田豐+丁保華+李允旺

摘 要 針對機電綜合實驗教學(xué)中存在的問題，對比分析以問題為基礎(chǔ)的教學(xué)法和以項目為基礎(chǔ)的教學(xué)法的優(yōu)點，將兩種PBL教學(xué)模式交叉融合，提出一種雙PBL教學(xué)方法。以一個項目課題作為綜合實驗內(nèi)容，探討雙PBL教學(xué)方法的可行性。教學(xué)實踐結(jié)果表明，雙PBL教學(xué)法能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動力、動手能力、綜合知識運用能力和團隊合作能力等，從而大大改善了實驗教學(xué)的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 基于問題的學(xué)習(xí) 基于項目的學(xué)習(xí) 綜合實驗教學(xué)

中圖分類號：G424 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.10.040

0 引言

大學(xué)教育中學(xué)生除了接受扎實理論教學(xué)外，實驗教學(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)實驗教學(xué)仍是以驗證型實驗為主的教學(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)造性思維和主動探索的精神等方面還存在不足，學(xué)生缺乏綜合實踐能力培養(yǎng)。[1]傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式已遠遠不能滿足學(xué)生的需求，針對實驗教學(xué)存在的問題，許多教師對教學(xué)模式、實驗內(nèi)容、講授和考核方式進行了探索，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)生更好地完成實驗，提高了實驗的教學(xué)質(zhì)量。但是教學(xué)方法的改革不僅僅為了創(chuàng)新，更重要的是要達到教書育人和培養(yǎng)人才為目的。因此要綜合考慮綜合實驗教學(xué)內(nèi)容的特點、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，采取適合的教學(xué)方法，進行優(yōu)化組合，對學(xué)生進行因材施教。

目的學(xué)習(xí)模式引入機電綜合實驗教學(xué)，圍繞改革的教學(xué)方法配備更新實驗資源和設(shè)計新的教學(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 基于項目的學(xué)習(xí)和基于問題的學(xué)習(xí)

項目教學(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)生參加項目設(shè)計、執(zhí)行、總結(jié)和評價，學(xué)生在項目實施過程中鍛煉了自主學(xué)習(xí)能力、實踐能力、綜合應(yīng)用能力以及團結(jié)協(xié)作能力，教師自身的實踐能力也同時得到了提高。項目最終的結(jié)果不僅要用到所學(xué)到的理論知識，還要學(xué)習(xí)一些新的理論知識，項目往往需要學(xué)生，教師或有關(guān)部門機構(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)起點開展討論來獲取與主體相關(guān)的知識，讓學(xué)生自己勇于發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，增強學(xué)生主動探究新事物動力。[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，團隊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，運用知識能力顯著提高，真正做到了“學(xué)以致用”。

針對傳統(tǒng)實驗課程教學(xué)存在的問題，根據(jù)機電綜合實驗特點，綜合兩種PBL教學(xué)方法的優(yōu)點，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，這也是對該課程教育理念的一次創(chuàng)新。[8]綜合實驗設(shè)置以項目課題性質(zhì)去設(shè)計，讓學(xué)生盡早介入工程實踐類項目，豐富學(xué)生對教材以外知識的認識、體驗和經(jīng)歷，拓寬學(xué)生視野，在實踐中完成創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，[9]在綜合實驗項目課題實施過程中，把項目任務(wù)分解成各種任務(wù)問題，在問題背景下，驅(qū)動學(xué)生理解概念、原理、問題的本質(zhì)和獲取新知識的方法。

2 雙PBL教學(xué)模式在機電綜合實驗中的應(yīng)用

2.1 機電綜合實驗雙PBL教學(xué)模式實施方案

在我院的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，機電綜合實驗是非常重要的教學(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，每個學(xué)生所學(xué)知識不能全部涵蓋綜合實驗知識范圍，需要組成團隊共同完成，因此小組成員的知識結(jié)構(gòu)要合理匹配。考慮到學(xué)生未來就業(yè)的背景，創(chuàng)設(shè)的項目來自教師現(xiàn)場項目課題或者模擬今后的工作情境，讓學(xué)生置于真實的情境中綜合運用知識來解決問題。項目課題實施前首先進行內(nèi)容分析，創(chuàng)設(shè)問題情境，教師設(shè)計的問題要能帶動學(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，尋找最佳的項目問題解決方案。學(xué)生最后的成績評定需要采取自評、小組互評、教師評價相結(jié)合，最終給學(xué)生一個公平公正的成績評定。下面以一個教師的實踐課題“軌道式電纜隧道巡檢機器人”作為實驗項目，把雙PBL教學(xué)方法應(yīng)用于該實驗系統(tǒng)。

2.2 設(shè)計項目，創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境問題

2.2.1 實驗項目設(shè)計

實驗項目課題的選擇直接影響到學(xué)生整個實踐過程，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)知識點能夠融入到實驗項目中，又要保證項目來自實際或逼近實際情境，有一定代表性、實用性、啟發(fā)性等。[10]目前，隨著國家提出中國制造2025，我國工業(yè)機器人發(fā)展進行的如火如荼，因此學(xué)生對“軌道式電纜隧道巡檢機器人”這個項目課題比較感興趣。針對這個綜合實驗項目，采取基于項目的教學(xué)法，在項目進行過程中培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)綜合應(yīng)用能力，使學(xué)到的專業(yè)知識得到運用和提升。

