基于雙PBL模式的機(jī)電綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與探索

田豐+丁保華+李允旺

摘 要 針對(duì)機(jī)電綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，對(duì)比分析以問題為基礎(chǔ)的教學(xué)法和以項(xiàng)目為基礎(chǔ)的教學(xué)法的優(yōu)點(diǎn)，將兩種PBL教學(xué)模式交叉融合，提出一種雙PBL教學(xué)方法。以一個(gè)項(xiàng)目課題作為綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，探討雙PBL教學(xué)方法的可行性。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，雙PBL教學(xué)法能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力、動(dòng)手能力、綜合知識(shí)運(yùn)用能力和團(tuán)隊(duì)合作能力等，從而大大改善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 基于問題的學(xué)習(xí) 基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí) 綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.10.040

0 引言

大學(xué)教育中學(xué)生除了接受扎實(shí)理論教學(xué)外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)更是重中之重，是培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才的關(guān)鍵。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍是以驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為主的教學(xué)模式，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和主動(dòng)探索的精神等方面還存在不足，學(xué)生缺乏綜合實(shí)踐能力培養(yǎng)。[1]傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足學(xué)生的需求，針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題，許多教師對(duì)教學(xué)模式、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、講授和考核方式進(jìn)行了探索，提出了許多創(chuàng)新性的教學(xué)方法，在很大程度上幫助學(xué)生更好地完成實(shí)驗(yàn)，提高了實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量。但是教學(xué)方法的改革不僅僅為了創(chuàng)新，更重要的是要達(dá)到教書育人和培養(yǎng)人才為目的。因此要綜合考慮綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)、教學(xué)條件、不同專業(yè)學(xué)生層次類型、教師自身的素質(zhì)，借鑒不同教學(xué)方法的優(yōu)點(diǎn)，采取適合的教學(xué)方法，進(jìn)行優(yōu)化組合，對(duì)學(xué)生進(jìn)行因材施教。

目的學(xué)習(xí)模式引入機(jī)電綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)，圍繞改革的教學(xué)方法配備更新實(shí)驗(yàn)資源和設(shè)計(jì)新的教學(xué)內(nèi)容，以滿足新型工業(yè)化條件下高等教育人才培養(yǎng)的需要。[2][3]

1 基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)和基于問題的學(xué)習(xí)

項(xiàng)目教學(xué)起源于18世紀(jì)歐洲的工讀教育和19世紀(jì)的美國合作教育，于20世紀(jì)初得到蓬勃發(fā)展。[4]項(xiàng)目教學(xué)是教師和學(xué)生的“共同事業(yè)”，老師組織學(xué)生參加項(xiàng)目設(shè)計(jì)、執(zhí)行、總結(jié)和評(píng)價(jià)，學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施過程中鍛煉了自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力、綜合應(yīng)用能力以及團(tuán)結(jié)協(xié)作能力，教師自身的實(shí)踐能力也同時(shí)得到了提高。項(xiàng)目最終的結(jié)果不僅要用到所學(xué)到的理論知識(shí)，還要學(xué)習(xí)一些新的理論知識(shí)，項(xiàng)目往往需要學(xué)生，教師或有關(guān)部門機(jī)構(gòu)相互協(xié)作共同完成。[5]

基于問題的教學(xué)法，目前已成為國際上流行的人才培養(yǎng)模式。[6]該教學(xué)法主體為學(xué)生，教師是引導(dǎo)者，[7]以問題為學(xué)習(xí)起點(diǎn)開展討論來獲取與主體相關(guān)的知識(shí)，讓學(xué)生自己勇于發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，增強(qiáng)學(xué)生主動(dòng)探究新事物動(dòng)力。[5]PBL教學(xué)往往以學(xué)習(xí)組的形式出現(xiàn)，小組成員互助合作，團(tuán)隊(duì)合作的精神得到了鍛煉。PBL學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生有效吸收到了所學(xué)知識(shí)，運(yùn)用知識(shí)能力顯著提高，真正做到了“學(xué)以致用”。

