“虛擬儀器”雙語課程混合式教學(xué)探索與實踐

　　要：“虛擬儀器”雙語課程是浙江科技學(xué)院機器人工程、測控技術(shù)與儀器等專業(yè)的重要課程。為改 善 課 時 有限、學(xué)生實踐能力提升較慢及雙語學(xué)習(xí)較難等現(xiàn)狀，采用慕課、翻轉(zhuǎn)課堂及項目導(dǎo)向教學(xué)相結(jié)合的混合式教學(xué)模式，讓英語更自然地融入教學(xué)，使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣受到激發(fā)和學(xué)習(xí)潛能得到發(fā)揮。近三年學(xué)生平時成績與實驗評價兩方面優(yōu)良率均達60%以上，期末綜合評價優(yōu)秀率從5%提高到18%，良好率達50%;學(xué)生對該課程的滿意度較高，對授課教師的評價逐年提高，2020年達92分。本混合式教學(xué)模式對探索“虛擬儀器”課程及其類似課程在實際教學(xué)過程中，如何因材施教及提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性以促進學(xué)生整體進步等方面具有參考價值。

　　本文源自李曙光; 金銘; 劉金生; Tetteh Akiti Kenneth; 金哲， 浙江科技學(xué)院學(xué)報 發(fā)表時間：2021-07-28

　　關(guān)鍵詞：虛擬儀器課程;混合式教學(xué)模式;項目導(dǎo)向;雙語教學(xué);慕課;翻轉(zhuǎn)課堂

　　《浙江省“機器人+”行動計劃》《浙江省新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》等提出，要重點促進機器人、智能化產(chǎn)業(yè)發(fā)展[1-2]，相關(guān)領(lǐng)域例如測控系統(tǒng)變得更加熱門。在前沿研究和工業(yè)應(yīng)用中，測控系統(tǒng)大量采用虛擬儀器思想構(gòu)建[3]。虛擬儀器技術(shù)可利用高性能模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種智能測試、感知和自動化控制，完全適應(yīng)上述新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求，因此相關(guān)人才需求量較大。“虛 擬 儀 器 及LabVIEW 語言”(以下簡稱“虛擬儀器”)課程是浙江科技學(xué)院(以下簡稱浙科院)較早試點雙語教學(xué)的課程，以契合行業(yè)發(fā)展實際，體現(xiàn)學(xué)校應(yīng)用型、國際化辦學(xué)特色，但在長期教學(xué)中也逐漸面臨課時有限、學(xué)生實踐能力提升較慢及雙語學(xué)習(xí)效果不佳等問題與挑戰(zhàn)。

　　慕課(massiveopenonlinecourses，MOOC)、翻轉(zhuǎn)課堂、項目導(dǎo)向教學(xué)是提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果和實踐應(yīng)用能力的幾種有效方法。慕課是一種在線課程發(fā)展模式，具有開放性、規(guī)模性、互動性、資源易得性的特點[4]，能將傳統(tǒng)教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)結(jié)合起來，兼具基本課程形態(tài)和學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)。翻轉(zhuǎn)課堂實現(xiàn)了學(xué)生個性化自主學(xué)習(xí)[5]，教師的作用是有針對性地解答學(xué)生的問題并給予個性化指導(dǎo)和互動[6]。項目導(dǎo)向教學(xué)是指由學(xué)生小組負責(zé)單獨項目的實施，由教師對項目實施過程與結(jié)果進行監(jiān)管，并對學(xué)生的完成情況進行點評和提出建議[7-8]。混合式教學(xué)模式的具體方式和側(cè)重點根據(jù)不同課程內(nèi)容會有所差異，例如，針對傳統(tǒng)課堂單向信息傳輸導(dǎo)致的學(xué)生積極性不高、參與度低等問題，采取將教學(xué)模式翻轉(zhuǎn)為“以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心”[9]的方式;針對理論知識抽象、課堂教學(xué)與實驗教學(xué)脫節(jié)的問題，采取加強實驗實踐方面教學(xué)[10]的方式;針對疫情影響線下教學(xué)的現(xiàn)狀，采取“雨課堂”、慕課及“騰訊課堂”等網(wǎng)上課堂方式[11];此外，還可將微課與項目導(dǎo)向教學(xué)相結(jié)合來提高教學(xué)效果[12]。

