《浙江省“机器人+”行动计划》《浙江省新一代人工智能发展规划》等提出,要重点促进机器人、智能化产业发展^[1-2],相关领域例如测控系统变得更加热门。在前沿研究和工业应用中,测控系统大量采用虚拟仪器思想构建^[3]。虚拟仪器技术可利用高性能模块化硬件,结合高效灵活的软件来完成各种智能测试、感知和自动化控制,完全适应上述新兴产业发展的要求,因此相关人才需求量较大。“虚拟仪器及LabVIEW语言”(以下简称“虚拟仪器”)课程是浙江科技学院(以下简称浙科院)较早试点双语教学的课程,以契合行业发展实际,体现学校应用型、国际化办学特色,但在长期教学中也逐渐面临课时有限、学生实践能力提升较慢及双语学习效果不佳等问题与挑战。

慕课(massive open online courses,MOOC)、翻转课堂、项目导向教学是提高学生学习效果和实践应用能力的几种有效方法。慕课是一种在线课程发展模式,具有开放性、规模性、互动性、资源易得性的特点^[4],能将传统教学与网络教学结合起来,兼具基本课程形态和学习管理系统。翻转课堂实现了学生个性化自主学习^[5],教师的作用是有针对性地解答学生的问题并给予个性化指导和互动^[6]。项目导向教学是指由学生小组负责单独项目的实施,由教师对项目实施过程与结果进行监管,并对学生的完成情况进行点评和提出建议^[7-8]。混合式教学模式的具体方式和侧重点根据不同课程内容会有所差异,例如,针对传统课堂单向信息传输导致的学生积极性不高、参与度低等问题,采取将教学模式翻转为“以学生学习为中心”^[9]的方式; 针对理论知识抽象、课堂教学与实验教学脱节的问题,采取加强实验实践方面教学^[10]的方式; 针对疫情影响线下教学的现状,采取“雨课堂”、慕课及“腾讯课堂”等网上课堂方式^[11]; 此外,还可将微课与项目导向教学相结合来提高教学效果^[12]。

目前针对“虚拟仪器”课程双语教学的研究报道主要集中在教学大纲、教材、多媒体课件开发^[13]等方面,未充分体现出新的教学方法在该课程中应用的效果。近年来,我们根据课程教学实践,提出慕课、翻转课堂及项目导向教学相结合的混合式教学模式,并让部分国内研究生、留学研究生参与其中,在课程教学环节使项目内容和双语得到有机融合,既让学生更好地吸收课程知识,又提高了学生的动手实践能力,课程建设取得了良好的效果。

浙科院“虚拟仪器”课程面向全日制机器人工程、测控技术与仪器专业的大学三年级国内本科生及留学本科生,总共40学时,其中课堂教学32学时,课内实验8学时; 主要讲授虚拟仪器工作原理及LabVIEW软件应用等方面的内容; 需预修C语言程序设计、传感器与检测技术、智能仪器设计基础等专业基础课; 课程教材资料为英文,对国内学生采用中文授课,对国际班留学生采用英文授课。

该课程先前的教学模式为教师主导课堂、学生被动接受,这样的模式会限制学生的思维^[14]。例如该课程的理论教学在常规教室中完成,教师在讲台上介绍虚拟仪器技术的基本概念及LabVIEW语言相关内容,学生一般只是在接收信息。对于此类涉及计算机编程和双语教学的课程,上述教学模式有两个弊端:一是学生实践不够充分。理论教学环节仅有教师单方讲授的概念要点和代码展示,即使有运行过程演示,学生在课堂上也较难通过动手实践来巩固认识,而这些实践又是编程技能学习环节所需要的。二是双语教学有一定难度。采用的教材资料涉及较多的英文专业术语,虽然教师会在课堂上介绍,但部分基础薄弱的学生较难理解或记住,课堂上也没有充足的时间一一展开。这些弊端造成学生课堂时间利用不充分、学习效果打折等问题。

通过与学生的交流,发现学生中存在下列现象:1)在传统的教学模式下,学生没有太多新鲜感,疲于应付课堂学习、课外作业及期末考核,部分学生仅以完成任务为目的; 2)学生由于没有充分接触相关的应用场景,可能对课程内容的重要性理解不深,部分学生认为内容太难,即使掌握了C语言等编程基础,对LabVIEW图形化的编程方式还不够适应; 3)双语教学的出发点是培养学生的英语应用能力,让学生通过英文专业术语更直接、准确地理解技术,但对部分基础相对薄弱的国内学生,课堂学习较为困难。上述现象最终表现为学生群体的学习积极性和兴趣个体差异较大,并反映在课程考核结果上。

