程科技创新和产业创新人才的需要，为地方经济和社会发展服务。

一 改革措施

（一） 基于OBE和专业特色优化实践教学体系

图1为本文提出的实践教学体系改革优化措施示意图。改革优化的基础是专业建设、平台建设、校企共建和师生共建等内涵建设，参考仪器类专业教学质量国家标准，按照国标关于仪器类专业核心课程的建议优化课程体系的设置，结合区域经济特点和专业优势特色，围绕测控技术、仪器技术的开发产业链和创新链对实践教学体系进行改革和动态调整。改革优化的牵引力是基于OBE理念的达成评价、成果评价和持续改进，核心内容是对课内实践、综合实践、创新实践和竞赛实践进行优化，具体措施如下。

1）优化新设的仪器类专业导论课程，发挥专业负责人及专职辅导员的能动性，使得测控专业的学生在入学的第一个学期，就充分了解专业在工业生产中有哪些应用，以及需要掌握哪些实践技能。引导学生提前掌握C、MATLAB和LabVIEW编程，使得学生在随后的学习生涯中拥有借助计算机对课内知识和实践内容进行虚拟仿真的能力。

2）在开展电子测量、单片机原理及应用、信号分析与处理、自动检测技术和智能仪器仪表设计等课程的课内实践活动中，加强工程应用思想的融入，改革教学方法和实践考核评价方式方法。结合虚实一体实践教学模式，开展启发式、模拟式、讨论式、沉浸式和参与式的实践教学，注重考查学生能力和做好思政工作，将敬业、爱岗、专注、创新等方面的工匠精神融入学生内心深处[8]。

3）在落实电子系统设计、测控系统设计、专业综合设计和毕业设计等综合实践活动中，充分培养学生对测控专业基础理论知识和基本技能的综合运用能力，以及对复杂工程和科学问题进行系统分析、科学研究、工程设计和算法分析的能力。通过网络交流和现场指导的形式，积极组织教研室老师对各门综合实践课程提出改革意见，交流学习取长补短，确保综合实践活动起到对各相关课程承前启后、前后衔接的效果，解决课内实践环节相互孤立的状况，扎实提高学生的专业综合分析水平和实践能力[9]。

4）在实施大学生创新创业项目、师生科研项目和校企合作项目等创新实践活动中，充分利用专业教师在科研方面的经验，积极组织和指导学生完成各类大学生创新创业项目，使得学生顺利完成各类仪器创新项目的制作，发表学术论文或申请专利，使实践能力得到充分的训练。与行业企业之间形成良性互动关系，建立产教深度融合，优化校企合作和校校合作的全面协同育人培养机制，与测控学科相关的企业和事业单位形成良好的产学合作关系。借助企业现有的虚拟仿真平台和网络考核技术，整合各类成熟的实践资源，让学生充分受益。

5）组织好学生的竞赛实践活动，利用竞赛活动把课程实验、科技开发和创新实践等实践环节关联起来并进行统筹安排。构建以成果为导向的激励机制，根据学生的特长和爱好因材施教，分配与学生具有较高合作互动度的专业导师开展各具特色的竞赛实践活动。组织创新思维强的同学参加国际“互联网＋”和“挑战杯”等赛事，组织算法分析能力强的同学参加全国大学生数学建模竞赛和人工智能设计大赛等赛事，组织电子设计能力强的同学参加全国大学生电子设计竞赛和大学生机器人大赛等赛事。训练和比赛相结合，在竞赛实践中不断强化学生的动手能力和激发创新思维。

