PBL教学法在“电机与拖动”课程中的应用

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  摘要:PBL教学法是一种以问题为基础的教学方法,它能够体现以学生为中心的教学思想并培养学生分析问题和解决问题的能力。通过总结PBL教学法的实施经验,结合目前“电机与拖动”课程的实际教学情况,详细探讨了PBL模式在电机与拖动课程中的适用性、实施案例、教师的作用和发现的问题及解决办法,以期为“电机与拖动”课程的教学改革提供参考。
  关键词:PBL教学法;电机与拖动;评价体系;师生观念
  作者简介:王卫东(1977-),男,河北保定人,西安电子科技大学机电工程学院,副教授;勾燕洁(1980-),女,甘肃庆阳人,西安电子科技大学机电工程学院,讲师。(陕西西安710071)
  基金项目:本文系西安电子科技大学2011年度教材建设基金立项项目的研究成果。
  中图分类号:G642     文献标识码:A     文章编号:1007-0079(2012)14-0063-02
  
  PBL(Problem-based Learning)教学法是在构建主义思潮的基础上发展起来的一种新的教学模式。近年来,利用PBL教学法进行的教学改革在国内外教育领域引起了广泛的关注。PBL教学法在医学教育、法学和外语类教学改革中都取得了瞩目的成就。
  “电机与拖动”是工业自动化、自动控制、电气工程及其自动化等专业开设的一门重要的专业基础课,在实际工程设计以及未来的科学研究中能够正确选择和使用各类电机是学生必须掌握的基本专业技能之一。传统的“电机与拖动”课程强调对学生知识理论的灌输,忽视了对他们创新能力的培养。为了应对国家对创新型人才的需求,发挥学生学习的主动性,培养学生解决问题及利用资源主动学习的能力,本文结合当前国内“电机与拖动”课程教学的实际情况,探讨PBL模式在该课程教学中的实用性、实施案例、教师作用和发现的问题。
  一、PBL教学模式
  1.PBL的定义
  PBL教学法,即“以问题为基础”的教学方法,是20世纪60年代加拿大McMaster大学首创的教学模式,它强调让学生通过协作学习的形式共同解决复杂的、实际的或真实性的问题,来挖掘隐含于问题背后的科学知识,形成解决问题的能力。在课堂实施中,通常由教师设计问题,或由学生提出问题,在教师的组织与引导下,让学生进行分析,寻求假设,进行实验并寻求解决问题的方法。使用该方法可以让学生在有限的时间内把理论知识运用于实际问题之中,做到理论与实践相结合。
  2.PBL的特点与实施原则
  有效地落实PBL教学法需要教师精心地组织与安排。具体实施过程包括组织小组、设计问题、呈现问题、引导自主学习、尝试解决问题、总结学习过程、反思与评价等环节。整个过程突出问题性、情境性、主动性、探究性与合作性5个特点。PBL的实施一般遵循以下六大原则:教学的目的和教学活动安排重在引导学生掌握解决问题所需要的知识和技能;教学强调合作学习;学生应具备自我指导学习能力;学习过程应强调合作和团队精神;教学过程既强调分析与反思,又强调实施;学生评价强调诊断性反思。
  二、PBL教学法在“电机与拖动”课程中的适用性
  笔者从事“电机与拖动”课程教学近十年,对该课程的教学特点有比较深入的认识。将PBL教学法运用在该课程教学中有两大优势:第一,这种新的教学模式不仅体现了“电机与拖动”课程教学大纲的要求,还有利于教学目标的实现,符合学习者的特点;第二,通过创设一种基于解决问题的学习情境,调动学生主动性,取代灌输式的、消极被动的知识接受方式。合理有效地将PBL法运用到“电机与拖动”课程教学中,最重要的是把握好以下两点问题。
  1.对学习本课程的学生特点分析
  对学生的特点进行分析是PBL教学前期工作的关键环节。学生是学习活动的主体,分析学生特点,才能了解他们的学习状态,明确他们已有的知识、技能、情感水平和心理发展是否能适应新内容的学习,即只有基于学习者的特征,设计教学环境,才能营造适合个别化和协作化的学习环境,从而真正实现“因材施教”。在“电机与拖动”课程教学中,学生的特征是首要变量,其他因素都应围绕着首要变量调整。
