新工科建設(shè)背景下專業(yè)課程實驗教學(xué)的案例研究

李孝祿 王 旭 許滄粟 朱俊江 李運堂

1.中國計量大學(xué)機電工程學(xué)院 浙江杭州 310018

2.浙江大學(xué)海洋學(xué)院 浙江舟山 316021

3.浙江大學(xué)能源系 浙江杭州 310013

新工科建設(shè)是我國工程教育的改革方向[1]。創(chuàng)新教學(xué)方式和技術(shù)是新工科建設(shè)關(guān)鍵任務(wù)中的一環(huán)。未來幾年，需要更具互動性、智能性和個性化的教學(xué)方式與技術(shù)，包括建立在信息技術(shù)基礎(chǔ)之上的探究式、討論式、參與式教學(xué)和混合式學(xué)習(xí)等學(xué)與教的方式與技術(shù)。同時，新工科建設(shè)重要目的之一就是要培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力。目前，大學(xué)生在大學(xué)一、二年級階段，由于受到中學(xué)應(yīng)試教育造成的“被動”學(xué)習(xí)習(xí)慣、公共課程和學(xué)科課程多、理論基礎(chǔ)比較薄弱、適應(yīng)大學(xué)生活帶來的困惑、離開父母獨立生活產(chǎn)生的迷茫等因素的影響，大學(xué)生創(chuàng)新能力處于初始階段[2]。但他們思想活躍、好奇心強、可塑性好[3]。在大學(xué)三、四年級進入專業(yè)學(xué)習(xí)階段，隨著年齡的增長、知識的增加、課外科技活動和課程設(shè)計的參加等，大學(xué)生創(chuàng)新能力處于發(fā)力階段[4]。高年級大學(xué)生(大學(xué)三、四年級)盡管學(xué)完公共課程、學(xué)科課程或部分專業(yè)課程，但處于學(xué)習(xí)的“疲勞期”，對學(xué)過的知識容易出現(xiàn)遺忘，加之受到就業(yè)、學(xué)風(fēng)、考研、出國等影響，其創(chuàng)新能力培養(yǎng)難度增加[5,6]。

實驗教學(xué)作為培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的關(guān)鍵教學(xué)環(huán)節(jié)起著加深對理論的理解、提高學(xué)習(xí)主動性和創(chuàng)新能力的作用[7]。對高年級大學(xué)生而言，實驗教學(xué)還可以幫助學(xué)生減輕“學(xué)習(xí)疲勞”，提高學(xué)習(xí)興趣和效率。同時，由于專業(yè)實驗涉及較多基礎(chǔ)知識，可以使學(xué)生集成已學(xué)知識，激發(fā)創(chuàng)新思維。如何設(shè)計引起高年級學(xué)生興趣的實驗內(nèi)容、采用激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維的教學(xué)方法、實施合理的實驗教學(xué)管理對提高高年級大學(xué)生創(chuàng)新能力起著重要的作用。本案例研究對此進行了探索。

1 實驗內(nèi)容

汽車電子技術(shù)是車輛工程專業(yè)和機械電子工程專業(yè)在大學(xué)三、四年級開設(shè)的一門專業(yè)課[8]。該課程知識面廣，知識交叉性強，學(xué)起來較難[9]。學(xué)好這門課程、培養(yǎng)學(xué)生動手能力和增強創(chuàng)新能力需要設(shè)計好的實驗平臺及其實驗內(nèi)容[10]。

防抱死制動系統(tǒng)(Anti-braking system，ABS)實驗是汽車電子技術(shù)的課內(nèi)實驗。該實驗平臺包括制動主缸、真空助力器、壓力調(diào)節(jié)器、制動輪缸、轉(zhuǎn)速傳感器等。由變頻交流電機代替發(fā)動機驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動，踩下制動踏板對車輪制動。實驗項目一般包括：(1)ABS制動演示實驗，目的是掌握ABS制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理；(2)ABS控制過程實驗，目的是通過對車輪轉(zhuǎn)速信號、壓力調(diào)節(jié)器執(zhí)行信號的讀取，熟悉ABS工作原理和控制算法；(3)ABS控制系統(tǒng)的設(shè)計目的是設(shè)計簡單的ABS控制器和控制算法，實現(xiàn)ABS工作[9]。前2個實驗項目分別為演示和驗證實驗，第三個實驗項目為綜合設(shè)計實驗。這些實驗完成后，學(xué)生能較好地掌握汽車ABS系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容。