（二） 虚实一体提高实践教学质量

本文实践教学体系改革的目标是提高实践教学质量，其驱动力是虚实一体教学模式，主要措施如下。

1 借助仿真软件，实现虚拟仿真和实践操作结合

在本专业实践教学中加强使用Matlab、Simulink和LabVIEW等软件的虚拟仿真功能，实现测控与仪器系统中信号调理、信息传输、通路控制和数据分析等问题的计算机仿真及结果可视化。培养学生对测控问题进行算法建模和仿真的能力，以及用数学建模方法解决测控技术工程应用问题的能力。提高学生对仪器技术学科的兴趣，在虚实一体模式下认真听课，深入实践，扎实提高动手能力。在实践过程中，深入理解测控技术相关算法，借助软件对实际工程问题进行有效的建模和仿真，不断提高解决复杂工程问题的能力。师生在使用企业开发的仿真平台进行实践训练时，以培养目标为成果导向，加强互动性，及时检验和反馈实训效果，不断完善仿真条件和实践教学方法，激发创新思维，结合评价和持续改进机制取得良好的实践效果。

2 利用互联网技术，实现线上和线下结合，课内和课外结合

新型实践教学模式充分借助互联网技术构建仿真实验相关平台和师生互动空间，通过互联网技术的优势，使得线上和线下、课内和课外充分结合起来，形成具有最大产出的教学合力。在课外活动中，课前通过QQ群、微信和网课平台，提前布置测控专业实践教学任务，让学生提前预习和准备实践教学相关内容；课后通过网络上的课程评价手段对上课效果进行分析，利用讨论区对存在的问题进行充分讨论，保证实践教学质量。在课内，除了传统的授课、指导、演讲示范，也使用网课平台完成课内点名、课内练习和师生交互。借助先进的网络平台，积极开展MOOC/SPOC/翻转课堂/云课堂多种教学手段的结合，提高实践教学效果和质量。项目组成员对各自负责的实践教学内容以产出为导向，整理出课程的问题和任务，充分考虑所涉及到的实践案例的技术特点，区分出线上和线下内容，重点完成线上实践教学资源的建设和管理。在线上提供相关学习实践的测试和分析结果，按时公布作业和学习要求，督促学生完成虚拟实践任务和反映在学习中遇到的困难。在线下面对面地交流中发现实践环节存在的共性问题，完成具体实验操作、论文和项目的选题、论文内容及文本格式等方面的面授指导[10]。

二 实施情况及效果

本校测控专业在推行OBE理念及虚实一体实践模式以来取得了较好的效果。在实施过程中，受到专业特色、传承和实际情况的影响形成了一些特色措施。在内涵建设环节中，本专业与多家企事业单位强化了产教融合关系，承接了多项校企联合的教学改革和科技开发项目。在教学过程中使用企业开发的实践教学平台，向学生推广使用企业开发的支持多仪器组合控制的新一代研发测试平台。为多门专业课程建立了真实项目资源库以及行业企业课程资源库，将校企共建和师生共建真正结合起来，使学生获得充分的实践资源。

在虚实一体教学模式的实践环节中，一些课程逐步形成了优势和特色，得到了学生的高度认可。信号分析课程完成了新版本的虚拟仿真实践教学资料，突出举一反三、理实虚结合、精益求精，用丰富的程序实例和详细的分析讲解让学生在实践中快速熟悉信号分析相关理论，提高学习兴趣并且为参加算法类的学科竞赛打下坚实基础。电子技术课程构建了教、练、赛、评“四位一体”的协同教学，通过混合式教学、翻转课堂和项目驱动教学实践，有效调动学生的学习主动性。单片机课程以工程能力培养为导向贯穿于整体教学实践环节，从实际项目入手锻炼实践应用能力、提升项目技能水平，为学生熟练掌握相关理论知识和参加设计类的学科竞赛打好基础。在竞赛实践活动中，通过电子创新实验室、QQ群、微信群和腾讯会议让有志参加电子竞赛、数学建模竞赛以及“互联网+”大赛的学生与经验丰富的指导老师紧密联系起来，充分利用课外时间提高专业水平和竞赛能力。通过资源共享和教师指导，一些较好的竞赛案例也惠及了不少未参赛的学生，提高了其理论水平和实践能力，并且在毕业设计环节中体现出来。