  “电机与拖动”课程在高校的本科教学中一般安排在第五学期开展,这时学生已经具备了高等数学、机械、电工和电磁学等方面相应的知识,以及协作学习和主动学习的基本能力。以西安电子科技大学(以下简称“我校”)自动化专业为例,每届大约200名学生,分成两个大班授课,每班约100人;该专业培养目标旨在培养学生具备电工技术、电子技术、控制理论、自动检测与仪表、信息处理、系统工程、计算机技术与应用和网络技术等较宽广领域的工程技术基础和一定的专业知识,能在运动控制、工业过程控制、电力电子技术、检测与自动化仪表、电子与计算机技术、信息处理、管理与决策等领域从事系统分析、系统设计、系统运行、科技开发及研究等方面工作的高级工程技术人才。
  2.“电机与拖动”课程的特点
  对课程特点的准确把握是PBL教学顺利开展的必要环节。课程教学内容的教学目标、教学时数、学科性质、难易程度等因素都直接影响PBL教学的实施质量。
  作为一门重要的专业基础课,“电机与拖动”将为后续的“自动控制理论”、“运动控制系统”和“计算机控制技术”等专业课程奠定理论基础,其课程教学效果的好坏将直接影响到后续相关专业课程的学习。“电机与拖动”课程是一门理论性和实践性都非常强的课程,它具有内容多、范围广、学时少、进度快、学生负担重的特点,而传统的教学是以大课理论讲授为主,很容易使学生产生厌学情绪。因此,在该课程中应用PBL教学法十分有必要。
  三、PBL教学法课堂实施案例
  1.问题的设计
  PBL是以“问题”为核心的,学生的整个学习过程都围绕着问题。问题本身的质量和水平直接影响着学生学习效果的好坏和整个教学过程的成败。因此,在设计问题时应当考虑到两点:是否能够切实地为教学所用?是否能够反映学生的学习能力和水平?一般来说,PBL问题应具有如下特点:PBL问题设计应服务于课程的教学目标;来源于生活,设立在真实情景之中;呈现出阶梯状、系统性。
  根据“电机与拖动”教学大纲的要求,譬如关于“三相异步电机的原理”一章的内容,按照传统的理论授课逻辑次序,主要应解决如下几个概念性问题:
  ①三相异步电机的基本工作原理是什么?转差率如何定义?
  ②在结构上,异步电机与直流电机的区别有哪些?异步电机如何分类?
  ③交流电机的电枢绕组形有哪些?三相电枢绕组的磁动势和电动势是什么?
  ④三相异步电动机的转子开路和堵转时的物理情况如何?等效电路图如何表达?
  ⑤三相异步电机转子转动时的物理情况如何?
  ⑥绕组折算和频率折算如何进行?等效电路图如何绘制?与相对应的变压器有什么区别?
  ⑦三相异步电机的功率关系如何?功率流图如何绘制?
  ⑧三相异步电机的工作特性如何?包括转速、电磁转矩、定子电流、效率、功率因数等。
  ⑨三相异步电机的参数测定如何进行?包括空载试验和短路试验。
  ⑩什么是标幺值的表示方法?有哪些优缺点?
  以上十个问题,笔者认为并不是所有的内容都适合采用PBL教学法,譬如问题⑤⑥难度较大,又是比较重要的内容,仍需要教师采用理论授课的形式来解决;有些问题不是课程的核心内容,仅需要了解即可,或者问题非常简单,无需教师授课讲解,也就无需PBL解决,这些问题都可以让学生课后自学,譬如问题③⑦⑩;其他问题,包括①②④⑧⑨,难度适中、逻辑性强,比较适合采用PBL教学法解决,有利于提高学生的综合运用知识和定性分析问题的能力。
  PBL教学模式的优势不仅仅局限于解决概念性的问题,更体现在处理一些复杂的、应用类的问题,让学生在解决这些问题时逐步体会到概念的内涵。值得注意的是,应用类的问题,对学生的知识基础和学习能力要求较高。因此在设计应用类问题时,要符合学生特点。譬如对于问题⑨的设计,可以设计成如下的应用题:
  某三相四极的笼型感应电动机额定Y接法,fN=50Hz,PN=3kW,UN=380V,IN7.25A,r1=2.01。空载试验数据:当空载线电压U1=380V时,I0=3.64A,P0=246W,pΩ=11W;短路试验数据:当Ik=7.05A时,Ukl=100V而短路Pk=470W。假设附加损耗忽略不计,短路特性为线性,且X1σ=X’2σ,试求:
  (1)参数X1σ,rm,Xm,r’2;
  (2)该机的cos(φN)及ηN(不考虑温度的影响)
  2.PBL教学的组织与安排
  在“电机与拖动”课程的PBL教学中,将学生随机分成10组,每组有9~10名同学,再分别由各组组员民主选取一名小组长。在教学进行前一周由小组长将授课的问题(譬如问题①②)布置下去,各组学生由组长安排分工合作应用学校图书馆馆藏资源或者丰富的网络资源搜集需要的资料。
