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        虛擬實(shí)驗(yàn)與PBL耦合式教學(xué)法在工程熱力學(xué)教學(xué)中的實(shí)踐

        2018-12-27 10:00:22鄭斌孫鵬孟建王有鏜劉永啟
        山東工業(yè)技術(shù) 2018年23期
        關(guān)鍵詞:工程熱力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)PBL教學(xué)法

        鄭斌 孫鵬 孟建 王有鏜 劉永啟

        摘 要:虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)是信息化教學(xué)的重要組成部分,PBL教學(xué)法也是受到廣泛認(rèn)可的教學(xué)方式,將虛擬實(shí)驗(yàn)和PBL教學(xué)法耦合融合進(jìn)入課堂教學(xué)已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。本項(xiàng)目引入了“實(shí)驗(yàn)先行”的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)融入課堂教學(xué)的理念,采用了三段反饋式教學(xué)模式開(kāi)展核心知識(shí)點(diǎn)講授,項(xiàng)目實(shí)施效果良好,可有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

        關(guān)鍵詞:虛擬實(shí)驗(yàn);PBL教學(xué)法;工程熱力學(xué)

        DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.212

        1 前言

        《工程熱力學(xué)》是熱力學(xué)最先發(fā)展的一個(gè)分支,它主要研究熱能與機(jī)械能和其他能量之間相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律及其應(yīng)用,主要內(nèi)容是關(guān)于熱現(xiàn)象的宏觀理論,研究的方法是宏觀的,是能源與動(dòng)力工程專業(yè)的專業(yè)核心課程之一。在工程教育認(rèn)證的大背景下,參與認(rèn)證的各專業(yè)普遍將《工程熱力學(xué)》納入了課程體系中,該課程已經(jīng)成為許多工科類(lèi)專業(yè)的必修課程。

        由于熱是一種看不見(jiàn)摸不著的研究對(duì)象,同時(shí)整個(gè)課程學(xué)習(xí)過(guò)程中缺乏感性認(rèn)知的內(nèi)容,使學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)感到難度較大,然而通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以增加學(xué)生對(duì)熱力過(guò)程的感性認(rèn)識(shí),可以有效提升學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的理解,同時(shí)培養(yǎng)其動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí),因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)在工程熱力學(xué)教學(xué)過(guò)程中具有舉足輕重的作用。但是現(xiàn)實(shí)中實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)常受限于實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源匱乏,實(shí)驗(yàn)教學(xué)中很難保障每位同學(xué)都能充分的參與到實(shí)體實(shí)驗(yàn)中,使教學(xué)效果變差。而在信息化教學(xué)的背景下,利用虛擬實(shí)驗(yàn)的方式可以有效解決這方面的問(wèn)題[1-4]。PBL教學(xué)法的全稱是“Problem Based Learning”,是一種國(guó)際上廣為關(guān)注的教學(xué)模式。PBL教學(xué)法將學(xué)習(xí)與問(wèn)題掛鉤,使學(xué)生投入到復(fù)雜的、有意義的問(wèn)題情景中,通過(guò)學(xué)生的自主探究和合作來(lái)解決問(wèn)題,從而學(xué)習(xí)隱含在問(wèn)題背后的科學(xué)知識(shí),形成解決問(wèn)題的技能和自主學(xué)習(xí)的能力[5-6]。本項(xiàng)目擬將虛擬實(shí)驗(yàn)和PBL教學(xué)法耦合應(yīng)用于工程熱力學(xué)的教學(xué)中,以期激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,提升學(xué)生綜合能力。