2.2.2 教學(xué)情境問題設(shè)計

在實驗項目的實施過程中，會遇到各種各樣的問題，在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，教師更多的介入在很大程度上限制了學(xué)生對問題的思考，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，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)計非常關(guān)鍵，首先要考慮學(xué)生是否有能力完成和方便對學(xué)生實驗項目能力的檢測，保證通過問題的解決達到實驗教學(xué)目標(biāo)。而問題設(shè)計的質(zhì)量對基于問題和項目教學(xué)法的成功實施也會產(chǎn)生直接的影響。

針對“軌道式電纜隧道巡檢機器人”這個實驗項目，設(shè)計的問題分為兩個層次的問題，[12]“第一層次問題” 來自于工程實踐的真實情境，涉及機械設(shè)計、電路、傳感檢測、微機原理與接口、網(wǎng)絡(luò)控制等相關(guān)知識。在這個綜合性情境中，易于檢驗學(xué)生實際解決問題能力，激發(fā)學(xué)生的興趣，第一層次問題對整個實驗項目進行綜合考慮，提出總體設(shè)計方案。第二層次的問題更加具體，把整個實驗項目分成多個獨立模塊單元，每個單元涉及一個“第二層次問題”，第二層次的問題的設(shè)計要豐富，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)計好的項目情境基礎(chǔ)上，學(xué)生開始組成團隊共同去完成教師精心設(shè)計的項目問題。首先將學(xué)生分成項目小組，在教師的指導(dǎo)下合理匹配小組成員的知識結(jié)構(gòu)，人員匹配不合理會直接影響總體實驗的進度。每個小組成員在交流過程中輪流作為負責(zé)人，充分發(fā)揮成員學(xué)習(xí)的主動性、協(xié)作性。把項目課題分解成各個具體任務(wù)單元由組員分別來完成，學(xué)生最終要遞交一個結(jié)果，因此需要團隊付出更多努力，將項目完成過程中的任務(wù)各個擊破，遇到的困難小組成員首先進行組內(nèi)交流，尋求最佳的問題解決途徑，教師在這個過程中要密切關(guān)注學(xué)生的進展情況，適時參與學(xué)生間交流，對他們積極引導(dǎo)和促進，避免學(xué)生走彎路，浪費大量的時間。

2.4 開展小組學(xué)習(xí)探究，合作解決問題

項目小組團隊建立之后，小組成員要對任務(wù)制定嚴(yán)格的工作學(xué)習(xí)計劃，為實驗項目的完成做各種準(zhǔn)備。如圖2為任務(wù)實施過程流程圖， 針對實驗項目提出問題情境，小組成員首先對問題進行分析，借助各種手段獲取解決問題的知識，包括已擁有的知識，自學(xué)到的知識，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。如果每個小組方案經(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)，同時借鑒同組其他成員共享的資料，補充解決問題需要的新知識，另外小組成員之間要相互協(xié)調(diào)，發(fā)揮團隊合作精神，完成自己任務(wù)方案制定的同時，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)下確認問題解決方案。

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

在設(shè)計過程中，更深層次問題的解決往往需要進行多次小組活動，每次小組活動選出1名負責(zé)人，輪流負責(zé)記錄問題解決過程，包括：已完成的設(shè)計內(nèi)容、問題解決方法及效果、遇到的困難、新知識的建構(gòu)、學(xué)到的新技能、創(chuàng)新性思維、下一期活動計劃等，這不僅是基于項目教學(xué)法的活動要求，也是學(xué)生實驗成績評價的內(nèi)容之一，學(xué)生在進行活動時，因為缺乏工程化背景，需要在實驗項目進行過程中提供技術(shù)支持，由于實驗項目往往跨越多個學(xué)科，因此需要在全院建立一個指導(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獲得解決問題的方法，避免走入誤區(qū)，影響實驗項目的進度。

2.5 綜合實驗項目評價（見表1）

實驗項目完成后，需要對學(xué)生實驗活動進行客觀公允的評價，表1為新的教學(xué)評價指標(biāo)體系，對比傳統(tǒng)的評價體系，新的體系體現(xiàn)在：學(xué)習(xí)的積極主動性，獲取信息的能力，團隊合作精神，自我學(xué)習(xí)能力，創(chuàng)新思維能力，綜合知識運用和設(shè)計能力等。評價的內(nèi)容由傳統(tǒng)的知識點評價轉(zhuǎn)向?qū)嶒炦^程評價和知識綜合運用能力評價，評價的方式采取自我評價、小組評價和教師評價相結(jié)合。在實驗項目完成的過程中，學(xué)生動手能力、解決實際問題能力，綜合知識應(yīng)用能力、創(chuàng)新思維能力、團隊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，也在不斷提高自身理論知識和實踐能力。

3 結(jié)束語

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

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