　　目前針對“虛擬儀器”課程雙語教學(xué)的研究報道主要集中在教學(xué)大綱、教材、多媒體課件開發(fā)[13]等方面，未充分體現(xiàn)出新的教學(xué)方法在該課程中應(yīng)用的效果。近年來，我們根據(jù)課程教學(xué)實踐，提出慕課、翻轉(zhuǎn)課堂及項目導(dǎo)向教學(xué)相結(jié)合的混合式教學(xué)模式，并讓部分國內(nèi)研究生、留學(xué)研究生參與其中，在課程教學(xué)環(huán)節(jié)使項目內(nèi)容和雙語得到有機融合，既讓學(xué)生更好地吸收課程知識，又提高了學(xué)生的動手實踐能力，課程建設(shè)取得了良好的效果。

　　1 課程概況與面臨的問題

　　1.1 課程概況

　　浙科院“虛擬儀器”課程面向全日制機器人工程、測控技術(shù)與儀器專業(yè)的大學(xué)三年級國內(nèi)本科生及留學(xué)本科生，總共40學(xué)時，其中 課 堂 教 學(xué)32學(xué) 時，課 內(nèi) 實 驗8學(xué) 時;主 要 講 授 虛 擬 儀 器 工 作 原 理 及 Lab-VIEW 軟件應(yīng)用等方面的內(nèi)容;需預(yù)修C語言程序設(shè)計、傳感器與檢測技術(shù)、智能儀器設(shè)計基礎(chǔ)等專業(yè)基礎(chǔ)課;課程教材資料為英文，對國內(nèi)學(xué)生采用中文授課，對國際班留學(xué)生采用英文授課。

　　1.2 面臨的主要問題

　　1.2.1 課堂時間利用率不高，學(xué)習(xí)效果不佳

　　該課程先前的教學(xué)模式為教師主導(dǎo)課堂、學(xué)生被動接受，這樣的模式會限制學(xué)生的思維[14]。例如該課程的理論教學(xué)在常規(guī)教室中完成，教師在講臺上介紹虛擬儀器技術(shù)的基本概念及 LabVIEW 語言相關(guān)內(nèi)容，學(xué)生一般只是在接收信息。對于此類涉及計算機編程和雙語教學(xué)的課程，上述教學(xué)模式有兩個弊端：一是學(xué)生實踐不夠充分。理論教學(xué)環(huán)節(jié)僅有教師單方講授的概念要點和代碼展示，即使有運行過程演示，學(xué)生在課堂上也較難通過動手實踐來鞏固認識，而這些實踐又是編程技能學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)所需要的。二是雙語教學(xué)有一定難度。采用的教材資料涉及較多的英文專業(yè)術(shù)語，雖然教師會在課堂上介紹，但部分基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生較難理解或記住，課堂上也沒有充足的時間一一展開。這些弊端造成學(xué)生課堂時間利用不充分、學(xué)習(xí)效果打折等問題。

　　1.2.2 學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和興趣不均衡，個體差異較明顯

　　通過與學(xué)生的交流，發(fā)現(xiàn)學(xué)生中存在下列現(xiàn)象：1)在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，學(xué)生沒有太多新鮮感，疲于應(yīng)付課堂學(xué)習(xí)、課外作業(yè)及期末考核，部分學(xué)生僅以完成任務(wù)為目的;2)學(xué)生由于沒有充分接觸相關(guān)的應(yīng)用場景，可能對課程內(nèi)容的重要性理解不深，部分學(xué)生認為內(nèi)容太難，即使掌握了 C語言等編程基礎(chǔ)，對LabVIEW 圖形化的編程方式還不夠適應(yīng);3)雙語教學(xué)的出發(fā)點是培養(yǎng)學(xué)生的英語應(yīng)用能力，讓學(xué)生通過英文專業(yè)術(shù)語更直接、準(zhǔn)確地理解技術(shù)，但對部分基礎(chǔ)相對薄弱的國內(nèi)學(xué)生，課堂學(xué)習(xí)較為困難。上述現(xiàn)象最終表現(xiàn)為學(xué)生群體的學(xué)習(xí)積極性和興趣個體差異較大，并反映在課程考核結(jié)果上。