針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)存在的問題，根據(jù)機(jī)電綜合實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，綜合兩種PBL教學(xué)方法的優(yōu)點(diǎn)，將其交叉融合到教學(xué)過程中，提出一種新的教學(xué)模式——雙PBL教學(xué)模式，這也是對(duì)該課程教育理念的一次創(chuàng)新。[8]綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)置以項(xiàng)目課題性質(zhì)去設(shè)計(jì)，讓學(xué)生盡早介入工程實(shí)踐類項(xiàng)目，豐富學(xué)生對(duì)教材以外知識(shí)的認(rèn)識(shí)、體驗(yàn)和經(jīng)歷，拓寬學(xué)生視野，在實(shí)踐中完成創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，[9]在綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目課題實(shí)施過程中，把項(xiàng)目任務(wù)分解成各種任務(wù)問題，在問題背景下，驅(qū)動(dòng)學(xué)生理解概念、原理、問題的本質(zhì)和獲取新知識(shí)的方法。

2 雙PBL教學(xué)模式在機(jī)電綜合實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

2.1 機(jī)電綜合實(shí)驗(yàn)雙PBL教學(xué)模式實(shí)施方案

在我院的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，機(jī)電綜合實(shí)驗(yàn)是非常重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，如圖1為雙PBL模式教學(xué)框架，目前我院學(xué)生采取大類的培養(yǎng)模式，每個(gè)學(xué)生所學(xué)知識(shí)不能全部涵蓋綜合實(shí)驗(yàn)知識(shí)范圍，需要組成團(tuán)隊(duì)共同完成，因此小組成員的知識(shí)結(jié)構(gòu)要合理匹配?？紤]到學(xué)生未來就業(yè)的背景，創(chuàng)設(shè)的項(xiàng)目來自教師現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目課題或者模擬今后的工作情境，讓學(xué)生置于真實(shí)的情境中綜合運(yùn)用知識(shí)來解決問題。項(xiàng)目課題實(shí)施前首先進(jìn)行內(nèi)容分析，創(chuàng)設(shè)問題情境，教師設(shè)計(jì)的問題要能帶動(dòng)學(xué)生的思維由淺入深，通過努力逐步接近問題目標(biāo)。問題解決形式要多樣化，給學(xué)生保留更大的思維空間，充分利用多種學(xué)習(xí)方式，尋找最佳的項(xiàng)目問題解決方案。學(xué)生最后的成績?cè)u(píng)定需要采取自評(píng)、小組互評(píng)、教師評(píng)價(jià)相結(jié)合，最終給學(xué)生一個(gè)公平公正的成績?cè)u(píng)定。下面以一個(gè)教師的實(shí)踐課題“軌道式電纜隧道巡檢機(jī)器人”作為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，把雙PBL教學(xué)方法應(yīng)用于該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

2.2 設(shè)計(jì)項(xiàng)目，創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境問題

2.2.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目課題的選擇直接影響到學(xué)生整個(gè)實(shí)踐過程，而科技創(chuàng)新往往發(fā)生在學(xué)科交叉領(lǐng)域，因此首先應(yīng)當(dāng)保證多門學(xué)科專業(yè)知識(shí)點(diǎn)能夠融入到實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，又要保證項(xiàng)目來自實(shí)際或逼近實(shí)際情境，有一定代表性、實(shí)用性、啟發(fā)性等。[10]目前，隨著國家提出中國制造2025，我國工業(yè)機(jī)器人發(fā)展進(jìn)行的如火如荼，因此學(xué)生對(duì)“軌道式電纜隧道巡檢機(jī)器人”這個(gè)項(xiàng)目課題比較感興趣。針對(duì)這個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，采取基于項(xiàng)目的教學(xué)法，在項(xiàng)目進(jìn)行過程中培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)綜合應(yīng)用能力，使學(xué)到的專業(yè)知識(shí)得到運(yùn)用和提升。

