陈 奎，张 雷，田秀玲

（1.徐州工程学院 信息工程学院，江苏 徐州 221018；2.江苏省大型工程装备检测与控制重点建设实验室，江苏 徐州 221008）

0 引言

工程实践以实现一定的客观对象为目标，并具有综合性等特点。学生的工程实践能力狭义上可解构为在专业学科背景下应用专业知识与技术解决工程问题的能力，侧重于技术层面的问题解决。广义上，工程实践能力可解构为在真实的实践情境下学生以准工程师身份从事专业实践所需的能力集合，不仅注重在技术层面上解决专业问题，而且注重在非技术层面上与利益相关者进行互动［1］。基于工程实践特点和工程实践能力的解构，工程实践思维是一种综合性思维［2］，比如实践中的均衡与妥协、简化与最优、结构化思维和抽象思维等，可以指导工程师的工程实践活动。

党和国家出台的一系列深化产教融合的“组合拳”，旨在构建教育与产业统筹融合、良性互动、协同育人的模式，旨在提升应用型本科高校的建设水平［3-4］。因此，在工程思维引导下，根据工程实践能力的可行性、渐进性、层次性、系统性和可评价性，有必要对教学模式进行探索和重构［5-8］。

与C、MATLAB和Python一样，LabVIEW也是一种通用编程系统。LabVIEW是面向工程师的图形化编程语言，采用符合工程师思维习惯、契合工程思维的程序框图（Block Diagram）编程方式。LabVIEW具有以下特点：①语法简单、形象、易学，内置常见数据结构和相应I/O控件；②编程过程，即程序框图绘制过程与工程实践思维方式契合，所想所画即所得；③LabVIEW程序架构和编程模式都经过工程实践的长期检验，具有高效性、可行性和经济性。Lab-VIEW也支持OOP面向对象编程，提高了代码复用率，便于项目分工合作；④有丰富的扩展工具库或第三方工具库，利用库内的函数可实现数据库操作、时频分析、图像处理等功能。LabVIEW及其技术生态链铺平了软硬件之间的鸿沟，因此在数据采集、电子测试、仪器仪表、自动控制等工程领域得到了广泛应用。这些特性表明了LabVIEW在塑造工程思维及工程实践中的相对优势。

常规的类似C语言的教学模式中过多强调语法和规则的掌握，势必淡化LabVIEW工程化的优势，不利于工程实践思维能力的培养，致使学习过程简单化、同质化。学生仅学会了基本语法和简单流程，但不知也不敢将其应用于实践。为此，很多高校结合并利用LabVIEW的特点开展了工程实践课程改革，注重工程实践思维的培养［11-15］，在具体的项目甄选、实验实践设计、应用拓展、创新创业导向及考核方法等方面各自给出了很好的解决思路。

LabVIEW符合工程师的思维习惯，工程实践门槛低，易于培养工程思维素养。本文对近年来的教学工作进行总结，系统地给出工程实践思维指导下的LabVIEW课程教学改革总体方案。从技术生态、专业背景、学校特色、人才需求几方面进行综合考虑，有目的地甄选实践项目并围绕项目设定教学内容、设计教学方法和手段、设置课内课外实践，并制定综合评价体系。同时针对方案在实践过程中出现的关键问题探讨对应的解决方案，希望对电子信息学科各专业的教学改革起到一定的参考作用。

1 原有LabVIEW教学模式与条件

徐州工程学院设有虚拟仪器技术、LabVIEW程序设计实训和虚拟仪器系统设计与工程应用课程。学院与美国NI公司合作共建智慧工业控制技术实验室，可为LabVIEW工程化教学提供平台支撑，完成数据采集、信号处理、自动控制、实时嵌入式监测、机器视觉等方面的实践教学以及创新创业项目。以往教学中沿用C语言的教学模式，无法体现工程思维，也无法满足产教融合、应用型本科发展的需求［9-10，15］，主要原因如下：