　　1.2.3 課內(nèi)實驗以驗證性為主，學(xué)生工程實踐應(yīng)用能力鍛煉有限

　　“虛擬儀器”課程在理論教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)生較難和教師同步參與練習(xí);課內(nèi)實驗主要集中在基礎(chǔ)實踐能力培養(yǎng)，以驗證性實驗為主，實驗學(xué)時不足，對拓寬學(xué)生視野、提高工程應(yīng)用能力的作用有限。教師一般通過布置基礎(chǔ)課外作業(yè)等形式讓學(xué)生鞏固學(xué)習(xí)與實踐的內(nèi)容，然而總體效果離預(yù)期仍有差距，部分學(xué)生對課程理解不夠透徹，或者對自己的動手能力自信心不足。一個學(xué)期下來，部分學(xué)生看似通過了考核，但實際工程實踐及應(yīng)用能力則有待提高。

　　2 解決思路與方法

　　解決上述問題，需要著眼于提高時間利用率、激發(fā)學(xué)生積極性、加強工程能力鍛煉這三個方面，改進教師的授課形式及學(xué)生的學(xué)習(xí)模式。經(jīng)過探索和實踐，我們利用慕課資源實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂，再結(jié)合個性化項目導(dǎo)向教學(xué)，這一混合式教學(xué)模式成效顯著。

　　2.1 整合共享優(yōu)質(zhì)慕課資源，實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂

　　2.1.1 充分利用“虛擬儀器”課程的課外學(xué)時

　　目前各大慕課平臺提供了豐富的“虛擬儀器”課程資源，其中包括教學(xué)演示視頻及相關(guān)的課程文檔，名校名師的優(yōu)質(zhì)資源得以共享。圖1展示了課程網(wǎng)站整合的“中國大學(xué) MOOC(慕課)———國家精品課程在線學(xué)習(xí)平臺”[15]的“虛擬儀器”課程優(yōu)秀慕課資源及課程主要雙語參考資料。學(xué)生偏向于實踐指導(dǎo)性較強、制作精良的慕課。在經(jīng)歷疫情的特殊時期后，學(xué)生對網(wǎng)上學(xué)習(xí)也更加適應(yīng)，這為課外學(xué)時的利用打下較好的基礎(chǔ)。教師要利用好此類資源，根據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)和教學(xué)實際做好把關(guān)和選擇工作，避免過多過雜。

　　2.1.2 按照課堂授課進度分階段線上學(xué)習(xí)

　　學(xué)生需要根據(jù)授課進度，在課前與課后進行分階段線上學(xué)習(xí)，并將學(xué)習(xí)中遇到的問題及實踐環(huán)節(jié)遇到的技術(shù)困難記錄下來，在課堂中提出后進行討論解決，原則上書面形式的材料都要用英文。教師對課堂中學(xué)生慕課資源學(xué)習(xí)提問情況做好詳細記錄，并計入期末考核成績，以激勵學(xué)生更加主動地學(xué)習(xí)與積極思考。

　　2.1.3 教師改變備課和授課方式，因材施教

　　通過教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，各屆學(xué)生對“虛擬儀器”課程的學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)節(jié)奏、學(xué)習(xí)材料的要求等都不盡相同，因而采用慕課加翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，教師需要改變備課方式，以滿足學(xué)生個性化學(xué)習(xí)需求。

　　傳統(tǒng)教學(xué)方式往往將所有內(nèi)容在課堂上進行傳授，什么都講，什么都講不深。為了向課堂要效率，授課教師備課時需梳理好所有的知識要點，并對授課內(nèi)容的難易程度進行分級，例如“難、中、易”三檔。課堂上主要講授“中”及“難”的內(nèi)容，“易”的部分放入學(xué)生的課外學(xué)時及常規(guī)課外作業(yè)中。教師在每堂課結(jié)束之前，明確下一次課前學(xué)生需要預(yù)習(xí)的部分“中”及“易”級別的慕課和所需查閱的資料，要求學(xué)生在下次課堂上向其他學(xué)生介紹自己學(xué)到的內(nèi)容。教師通過前幾周的課堂考察，記錄學(xué)生的表現(xiàn)并分析其學(xué)習(xí)基礎(chǔ)與學(xué)習(xí)能力情況，以便更有針對性地指導(dǎo)學(xué)生，例如基礎(chǔ)與能力較好的學(xué)生可以介紹“中”級別的部分，能力相對較弱的學(xué)生可以介紹“易”的部分。差異化的內(nèi)容布置使得每名學(xué)生都能有機會展示自己，從而增強其自信心。課堂上的學(xué)生展示和教師答疑方式，使得學(xué)生的參與感更強，更關(guān)注自身及同學(xué)的表現(xiàn)，繼而學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性及投入程度得到相應(yīng)的提高。