2.2.2 教學(xué)情境問題設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施過程中，會(huì)遇到各種各樣的問題，在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師更多的介入在很大程度上限制了學(xué)生對(duì)問題的思考，學(xué)生解決問題的能力有所欠缺，因此需要改變傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)模式，采取基于問題的教學(xué)法，以問題為學(xué)習(xí)起點(diǎn)，學(xué)生作為主體，教師為引導(dǎo)者。[11]因此教學(xué)情境問題的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，首先要考慮學(xué)生是否有能力完成和方便對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能力的檢測(cè)，保證通過問題的解決達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)。而問題設(shè)計(jì)的質(zhì)量對(duì)基于問題和項(xiàng)目教學(xué)法的成功實(shí)施也會(huì)產(chǎn)生直接的影響。

針對(duì)“軌道式電纜隧道巡檢機(jī)器人”這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)的問題分為兩個(gè)層次的問題，[12]“第一層次問題” 來自于工程實(shí)踐的真實(shí)情境，涉及機(jī)械設(shè)計(jì)、電路、傳感檢測(cè)、微機(jī)原理與接口、網(wǎng)絡(luò)控制等相關(guān)知識(shí)。在這個(gè)綜合性情境中，易于檢驗(yàn)學(xué)生實(shí)際解決問題能力，激發(fā)學(xué)生的興趣，第一層次問題對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行綜合考慮，提出總體設(shè)計(jì)方案。第二層次的問題更加具體，把整個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分成多個(gè)獨(dú)立模塊單元，每個(gè)單元涉及一個(gè)“第二層次問題”，第二層次的問題的設(shè)計(jì)要豐富，有一定復(fù)雜性和深度，值得學(xué)生努力去探索，喚起學(xué)生的創(chuàng)新欲望。endprint

2.3 學(xué)習(xí)小組匹配和任務(wù)分配

在已設(shè)計(jì)好的項(xiàng)目情境基礎(chǔ)上，學(xué)生開始組成團(tuán)隊(duì)共同去完成教師精心設(shè)計(jì)的項(xiàng)目問題。首先將學(xué)生分成項(xiàng)目小組，在教師的指導(dǎo)下合理匹配小組成員的知識(shí)結(jié)構(gòu)，人員匹配不合理會(huì)直接影響總體實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度。每個(gè)小組成員在交流過程中輪流作為負(fù)責(zé)人，充分發(fā)揮成員學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、協(xié)作性。把項(xiàng)目課題分解成各個(gè)具體任務(wù)單元由組員分別來完成，學(xué)生最終要遞交一個(gè)結(jié)果，因此需要團(tuán)隊(duì)付出更多努力，將項(xiàng)目完成過程中的任務(wù)各個(gè)擊破，遇到的困難小組成員首先進(jìn)行組內(nèi)交流，尋求最佳的問題解決途徑，教師在這個(gè)過程中要密切關(guān)注學(xué)生的進(jìn)展情況，適時(shí)參與學(xué)生間交流，對(duì)他們積極引導(dǎo)和促進(jìn)，避免學(xué)生走彎路，浪費(fèi)大量的時(shí)間。

2.4 開展小組學(xué)習(xí)探究，合作解決問題

項(xiàng)目小組團(tuán)隊(duì)建立之后，小組成員要對(duì)任務(wù)制定嚴(yán)格的工作學(xué)習(xí)計(jì)劃，為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的完成做各種準(zhǔn)備。如圖2為任務(wù)實(shí)施過程流程圖， 針對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提出問題情境，小組成員首先對(duì)問題進(jìn)行分析，借助各種手段獲取解決問題的知識(shí)，包括已擁有的知識(shí)，自學(xué)到的知識(shí)，提出問題可能的解決方案。在已提出問題情境的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步挖掘更深層次的問題，經(jīng)過再學(xué)習(xí)，獲取解決問題的新知識(shí)。如果每個(gè)小組方案經(jīng)過反復(fù)討論仍然無法確定方案，需要成員繼續(xù)分析問題情境，繼續(xù)學(xué)習(xí)，同時(shí)借鑒同組其他成員共享的資料，補(bǔ)充解決問題需要的新知識(shí)，另外小組成員之間要相互協(xié)調(diào)，發(fā)揮團(tuán)隊(duì)合作精神，完成自己任務(wù)方案制定的同時(shí)，還要兼顧其他成員的任務(wù)方案制定，最終在老師的指導(dǎo)下確認(rèn)問題解決方案。