“虚拟仪器”课程在理论教学环节中,学生较难和教师同步参与练习; 课内实验主要集中在基础实践能力培养,以验证性实验为主,实验学时不足,对拓宽学生视野、提高工程应用能力的作用有限。教师一般通过布置基础课外作业等形式让学生巩固学习与实践的内容,然而总体效果离预期仍有差距,部分学生对课程理解不够透彻,或者对自己的动手能力自信心不足。一个学期下来,部分学生看似通过了考核,但实际工程实践及应用能力则有待提高。

解决上述问题,需要着眼于提高时间利用率、激发学生积极性、加强工程能力锻炼这三个方面,改进教师的授课形式及学生的学习模式。经过探索和实践,我们利用慕课资源实现翻转课堂,再结合个性化项目导向教学,这一混合式教学模式成效显著。

目前各大慕课平台提供了丰富的“虚拟仪器”课程资源,其中包括教学演示视频及相关的课程文档,名校名师的优质资源得以共享。图1展示了课程网站整合的“中国大学MOOC(慕课)——国家精品课程在线学习平台”^[15]的“虚拟仪器”课程优秀慕课资源及课程主要双语参考资料。学生偏向于实践指导性较强、制作精良的慕课。在经历疫情的特殊时期后,学生对网上学习也更加适应,这为课外学时的利用打下较好的基础。教师要利用好此类资源,根据学生的基础和教学实际做好把关和选择工作,避免过多过杂。

图1 课程网站资源
Fig.1 Resources of course website

学生需要根据授课进度,在课前与课后进行分阶段线上学习,并将学习中遇到的问题及实践环节遇到的技术困难记录下来,在课堂中提出后进行讨论解决,原则上书面形式的材料都要用英文。教师对课堂中学生慕课资源学习提问情况做好详细记录,并计入期末考核成绩,以激励学生更加主动地学习与积极思考。

通过教学实践发现,各届学生对“虚拟仪器”课程的学习方式和学习节奏、学习材料的要求等都不尽相同,因而采用慕课加翻转课堂的教学模式,教师需要改变备课方式,以满足学生个性化学习需求。

传统教学方式往往将所有内容在课堂上进行传授,什么都讲,什么都讲不深。为了向课堂要效率,授课教师备课时需梳理好所有的知识要点,并对授课内容的难易程度进行分级,例如“难、中、易”三档。课堂上主要讲授“中”及“难”的内容,“易”的部分放入学生的课外学时及常规课外作业中。教师在每堂课结束之前,明确下一次课前学生需要预习的部分“中”及“易”级别的慕课和所需查阅的资料,要求学生在下次课堂上向其他学生介绍自己学到的内容。教师通过前几周的课堂考察,记录学生的表现并分析其学习基础与学习能力情况,以便更有针对性地指导学生,例如基础与能力较好的学生可以介绍“中”级别的部分,能力相对较弱的学生可以介绍“易”的部分。差异化的内容布置使得每名学生都能有机会展示自己,从而增强其自信心。课堂上的学生展示和教师答疑方式,使得学生的参与感更强,更关注自身及同学的表现,继而学生的学习积极性及投入程度得到相应的提高。

此外,教师每隔2～3周会准备一个难度适中并且较开放的虚拟仪器应用方面的技术问题,例如针对采集数据的分析算法,传感器参数的选择,或如何结合LabVIEW对生产线上某个环节进行检测与控制等。学生围绕技术问题于课后查找资料,进行独立思考及同学间的讨论。在课程微信群里,教师也会对一些共性问题进行解答。课堂上再利用30分钟左右的时间让学生介绍可能的技术解决方案,教师进行点评,与课堂上的即时提问相比,这种方式让学生有更充分的准备时间及深度的参与过程,学习积极性和学习兴趣均有所提高。

“虚拟仪器”课程的特点是实践性和应用性较强。2017年修订的“虚拟仪器”课程的教学大纲,进一步明确了课程实践应用方面的指标点及相应的实现途径,侧重以项目小组形式进行团队合作学习。近年来,我们在“虚拟仪器”课程中穿插并加强了项目导向教学方式,要求学生利用课内外所学的基础知识和技能,明确具体项目及目标,通过查阅中英文资料,开展小组讨论等方式,进一步加强思考和深化理解,从而解决项目中的某些技术问题,提高实践应用能力。

教师提出一些基本项目供学生选择练习,例如:学生上机编制比课内更高阶的软件,包括用户登录程序、汽车仪表板模拟程序、福利彩票双色球的模拟程序等; 以热敏电阻为传感器,在ELVIS实验平台上搭建基于LabVIEW的温度测量系统; 使用LabVIEW软件控制单片机实验板上的驱动模块; 利用PC机声卡或外置模数转换器,开发基于LabVIEW的声音信号采集与分析系统。通过上述方法训练后,学生的LabVIEW软件编程能力、对技术开发项目的理解能力及团队合作意识与学期开始时相比,均有明显进步。

