基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的《電器學(xué)》課程教學(xué)方法研究

王召斌，尚 尚，任萬濱，翟國富

(1.江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江，212003;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江哈爾濱，150001)

1 引言

當(dāng)前，我國高等教育已進(jìn)入改革和發(fā)展的歷史新階段，為了充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，發(fā)揮教師的主觀能動(dòng)性，啟發(fā)式、引導(dǎo)式、互動(dòng)式等教學(xué)授課方法不斷涌現(xiàn)，不僅加強(qiáng)了教師的引導(dǎo)作用，課堂教學(xué)效果亦得到明顯提高［1］。

針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式的諸多弊端提出了建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，該理論由知識(shí)觀、學(xué)生觀、學(xué)習(xí)觀和情境觀四部分組成［2］。建構(gòu)主義的知識(shí)觀強(qiáng)調(diào)知識(shí)的個(gè)體性、相對(duì)性、情境性，在一定程度上擴(kuò)大了知識(shí)可探索的范圍，拓展了對(duì)現(xiàn)實(shí)世界研究的空間，從而有利于個(gè)體創(chuàng)造性的發(fā)揮;建構(gòu)主義的學(xué)生觀強(qiáng)調(diào)學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，是意義的主動(dòng)建構(gòu)者，因而對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的主體地位給予很高的肯定和尊重，從而有利于學(xué)生進(jìn)行研究和考慮問題;建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)觀強(qiáng)調(diào)探究學(xué)習(xí)、發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)等學(xué)習(xí)方式，從而有利于培養(yǎng)學(xué)生的探究意識(shí)、創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力;建構(gòu)主義的情境觀強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的開放性和情境性，注重真實(shí)學(xué)習(xí)情境的創(chuàng)設(shè)，教師為學(xué)生提供真實(shí)的、復(fù)雜的、多種答案的問題情境，從而有利于學(xué)生身臨其境，并促進(jìn)所學(xué)知識(shí)的活學(xué)活用［3、4］。然而，建構(gòu)主義理論本身也存在著某些缺陷，在對(duì)其認(rèn)識(shí)不夠全面的基礎(chǔ)上一味追求建構(gòu)主義的教學(xué)模式也將引起諸如教學(xué)目標(biāo)設(shè)置不明確，輕視教師主導(dǎo)講解過程，學(xué)生抽象概括能力無法得到提高等問題的出現(xiàn)。因此，如何合理地有選擇地應(yīng)用建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論在課程教學(xué)中是亟待解決的問題。

本文通過《電器學(xué)》課程的重要性及教學(xué)特點(diǎn)的剖析，探討了基于建構(gòu)主義理論思想的教學(xué)設(shè)計(jì)及教學(xué)方法，并對(duì)該課程合理應(yīng)用該方法的問題進(jìn)行了探討。為最終達(dá)到以學(xué)生為中心，讓學(xué)生形成自己的學(xué)習(xí)方法、構(gòu)建自己知識(shí)結(jié)構(gòu)的目的做出了有益地嘗試。通過這種方式不僅讓學(xué)生在此框架的基礎(chǔ)上主動(dòng)學(xué)習(xí)獲取其他新知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維的能力，同時(shí)對(duì)于其他課程的教學(xué)方法改革與創(chuàng)新也具有參考價(jià)值。

2 電器學(xué)課程的主要內(nèi)容及教學(xué)特點(diǎn)

《電器學(xué)》是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)本科教學(xué)的專業(yè)方向主干課程，總學(xué)時(shí)70學(xué)時(shí)，其中授課62學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)。教學(xué)過程中綜合運(yùn)用大學(xué)物理、工程力學(xué)、電路理論、電磁場(chǎng)理論、電子技術(shù)等基礎(chǔ)知識(shí)。

通常，人們只是將電器看成簡(jiǎn)單的開關(guān)，更有人將其片面理解為家用電器，然而從更專業(yè)、廣義的角度講，凡是對(duì)電能的產(chǎn)生、輸送和應(yīng)用起控制、保護(hù)、檢測(cè)、變換與切換及調(diào)節(jié)作用的電氣器具統(tǒng)稱為電器，是電氣化和自動(dòng)化的基本工具，在電力輸配電系統(tǒng)、電力傳動(dòng)和自動(dòng)控制設(shè)備中起著重要作用［5］。本門課程的主要任務(wù)是:第一，使學(xué)生掌握電器理論基礎(chǔ)知識(shí)，包括電動(dòng)力、發(fā)熱、電弧、電接觸、電磁鐵等理論基礎(chǔ)及基本計(jì)算分析方法，課程所涉理論框架如圖1所示;第二，通過對(duì)低壓電器典型產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能的分析及選用方法的介紹，掌握各類電器的用途、結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)，達(dá)到舉一反三的效果;第三，通過實(shí)驗(yàn)課程，使學(xué)生具有對(duì)電器操作及測(cè)試分析的能力。