研究表明，大學(xué)生基礎(chǔ)知識越多，創(chuàng)新思維能力越強[11]。由于汽車ABS涉及工程流體力學(xué)、液壓技術(shù)、傳感技術(shù)、檢測技術(shù)、控制技術(shù)和汽車技術(shù)的知識，很多基本概念如氣阻、氣蝕、液壓油污染、氣液兩相流、體積彈性模量、壓力波傳播速度、壓力信號、信號分析與處理、制動擺振等是否可以通過ABS實驗使學(xué)生理解它們，將多門課程知識進行集成以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力？答案是肯定的。特別是探究式實驗，更能吸引學(xué)生(特別是那些學(xué)有余力的學(xué)生)參與實驗和提高實驗主動性[12]。因此，本研究將用于科學(xué)研究開發(fā)的可視化ABS實驗系統(tǒng)改造成探究式實驗平臺，并對實驗內(nèi)容進行設(shè)計，編寫激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維的實驗指導(dǎo)書。改造的可視化ABS實驗平臺如圖1所示[13]。在制動管路中安裝2個壓力變送器，并在兩個壓力變送器中安裝透明石英管，用高速攝影系統(tǒng)拍攝制動管路中氣液兩相流狀態(tài)。

新的ABS實驗平臺仍然可以完成原來的ABS實驗平臺的實驗內(nèi)容，并設(shè)計了新的實驗內(nèi)容。(1)ABS制動管路中氣液兩相流流型的觀察實驗，目的是通過觀察制動管路中氣液兩相流流型理解氣阻、氣液兩相流、體積彈性模量、壓力波傳播速度、壓力信號、信號分析與處理、制動擺振、ABS控制算法等基本概念，觀察到氣阻、液壓油污染、氣液兩相流等。(2)ABS壓力波傳播速度的測量實驗?zāi)康氖峭ㄟ^測量ABS制動液壓力計算ABS壓力波傳播速度，除了理解上面的基本概念外，還可理解這些概念的內(nèi)在邏輯性。

圖1 改造的可視化ABS實驗平臺

2 實驗教學(xué)方法

2.1 問題引導(dǎo)下的探究式實驗教學(xué)方法

2.1.1 設(shè)計探究式問題

針對性和啟發(fā)性的問題能夠促進學(xué)生展開思維，提高觀察力和領(lǐng)悟能力，提高邏輯推理、演繹思維能力，提高創(chuàng)新思維的流暢和敏捷，是提高創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)。在“ABS制動管路中氣液兩相流流型的觀察實驗”實驗指導(dǎo)書中設(shè)計探究式問題：(1)實驗中觀察到哪些流型？(2)制動管路中氣泡如何合并？(3)制動管路中氣液兩相流對制動效能有什么影響？

學(xué)生在直徑為4 mm的制動管路中觀察到放大的泡狀流、塞狀流、彈狀流和環(huán)狀流，感到很新奇。如在問題(2)“制動管路中氣泡如何合并？”的回答中，將拍攝的視頻分割成等時間間距的連續(xù)圖片，如圖2所示。有學(xué)生發(fā)現(xiàn)氣泡合并的時間短、速度快，氣泡合并后有振動現(xiàn)象。有學(xué)生發(fā)現(xiàn)小氣泡是球形，大氣泡是橢圓形；一些學(xué)生通過查找資料，建立數(shù)學(xué)模型求解氣泡合并時間，得出合并時間是毫秒級的，與實驗吻合。

圖2 制動管路中氣泡合并過程

學(xué)生通過觀察、查找資料并思考、討論一系列的探究過程，對基本概念的理解變得深刻。這樣，在學(xué)習(xí)汽車電子技術(shù)課程的知識過程中整合了以前學(xué)過的知識，概念更加清楚且概念相互之間產(chǎn)生有機聯(lián)系，達到了知識的整合效應(yīng)、共享效應(yīng)、協(xié)同效應(yīng)、聚集效應(yīng)和倍增效應(yīng)，知識集成能力明顯提高。

2.1.2 設(shè)計發(fā)散式問題

設(shè)計發(fā)散式問題，有利于培養(yǎng)發(fā)散思維(輻射思維)。實驗指導(dǎo)書中不強調(diào)問題之間的相互關(guān)系，也不追求問題的唯一正確答案，培養(yǎng)學(xué)生就同一問題從不同角度思考，提出不同的答案。在“ABS壓力波傳播速度的測量實驗”實驗指導(dǎo)書中設(shè)計發(fā)散式問題：(1)制動管路中為什么會產(chǎn)生氣液兩相流？(2)液壓油為什么產(chǎn)生污染？(3)為什么會產(chǎn)生制動擺振？

在回答問題(1)“為什么會產(chǎn)生氣液兩相流？”中，有的學(xué)生認(rèn)為制動液含氣是進入了空氣，有的認(rèn)為氣是制動液本身產(chǎn)生的，有的認(rèn)為是制動液中水受熱變成氣體。教師要求拿出依據(jù)，學(xué)生通過查找資料后給出答案。教師再給出針對性強的文獻[14]，這樣大家認(rèn)識到氣液兩相流產(chǎn)生的復(fù)雜性，并認(rèn)識到信息素質(zhì)能力的重要性。在回答問題(3)“為什么會產(chǎn)生制動擺振？”中，根據(jù)測量的制動液壓力學(xué)生一般根據(jù)壓力波動結(jié)合制動過程給出了回答，這是正常的思維過程。但有的學(xué)生從車輛振動、制動盤不平、輪胎變形等角度回答，從不同角度的回答鍛煉了發(fā)散思維能力。

