PBL教學(xué)模式在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程中的應(yīng)用

賈艷輝　寇尊權(quán)　羅彥茹　劉國君

摘要：本文首次將PBL教學(xué)模式引入機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)中，構(gòu)建了具體的PBL教學(xué)方案，并進(jìn)一步明確了方案實(shí)施中的核心問題。在方案應(yīng)用過程中，從前期準(zhǔn)備、課堂教學(xué)安排、教師與學(xué)生的關(guān)系及評價(jià)方法等方面進(jìn)行了具體介紹。最后，對目前PBL教學(xué)推進(jìn)中存在的問題進(jìn)行分析，目的在于促進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革的深入發(fā)展。

關(guān)鍵詞：PBL教學(xué)法；機(jī)械設(shè)計(jì)；教學(xué)模式

doi：10.16083/j.cnki.1671-1580.2018.10.020

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671—1580（2018）10—0083—04

根據(jù)教育部高教司關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知，“高等工程教育在我國高等教育中占有重要的地位。深化工程教育改革、建設(shè)工程教育強(qiáng)國，對服務(wù)和支撐我國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級意義重大”，“當(dāng)前國家推動創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，對工程技術(shù)人才提出了更高要求，迫切需要加快工程教育改革創(chuàng)新”。由此可以看出，培養(yǎng)適合當(dāng)前國家重大戰(zhàn)略的工程技術(shù)人才，是高等工科院校的首要任務(wù)。隨著新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如何解決傳統(tǒng)的知識體系適應(yīng)新經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，如何更好地培養(yǎng)復(fù)合型、創(chuàng)新型人才是教學(xué)改革的面臨首要任務(wù)。

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程是機(jī)械及近機(jī)械專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)學(xué)生的工程意識教育中起著承上啟下的作用，是學(xué)生構(gòu)建工程知識背景，培養(yǎng)工程設(shè)計(jì)思維和能力的重要環(huán)節(jié)。而在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，實(shí)踐教學(xué)的訓(xùn)練尤為重要，它是學(xué)生在校期間首次獨(dú)立完成的整機(jī)設(shè)計(jì)，是一次利用所學(xué)基礎(chǔ)知識解決實(shí)際工程問題的全面訓(xùn)練。在我校的教學(xué)計(jì)劃安排中由于學(xué)生多、課業(yè)重，無法將理論課程與實(shí)踐環(huán)節(jié)貫通，有的專業(yè)理論和實(shí)踐環(huán)節(jié)相隔了一年的時(shí)間，實(shí)踐效果很不理想。因此，我們引入了PBL教學(xué)模式，力圖改變傳統(tǒng)的、獨(dú)立的課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練方式，將理論課程與實(shí)踐環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合，讓學(xué)生以問題為切入點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生主動探索知識的積極性，在教師有目的的引導(dǎo)下由淺入深利用所學(xué)知識解決實(shí)際工程問題，以達(dá)到提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)、實(shí)踐創(chuàng)新能力的目的。

一、PBL概述

PBL（Problem-Based Learning）即問題式學(xué)習(xí)，是一種以真實(shí)情景中的需要為基礎(chǔ)的、以學(xué)生為中心的自我引導(dǎo)式教學(xué)方法。PBL是1969年由美國神經(jīng)病學(xué)教授Barrows在加拿大的麥克馬斯特大學(xué)首創(chuàng)，開始主要是在醫(yī)學(xué)院校中推行，在美國先后有100余所醫(yī)學(xué)院校全部或部分學(xué)科采用PBL教學(xué)模式培養(yǎng)醫(yī)學(xué)人才。20世紀(jì)90年代初引入我國，經(jīng)過40多年的發(fā)展，PBL教學(xué)在醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)中的深入以及取得的成效，也促進(jìn)了PBL在其他領(lǐng)域的人才培養(yǎng)中的應(yīng)用，如教育學(xué)、工程學(xué)、建筑學(xué)、管理學(xué)等。