傳統(tǒng)的《電器學(xué)》課程存在許多問題，主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面:(1)所涉及的基本理論本身具有相當(dāng)?shù)纳疃?，如電弧與電接觸理論所涉及的材料科學(xué)、物理電子學(xué)、電化學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域，要求二十學(xué)時(shí)內(nèi)完成教學(xué)存在客觀難度;(2)電器學(xué)的傳統(tǒng)教學(xué)模式只按“概念、理論公式證明、試驗(yàn)結(jié)果分析”的步驟講述，而對(duì)于提出問題的藝術(shù)，概念的形成、公式和定理的發(fā)現(xiàn)，乃至理論的創(chuàng)造與發(fā)展過程，以及運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題等更實(shí)際的部分往往只字不提，結(jié)果使《電器學(xué)》課程顯得枯燥乏味;(3)以往對(duì)電器學(xué)缺乏應(yīng)有的改革力度，沒有充分利用先進(jìn)的多媒體教學(xué)設(shè)備進(jìn)行教學(xué);(4)在傳統(tǒng)教學(xué)模式作用下，不少學(xué)生沒有養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣;缺乏正確的思維和理解方法，學(xué)生甚至感到學(xué)習(xí)電器學(xué)對(duì)自己的學(xué)業(yè)、工作作用不大，出現(xiàn)了忽視電器理論基礎(chǔ)的現(xiàn)象，影響了電器學(xué)在整個(gè)課程結(jié)構(gòu)中的基礎(chǔ)地位。因此在教改中不斷鞏固課程的基礎(chǔ)地位，構(gòu)建合理的課程體系，改革教學(xué)方法，提高教學(xué)效率是《電器學(xué)》課程改革的一項(xiàng)基本要求。

圖1 電器學(xué)所涉理論的主體框架

3 電器學(xué)課堂教學(xué)環(huán)節(jié)的建構(gòu)

“情景”、“協(xié)作”、“會(huì)話”和“意義建構(gòu)”是建構(gòu)主義提倡的學(xué)習(xí)環(huán)境四大要素，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣是教師教學(xué)過程中要考慮的中心問題，通過完成教學(xué)內(nèi)容的建構(gòu)、思想方法的建構(gòu)、情境教學(xué)的建構(gòu)等過程，引導(dǎo)學(xué)生提出問題，猜想結(jié)果，再檢驗(yàn)、論證，激發(fā)學(xué)生去思考，在思考中得到結(jié)論，從而建構(gòu)符合每個(gè)人的知識(shí)體系。

3.1 教學(xué)內(nèi)容的建構(gòu)

電器學(xué)課堂教學(xué)環(huán)節(jié)的基本內(nèi)容主要由三部分組成，第一部分為基本理論，包括電磁理論、發(fā)熱理論、電動(dòng)力理論、電弧電接觸理論;第二部分為典型電器元件(繼電器、接觸器、斷路器)的功能特征;第三部分為電器元件在電氣自動(dòng)化領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

基本理論部分是結(jié)構(gòu)良好領(lǐng)域的知識(shí)，人們已形成了普遍的共識(shí)，因此采用建構(gòu)主義的觀點(diǎn)發(fā)揮學(xué)生主體作用，從不同的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)角度進(jìn)行知識(shí)個(gè)體性、相對(duì)性和不確定性的強(qiáng)調(diào)是不合適的。為更好地實(shí)現(xiàn)意義建構(gòu)，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，在基本理論部分的教學(xué)過程中應(yīng)繼續(xù)堅(jiān)持教師教學(xué)過程中的主導(dǎo)地位，同時(shí)注重尋求電器學(xué)問題與物理學(xué)知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系。針對(duì)電器學(xué)討論的角度和層次與物理學(xué)有所不同的特點(diǎn)，首先應(yīng)使學(xué)生清楚分析的目的意義，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用已有的物理學(xué)分析方法建立模型求解，最終應(yīng)用所得的結(jié)論直接進(jìn)行電器問題的分析計(jì)算。另外需要明確建模前的假定條件，從而使得結(jié)論的應(yīng)用范圍予以嚴(yán)格確定，避免誤用情況的發(fā)生。