　　此外，教師每隔2～3周會準(zhǔn)備一個難度適中并且較開放的虛擬儀器應(yīng)用方面的技術(shù)問題，例如針對采集數(shù)據(jù)的分析算法，傳感器參數(shù)的選擇，或如何結(jié)合 LabVIEW 對生產(chǎn)線上某個環(huán)節(jié)進行檢測與控制等。學(xué)生圍繞技術(shù)問題于課后查找資料，進行獨立思考及同學(xué)間的討論。在課程微信群里，教師也會對一些共性問題進行解答。課堂上再利用30分鐘左右的時間讓學(xué)生介紹可能的技術(shù)解決方案，教師進行點評，與課堂上的即時提問相比，這種方式讓學(xué)生有更充分的準(zhǔn)備時間及深度的參與過程，學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)興趣均有所提高。

　　2.2 通過項目導(dǎo)向教學(xué)方式提高學(xué)生的實踐應(yīng)用能力

　　“虛擬儀器”課程的特點是實踐性和應(yīng)用性較強。2017年修訂的“虛擬儀器”課程的教學(xué)大綱，進一步明確了課程實踐應(yīng)用方面的指標(biāo)點及相應(yīng)的實現(xiàn)途徑，側(cè)重以項目小組形式進行團隊合作學(xué)習(xí)。近年來，我們在“虛擬儀器”課程中穿插并加強了項目導(dǎo)向教學(xué)方式，要求學(xué)生利用課內(nèi)外所學(xué)的基礎(chǔ)知識和技能，明確具體項目及目標(biāo)，通過查閱中英文資料，開展小組討論等方式，進一步加強思考和深化理解，從而解決項目中的某些技術(shù)問題，提高實踐應(yīng)用能力。

　　教師提出一些基本項目供學(xué)生選擇練習(xí)，例如：學(xué)生上機編制比課內(nèi)更高階的軟件，包括用戶登錄程序、汽車儀表板模擬程序、福利彩票雙色球的模擬程序等;以熱敏電阻為傳感器，在 ELVIS實驗平臺上搭建基于 LabVIEW 的溫度測量系統(tǒng);使用 LabVIEW 軟件控制單片機實驗板上的驅(qū)動模塊;利用 PC機聲卡或外置模數(shù)轉(zhuǎn)換器，開發(fā)基于 LabVIEW 的聲音信號采集與分析系統(tǒng)。通過上述方法訓(xùn)練后，學(xué)生的LabVIEW 軟件編程能力、對技術(shù)開發(fā)項目的理解能力及團隊合作意識與學(xué)期開始時相比，均 有 明 顯進步。

　　項目主要安排在課程后期，并根據(jù)實際情況定期做調(diào)整。項目小組一般每組8～12人，學(xué)生可以自行組合。為了更貼近生產(chǎn)實際并提高實踐鍛煉效果，學(xué)生需要事先與指導(dǎo)教師協(xié)商，篩選確定應(yīng)用場景明確、難度與工作量較為適中的項目內(nèi)容。安排相應(yīng)的高年級本科生或研究生分別對接每個小組，與指導(dǎo)老師一起促進項目開展，把握項目進度，同時進行答疑解惑。針對部分學(xué)生語言基礎(chǔ)相對薄弱，容易遇到一些非技術(shù)問題的現(xiàn)狀，在項目化教學(xué)中充分利用國際化辦學(xué)資源，安排2～3名母語為英語且基礎(chǔ)較好的測控技術(shù)與儀器專業(yè)高年級國際班本科生、智能制造與控制工程國際班碩士研究生參與指導(dǎo)各項目小組。具備專業(yè)背景的留學(xué)生的加入，能夠在項目內(nèi)容布置、技術(shù)交流、裝置測試、文檔撰寫等環(huán)節(jié)加強學(xué)生之間的交流，提升學(xué)生專業(yè)工程英語的應(yīng)用能力。圖2展示了一種在項目導(dǎo)向教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)生利用高精度溫濕度傳感器及基于光電式的顆粒傳感器等硬件，基于 LabVIEW 軟件，并針對溫控平臺和環(huán)境監(jiān)控應(yīng)用場景設(shè)計的檢測監(jiān)控軟件，實際運行效果良好。

　　3 課程效果評價

　　“虛擬儀器”課程的授課效果分為教師對學(xué)生學(xué)習(xí)情況的評價及學(xué)生對教師教學(xué)效果的評價(評教)兩個方面。下面主要對近三年(2018—2020年)每學(xué)年第二學(xué)期的授課效果及反饋情況進行分析。