PBL教學(xué)模式的基本特點(diǎn)有以下幾方面。

以問題為切入點(diǎn)，以解決問題為目的。在理解和解釋問題的過程中，學(xué)生從逐步整理已有的知識點(diǎn)，尋找新的知識點(diǎn)，到最終形成完整的知識體系，就是PBL教學(xué)模式一直強(qiáng)調(diào)的理論構(gòu)建過程。

以學(xué)生為中心，教師為輔導(dǎo)，以小組交流、討論、協(xié)助的形式完成任務(wù)。強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者在知識構(gòu)建過程中的主體地位，注重對學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和習(xí)慣的培養(yǎng)。

注重評價(jià)和反饋過程。多元化評價(jià)方法和多通道的信息反饋過程，是教師判別學(xué)生是否真正達(dá)到學(xué)習(xí)目的的手段，也是學(xué)生強(qiáng)化知識體系、發(fā)現(xiàn)不足之處、相互取長補(bǔ)短的重要環(huán)節(jié)。另外，學(xué)生在當(dāng)前特定問題中所取得的成功經(jīng)驗(yàn)，能夠直接或間接地促進(jìn)后續(xù)相關(guān)研究的學(xué)習(xí)成效。

二、PBL在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)中的模式設(shè)計(jì)

（一）PBL教學(xué)與機(jī)械設(shè)計(jì)課程結(jié)合的必要性分析

PBL的教學(xué)模式的具體步驟如1所示，從問題識別開始到解決問題的過程中，學(xué)生需經(jīng)過判別思考、梳理已有知識、學(xué)習(xí)新知識、小組討論、查找資料、方案制定、修改、答辯各個(gè)環(huán)節(jié)。將這種學(xué)習(xí)模式應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)中優(yōu)勢在于以下幾點(diǎn)。

1.在整個(gè)過程中以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，避免了傳統(tǒng)填鴨式教學(xué)的被動局面。通過小組討論、互相切磋的過程，可以充分調(diào)動學(xué)生的積極性，激發(fā)學(xué)習(xí)潛能，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)。機(jī)械設(shè)計(jì)是理論與實(shí)踐結(jié)合非常緊密的課程，如果學(xué)生沒有求知欲望，是很難做到學(xué)以致用的，也就無法達(dá)到教學(xué)的基本目標(biāo)。

2.解決了傳統(tǒng)課程設(shè)置中理論與實(shí)踐課程脫節(jié)的問題。學(xué)生以問題為出發(fā)點(diǎn)，在解決問題的過程中，學(xué)習(xí)了機(jī)械設(shè)計(jì)的主要知識點(diǎn)，并將其應(yīng)用于方案設(shè)計(jì)中，在反復(fù)的修改、優(yōu)化過程中做到理論與實(shí)踐的結(jié)合。

3.PBL教學(xué)與工程專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中對學(xué)生的畢業(yè)要求指標(biāo)高度契合。工程專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中，對機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生畢業(yè)要求有12條，其中對問題分析和終身學(xué)習(xí)能力提出了明確要求（如圖1），經(jīng)過PBL過程訓(xùn)練，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)習(xí)慣養(yǎng)成和分析問題能力都會得到有效提高。

（二）機(jī)械設(shè)計(jì)課程的PBL教學(xué)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)PBL的核心要素，結(jié)合“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程的特點(diǎn)及現(xiàn)階段學(xué)校教學(xué)的基本設(shè)施，提出了基于PBL的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)施方案，如圖2所示。該方案以問題為出發(fā)點(diǎn)，將機(jī)械設(shè)計(jì)的基本知識內(nèi)容劃分為初級、中級、高級三個(gè)層次，由淺入深、環(huán)環(huán)相扣，由理論到實(shí)踐的原則設(shè)置問題，較好地解決了機(jī)械設(shè)計(jì)課程知識點(diǎn)零散，連貫性差，理論和實(shí)踐脫節(jié)的問題。

