以课题研究为导向的虚拟仪器实践教学改革
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）31-0075-02
一、引言
虚拟仪器技术是当前仪器与测量发展的一个重要方向，它为各学科提供了一个通用的测量及仪器设计平台，因此“虚拟仪器实践”课程不仅提供了虚拟仪器技术理论与实践结合的环节，也是学生综合应用所学各门学科知识的一个很好的实践机会。对于工科学生来说，加强对他们的实践能力的培养尤为重要。
“虚拟仪器实践”课之前的教学内容是让学生完成“虚拟仪器实验箱”配套的实验指导书上的5个实验，实验指导书详细介绍了实验步骤，学生按照实验指导书的内容完成即可。但是每次课程结束，学生仍然不懂虚拟仪器的基本知识，更不用说独立完成一个虚拟仪器的设计与实现，远远达不到开设这门课的目的以及培养学生创新实践能力的目标，因此对这门课的教学改革势在必行。
通过分析“虚拟仪器实践”课程的课程目的以及学生的实际情况，我们在课程中借鉴了以课题研究为导向的教学方法，对课程内容、授课模式和考核方式等几方面进行了改革，经过2年的教学实践，均取得了较好的教学效果和学生反馈。
二、课题研究为导向的教学法
课题研究为导向的教学法，是指在教学中引入课题研究任务，引导学生带着一定的目的性主动学习，这可以提高学生学习的积极性，并提高独立科研的能力。从课程伊始布置课题任务，期末提交课程设计报告，课题研究任务贯穿整个课程教学过程。
以课题研究为导向的教学过程，学生可以根据兴趣自主选题，所以学习的兴趣和动力较大，不仅会自己去研究“怎么做”，还会研究“怎么做得更好”，因此是学生在教师的指导下变被动学习为主动学习的过程。
课题研究为导向的教学法，实际上是以建构主义教育理念为指导的“做中学”，要求学生通过“动手做”获得直接经验，并运用已掌握的知识去分析和解决实践中的问题，对获得的数据进行整理、分析等处理，最终得出结论。因此，学生得到的知识是鲜活的知识，并且易于内化为认知结构。
做中学的教学思想被认为是最有效的教学策略之一。正如美国“2061计划”中指出，最有效的向各类学生教授科学的策略应是支持学生对他们自己动手的和与他们的生活和文化相关的活动形成他们自己的理解[7]。
对于如何开展做中学，国内外教育界做了很多有效的尝试和探索，丹麦的奥尔大学创立的课题（项目）组织教学（project organized）模式便是一个成功范例。这一模式包括选择课题、师生协同研究、撰写研究报告、课题评价四个阶段，真正做到了按课题（项目）组织教学，以课题研究贯穿于教学的全过程。
三、课题研究为导向的教学实践
在“虚拟仪器实践”课程教学过程中实施以课题研究为导向的教学法，不仅仅是帮助学生更好地掌握虚拟仪器技术的知识，包括虚拟仪器系统的构成、虚拟仪器的编程环境和编程方法、虚拟仪器的编程技巧以及优化策略，也重在培养各种能力，包括发现和运用学习资源的能力，合作学习的能力，口头表达能力和书面表达能力，运用在大学学到的知识和发展的智力等。
改革以后的课程内容、授课模式和考核方式都围绕以上目标进行，课程内容不再是几个固定的实验，而是学生自主完成一个课题的设计并实现；授课模式也主要是“以学生为中心”的研究型课堂模式，教师主要工作是答疑和点评；课程考核是根据课题完成情况和课程设计报告的情况综合评分。具体步骤如下。
（一）确定课题
主要是给学生们布置课题任务，同时介绍考核的标准、查找文献的方法、课程设计报告的格式要求，并提供示范的优秀作品。
课题的确定是实施项目教学法的关键环节。选题既要新颖有趣，能够激发学生的兴趣，又要有一定综合性和难度，能够让学生对所学知识进行综合、学会理论联系实际、学会解决处理实际问题，从中培养学生的综合能力。
为了激发学生的学习热情和创新意识，鼓励学生根据自己的兴趣爱好以及查找资料的结果自主选题，再由教师审批确定。
（二）知识梳理