工業(yè)應(yīng)用知識(shí)部分具有實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)相同的信號(hào)控制和保護(hù)功能可選用不同類型電器元件的組合方式，然而根據(jù)實(shí)際工況環(huán)境和性能的特殊要求則需對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)選。因此可采用建構(gòu)主義理論中的拋錨式教學(xué)模式，如教師先創(chuàng)設(shè)情境讓學(xué)生面臨一個(gè)需要解決的工程實(shí)際問題，教師提供解決該問題的線索，學(xué)生結(jié)合已有知識(shí)結(jié)構(gòu)自主學(xué)習(xí)，互相討論交流完成協(xié)作學(xué)習(xí)步驟，最后由教師對(duì)各方案進(jìn)行總結(jié)與點(diǎn)評(píng)。

此外，隨著電子技術(shù)、半導(dǎo)體器件制造業(yè)的迅速發(fā)展，無觸點(diǎn)電器、混合電器技術(shù)日趨成熟，包括半導(dǎo)體、晶體管、晶閘管、磁性元件和其他光敏、壓敏自動(dòng)化元件的工作原理、線路設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇等方面也使得電器學(xué)理論的外延范圍不斷擴(kuò)大。同時(shí)，特種行業(yè)(航空航天用、通訊用、汽車用)也在不同方面對(duì)電器元件提出了特殊性能指標(biāo)的要求，還將涉及到機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)、高頻電磁波理論、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等，因此要求教師應(yīng)主動(dòng)掌握現(xiàn)代前沿的科學(xué)知識(shí)，及時(shí)優(yōu)化知識(shí)結(jié)構(gòu)，建構(gòu)其與電器學(xué)相關(guān)問題的關(guān)系。

3.2 思想方法的建構(gòu)

如果把電器學(xué)與大學(xué)物理學(xué)知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系作為“點(diǎn)”狀的聯(lián)系，那么這種聯(lián)系只能是散點(diǎn)式、隨機(jī)性的，只有把聯(lián)系“點(diǎn)”梳理成“線”，貫穿教學(xué)始末，才能使教學(xué)內(nèi)容更加序列化、系統(tǒng)化。“線”上梳理，可使學(xué)生對(duì)電器學(xué)的理論體系有較全面的認(rèn)識(shí)，從而更加清晰地透視電器學(xué)所涉及的難點(diǎn)問題，如可動(dòng)鐵心和可變氣隙電磁系統(tǒng)電磁場(chǎng)的計(jì)算，電弧分析數(shù)學(xué)模型的建立，電接觸熱過程數(shù)學(xué)模型的建立等。

知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，有利于提高學(xué)生的認(rèn)識(shí)層次?？紤]到電器設(shè)計(jì)分析是一個(gè)綜合全面的過程，因此在教學(xué)中要特別注重尋求熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)之間的聯(lián)系與統(tǒng)一。上述問題的實(shí)質(zhì)就是“三維場(chǎng)”問題的求解，如以解析法要求學(xué)生掌握難度較大，因此引入“路”的方法進(jìn)行等效可將問題簡(jiǎn)單化，如熱分析中熱路法引入的熱阻概念及相關(guān)定律，電磁分析中磁路法引入的磁阻概念及相關(guān)定律等。且上述概念與定律均可方便學(xué)生將此與熟悉的電路理論中電阻概念及基爾霍夫第一、第二定律進(jìn)行類比記憶。通過揭示這些內(nèi)在聯(lián)系，不僅便于學(xué)生掌握相關(guān)知識(shí)，同時(shí)對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的提高也將效果明顯。

3.3 情景教學(xué)的建構(gòu)

建構(gòu)主義強(qiáng)調(diào)人與環(huán)境的相互作用。電器學(xué)是具有理論性較強(qiáng)的一門學(xué)科，為了能使整個(gè)課堂生動(dòng)、形象、直觀，必須使用現(xiàn)代化的教學(xué)手段。建構(gòu)主義的課堂教學(xué)可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)多媒體課件形象直觀地展示各類電器元件及相關(guān)理論的發(fā)展史，創(chuàng)設(shè)大量富有啟發(fā)性的教學(xué)情景，實(shí)現(xiàn)師生互動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的興趣，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。尤其是通過恰當(dāng)?shù)膯栴}可為學(xué)生創(chuàng)設(shè)良好的學(xué)習(xí)情景。應(yīng)用現(xiàn)代的多物理場(chǎng)有限元分析軟件和數(shù)值計(jì)算工具可給出更加形象直觀的物理場(chǎng)圖景，從而達(dá)到多媒體創(chuàng)建合理學(xué)習(xí)情境的目的，如在分析螺線管的漏磁場(chǎng)及漏磁力時(shí)，若直接采用磁路法進(jìn)行等效計(jì)算，學(xué)生的接受效果將不理想，因此在課堂上無法演示其試驗(yàn)過程的情況下，采用ANSYS電磁場(chǎng)軟件仿真分析，可使主磁通、漏磁通的三維圖景一目了然，此時(shí)再將磁路法及相關(guān)等效條件引入，可使教學(xué)效果得到明顯提高，學(xué)生對(duì)解決問題的思路和等效條件的合理性也將更加明晰。