2.2 采用“預(yù)習(xí)—實驗—查找資料—討論”的實驗教學(xué)模式

根據(jù)實驗指導(dǎo)書，學(xué)生先預(yù)習(xí)實驗需要掌握的基礎(chǔ)知識。借助互聯(lián)網(wǎng)預(yù)習(xí)知識點。如通過百度百科查詢氣阻、氣液兩相流的流型等專業(yè)詞匯。實驗前，結(jié)合問題在BB平臺上提前觀看錄制的實驗過程和實驗現(xiàn)象；實驗時，相互配合，注重觀察，對觀察到的實驗現(xiàn)象鼓勵學(xué)生重復(fù)實驗。結(jié)合設(shè)計的探究式問題和發(fā)散式問題要求學(xué)生在數(shù)字圖書館上查找至少一篇相關(guān)文獻，嘗試進行回答問題。并要求實驗小組成員討論。最后，教師將不同觀點放在BB平臺上供學(xué)生參考，鼓勵提出不同觀點。

采用“預(yù)習(xí)—實驗—查找資料—討論”的實驗教學(xué)模式，有利于實驗的完成和提高知識集成能力，激發(fā)創(chuàng)新思維。

3 實驗教學(xué)管理

3.1 自愿選做

由于實驗條件的限制、學(xué)生水平和意愿的不同，實驗采取自愿選做的方式。一些對汽車感興趣、準(zhǔn)備從事科研和學(xué)有余力的學(xué)生積極參加實驗。實驗完成后，鼓勵參加實驗的學(xué)生將實驗視頻和其他實驗資料與未參加實驗的學(xué)生交流，包括同寢室同學(xué)間的交流、班級QQ上的交流。實驗過程中，邀請相關(guān)課題的研究生參加，并進行討論。每屆大約有三分之一到一半的學(xué)生參加了實驗。

3.2 合理分組

由于實驗需要操作、記錄、拍攝和觀察，每組為5人。學(xué)生自愿分組，協(xié)同配合。實驗過程中，同學(xué)們認(rèn)識到團隊協(xié)作的重要性。交流過程中，感受到不同思維方式的碰撞，認(rèn)識到多角度全方位看問題的必要性。這樣，營造了寬松的思維氛圍，促進了學(xué)生對知識點的貫通，激起了學(xué)生的好奇心和求知欲。當(dāng)學(xué)生遇到困難和思維障礙時，教師給予及時、適當(dāng)?shù)闹更c或相互之間幫助，使學(xué)生創(chuàng)新能力得到提高。

3.3 運用教育信息技術(shù)

近年來教育信息技術(shù)，如BB平臺、QQ等即時通信工具、慕課(MOOC)和手機教學(xué)迅速發(fā)展，對實驗教學(xué)作用很大[15]。將通知、實驗大綱、實驗指導(dǎo)書、實驗視頻等放在BB平臺、QQ或手機里，學(xué)生感到學(xué)習(xí)和溝通很方便，并能充分利用碎片化的時間。

3.4 科學(xué)考核方式

小組把推薦成績標(biāo)記在實驗報告背后。一個實驗小組共5人，一般要求1個學(xué)生為優(yōu)秀、2個學(xué)生為良好或中等，其余2個為中等或及格，未參加或未完成的學(xué)生為不及格。教師根據(jù)實驗小組推薦成績、小組表現(xiàn)、學(xué)生回答問題和討論情況綜合評定成績。這種考核方式比較公平，激發(fā)了學(xué)生主動性。

4 結(jié)語

將用于科學(xué)研究開發(fā)的可視化ABS實驗系統(tǒng)改造成探究式實驗平臺，并對實驗內(nèi)容進行設(shè)計，編寫激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維的實驗指導(dǎo)書。設(shè)計出激發(fā)高年級學(xué)生興趣的探究式實驗，實驗內(nèi)容包括較多已學(xué)課程的知識點。采用激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維的教學(xué)方法，包括設(shè)計探究式問題和發(fā)散式問題、采用“預(yù)習(xí)—實驗—查找資料—討論”的實驗教學(xué)模式。實施合理的實驗教學(xué)管理，包括自愿選做、合理分組、運用教育信息技術(shù)和科學(xué)考核方式。在新工科建設(shè)背景下，本研究為受到就業(yè)、學(xué)風(fēng)、考研、出國、學(xué)習(xí)松懈、知識遺忘等因素影響的高年級大學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供借鑒和參考。