（1）教学内容无法体现工程思维。与C语言相比，Lab-VIEW学习门槛低、易入门，丰富的前面板控件、函数库和程序结构更易于构建工程化应用程序。但在教学过程中，依旧采用C语言课程的教学模式，关注点侧重于数据类型、程序结构、函数与文件等编程语法和要件。

（2）教学手段无法体现工程实践思维。教学手段上借助静态PPT并以课堂讲述为主，如知识点讲解、例程说明等。学习期间，学生被动接受，无法主动思考，也无法发挥主观能动性。LabVIEW框图式编程环境更适合按照工程思维边讲解、边分析、边绘制（编程），让学生感受工程思维下分析问题、解决问题的过程。

（3）教学实践设置单一。课内安排8学时上机实验，实验内容仅是独立教学单元内的分立实验或简单实践，缺少知识间的连贯与串联；实践内容多为脱离工程背景的抽象的语法训练、数学算法或程序逻辑设计，忽视了解决实际问题中的思维训练，无法考量学生分析与解决问题的能力。

实训课由学生选题，其中算法结构占比30%，考察算法逻辑和程序结构的掌握情况，综合实践题占比70%，考察系统设计的合理性与完整性。但实施效果不理想，存在选题简单、脱离实际、突击完成等现象，无法客观判断学生综合运用LabVIEW解决实际工程问题的能力，无法实现教学成效的本质提升。

（4）教学评价手段单一。以纸质试卷考察基本概念，分数占比30%～40%，5～8题独立程序考察基本编程逻辑和编程要件的使用，分数占比60%～70%。但实训课程仅能反映学生对LabVIEW语言的掌握情况，无法反映出其工程实践思维和解决问题的能力。

2 工程实践思维下的LabVIEW教学模式

以工程化思维方式设计LabVIEW教学模式，通过引入项目和工程，帮助学生在LabVIEW语言学习的基础上将问题发现、问题分析、问题解决的工程思维通道理顺。以工程情境为先，编程要件随后，实验和实践验证次之，最后拓展思路［10-15］。以机器视觉检测为工程背景设计教学模式如图1所示。

Fig.1 Teaching system under the thinking of engineering practice图1 工程实践思维下的教学体系

（1）征集工程背景和应用场景。课程开始前，以课程组教师为主，学生参与讨论LabVIEW工程应用情况，从技术生态、专业背景、学校特色和人才需求几个方面讨论课程的工程应用背景与应用场景，并根据师资力量和学生兴趣选定课程的主要工程背景。

（2）制定教学内容和各教学环节。以“LabVIEW机器视觉几何测量应用”为例，教学内容、单元划分和实践环节层层递进设置。教学内容划分为：LabVIEW语言基础、机器视觉基础、图像与视频采集、图像与视觉函数、几何量检测5个核心任务。基础部分包括解决此类工程问题必要的编程要件、背景常识的学习等，教师重点讲解并鼓励学生课后强化。其余3个任务在教学中以发现问题、分析问题和解决问题的模式逐层展开课堂教学。

（3）开展课外拓展实践活动。课后组织开展工程拓展实践，锻炼学生解决工程问题的能力，从而深入验证课堂教学内容，使其触类旁通。同时对新技术、新设备与Lab-VIEW的融合开展研讨，进一步拓展学生视野。

3 LabVIEW机器视觉教学设计

贯彻工程实践思维下的LabVIEW课堂教学模式，需要在教学内容选定、教学方法制定、教学实践设置以及教学评价体系构建等多个环节提供支撑。

3.1 教学内容选定

LabVIEW教学内容体系包括编程基础、工程应用和拓展工程应用3部分，如图2所示。其中，编程基础指Lab-VIEW编程语法以及有别于文本语言的一些特殊编程要素、概念等。图形化的LabVIEW编程形象、直观，易上手，已有C语言基础的学生在教师的实时示范下可较容易掌握。此部分可以尽量弱化课堂教学，采取自学、MOOC等方式。

Fig.2 Teaching content and arrangement under the thinking of engineering practice图2 工程实践思维下的教学内容与安排