4 建構(gòu)主義學(xué)習(xí)環(huán)境下的教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)例

現(xiàn)以電器學(xué)重要內(nèi)容“觸頭質(zhì)量的轉(zhuǎn)移與電磨損”為例，進(jìn)行建構(gòu)主義學(xué)習(xí)環(huán)境下的教學(xué)設(shè)計(jì)，包括教學(xué)目標(biāo)分析、情境創(chuàng)設(shè)、引導(dǎo)式教學(xué)、自主學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)、協(xié)作學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)等步驟。

4.1 教學(xué)目標(biāo)分析

設(shè)定該教學(xué)單元的學(xué)習(xí)目標(biāo)為，通過講授在切換不同的電路負(fù)載過程中觸頭發(fā)生的電磨損現(xiàn)象，使學(xué)生掌握金屬橋磨損和電弧磨損的現(xiàn)象、磨損特征和相應(yīng)的負(fù)載條件(電壓、電流)。了解觸頭產(chǎn)生磨損的機(jī)理與相應(yīng)的分析方法。

4.2 情境創(chuàng)設(shè)與引導(dǎo)式教學(xué)

采用多媒體先后演示電器壽命試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)方法和電器觸頭壽命試驗(yàn)前、試驗(yàn)后表面燒蝕的形貌照片，然后由教師根據(jù)圖片引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)出觸點(diǎn)燒蝕磨損的特征，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供信息和幫助，最后，教師根據(jù)教材講授不同的電壓、電流條件對(duì)觸頭的磨損機(jī)理與磨損原因。為便于學(xué)生對(duì)電磨損形式歸類記憶，教師提示以電壓、電流作為坐標(biāo)軸，并由學(xué)生思考、討論、繪制特征曲線圖。教師逐步引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系機(jī)械參數(shù)(如分?jǐn)嗨俣?、閉合速度、閉合力)、觸頭形狀參數(shù)、氣體介質(zhì)的壓力和溫度、觸頭材料及配對(duì)情況對(duì)于電磨損與質(zhì)量轉(zhuǎn)移是否有關(guān)系呢?

4.3 自主學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)與協(xié)作學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)

將學(xué)生分成小組，教師將事先準(zhǔn)備好的影響電磨損因素的文獻(xiàn)資料分發(fā)給各小組，進(jìn)行自主學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生在了解該問題研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，便于學(xué)生在自我探索過程中進(jìn)入情境去學(xué)習(xí)。著重體現(xiàn)以學(xué)生為中心的三要素:發(fā)揮學(xué)生的首創(chuàng)精神、將知識(shí)外化和實(shí)現(xiàn)自我反饋。在個(gè)人自主學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上開展小組討論、協(xié)商，以進(jìn)一步完善和深化對(duì)該問題的意義建構(gòu)，最后由教師完成對(duì)提出問題的總結(jié)與學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)。

5 結(jié)論

本文基于建構(gòu)主義思想提出的《電器學(xué)》課程教學(xué)方法，改變了注重結(jié)論輕視知識(shí)形成過程的應(yīng)試教育模式，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，主動(dòng)性，教師充當(dāng)引導(dǎo)者，并借助現(xiàn)代化的教學(xué)手段，實(shí)施積極高效的課堂教學(xué)，從而將更加有利于培養(yǎng)學(xué)生在電器設(shè)計(jì)及工業(yè)應(yīng)用方面的知識(shí)建構(gòu)。

［1］ 周麗芹，葛安亮.引導(dǎo)式和啟發(fā)式課堂教學(xué)方法在《數(shù)字電子技術(shù)》課程中的應(yīng)用［J］.黑龍江科技信息，2008，(7):138.

［2］ 萊斯利.P.斯特弗，杰里.蓋爾主編，高文，徐斌燕，程可拉等譯.教育中的建構(gòu)主義［M］.上海:華東師范大學(xué)出版社，2002:295－308.

［3］ 何克抗.建構(gòu)主義的教學(xué)模式、教學(xué)方法與教學(xué)設(shè)計(jì)［J］.北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，1997，(5):74－81.

［4］ 譚頂良，王華容.建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的困惑［J］.南京師大學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2005，(6):103 －107.

［5］ 張冠生.電器理論基礎(chǔ)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1981.1 －13.