基于5E教學(xué)模式的典型教學(xué)案例應(yīng)用

張敬南

(哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

基于5E教學(xué)模式的典型教學(xué)案例應(yīng)用

張敬南

(哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

本文將廣泛應(yīng)用于生物學(xué)的5E教學(xué)模式應(yīng)用到“電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)”課程中，對(duì)典型教學(xué)過程進(jìn)行了教學(xué)案例設(shè)計(jì)與實(shí)踐檢驗(yàn)，提高了教學(xué)效果。結(jié)合授課教師的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了5E教學(xué)模式在理工科專業(yè)課程中應(yīng)用時(shí)所需的注意事項(xiàng)。

5E教學(xué)模式；電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)；教學(xué)案例

0 引言

建構(gòu)主義是認(rèn)知心理學(xué)派中的一個(gè)分支，其理論的核心是以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)知識(shí)的主動(dòng)發(fā)現(xiàn)、主動(dòng)探索和主動(dòng)建構(gòu)[1]。5E教學(xué)模式是基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論展開的，它將教學(xué)過程分為吸引(engagement)、探究(exploration)、解釋(explanation)、遷移(elaboration)和評(píng)價(jià)(evaluation)5個(gè)階段[2]。起初，5E教學(xué)模式廣泛應(yīng)用于生物學(xué)的教學(xué)過程中，現(xiàn)在業(yè)已成為國(guó)內(nèi)外教育研究的熱點(diǎn)，研究者將其教學(xué)理論引入到各類課程中并進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)總結(jié)[3，4]。

筆者長(zhǎng)期致力于“電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)”課程的教學(xué)改革工作，結(jié)合5E教學(xué)模式和“電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)”課程的特點(diǎn)，在該課程的教學(xué)過程中應(yīng)用5E教學(xué)模式來調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提升學(xué)生的探究和實(shí)踐能力，實(shí)踐證明該方法是行之有效的。

本文對(duì)5E教學(xué)模式在“電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)”課程教學(xué)中的一個(gè)典型應(yīng)用案例做出較為詳細(xì)分析與探討。

1 基于5E教學(xué)模式的教學(xué)案例

1.1 教學(xué)內(nèi)容認(rèn)識(shí)

5E教學(xué)模式與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比較，教師在教學(xué)過程中的教學(xué)理念、教學(xué)方式和角色定位都要發(fā)生根本性的變化，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式也隨之改變。從教師講授為主的單一模式轉(zhuǎn)變?yōu)榻處熞龑?dǎo)為主，結(jié)合啟發(fā)、提問、指導(dǎo)、參與討論和評(píng)價(jià)的多源模式；而學(xué)生也從被動(dòng)接受知識(shí)向主動(dòng)參與探究構(gòu)建知識(shí)的轉(zhuǎn)變。為了能夠發(fā)揮5E教學(xué)模式的作用，需要打造合適的教案，每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)過程都要依據(jù)5個(gè)階段進(jìn)行對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)。本文以一典型教學(xué)案例的設(shè)計(jì)過程介紹5E教學(xué)模式在“電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)”課程中的應(yīng)用。

教學(xué)內(nèi)容：轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性[5]。

內(nèi)容分析：本節(jié)課要求學(xué)生在掌握具有截流負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)前提下，針對(duì)起、制動(dòng)性能的要求高的場(chǎng)合，研究轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程。分析該系統(tǒng)的基本構(gòu)成及控制規(guī)律，并進(jìn)而獲得轉(zhuǎn)速閉環(huán)和電流比環(huán)的作用。

教學(xué)目的：重點(diǎn)掌握轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)改善起動(dòng)過程及起動(dòng)過程的分析、控制規(guī)律和調(diào)節(jié)器作用。在教學(xué)過程還要培養(yǎng)學(xué)生的對(duì)專業(yè)知識(shí)的認(rèn)知和思考分析的能力。

1.2 各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)

結(jié)合5E教學(xué)模式，上述教學(xué)內(nèi)容在2015年度的教學(xué)過程中被設(shè)計(jì)成5個(gè)環(huán)節(jié)。

1)吸引

本環(huán)節(jié)要通過情境中出現(xiàn)的問題吸引學(xué)生，并引起學(xué)生的認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)探究的興趣，實(shí)現(xiàn)學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)的目的。