（三）PBL方案實(shí)施中需要解決的關(guān)鍵問題

1.教學(xué)內(nèi)容重組與問題設(shè)定

按PBL設(shè)計(jì)的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)方案，需打破原有教材的各章節(jié)，將其主要內(nèi)容進(jìn)行重新組合，重組的原則是以該課程需掌握的各個(gè)核心技術(shù)能力為目標(biāo)，確定達(dá)到該目標(biāo)的考查項(xiàng)目，即形成圖2所示的中級問題。在現(xiàn)階段的教學(xué)設(shè)計(jì)中我們將機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的核心技能劃分為四個(gè)部分：機(jī)構(gòu)學(xué)認(rèn)知、標(biāo)準(zhǔn)件應(yīng)用、典型傳動件設(shè)計(jì)和軸系部件的設(shè)計(jì)。每個(gè)部分設(shè)計(jì)若干問題，學(xué)生以小組為單位自行選擇題目，根據(jù)中級問題梳理其相關(guān)的知識點(diǎn)，提出初級問題。初級問題一般由教師給定，本著由簡單到復(fù)雜的原則，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，并能夠在預(yù)習(xí)和查資料過程中發(fā)現(xiàn)和提出新問題；在中級問題完成時(shí)，學(xué)生已經(jīng)掌握了該課程的主要知識點(diǎn)，形成以問題為中心的知識體系，順理成章地可以進(jìn)入到高級問題的解答，高級問題的設(shè)定是教師根據(jù)學(xué)生應(yīng)達(dá)到的培養(yǎng)目標(biāo)，與學(xué)生討論共同制定的。問題應(yīng)為符合實(shí)際工況的綜合性的整機(jī)設(shè)計(jì)，可以是學(xué)生感興趣的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，也可以與指導(dǎo)教師科研項(xiàng)目相關(guān)的現(xiàn)實(shí)問題，選題應(yīng)以學(xué)生的意愿為主，教師主要把握題目的難易程度及是否與教學(xué)目標(biāo)相符。

2.開發(fā)網(wǎng)絡(luò)資源

為保證學(xué)生自主學(xué)習(xí)的有效性，提高學(xué)習(xí)效率，基于吉林大學(xué)校內(nèi)教改項(xiàng)目課題組研究開發(fā)了兩個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)系列課程的網(wǎng)絡(luò)支持系統(tǒng)。

（1）機(jī)械設(shè)計(jì)課程實(shí)踐平臺

該平臺是以拓展學(xué)生知識面和工程背景為核心，以提高大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力為目標(biāo)，以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為載體，集知識性、趣味性于一體的綜合性、創(chuàng)新性實(shí)踐平臺。具體內(nèi)容包括：1）建立了創(chuàng)新實(shí)踐平臺基本框架，開發(fā)創(chuàng)新設(shè)計(jì)指導(dǎo)模塊，其中包括創(chuàng)造性思維、創(chuàng)造原理、常用創(chuàng)新技法、機(jī)械原理方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、反求設(shè)計(jì)等內(nèi)容。2）開發(fā)工程背景知識模塊，根據(jù)多年指導(dǎo)課程設(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，按典型零件結(jié)構(gòu)、機(jī)械工作原理、零件加工方法進(jìn)行分類，以視頻和圖片的形式提交到平臺中。

（2）機(jī)械設(shè)計(jì)系列課程網(wǎng)絡(luò)自主研究性學(xué)習(xí)平臺

該平臺是以學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下自主學(xué)習(xí)、基于問題的研究性學(xué)習(xí)目標(biāo)，并能夠適應(yīng)學(xué)習(xí)者網(wǎng)絡(luò)化、個(gè)性化、多樣化學(xué)習(xí)需求的教學(xué)輔助平臺。該平臺具有師生互動、學(xué)習(xí)者之間的提問交流、檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果、提交作業(yè)、報(bào)告等功能，不但能為學(xué)生自主獲取知識提供有效幫助，還可以及時(shí)監(jiān)測學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，調(diào)整學(xué)習(xí)計(jì)劃。