　　3.1 教師對學(xué)生學(xué)習(xí)情況的評價

　　教師對學(xué)生學(xué)習(xí)情況的評價從多方面展開，以便及時全面了解課程教學(xué)效果并分析教學(xué)質(zhì)量：課前學(xué)習(xí)，主要根據(jù)慕課及課外資料的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，通過對學(xué)生的知識點理解情況及規(guī)定在線學(xué)時、在線作業(yè)的完成情況來進行量化打分，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)行為特征;課中參與，根據(jù)傳統(tǒng)課堂提問回答情況，以及翻轉(zhuǎn)課堂表現(xiàn)、團隊合作項目探索、課內(nèi)實驗等環(huán)節(jié)進行學(xué)習(xí)效果評價;課后鞏固，對常規(guī)課后作業(yè)完成和上交情況、課后復(fù)習(xí)、分組項目完成進度進行評價;期末總評，對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進行綜合量化評價，由平時成績、實驗成績和期末考試成績組成，并采用百分計分制，其中平時成績占20%，實驗成績占20%，期末考試成績占60%。

　　圖3顯示近三年的課程平時成績、實驗成績、期末考試成績與期末總評情況，圖3(a)～(d)、(e)～(h)及(i)～(l)分別表示2018—2020年各學(xué)年的成績分布。除去每年學(xué)生個別情況的偶然差異性，平時與實驗環(huán)節(jié)總體成績在良好(80～90分)及以上的學(xué)生超過60%，相比傳統(tǒng)教學(xué)模式，學(xué)生學(xué)習(xí)更有積極性，大部分學(xué)生能夠提前根據(jù)慕課及參考材料進行一定的預(yù)習(xí)，并且對實驗和項目環(huán)節(jié)更加重視。在期末考試環(huán)節(jié)，近三年良好率分別為46.55%、36.59%和50.00%，優(yōu)秀率分別為5.17%、2.44%和18.42%，經(jīng)過前兩年的實踐和積累，在2020年提升較為明顯。期末總評成績?yōu)閷W(xué)生學(xué)習(xí)效果的綜合性評價，近三年的結(jié)果基本上符合正態(tài)分布，并且優(yōu)良率逐年升高。

　　3.2 學(xué)生對教師教學(xué)效果的評價

　　學(xué)生對教師的評價從自身學(xué)習(xí)體會、教師教學(xué)設(shè)計及教師的綜合能力等多方面展開，以幫助教師發(fā)現(xiàn)教學(xué)過程中的問題，完善相應(yīng)的教學(xué)設(shè)計。表1統(tǒng)計了近三年學(xué)生從教師授課形式、授課內(nèi)容、課程特色、課堂紀(jì)律、課外指導(dǎo)等10個方面對“虛擬儀器”課程的綜合評價。絕大部分指標(biāo)的滿意度在93%以上，這在整個學(xué)院內(nèi)排名都比較靠前，其中在“課堂氣氛、積極性調(diào)動”“互動、討論”“課外作業(yè)、答疑”等幾方面評價相對更高。這充分說明了學(xué)生對混合式教學(xué)模式的肯定。此外，對教師的總評價分三年來分別為88.10、89.40、92.04，說明學(xué)生對授課教師的認可度也進一步提高。學(xué)生的反饋數(shù)據(jù)對今后繼續(xù)提高課程授課效果、提高教學(xué)質(zhì)量均有重要意義。

　　4 結(jié) 語

　　本文針對“虛擬儀器”課程學(xué)生課堂學(xué)習(xí)效果欠佳、學(xué)習(xí)積極性與興趣不高、基礎(chǔ)與能力不一及實踐應(yīng)用能力鍛煉不足等問題，采用了優(yōu)質(zhì)慕課資源、翻轉(zhuǎn)課堂及項目導(dǎo)向教學(xué)相結(jié)合的混合式教學(xué)模式。在該教學(xué)模式下，教師因材施教，對提高課堂教學(xué)效果進行了探索與實踐，雙語有機結(jié)合，學(xué)生的學(xué)習(xí)途徑得以拓寬，學(xué)習(xí)積極性與主動性得到加強，應(yīng)用實踐能力得到提升。師生的相互評價數(shù)據(jù)充分證實了學(xué)生對課堂效果的肯定和認可，這對類似課程的教學(xué)工作具有參考價值。