在教案的設(shè)計(jì)中，學(xué)生首先針對(duì)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和具有截流反饋的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行起動(dòng)過程的仿真，驗(yàn)證單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)電流問題和截流反饋在犧牲系統(tǒng)隨動(dòng)性的前提下獲得對(duì)起動(dòng)電流抑制作用的初步認(rèn)識(shí)。然后，結(jié)合龍門刨床等頻繁正、反轉(zhuǎn)，起、制動(dòng)過程的演示對(duì)調(diào)速系統(tǒng)提出新的要求：由于實(shí)際中的很多調(diào)速系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)頻繁的正、反轉(zhuǎn)，起、制動(dòng)運(yùn)行，需要較高的跟隨性能要求。由于學(xué)生還沒有學(xué)到可逆系統(tǒng)，所以，本環(huán)節(jié)只對(duì)起動(dòng)過程提出快速性的要求。引導(dǎo)學(xué)生對(duì)具有截流反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)該起動(dòng)要求提出質(zhì)疑，并進(jìn)一步去思考如何能獲得起動(dòng)過程時(shí)間的縮短。

在教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生很快發(fā)現(xiàn)了具有截流反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)限制電流和調(diào)速系統(tǒng)快速起動(dòng)要求之間存在矛盾，對(duì)采用該調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速起動(dòng)提出質(zhì)疑。

2)探究

本環(huán)節(jié)的目的是通過引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究，在探究的過程中，學(xué)生應(yīng)用原有知識(shí)概念和技能方法探索解決新問題的途徑，為之后的新的知識(shí)概念形成創(chuàng)造便利條件。

在教案設(shè)計(jì)中，首先對(duì)學(xué)生提出起動(dòng)時(shí)間的要求，讓學(xué)生利用具有截流反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真程序進(jìn)行仿真分析和探索，引導(dǎo)學(xué)生利用已經(jīng)具備的知識(shí)進(jìn)行小結(jié)。在此期間，學(xué)生會(huì)不斷地提出新的想法(包括錯(cuò)誤的想法)，并在已經(jīng)熟悉了的仿真程序基礎(chǔ)上完成新的想法的仿真分析，記錄觀察結(jié)果，形成觀點(diǎn)并獲得結(jié)論。隨著問題的不斷深入，當(dāng)沒有新的思想提出時(shí)(或者當(dāng)有學(xué)生提出雙閉環(huán)思想時(shí))，授課教師再提供轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真程序給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生通過仿真對(duì)比分析起動(dòng)過程轉(zhuǎn)速及其他參數(shù)的變化，并讓學(xué)生確定達(dá)到了預(yù)期的起動(dòng)要求。

在教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生想到的方法可能包括：添加輔助電動(dòng)機(jī)加快起動(dòng)過程、引入PID調(diào)節(jié)器代替PI調(diào)節(jié)器、引入與轉(zhuǎn)速差值相關(guān)的前饋環(huán)節(jié)等?？紤]到經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，學(xué)生很快放棄了添加輔助電動(dòng)機(jī)的方法。學(xué)生對(duì)其他方法進(jìn)行了仿真分析，最終發(fā)現(xiàn)，除了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)之外，均沒有達(dá)到指標(biāo)的要求。

3)解釋

在教師引導(dǎo)下，學(xué)生逐步獲得正確的結(jié)果，此時(shí)要鼓勵(lì)學(xué)生用自己的理解和語言進(jìn)行闡述。解釋階段是5E教學(xué)模式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是學(xué)生理論自我建構(gòu)過程。

在教案的設(shè)計(jì)中將本階段分成了2個(gè)部分：首先，在學(xué)生確定轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有較好的起動(dòng)效果后，授課教師便引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步討論“為什么雙閉環(huán)具有較好的起動(dòng)性能呢？”，并在解釋環(huán)節(jié)中做出詳盡的推導(dǎo)。第二，對(duì)期望的起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速和電流的靜特性曲線進(jìn)行描述。并引導(dǎo)學(xué)生將期望靜特性和實(shí)際靜特性進(jìn)行對(duì)比，獲得轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)特點(diǎn)的初步的結(jié)論。

