基于整體思想的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案設(shè)計(jì)探索

張星逸 張穎 楊立權(quán)

摘 要：對(duì)于實(shí)驗(yàn)課程來(lái)說(shuō)，教學(xué)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。由于實(shí)驗(yàn)課堂的互動(dòng)性與不確定性，其教學(xué)設(shè)計(jì)的難度甚至高于相應(yīng)的理論課課程設(shè)計(jì)。本研究從過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)難度大、學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性差等問(wèn)題入手，分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，用“整體—部分—整體”的思路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，總結(jié)出一種以過(guò)程控制為典型的針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的行之有效的教學(xué)設(shè)計(jì)方法與思路，以提高課程教學(xué)質(zhì)量與學(xué)生的主動(dòng)性。

關(guān)鍵詞：過(guò)程控制;實(shí)驗(yàn)教學(xué);整體思想;先整后分

在本科教學(xué)中，工科課程具有難度高、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，其課程中設(shè)置的實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分對(duì)于課程整體教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成十分重要。優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)可以起到補(bǔ)充理論教學(xué)甚至顯著提升教學(xué)效果的作用。本研究以平頂山學(xué)院過(guò)程控制課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例進(jìn)行探索。過(guò)程控制課程是電氣類與測(cè)控類專業(yè)的一門重要的核心課程，其內(nèi)容側(cè)重于經(jīng)典理論體系的實(shí)際應(yīng)用，并涵蓋自動(dòng)控制理論、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等內(nèi)容。通過(guò)學(xué)習(xí)該課程，學(xué)生可以將之前學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)理論與系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行整合回顧，隨著課程的學(xué)習(xí)進(jìn)展建立起相對(duì)應(yīng)的過(guò)程控制應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并理解掌握工業(yè)中溫度、壓力、流量、液位、成分等基礎(chǔ)工藝參數(shù)的基本測(cè)試與控制方法。由于該課程基礎(chǔ)知識(shí)較多，傳統(tǒng)的教學(xué)往往是先講授基礎(chǔ)知識(shí)與理論，后講述實(shí)際應(yīng)用方法，這在一定程度上造成了知識(shí)與應(yīng)用之間的斷層，即沒(méi)有應(yīng)用場(chǎng)景的具象化目標(biāo)會(huì)使基礎(chǔ)知識(shí)變得枯燥乏味且學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)不易深入，而學(xué)生沒(méi)有扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)也會(huì)使應(yīng)用教學(xué)的進(jìn)度難以把控，一旦出現(xiàn)知識(shí)盲點(diǎn)便會(huì)使教學(xué)效果大打折扣。

一、過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題

鑒于過(guò)程控制課程應(yīng)用性極強(qiáng)的特點(diǎn)，其課程設(shè)置的過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)便顯得尤為重要。當(dāng)前，實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)還存在以下一些問(wèn)題：

學(xué)生在做加強(qiáng)深度的同類型實(shí)驗(yàn)中，由于基礎(chǔ)知識(shí)掌握不牢固，不能意識(shí)到實(shí)驗(yàn)的意義，會(huì)感到同類型實(shí)驗(yàn)的枯燥，容易進(jìn)入不明所以的狀態(tài)，加深實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的也就無(wú)法達(dá)成。

學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)基礎(chǔ)知識(shí)不牢固，只能機(jī)械地跟隨講解記錄需要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，很難從實(shí)驗(yàn)中得到理論知識(shí)的驗(yàn)證，會(huì)加大實(shí)驗(yàn)理解的難度。

實(shí)驗(yàn)器材使用難度較大，教師如果以小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)就無(wú)法保證每位學(xué)生主動(dòng)參與，但如果每個(gè)學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，就會(huì)出現(xiàn)超出教師指導(dǎo)精力的情況。這個(gè)問(wèn)題也同樣出現(xiàn)在其他需要復(fù)雜接線的電氣類實(shí)驗(yàn)中。