工程应用部分的教学内容包括信号、通信、视觉以及第三方库，此部分体现LabVIEW工程应用的深度和广度，体现其在工程场景中应用的优势，应作为课堂教学的讲授重点。另外，实际工程应用中常采用不同的LabVIEW程序架构与编程模式以面对不同的工程应用。合适的架构和模式可以合理组织程序，减少逻辑、时序上的错误。

拓展工程实践通过实际案例介绍LabVIEW技术及其技术生态在工业环境下的应用与定位，介绍LabVIEW与其他技术的融合，如与Python、深度学习技术的融合等。通过对LabVIEW技术生态解决实际问题的分析，进一步提升学生解决工程问题的能力，增强其课程学习的动力。

LabVIEW技术生态链较长，图2中的工程应用与其他课程也有着紧密联系。学生经过机器视觉课程的学习和锻炼后，辅以其他理论和实践课程的知识，完全可以在工程实践思维下采用LabVIEW技术生态解决其他工程问题。

3.2 教学方法制定

在工程应用背景下，传统的教师主导、学生被动的教学模式往往使教学内容脱离实际、缺乏指向性，无法唤起学生学习的积极性、主动性。采用工程实践思维的教学方法如图3所示，突出以工程应用或工程项目为核心的理念。项目应用背景和场景由师生共同确定，学生多提出问题，教师诠释和拓展背景。解决思路和方案由教师给出分析与建议，学生给出自己的方案。技术支撑和具体程序内容是以学生为主体，在教师的指导下学习完成。整个过程凸显工程背景，学生以兴趣为动力，全程参与问题的提出、分析和解决，教师把握难点和方向，定向指导。

Fig.3 Teaching method with engineering application as the core图3 以工程应用为核心的教学方法

为顺利实施上述教学方法，在具体教学过程中应结合学情反馈和教学内容的特点灵活运用各种教学手段。以LabVIEW机器视觉工程领域应用为背景，教学内容按其特点分为视觉编程基础、视觉函数和程序框架及工程项目实践3个层次类别。具体教学手段如图4所示。

Fig.4 Teaching means图4 教学手段

视觉编程基础部分包括LabVIEW语言基本语法和概念、数据结构、程序结构、数据I/O等内容。此部分相对简单、直观，采用师生互动、以学生为主的教学方式。在工程背景下，采用项目驱动方式由教师演示具体程序编写流程。学生同步编写程序，可随时提出问题，并讨论和解决问题。

视觉函数种类繁杂，参数含义深厚，使用场景及参数设置需要教师详细引导，并进行案例演示。对于讲解过的视觉函数，需要让学生课后查找资料学习，理解其算法原理和理论背景。视觉类应用的编程模式也较为繁琐，且不直观，需要了解一定的软件工程概念，也需要学生有高屋建瓴的视界。学生对此部分内容较为陌生，有一定的畏难心理，因此需要发挥教师的引导作用。编程模式有着固定的程序逻辑和架构，课程中采用工程背景带入、案例分析、师生互动的教学方式，再加上一定的工程实践，学生可以基本掌握。对于讲解过的程序结构或框架，可以采用留白方式让学生课后补充完成。

拓展工程实践主要是应用LabVIEW及其技术生态链解决实际问题。一般采用项目任务驱动模式，以及以学生为主、分组协作与研讨、教师定向指导的教学方式。在以上教学方法的实施过程中，还需要实时监控学情，对教学过程中出现的问题及时进行调整与纠正，形成良性闭环系统。

3.3 教学实践设置

LabVIEW及其技术生态链从诞生开始就是面向工业领域的，在解决工业实际问题的应用实践中不断发展。LabVIEW教学一开始就具备面向工程思维的背景，在具体教学中更应将重点放在培养学生利用工程思维发现、分析和解决问题的能力上。为此，教学实践可划分成课内实践和课外综合实践两个阶段，如图5所示。课内实践包括LabVIEW语法和程序设计实践、工程项目引导实践及课外延展性实践，课外综合实践包括项目引导综合实践和课外工程化延展综合实践。