        2 虛擬實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

        虛擬實(shí)驗(yàn)是利用理論模型、數(shù)值方法、信息網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)技術(shù),將真實(shí)的物理現(xiàn)象或過(guò)程模型化,在計(jì)算機(jī)上以圖片、視頻、動(dòng)畫(huà)或曲線等直觀形式展現(xiàn),并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享使用[7-8]。虛擬實(shí)驗(yàn)具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn):(1)虛擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)可調(diào)節(jié)范圍大。學(xué)生能夠輕松改變實(shí)驗(yàn)參數(shù),實(shí)現(xiàn)不同條件下的實(shí)驗(yàn)研究,使實(shí)驗(yàn)變得簡(jiǎn)單易行。同時(shí)可以通過(guò)排除次要信息的混淆干擾,實(shí)現(xiàn)重要參數(shù)對(duì)結(jié)果影響的研究,獲得實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵信息。(2)虛擬實(shí)驗(yàn)受客觀條件限制相對(duì)較小,效率高。虛擬實(shí)驗(yàn)可以節(jié)省大量從非穩(wěn)態(tài)到穩(wěn)態(tài)工況的等待時(shí)間,可以在有限的時(shí)間內(nèi)使學(xué)生完成較多的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并獲得更多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)而提高學(xué)生對(duì)相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的快速理解和掌握。(3)虛擬實(shí)驗(yàn)可以清晰展示不方便觀察的細(xì)微觀或變化量較小的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。微觀尺度下的許多實(shí)驗(yàn)是難以實(shí)現(xiàn)和觀察的,虛擬實(shí)驗(yàn)可以將理論知識(shí)或模型方程與物理現(xiàn)象或零件應(yīng)用直接聯(lián)系,進(jìn)而展現(xiàn)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

        3 虛擬實(shí)驗(yàn)與PBL耦合式教學(xué)法在課程中的實(shí)踐

        課程內(nèi)共設(shè)置了空氣定壓比熱測(cè)定實(shí)驗(yàn)、二氧化碳相變實(shí)驗(yàn)、飽和蒸汽溫度壓力關(guān)系測(cè)定實(shí)驗(yàn)和噴管特性實(shí)驗(yàn)共4個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)(如圖1所示)。

        在“以學(xué)生為中心”的大教學(xué)環(huán)境和理念背景下,本項(xiàng)目的教學(xué)過(guò)程中,樹(shù)立了學(xué)生的學(xué)習(xí)中心地位,引入了“實(shí)驗(yàn)先行”的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)融入課堂教學(xué)的理念,采用了三段反饋式教學(xué)模式開(kāi)展課堂教學(xué)。具體方案為:(1)講授前,安排學(xué)生分組并利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成相關(guān)實(shí)驗(yàn),并提出擬解決的科學(xué)問(wèn)題,要求學(xué)生注意觀察哪些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并記錄哪些相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),學(xué)生通過(guò)觀察相關(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,并結(jié)合查閱相關(guān)資料,形成待解決問(wèn)題的解釋;(2)課堂中,隨時(shí)抽取其中一組學(xué)生講述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,并給出相關(guān)問(wèn)題的理論解釋,由老師和其他組同學(xué)進(jìn)行小組討論,從而明確知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)容;(3)課后,讓學(xué)生帶著答案再次重復(fù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果再次印證相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)容,同時(shí)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在該教學(xué)模式下,由于學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中處于一種尋因解惑的狀態(tài),使學(xué)生的投入性較好,同時(shí)課后的理論反饋實(shí)踐環(huán)節(jié)可以讓學(xué)生將感性認(rèn)識(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理性認(rèn)識(shí)的科學(xué)理論進(jìn)行深度的融合,強(qiáng)化知識(shí)點(diǎn)的理解和記憶,最終達(dá)到學(xué)習(xí)效果明顯提升的目標(biāo)。

        4 改革效果

        本項(xiàng)目在能源與動(dòng)力工程專業(yè)的工程熱力學(xué)授課過(guò)程中進(jìn)行了實(shí)踐,設(shè)置常規(guī)班和改革班2個(gè)對(duì)比班,常規(guī)班采用以課堂講授為主、授課后在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的常規(guī)教學(xué)模式,而改革班則采用了本文第三部分介紹的教學(xué)模式。本項(xiàng)目的效果評(píng)價(jià)包括兩部分:成績(jī)考核和問(wèn)卷調(diào)查。