二、過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)踐探索

過(guò)程控制課程作為一門應(yīng)用性較強(qiáng)的課程，其主旨在于對(duì)整體系統(tǒng)的把控以及對(duì)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的把控，進(jìn)而根據(jù)對(duì)系統(tǒng)控制的要求分解至細(xì)節(jié)理論的探究。根據(jù)學(xué)習(xí)與認(rèn)知的規(guī)律，人更傾向于在整體把控事物后，再進(jìn)行細(xì)節(jié)的分析與學(xué)習(xí)。從較為整體的角度進(jìn)行把控，有助于形成行為人心理層面對(duì)目標(biāo)的認(rèn)同感。因此，根據(jù)過(guò)程控制課程的特點(diǎn)，教師用“整體—部分—整體”的思路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，有利于學(xué)生通過(guò)生活化的例子整體把控教學(xué)內(nèi)容。比如，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師先給學(xué)生展示整體示意圖，讓學(xué)生對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的控制過(guò)程與控制目標(biāo)有一個(gè)整體的基本理解。最初的電壓值通過(guò)變頻器轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的三相電的頻率，之后三相電輸入水泵電機(jī)，三相電頻率與水泵轉(zhuǎn)速成正比，即最初的電壓與此時(shí)的水泵轉(zhuǎn)速成正比。在正常狀態(tài)下，水泵的轉(zhuǎn)速與出水的流量成正比，即最初的電壓與此時(shí)的水流量成正比。實(shí)驗(yàn)用水箱滿足最簡(jiǎn)單的一階慣性特性，那么復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置最后就可以簡(jiǎn)化為通過(guò)流入水箱的水流速度來(lái)控制水箱中水面的高度。此時(shí)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)在學(xué)生的眼中就顯得簡(jiǎn)單了，本來(lái)相當(dāng)復(fù)雜的連線也變得有跡可循。連線不需要再整體考慮在整個(gè)控制中的地位，而是變?yōu)橐徊糠峙c一部分之間的連線，如輸入電壓與變頻器之間的連線、變頻器與水泵電機(jī)之間的連線。這樣既方便學(xué)生從生活化視角理解，又便于學(xué)生之間相互交流。

三、過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐探索及成效

這種實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)設(shè)計(jì)方法實(shí)施后，整個(gè)課堂氛圍便發(fā)生了很大變化。學(xué)生從一開(kāi)始就知道實(shí)驗(yàn)裝置及控制的目的，進(jìn)而了解控制的意義和手段。之前在理論課上需要大量時(shí)間進(jìn)行的理論推導(dǎo)便成為一個(gè)個(gè)比較小的知識(shí)點(diǎn)，且這些知識(shí)點(diǎn)也有著明確的應(yīng)用目的。這種目的導(dǎo)向?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)強(qiáng)化了學(xué)生在電氣控制方面知識(shí)的薄弱環(huán)節(jié)，促進(jìn)了此類工科實(shí)驗(yàn)課程中固有問(wèn)題的解決。

學(xué)生在明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮?，知道了記錄?shù)據(jù)的意義，連線的過(guò)程及記錄數(shù)據(jù)的過(guò)程便不再枯燥了。每一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄也有了相應(yīng)的意義，而這個(gè)意義是建立在學(xué)生對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私獾幕A(chǔ)上的。雖然一部分學(xué)生對(duì)某些知識(shí)點(diǎn)掌握不牢固，但這并不影響其理解實(shí)驗(yàn)的目的和意義，以及實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)的目的和意義，反而能幫助其加深理解，從而更好地掌握之前記不牢固的知識(shí)點(diǎn)。

傳統(tǒng)的教學(xué)方法與輸出式學(xué)習(xí)相輔相成。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，有些學(xué)生的理解能力強(qiáng)于其他學(xué)生，教師可以嘗試讓他們把實(shí)驗(yàn)的整體系統(tǒng)及接線講給不理解的同組成員聽(tīng)，以“幫帶”的形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的講解，而教師只需要在旁邊及時(shí)修正即可。這樣既能提高學(xué)生的接受程度，也能讓講解的學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己理解的知識(shí)點(diǎn)的薄弱區(qū)域，從而提高全體學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

四、過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果評(píng)價(jià)

無(wú)論是課堂效果還是學(xué)生的反饋，都表明“整體—部分—整體”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)效果顯著，意義重大。