Fig.5 Hierarchical teaching practice图5 层次化的教学实践

LabVIEW语法和程序设计实践用于巩固课堂教学基本内容，掌握语法、程序结构和编程模式，为后续工程实践提供编程能力支撑。在课外综合实践任务中，顺接课内实践所涉及到的技术解决方案，强化其工程应用背景和场景，解决课程最开始提出的问题，提升学生学以致用的能力，检验与提升教学成效。

3.4 教学评价体系构建

传统的“平时成绩+期末成绩”仅侧重于对知识点的考察，无法实现工程实践级别上的能力评估。在工程实践思维下，LabVIEW教学评价体系应能准确评估学生运用Lab-VIEW解决实际问题的能力，以及教师的实际教学成效。工程实践思维下的教学模式评价体系以知识点掌握情况为考察基础，以教学实践中工程问题的解决和成效为考察重点，从而将教学评价从以知识考查为主转变为以能力考查为主。具体评价体系如表1所示。

Table 1 Teaching evaluation表1 教学评价

在表1中，期末试卷反映了学生对课程基础理论、概念和知识点的掌握程度。教学过程评价学生在教师指导下的实际动手能力，课程实践评价学生解决问题的能力，课外实践评价学生系统的工程实践能力。

4 教学实施过程及效果

4.1 实施过程

以徐州工程学院电子信息科学与技术专业作为教学改革实施对象。LabVIEW基础编程课程共有32课时，并集中进行实践4周。LabVIEW系统设计与工程应用课程有32课时，其中理论课程24课时，实践8课时。课程以工程项目背景为引导，教学过程中以学生为中心、以学生为主导。

以“LabVIEW机器视觉几何测量应用”工程任务为例，学生结合视频资源、MOOC 等线上教学资源学习LabVIEW和视觉编程的基础内容，罗列项目必须的编程概念、函数等要件，再通过程序框图进行演示与讲解，最后由教师进行点评与总结。在此过程中，LabVIEW与视觉函数基础编程部分采用任务驱动、辅助课外实践作业的方式。教师提前给定任务并讲解，学生分组完成任务并讨论得失。图像采集、视觉处理与编程模式部分是重点和难点，设置理论课12 课时、实验课4课时，采用师生互动方式，并辅助情境式案例等。教师分析并演示图像采集模式、LabVIEW编程模式和程序架构，讲解不同模式和框架的使用场景，启发与引导学生进行实践和验证。课外实践注重LabVIEW技术生态链，以及LabVIEW与其他技术平台的融合，课时安排根据学情反馈进行弹性设置。此部分采用教师讲解与案例介绍的方式，以工程任务驱动教学，突出课外实践作用，拓展学生工程视野，提升其学以致用的工程实践能力。

4.2 实施成效

通过上述工程思维下教学模式的尝试、确立和实验，学生的学习积极性明显提高，课堂活跃度得到改善，综合能力有较大提升。培养目标中掌握LabVIEW基础语法和程序结构的目标达成度为86%；利用LabVIEW系统解决一般工程问题的目标达成度为80%，部分学生仍需进一步加强问题分析与实践能力。课外实践成果表明，通过组队合作、教师指导，学生可解决较为复杂的工程问题。部分成果如表2和图6所示。图6中所列学生成果为基于数字图像的形变场检测，以及基于深度学习和机器视觉的文字喷码瑕疵检测系统框架。

Table 2 Extracurricular practice achievements表2 课外实践成果

Fig.6 Results of extracurricular practice图6 课外实践成果

5 结语

应用型本科教学中采用工程实践思维可实现理论与实践结合，让学生在工程思维下指导实践、学以致用。结合LabVIEW及其技术生态链工程应用的特点，本课程教学模式的改革与实践提升了培养目标达成度，使学生真正具备了一定的工程实际能力。但由于工程实践的综合性较强、知识技术链较长，完全以工程项目为主的教学模式会对学生系统、完整地学习知识不利，且对教师的工程实践背景有较高要求。因此，在后期教学过程中，需要对项目进行认真甄选，按照难度、综合度以及与其他课程的关联程度进行划分，按照项目难易程度因材施教，并按照项目小组中学生的不同贡献合理给出评价。