项目主要安排在课程后期,并根据实际情况定期做调整。项目小组一般每组8～12人,学生可以自行组合。为了更贴近生产实际并提高实践锻炼效果,学生需要事先与指导教师协商,筛选确定应用场景明确、难度与工作量较为适中的项目内容。安排相应的高年级本科生或研究生分别对接每个小组,与指导老师一起促进项目开展,把握项目进度,同时进行答疑解惑。针对部分学生语言基础相对薄弱,容易遇到一些非技术问题的现状,在项目化教学中充分利用国际化办学资源,安排2～3名母语为英语且基础较好的测控技术与仪器专业高年级国际班本科生、智能制造与控制工程国际班硕士研究生参与指导各项目小组。具备专业背景的留学生的加入,能够在项目内容布置、技术交流、装置测试、文档撰写等环节加强学生之间的交流,提升学生专业工程英语的应用能力。图2展示了一种在项目导向教学环节学生利用高精度温湿度传感器及基于光电式的颗粒传感器等硬件,基于LabVIEW软件,并针对温控平台和环境监控应用场景设计的检测监控软件,实际运行效果良好。

图2 项目小组学生参与设计的软件展示
Fig.2 Software demonstration designed by students in the project group

“虚拟仪器”课程的授课效果分为教师对学生学习情况的评价及学生对教师教学效果的评价(评教)两个方面。下面主要对近三年(2018—2020年)每学年第二学期的授课效果及反馈情况进行分析。

教师对学生学习情况的评价从多方面展开,以便及时全面了解课程教学效果并分析教学质量:课前学习,主要根据慕课及课外资料的学习数据,通过对学生的知识点理解情况及规定在线学时、在线作业的完成情况来进行量化打分,了解学生的学习行为特征; 课中参与,根据传统课堂提问回答情况,以及翻转课堂表现、团队合作项目探索、课内实验等环节进行学习效果评价; 课后巩固,对常规课后作业完成和上交情况、课后复习、分组项目完成进度进行评价; 期末总评,对学生的学习效果进行综合量化评价,由平时成绩、实验成绩和期末考试成绩组成,并采用百分计分制,其中平时成绩占20%,实验成绩占20%,期末考试成绩占60%。

图3显示近三年的课程平时成绩、实验成绩、期末考试成绩与期末总评情况,图3(a)～(d)、(e)～(h)及(i)～(l)分别表示2018—2020年各学年的成绩分布。除去每年学生个别情况的偶然差异性,平时与实验环节总体成绩在良好(80～90分)及以上的学生超过60%,相比传统教学模式,学生学习更有积极性,大部分学生能够提前根据慕课及参考材料进行一定的预习,并且对实验和项目环节更加重视。在期末考试环节,近三年良好率分别为46.55%、36.59%和50.00%,优秀率分别为5.17%、2.44%和18.42%,经过前两年的实践和积累,在2020年提升较为明显。期末总评成绩为学生学习效果的综合性评价,近三年的结果基本上符合正态分布,并且优良率逐年升高。

图3 近三年课程平时成绩、实验成绩、期末考试成绩与期末总评情况
Fig.3 Statistics of marks of regular evaluation, experiment performance, final exam, and total marks of the course in past 3 years

学生对教师的评价从自身学习体会、教师教学设计及教师的综合能力等多方面展开,以帮助教师发现教学过程中的问题,完善相应的教学设计。表1统计了近三年学生从教师授课形式、授课内容、课程特色、课堂纪律、课外指导等10个方面对“虚拟仪器”课程的综合评价。绝大部分指标的满意度在93%以上,这在整个学院内排名都比较靠前,其中在“课堂气氛、积极性调动”“互动、讨论”“课外作业、答疑”等几方面评价相对更高。这充分说明了学生对混合式教学模式的肯定。此外,对教师的总评价分三年来分别为88.10、89.40、92.04,说明学生对授课教师的认可度也进一步提高。学生的反馈数据对今后继续提高课程授课效果、提高教学质量均有重要意义。

表1 课程近三年的评教情况
Table 1 Course feedback from students in past 3 years

本文针对“虚拟仪器”课程学生课堂学习效果欠佳、学习积极性与兴趣不高、基础与能力不一及实践应用能力锻炼不足等问题,采用了优质慕课资源、翻转课堂及项目导向教学相结合的混合式教学模式。在该教学模式下,教师因材施教,对提高课堂教学效果进行了探索与实践,双语有机结合,学生的学习途径得以拓宽,学习积极性与主动性得到加强,应用实践能力得到提升。师生的相互评价数据充分证实了学生对课堂效果的肯定和认可,这对类似课程的教学工作具有参考价值。