在评价及改进环节中，本专业不断检验和完善相应的评价机制及质量监控方法，使得教学环节的效果可评价和监控，形成闭环持续改进。涉及的课内实践改革措施，都依据课程目标进行达成评价，并最终和其他改革措施进行人才培养毕业要求达成评价。参照专业认证标准，保障测控专业的人才培养机制能够有效支撑新工科人才培养目标的达成，推动一流本科专业建设和工程教育认证工作的开展。

由表1可知，本校测控专业在项目实施以来的三年时间内获批的大学生创新项目和科技项目逐年增加，总数接近40项。学科竞赛获省级以上级别奖励的人数占比不断增加，超过了7%，获奖涉及的赛事包括创新类的国家“互联网＋”大赛、“挑战杯”竞赛、中华职业教育创新创业大赛及大学生工程实训与创新能力大赛，算法类的数学建模竞赛、数学竞赛及人工智能设计大赛，设计应用类的电子设计竞赛、无人机大赛和机器人大赛。其中国家级一等奖2项，国家级二等奖5项，省部级奖励数十项。在项目实施期间，获批省级一流专业建设，申报了国家一流专业建设和工程教育专业认证，就业率保持上升趋势。取得众多业绩的原因是重视了成果产出和工程应用，且在虚实一体模式的作用下，节约了实践的经济成本和时间成本，加强了师生之间以及校企之间的沟通联系，提高了学生的学习兴趣和工程应用开发能力，创新创业能力得到了明显加强。

三 结束语

本文提出的实践教学体系改革优化措施突出虚拟仿真和实践操作相结合，网络教学和传统面授相结合，课内和课外相结合，产学研相结合。基于OBE理念，以学生为主体，教师为主导，网络平台为依托，推进本专业学生工程实践能力培养，解决了测控专业存在课内和课外实践联系不够紧密、缺乏激励机制、师生合作互动度不高以及因材施教不到位等问题，强化了学生动手能力的培养并能够有效激发学生创新思维。改革措施推动了测控专业参与一流专业建设和国际工程教育认证相关工作，满足培养新型工程科技创新和产业创新人才的需要，从而能够更好地为地方经济和社会发展服务。

参考文献：

[1] 茅晨，王强，戎舟，等.基于OBE的测控专业实践教学改革探索[J].实验室科学，2022，25（6）：122-124，127.

[2] 王后能，卓旭升，李自成.工程教育专业认证背景下的测控技术与仪器专业课程体系优化探索——以武汉工程大学为例[J].大学教育，2023（3）：22-24，41.

[3] 洪改艳，彭文竹.融合OBE理念的虚拟仪器课程教学改革与探索[J].电脑知识与技术，2023，19（18）：126-128.

[4] 陈如清，杨立娜.新工科背景下“测控技术与仪器”专业改造升级路径探索[J].嘉兴学院学报，2019，31（2）：140-144.

[5] 丁帅，麻晓飞，陈燕慧，等.基于“互联网+”与虚实一体化的单片机教学模式研究[J].科教导刊（电子版），2019（18）：119-120.

[6] 姜艳红，崔承毅，秦晓梅，等.国内外虚实结合实践教学理念及方法研究综述[J].工业和信息化教育，2019（10）：1-6，12.

[7] 卢艳丽，马良，高峰，等.虚拟仿真实验教学一流课程建设研究与实践[J].高教学刊，2023，9（25）：34-37.

[8] 张青春，白秋产，周红标.新工科背景下仪器类专业课程思政建设探索与实践[J].科教导刊，2021（13）：32-34.

[9] 苑春苗，张靖林，丁世勋，等.基于虚拟仿真平台的线上线下混合式教学研究[J].高教学刊，2024，10（2）：41-44.

[10] 余福源，李荣青，王宜结.基于OBE理念的“嵌入式系统设计”课程教学改革研究[J].工业控制计算机，2022，35（9）：155-156.