第一，相比之前的實(shí)驗(yàn)課堂，學(xué)生的整體積極性明顯提高。實(shí)驗(yàn)操作熟練的學(xué)生在完成自己的實(shí)驗(yàn)之余，還能夠主動(dòng)參與到對(duì)其他學(xué)生的“幫帶”中去，這種學(xué)生之間的指導(dǎo)對(duì)于學(xué)生自身來(lái)說(shuō)接受程度更高，效果也更好。同時(shí)，其他學(xué)生也更愿意將自己沒(méi)有理解的內(nèi)容以提問(wèn)的方式說(shuō)出來(lái)，學(xué)生與教師之間的距離被拉近了，學(xué)生在提問(wèn)時(shí)心理負(fù)擔(dān)也更小了。

第二，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的評(píng)價(jià)普遍較好。從學(xué)生評(píng)教與師生對(duì)話中得知，成績(jī)較好的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課堂上的成就感更高了，不僅多了自己幫助同組成員時(shí)的成就感，而且在給同組成員講解時(shí)也促進(jìn)了他們對(duì)知識(shí)的鞏固與拓展。成績(jī)中等的學(xué)生有了程度較好的學(xué)生的“幫帶”，其理解知識(shí)的難度有所降低，并且拉近了與教師之間的距離。成績(jī)較差的學(xué)生在這種教學(xué)方式下，對(duì)實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)掌握不牢固也能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，并且在實(shí)驗(yàn)操作之后加深了對(duì)知識(shí)的理解?？梢?jiàn)，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)提供了很大的幫助。

第三，提高了實(shí)驗(yàn)效率。過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)的時(shí)間比較長(zhǎng)，在以往的教學(xué)中，兩節(jié)課的時(shí)間最多允許學(xué)生做兩次實(shí)驗(yàn)，時(shí)間不允許實(shí)驗(yàn)重做的次數(shù)過(guò)多，判斷實(shí)驗(yàn)是否成功的評(píng)價(jià)指標(biāo)一般都掌握在教師的手中，可以說(shuō)整個(gè)實(shí)驗(yàn)難度大且容錯(cuò)率低。但在此種教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)施的過(guò)程中，學(xué)生實(shí)驗(yàn)的成功率高且實(shí)驗(yàn)時(shí)間大幅縮短，尤其是在簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)中，八成以上的學(xué)生都能夠提前完成實(shí)驗(yàn)，并且教師指導(dǎo)的次數(shù)也顯著減少。此外，學(xué)生也基本明白了實(shí)驗(yàn)的目的和意義?？梢?jiàn)，這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)學(xué)生提高實(shí)驗(yàn)的操作及理解實(shí)驗(yàn)的目的效果顯著。

綜上所述，此次過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)的新思路，是將枯燥的理論計(jì)算與曲線性質(zhì)記憶從實(shí)驗(yàn)的本身中暫時(shí)剝離出來(lái)，讓學(xué)生用最簡(jiǎn)單的生活化語(yǔ)言將實(shí)驗(yàn)的目的以及原理描述出來(lái)，再將各種知識(shí)進(jìn)行模塊化處理，從而有重點(diǎn)地鞏固之前掌握不牢固的知識(shí)部分。運(yùn)用整體理解以及從整體到部分的教學(xué)思維提高學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上的興趣和主動(dòng)性，比單純?cè)诶碚撜n上使用記憶推導(dǎo)法更加便于學(xué)生理解和整體掌握，尤其是在這種實(shí)用性、生活場(chǎng)景比較強(qiáng)的工科的實(shí)驗(yàn)課程中，可以收到事半功倍的效果。“整體—部分—整體”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索，為進(jìn)一步改進(jìn)和完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提供了一種新方法與新思路。

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責(zé)編：初 心

作者簡(jiǎn)介：張星逸（1991— ），男，平頂山學(xué)院電氣與機(jī)械工程學(xué)院助理實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械自動(dòng)化與系統(tǒng)控制;張穎（1991— ）女，平頂山學(xué)院電氣與機(jī)械工程學(xué)院助教，碩士，研究方向?yàn)榫芗庸ぶ圃?楊立權(quán)（1984— ），男，平頂山學(xué)院電氣與機(jī)械工程學(xué)院講師，博士，研究方向?yàn)橹悄苤圃旒夹g(shù)與裝備。