結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，在第一部分內(nèi)容中，學(xué)生都會(huì)逐步獲得以下知識(shí)點(diǎn)：①聯(lián)系到以往的知識(shí)——運(yùn)動(dòng)方程式，確定縮短起動(dòng)時(shí)間、提高加速度的方法在于增大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩與制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的差值上；②起動(dòng)過程電流多大合適，電流對(duì)應(yīng)了電磁轉(zhuǎn)矩，能夠獲得的最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的是最大電流。

第二部分內(nèi)容上，期望的靜特性曲線需要授課教師幫助學(xué)生對(duì)兩個(gè)狀態(tài)加以區(qū)分，學(xué)生確定了兩個(gè)狀態(tài)后，能夠很快完成期望靜特性和實(shí)際靜特性的對(duì)比。

4)遷移

本環(huán)節(jié)的目的是在獲得正確的結(jié)論后，能夠進(jìn)一步地深入研究及實(shí)現(xiàn)知識(shí)的拓展。

教案的設(shè)計(jì)中，要引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合雙閉環(huán)仿真程序進(jìn)行起動(dòng)過程的轉(zhuǎn)速、電流變化情況進(jìn)行總結(jié)。由授課教師給出雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的三個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)：飽和非線性控制、轉(zhuǎn)速的超調(diào)和準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制，學(xué)生通過實(shí)際特性與期望特性的比較確定這三個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)的正確性。最后授課教師提出不同的工況要求和參數(shù)要求，引導(dǎo)學(xué)生通過仿真程序進(jìn)行仿真并獲得調(diào)節(jié)器的作用。

在教學(xué)實(shí)踐中，由于教學(xué)時(shí)間的限制，不能在一次教學(xué)活動(dòng)中完成全部環(huán)節(jié)，一些拓展活動(dòng)可以留作課后思考題。其內(nèi)容有：在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，嘗試改變調(diào)節(jié)器參數(shù)，觀測(cè)并總結(jié)調(diào)節(jié)器參數(shù)對(duì)運(yùn)行性能的影響。

5)評(píng)價(jià)

本環(huán)節(jié)的目的在于明確學(xué)生活動(dòng)的收獲和鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)研究過程進(jìn)行反思，同時(shí)，評(píng)價(jià)也為教師提供了一個(gè)評(píng)估自己教學(xué)過程和效果的機(jī)會(huì)。

在這一階段可以用正式或非正式的方法評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)新知識(shí)的理解及應(yīng)用能力。如果用正式的方法評(píng)價(jià)，教師可以采用紙筆測(cè)驗(yàn)和觀察現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)等形式；如果采用非正式評(píng)價(jià)，教師可以在整個(gè)教學(xué)過程的任何時(shí)候進(jìn)行。在本教案的設(shè)計(jì)中采用了正式的方法評(píng)價(jià)，主要涉及四方面內(nèi)容：①針對(duì)探索階段出現(xiàn)的錯(cuò)誤方案所進(jìn)行的反思；②考核學(xué)生對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)基本概念的掌握和特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)。③給出工況和調(diào)節(jié)器參數(shù)改變的具體實(shí)例，檢查學(xué)生在遷移階段的掌握情況。④提出一些開放式問題對(duì)學(xué)生掌握情況做了進(jìn)一步的提升。

在教學(xué)實(shí)踐中，通過此階段確定學(xué)生是否能夠有效掌握教學(xué)內(nèi)容的相關(guān)知識(shí)和技能。良好的評(píng)價(jià)就能說明本次教學(xué)活動(dòng)中采用5E教學(xué)模式是行之有效的。

2 實(shí)踐效果與注意事項(xiàng)

2.1 實(shí)踐效果

通過2015年度在我校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)“電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)”課程的教學(xué)活動(dòng)中應(yīng)用的檢驗(yàn)，將5E教學(xué)模式應(yīng)用在此課程的教學(xué)活動(dòng)中，獲得了很好的教學(xué)效果，達(dá)到了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和知識(shí)掌握程度提升的預(yù)期目標(biāo)。

通過與往年教學(xué)過程的比較，本年度獲得良好教學(xué)效果主要體現(xiàn)在學(xué)生主觀能動(dòng)性的調(diào)動(dòng)上。在5E教學(xué)模式下，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣明顯提升，態(tài)度積極；面對(duì)問題能夠提出新的想法，修正錯(cuò)誤，不斷接近正確的結(jié)論；學(xué)習(xí)過程拓寬了學(xué)生的思路、強(qiáng)化了學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，通過知識(shí)點(diǎn)的不斷重構(gòu)，形成了正確的理論體系。