        4.1 成績(jī)考核

        對(duì)2個(gè)班的平均成績(jī)進(jìn)行了分析,結(jié)果如表1所示。由表可知:采用了本項(xiàng)目教學(xué)方案的改革班的平均成績(jī)較常規(guī)班高6.4分。主要原因是在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中,學(xué)生始終處于一種主動(dòng)學(xué)習(xí)的狀態(tài),從發(fā)現(xiàn)問(wèn)題(虛擬實(shí)驗(yàn)獲得的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)),到解決問(wèn)題(自主確定的問(wèn)題答案,并在課堂上進(jìn)行討論和完善),再到實(shí)踐驗(yàn)證理論知識(shí)(課后的實(shí)驗(yàn)反饋課堂教學(xué)環(huán)節(jié)),使學(xué)生始終保持一種探究的狀態(tài),可有效提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和趣味性,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了教學(xué)效果的提升(以最終成績(jī)的形式表征)。

        4.2 問(wèn)卷調(diào)查

        對(duì)于教學(xué)效果,本調(diào)查從課堂教學(xué)、知識(shí)掌握及能力培養(yǎng)三方面進(jìn)行了評(píng)價(jià),問(wèn)卷設(shè)置分?jǐn)?shù)范圍0-5分,0分為無(wú)提高作用,5分為顯著提高作用,問(wèn)卷結(jié)果如圖2所示。由圖可知:學(xué)生對(duì)本項(xiàng)目的教學(xué)方案整體評(píng)價(jià)較高,認(rèn)為該方案對(duì)學(xué)生的綜合能力提升具有積極的意義。其中,在課堂教學(xué)方面,學(xué)生認(rèn)為本項(xiàng)目的教學(xué)模式有利于課堂氣氛活躍度的提升,增加了師生之間的有效交流;在知識(shí)掌握方面,該教學(xué)模式能使理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合,促進(jìn)獨(dú)立思考,整體學(xué)習(xí)效率明顯提升;在能力培養(yǎng)方面,該教學(xué)模式鼓勵(lì)學(xué)生以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí),提高了科研思維能力及分析問(wèn)題的能力,同時(shí),學(xué)生的組織能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力亦得以大幅提升。

        5 總結(jié)

        虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)是信息化教學(xué)的重要組成部分,通過(guò)仿真、數(shù)字建模和多媒體等技術(shù),在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建一個(gè)可視化的三維環(huán)境,營(yíng)造出模擬的儀器性能、實(shí)驗(yàn)對(duì)象、實(shí)驗(yàn)條件和環(huán)境。在教學(xué)中,其有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)范圍的擴(kuò)展,豐富學(xué)生網(wǎng)上學(xué)習(xí)資源,打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在時(shí)間、空間上的限制,極大激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足,對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量有很大幫助。PBL教學(xué)法是對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)進(jìn)行培養(yǎng)的一種學(xué)習(xí)方法,有利于培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作意識(shí),充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,發(fā)揮主觀能動(dòng)性,提高對(duì)相關(guān)知識(shí)的感性認(rèn)識(shí),培養(yǎng)自主科研能力,促進(jìn)師生之間的交流[9]。本項(xiàng)目樹(shù)立了“以學(xué)生為中心”教學(xué)目標(biāo),引入了“實(shí)驗(yàn)先行”的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)融入課堂教學(xué)的理念,采用了三段反饋式教學(xué)模式開(kāi)展課堂教學(xué)。本項(xiàng)目實(shí)施的教學(xué)效果良好,學(xué)生的學(xué)習(xí)效率明顯提高,為相關(guān)課程的教學(xué)提供了一定的借鑒價(jià)值。

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        基金項(xiàng)目:教育部高等學(xué)校能源動(dòng)力類(lèi)新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目(NDXGK2017Y-36),山東省卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(2013ZY027),山東理工大學(xué)教育信息化試點(diǎn)研究項(xiàng)目(2016XXH040)。

        作者簡(jiǎn)介:鄭斌(1982-),男,山東淄博人,副教授,主要從事虛擬實(shí)驗(yàn)與課程教學(xué)的融合改革、實(shí)踐教學(xué)體系改革等研究。

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