三、教學(xué)實(shí)施過程

（一）課前準(zhǔn)備

開課之前，教師通過網(wǎng)絡(luò)平臺介紹本課程的基本要求、學(xué)習(xí)方式、分組形式、考核標(biāo)準(zhǔn)及必備的教材和參考書，選課的學(xué)生通過點(diǎn)名的方式回復(fù)，確認(rèn)已對上述內(nèi)容清楚了解。確認(rèn)之后，學(xué)生可以看到PBL學(xué)習(xí)框圖及相應(yīng)的任務(wù)要求，初步了解課程的設(shè)置形式，教學(xué)的基本目標(biāo)，并首次接受教師布置的初級問題，這些問題需要在上課之前完成。學(xué)生可以通過教材、參考書、和網(wǎng)絡(luò)資源尋找問題的答案，每一級別的問題難易程度亦是由淺入深設(shè)置，學(xué)生經(jīng)過自主探究后還不能完全理解的共性的問題，也正是教師要在課堂上組織討論、講解的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，讓學(xué)生帶著問題進(jìn)入課堂學(xué)習(xí)，會達(dá)到事半功倍的學(xué)習(xí)效果。

（二）PBL中的教師和學(xué)生

從前面的分析可知，PBL教學(xué)以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為中心，教師的作用是引導(dǎo)、啟發(fā)和督促，激發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的意識和解決問題的能力。隨著知識的積累，學(xué)生自主學(xué)習(xí)的時(shí)間會逐漸增多，大量的時(shí)間會用在查資料、小組討論、師生交流、撰寫報(bào)告上。習(xí)慣了傳統(tǒng)教學(xué)方式的學(xué)生，剛開始一段時(shí)間很不適應(yīng)PBL中小組討論和交流，經(jīng)常出現(xiàn)冷場的現(xiàn)象。原因一是學(xué)生準(zhǔn)備不足，沒有自己的觀點(diǎn)；二是不會表達(dá)或不敢表達(dá)自己的想法。這個(gè)時(shí)期教師需要經(jīng)常參與學(xué)生的討論，發(fā)現(xiàn)問題所在，及時(shí)調(diào)整分工、鼓勵(lì)每一個(gè)學(xué)生表達(dá)自己的觀點(diǎn)，使學(xué)生真正感受到解決問題后的成就感。學(xué)生會從小組協(xié)作中鍛煉自己合作能力，增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)意識，發(fā)現(xiàn)自己的潛質(zhì)和特長。學(xué)生接受這種學(xué)習(xí)模式后，教師只需定期檢查學(xué)生項(xiàng)目進(jìn)展情況、查看討論記錄即可，將學(xué)習(xí)的主動權(quán)交給學(xué)生，讓學(xué)生能在解決問題的過程中，不斷發(fā)現(xiàn)新問題，學(xué)習(xí)新知識，在多次交流、反思過程中構(gòu)建完整的知識框架。

（三）課堂教學(xué)環(huán)節(jié)

目前運(yùn)行的PBL下的課堂環(huán)節(jié)，主要有共性問題講解、師生交流、初級問題測驗(yàn)和中級問題小組匯報(bào)等環(huán)節(jié)。各個(gè)環(huán)節(jié)是交叉進(jìn)行的，即在前一個(gè)核心技能進(jìn)入中期問題階段時(shí)，后一個(gè)核心技能的初級問題已經(jīng)開始，這樣螺旋式的進(jìn)階方式有助于學(xué)生捕捉知識點(diǎn)的連貫性，形成完整的設(shè)計(jì)思維。