  进入课堂讨论阶段后,教师针对问题①随即抽取一组学生作为“值课组”,由组长(或者组员)将所得资料做简要汇报,然后展开讨论。在这个过程中,其他小组学生均可提出问题,由值班组学生回答;教师要认真听取学生的汇报及讨论,积极引导讨论朝着正确的方向顺利进行。讨论完毕后,有些学生可能会提出关于旋转磁场方面的问题,教师可以用一个动画视频来进一步讲解。接下来,教师可指出三相异步电机的工作原理是与其结构紧密相关的,从而引出问题②,再由教师随机抽取另外一组学生作为“值课组”,进行这一问题的讨论。
  高校的一次授课通常有两个学时,由于课程内容的安排存在较强的逻辑性,有时PBL问题的安排可能比较少,教师就可以采用PBL教学与传统授课相结合的方式,譬如问题④(采用PBL教学模式)和问题⑤(采用传统教学方式)。
  四、教师的作用
  传统教学方式是以教师和教材为中心的,教学模式比较单一,学生是知识的被动接受者,缺乏自主性、创造性。这种教学方式虽然能充分发挥教师的主导作用,便于教师组织、管理和控制课堂教学,但是忽略了学生认知主体作用的发挥,无益于学生实际能力的培养。
  PBL教学模式与传统教学模式有着根本的不同点。从PBL教学开始的提出问题到最终解决问题主要是通过PBL的学生小组讨论和学生的自我学习完成的。指导老师则是处于这样一个位置:他们通过选择教材和学习资源,有限干预学生的活动,在讨论中只起到引导作用,并指导、启发、激励和促进学生利用其他资源提出不同的观点,而不是直接提供问题的答案。
  从整个教学过程来看,教师的作用主要包括:对于PBL教学问题的设计,对PBL教学对象的激励和促进,对PBL教学过程的组织和管理,对PBL教学的评价。
  五、教学中发现的问题和解决办法
  PBL教学虽然在国际上发展较为成熟,但在我国尚处于起步阶段,各个教学院校的方法不尽相同,不同学科之间也存在很大差异。目前在我国高等教育中普及该模式还有诸多急需解决的问题,例如师资力量不足,师生观念转变不彻底,评价体系不完善等。
  在师资力量方面,医学教学通常是以学习小组为单位开展讨论和学习的,每个学习小组需配备一名教师,师生配比为1:10左右,教师和学生之间可以进行充分地交流。然而,目前在大部分工科院校中,若要按这种师生配比开展PBL教学法,师资力量肯定是不够的;而且教师除了平时负责教学之外,还有大量的科研项目要开展,实施PBL教学要求他们抽出足够多的时间和精力来组织教学,这势必给他们带来很大的工作压力。基于以上原因,在“电机与拖动”课程中实施PBL教学时,教师可以根据自己的实际情况,适当地选择部分内容开展PBL教学,师生配比可采用1:50~1:100左右,随机分成5~10个学习小组(每个小组9~10人),每组由组员民主选取一名组长,在日常学习中与教师进行沟通。
  在教学观念方面,教师角色的转变对许多教师来说也是一种新的挑战。为适应PBL教学,教师不仅需要熟练掌握课程内容,还应具备提出问题、解决问题、灵活运用知识和严密的逻辑思维能力。同时,教师应善于控制课堂节奏,调动学生的积极性,寓教于乐。因此,教师必须从单一的知识传授者转变为教学活动的组织者、教学资源的提供者和学生发展的推动者。
  在评价体系方面,教师要实现评价形式的多元化。为了提高PBL教学质量和学生参与的积极性,评价体系中要突出过程性评价的地位,将终结性评价和过程性评价相结合,并尝试从学生的合作精神、表达能力、回答问题的积极性等多方面实现评价内容的多元化,以及通过引导互评和自评实现评价主体的多元化。
  六、结束语
  PBL教学模式在一定程度上顺应了我国当前教育改革的趋势,为我国的大学本科工科专业教学改革提供了新的方法和思路。尽管现在面临着一定的困难和挑战,但这种教学模式的前景仍很乐观。“电机与拖动”课程教学的最终目标在于提高学生实际应用电机的能力,为机电一体化领域的产品设计和科学研究培养高素质人才。PBL正是与此目标相适应的教学模式,它符合该课程学习的认知规律,满足知识结构发展所需的基本条件。
  作为一个极富价值的教学模式,PBL可以很好地弥补传统教学的某些不足,最终实现PBL在我国高等学校工科专业教学实践的渗透,促进学生向自主、合作、探究学习方式的平稳过渡。实践表明,实施PBL教学法有利于推动“电机与拖动”课程的教学改革,促进教师转变教育观念,不断改进教学方法,提高业务水平。同时,PBL有助于促进学生改变学习方式,培养独立思考问题、解决问题的能力,有利于引导学生的创新思维,为培养创新型的研究人才打下良好的基础。
  
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  (责任编辑:宋秀丽)
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