任何一个领域的知识都是有结构的。把知识放到一个大的架构下学习，有助于掌握和理解，有益于记忆和应用，可以有效提高学习效率。学生在小学期生产实习时已经学过了LabVIEW的基本知识，但是比较零碎，没有构建起虚拟仪器技术的整体知识脉络，因此，在学生开始他们的课题研究之前，我们用2个课时给学生做了必要的知识梳理，把虚拟仪器技术的基本知识点贯穿起来，也解决了学时少的情况下尽可能提高课题研究质量的问题。
（三）课题研究
学生可以选择独立完成或者2人一组完成课程设计。学生利用网络、参考书籍查找相关资料，实现课题的预期效果。在教师的建议和指导下，学生寻找符合项目性能指标要求的传感器和元器件，完成硬件电路的搭建。硬件电路完成后，进入软件框图程序设计。最终进行软硬件系统调试，完成设计要求。也允许有一定难度和实用价值的纯软件的课题。
（四）课题评价
每组同学用PPT和课题成果演示相结合的方式展示课题的研究成果以及获得的知识和技能，老师进行点评，主要从综合性、界面友好性、程序规范性、创新性四个方面进行评价和考核，鼓励学生的创新意识和有难度的课题。
（五）撰写报告
之前绝大多数学生都没有做过小论文，我们参考毕设论文的格式向学生提出了课程设计报告的要求（即应包括摘要、关键词、全文、心得总结及参考文献，且参考文献应在文中标注等），并给出示例范文。这不仅使学生得到了初步的科学研究训练，也为即将到来的毕业设计做了很好的过渡。 四、教学实践的实施效果
我们从2014年开始对电子信息工程专业两届共108名学生进行了以课题研究为导向的“虚拟仪器实践”课的教学改革探索。学生用9周时间，利用美国NI公司LabVIEW虚拟仪器软件、数据采集卡及其他传感器和元器件分别完成了自动温度监测仪、多媒体小助手、基于LabVIEW的远程实验、实时变声器、基于LabVIEW的多媒体通讯系统、十字路口交通灯控制系统、直流电机转速控制仪设计等多个课题的设计。学生们还自拟了全国大学生体质健康测试计算器、学生宿舍简易监控系统等反映学生日常生活需要的题目，学生们做得兴趣盎然，相关作品参加校内外的虚拟仪器竞赛也获得了较好的成绩。
通过本课程，学生不但完成了虚拟仪器技术相关知识的学习和综合应用，还加深了对传感器技术、测控技术、计算机原理与接口技术、信号与系统、计算机网络技术等理论知识的理解。课堂气氛活跃，学生分析能力、组织协调能力和动手能力显著提高，基本达到了预期教学目标。
为了提高学生的课程论文质量，我们要求每个课题都小题大做。从课题调研、提交方案、课题完成，到最后的论文提交，完成了一个系统的学术训练过程。在最近的这期教学实践中，我们强化了方案环节，要求学生在前期要提交一份研究方案的报告，因此这期提交的论文质量整体上比上期有较大的提高。学生在完成论文后普遍有一种成就感。
五、教学实践中的教学体会及应注意的问题
以课题研究为导向的“虚拟仪器实践”课的教学改革探索取得了比较好的教学效果，但是还是有些需要注意改进的问题。
（一）项目设计要合理
学生的层次和素质有较大的差别，为了满足每个学生的不同需求，使他们有不同程度的收获，项目设计必须有层次。同时，给学生布置任务时一定要提出明确的要求和目标。
另外，根据学生的反馈，多数学生希望在选题时能够得到更多老师的引导和支持。我们的学生经过多年应试教育的培养，创新意识比较缺乏，希望老师有现成的题目给他们。改变这种状况还需要长期的培养和引导。
（二）把握好教师的地位
以课题研究为导向的教学中，学生为主体，教师设计课题任务、提供指导和建议并且做好督促和检查。
由于已经是大四阶段，很多同学在外实习，加上考研的比例很大，所以不少学生直到期末交稿的截止期限前才真正开始做，这就很难保证课题研究的质量。因此教师要经常性的检查，以增加他们的时间紧迫感，确保课题和论文完成的质量。
六、结语
经实践证明，以课题研究为导向的教学法是一套行之有效的教学方法。在“虚拟仪器实践”课程中的教学实践表明，不仅可以让学生综合应用所学知识，同时培养了学生的独立思考能力，为培养具有创新实践能力的人才培养目标以及工程教育创新改革提供了一种新思路和有效模式。