對于共性的、理論性強(qiáng)的知識點(diǎn)講解，也是以先討論后總結(jié)式講解的方式進(jìn)行，由于學(xué)生個(gè)體差異較大，教師會根據(jù)學(xué)生掌握的情況，進(jìn)行單獨(dú)答疑輔導(dǎo)。中級、高級問題匯報(bào)一般在方案設(shè)計(jì)基本完成的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行，以小組為單位制作PPT介紹項(xiàng)目總體思路，設(shè)計(jì)方案和目前存在的問題等，各組之間互相提問、點(diǎn)評。通過學(xué)生的講解和討論，教師可以及時(shí)掌握項(xiàng)目進(jìn)展?fàn)顩r、方案的合理性、小組成員的參與情況以及是否達(dá)到預(yù)期的項(xiàng)目設(shè)置要求，根據(jù)各組情況給出建議和意見，以便學(xué)生進(jìn)行后續(xù)工作。

（四）多元評價(jià)與反饋

按我?，F(xiàn)行的教學(xué)大綱要求，機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程包含理論和實(shí)踐兩部分，都有各自的學(xué)分。雖然在執(zhí)行PBL教學(xué)時(shí)將理論與實(shí)踐課程（即圖2中的高級問題）貫通，但在評價(jià)時(shí)必須給定兩個(gè)分?jǐn)?shù)。理論課的評價(jià)采用過程評價(jià)結(jié)合期末成績的方式進(jìn)行，過程評價(jià)包括：平時(shí)測驗(yàn)、大作業(yè)、課堂表現(xiàn)、小組討論參與度等方面組成，通過折算與期末成績相加得到學(xué)生最終的理論課成績。實(shí)踐課成績采用如表1所示的評價(jià)方式，每個(gè)學(xué)生的最終成績由三部分組成：小組內(nèi)成績是小組成員（包括本人）打分后求平均值；小組外成績是其他小組對該組打分后求平均值；教師則需要給每個(gè)學(xué)生打分，三項(xiàng)加權(quán)求和后得到學(xué)生的最終成績。讓學(xué)生參與自評與互評過程，既是對學(xué)習(xí)過程的回顧與反思，也是對個(gè)人和小組學(xué)習(xí)能力的促進(jìn)和加強(qiáng)。

四、總結(jié)

以“問題”為切入點(diǎn)，以學(xué)生自主探究為主的PBL教學(xué)模式是對傳統(tǒng)教學(xué)課堂授課教學(xué)方法的變革。PBL教學(xué)突出了工程素質(zhì)的培養(yǎng)，注重學(xué)生的結(jié)構(gòu)性知識構(gòu)建、有效思維過程和自主學(xué)習(xí)能力的強(qiáng)化。從試點(diǎn)班級的實(shí)踐結(jié)果來看，學(xué)生的實(shí)踐能力和自學(xué)能力得到明顯提高。但是，在實(shí)踐過程中筆者也發(fā)現(xiàn)影響PBL教學(xué)進(jìn)一步發(fā)展的幾個(gè)問題：1）學(xué)生課業(yè)重，沒有充足的自主學(xué)習(xí)時(shí)間；2）師生比嚴(yán)重不足，PBL教學(xué)要求以小組的形式討論、交流，要求每一組至少有一名指導(dǎo)教師，教師要付出比傳統(tǒng)課程更多的時(shí)間和精力；3）教學(xué)資源問題，實(shí)驗(yàn)設(shè)備、學(xué)生的學(xué)習(xí)空間都嚴(yán)重不足；4）對教學(xué)設(shè)計(jì)者的能力培養(yǎng)問題，PBL教學(xué)還缺乏完整的設(shè)計(jì)。為PBL教學(xué)能有更高、更廣的發(fā)展空間，讓更多的學(xué)生受益，專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃的設(shè)計(jì)者應(yīng)將其作為課程體系建設(shè)的一部分通盤考慮。