2.2 注意事項(xiàng)

(1)授課教師必須具備足夠的掌控能力。一方面，教學(xué)目的要明確，要保證教學(xué)的有序性；另一方面，由于5E教學(xué)模式的教學(xué)過程和教學(xué)思路是多源的、發(fā)散的，不可避免會(huì)發(fā)生各種突發(fā)狀況。因此，教師需要盡量對(duì)教學(xué)過程有詳盡的教案，并進(jìn)行發(fā)展趨勢(shì)和控制范疇的有效預(yù)估。所以欠缺豐富的教學(xué)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的教師難以勝任。

(2)授課教師必須在教學(xué)過程中接受學(xué)生逐步熟悉的過程，可以先培養(yǎng)個(gè)別勇于表現(xiàn)的學(xué)生，并在過程中由這些學(xué)生帶動(dòng)其他學(xué)生參與進(jìn)來。

(3)要選擇概念清晰、推導(dǎo)多樣化、但結(jié)論具有收斂性的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行5E教學(xué)模式實(shí)踐。也不要在一門課的一開始就采用，要留給學(xué)生對(duì)相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)認(rèn)知的過程。

(4)不同于案例教學(xué)，5E教學(xué)模式(尤其是探究環(huán)節(jié))允許學(xué)生犯錯(cuò)誤，但授課教師需要控制，不能放任錯(cuò)誤發(fā)散，教師要恰當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，將學(xué)生在錯(cuò)誤的路上及時(shí)回頭。

(5)不同的課程或課程中不同的內(nèi)容之間不能停留在表面形式的模仿層面，而是應(yīng)該充分理解其理論基礎(chǔ)和精髓所在，在教學(xué)中不斷實(shí)踐和反思，做到靈活運(yùn)用。

(6)5E教學(xué)模式相對(duì)于傳統(tǒng)講授型教學(xué)過程需要更多的學(xué)時(shí)。建議首個(gè)采用的知識(shí)點(diǎn)可以隨堂完成，后續(xù)的知識(shí)點(diǎn)的部分環(huán)節(jié)(比如探究、遷移和評(píng)價(jià)環(huán)節(jié))可以留為課后完成，課堂總結(jié)。

3 結(jié)語

5E教學(xué)模式是眾多探究式教學(xué)模式中的顯著代表之一，雖然筆者認(rèn)為5E教學(xué)模式在應(yīng)用過程具有諸多注意事項(xiàng)，但是通過“電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)”課程的典型應(yīng)用，其在激發(fā)學(xué)生潛能、幫助學(xué)生構(gòu)建知識(shí)體系方面的作用是不能否定的。

(張敬南文)

5E教學(xué)模式在理論性和實(shí)踐性均較強(qiáng)的理工類專業(yè)課程中應(yīng)用具有可行性，但也不能斷言其一定優(yōu)于其他教學(xué)模式，還要考慮教學(xué)內(nèi)容、授課教師、學(xué)生基礎(chǔ)等多方面因素的影響，實(shí)際的教學(xué)過程中需要根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目的，根據(jù)師生特點(diǎn)綜合應(yīng)用不同教學(xué)模式，并不斷在教學(xué)實(shí)踐中加以檢驗(yàn)和革新。

[1] 劉寅齊，趙應(yīng)吉. 建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論對(duì)多媒體網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下大學(xué)英語自主學(xué)習(xí)的啟示[J]. 北京：中國(guó)大學(xué)教學(xué). 2007(8):84-86

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Application of Typical Teaching Case Based on 5E Teaching Mode

ZHANG Jing-nan

(CollegeofAutomation,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)

The 5E teaching mode in biology is applied to the course of Electric Drive Control System. The teaching case using the 5E teaching mode is designed and practiced of the teaching process, and the effect is obvious. Combined with the practical experience of teacher, the considerations of 5E teaching mode are summarized.

5E teaching mode; electric drive control system; teaching case

2015-11-03;

2015-12-09 基金項(xiàng)目：黑龍江省教育科學(xué)規(guī)劃課題(GJC1215018)

張敬南(1975-), 男，博士，副教授，主要從事電氣工程及其自動(dòng)化教學(xué)和研究工作, E-mail：zhangjingnan@hrbeu.edu.cn

TM921

A

1008-0686(2016)05-0075-04