電纜隧道巡檢機(jī)器人方案確定后，開始進(jìn)行單元模塊設(shè)計(jì)階段，考慮部分小組成員已掌握了機(jī)械設(shè)計(jì)方面的知識(shí)，如圖3，首先用軟件SolidWorks設(shè)計(jì)機(jī)器人的行走軌道和行走機(jī)構(gòu)的三維圖，在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)行機(jī)械實(shí)體加工和測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如圖4所示。

在設(shè)計(jì)過程中，更深層次問題的解決往往需要進(jìn)行多次小組活動(dòng)，每次小組活動(dòng)選出1名負(fù)責(zé)人，輪流負(fù)責(zé)記錄問題解決過程，包括：已完成的設(shè)計(jì)內(nèi)容、問題解決方法及效果、遇到的困難、新知識(shí)的建構(gòu)、學(xué)到的新技能、創(chuàng)新性思維、下一期活動(dòng)計(jì)劃等，這不僅是基于項(xiàng)目教學(xué)法的活動(dòng)要求，也是學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績?cè)u(píng)價(jià)的內(nèi)容之一，學(xué)生在進(jìn)行活動(dòng)時(shí)，因?yàn)槿狈こ袒尘?，需要在?shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行過程中提供技術(shù)支持，由于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目往往跨越多個(gè)學(xué)科，因此需要在全院建立一個(gè)指導(dǎo)老師庫，由不同專業(yè)的老師提供更多的技術(shù)支持，學(xué)生通過和老師們交流及時(shí)獲得解決問題的方法，避免走入誤區(qū)，影響實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的進(jìn)度。

2.5 綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目評(píng)價(jià)（見表1）

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成后，需要對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)活動(dòng)進(jìn)行客觀公允的評(píng)價(jià)，表1為新的教學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)比傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)體系，新的體系體現(xiàn)在：學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性，獲取信息的能力，團(tuán)隊(duì)合作精神，自我學(xué)習(xí)能力，創(chuàng)新思維能力，綜合知識(shí)運(yùn)用和設(shè)計(jì)能力等。評(píng)價(jià)的內(nèi)容由傳統(tǒng)的知識(shí)點(diǎn)評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)過程評(píng)價(jià)和知識(shí)綜合運(yùn)用能力評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)的方式采取自我評(píng)價(jià)、小組評(píng)價(jià)和教師評(píng)價(jià)相結(jié)合。在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成的過程中，學(xué)生動(dòng)手能力、解決實(shí)際問題能力，綜合知識(shí)應(yīng)用能力、創(chuàng)新思維能力、團(tuán)隊(duì)合作能力都得到了大大的提高。教師作為引導(dǎo)者，為學(xué)生提供技術(shù)支持的同時(shí)，也在不斷提高自身理論知識(shí)和實(shí)踐能力。

3 結(jié)束語

本文首先對(duì)比分析以問題為基礎(chǔ)的教學(xué)法和以項(xiàng)目為基礎(chǔ)的教學(xué)法的優(yōu)點(diǎn)，提出雙PBL新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，根據(jù)機(jī)電綜合實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，改變傳統(tǒng)單調(diào)的教學(xué)方法，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的不足，采用多元化教學(xué)手段，以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為導(dǎo)向，以學(xué)生為中心，教師輔助引導(dǎo)，鍛煉學(xué)生自主解決實(shí)際問題的能力。隨后用 “軌道式電纜隧道巡檢機(jī)器人”項(xiàng)目課題闡述雙PBL教學(xué)模式中學(xué)生學(xué)習(xí)能力提高的過程，學(xué)生從項(xiàng)目的問題情境開始到綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的完成，項(xiàng)目小組成員間既有任務(wù)分工，又有團(tuán)隊(duì)合作，每個(gè)學(xué)生都主動(dòng)參與到實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中，真正達(dá)到機(jī)電綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的。

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