趙大軍， 韓君鵬

(吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院， 長(zhǎng)春 130026)

0 引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐步發(fā)展，信息流通渠道不斷拓寬，傳統(tǒng)教學(xué)方法已無法適應(yīng)信息爆炸式增長(zhǎng)所引起的思維方式的變革。如今，開放式的教育環(huán)境更有利于培養(yǎng)新一代年輕人的創(chuàng)新性思維能力，滿足國(guó)家對(duì)于創(chuàng)新性人才的迫切需求。

以問題為導(dǎo)向的教學(xué)方法(problem-based learning，PBL)，是以學(xué)生為中心的教育方式，由教師設(shè)定教學(xué)目標(biāo)，學(xué)生自主完成學(xué)習(xí)任務(wù)。該學(xué)習(xí)法由美國(guó)神經(jīng)病學(xué)教授Barrows于1969年在加拿大麥克馬斯特大學(xué)首創(chuàng)，并率先應(yīng)用在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域[1]。隨后哈佛大學(xué)等多所世界著名院校先后將該方法應(yīng)用于本校各個(gè)專業(yè)，均獲得良好的實(shí)施效果。目前PBL教學(xué)方法已經(jīng)成為國(guó)際上較為流行的一種教學(xué)方法，在西方發(fā)達(dá)國(guó)家該教學(xué)方法的理論研究和教學(xué)實(shí)踐都趨于成熟[2-3]。

我國(guó)于上世紀(jì)80年代開始引進(jìn)PBL教學(xué)方法，并最早應(yīng)用在醫(yī)學(xué)專業(yè)中[4-6]。本世紀(jì)初，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院及北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部開始PBL醫(yī)學(xué)教育模式的試驗(yàn)和改革[7-8]。目前國(guó)內(nèi)多所著名高校已在計(jì)算機(jī)、生物學(xué)、工程學(xué)等不同學(xué)科課程中開始嘗試PBL教學(xué)法的應(yīng)用[9-11]。國(guó)內(nèi)的試行結(jié)果表明PBL教學(xué)法在科學(xué)文獻(xiàn)閱讀、團(tuán)隊(duì)合作、溝通協(xié)調(diào)等能力的培養(yǎng)方面很有優(yōu)勢(shì)，有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性與主動(dòng)性[12]，改變學(xué)生固有的思維方式，在培養(yǎng)創(chuàng)新型人才方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)[13-14]。

1 鉆探設(shè)備課程實(shí)踐教學(xué)特點(diǎn)

鉆探設(shè)備課程是地質(zhì)工程專業(yè)領(lǐng)域的一門主干專業(yè)課，主要介紹鉆探施工過程中應(yīng)用的鉆機(jī)、泥漿泵、鉆塔、動(dòng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理、特點(diǎn)及適用條件。

鉆探設(shè)備課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，課程需要配合大量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)幫助學(xué)生理解和掌握課程內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容包括鉆探設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)及部件結(jié)構(gòu)原理認(rèn)知、鉆機(jī)的操作、零部件的拆卸與裝配。通過實(shí)地的操作，學(xué)生能夠直觀地了解各部件的構(gòu)造及工作原理，掌握實(shí)際生產(chǎn)工作中的操作步驟，為學(xué)生日后在鉆探領(lǐng)域的生產(chǎn)工作、科研探索打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有以下特點(diǎn)：

(1) 實(shí)驗(yàn)設(shè)備龐大，零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜種類繁多。鉆探設(shè)備課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)所用到的配套設(shè)備單個(gè)占地面積可達(dá)1～6 m2，最大高度可超過10 m，鉆機(jī)重約2 t，無法移動(dòng)。設(shè)備個(gè)別部件拆解后的零件重量依然在幾10～100 kg，搬運(yùn)工作需要多人協(xié)作完成。部件內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件多且配合緊密，如摩擦離合器即由27種不同零件組成。

(2) 鉆進(jìn)操作要求多人、高配合度。鉆探設(shè)備的部分操作單人無法獨(dú)立完成。例如鉆探過程中擰卸鉆桿操作，由于兩鉆桿螺紋連接緊密，卸除第一扣需要較大的力，故需兩人各自手持管鉗向相反方向擰卸。此外鉆進(jìn)過程中，鉆機(jī)操作、泥漿循環(huán)系統(tǒng)控制、鉆塔頂端鉆具擺放等操作需要各崗位人員各司其職，相互配合。

(3) 容易出現(xiàn)安全隱患。實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)速度高，回轉(zhuǎn)部件最高轉(zhuǎn)速可達(dá)1 600 r/min；設(shè)備工作壓力較大，立軸最大壓力可達(dá)60 kN。較高的運(yùn)行速度及運(yùn)行壓力均易產(chǎn)生安全隱患，且學(xué)生初次接觸機(jī)器，操作生疏，對(duì)于應(yīng)急事件處理缺乏經(jīng)驗(yàn)，在多人大班授課時(shí)，教師無法關(guān)注到每個(gè)學(xué)生，故極易發(fā)生安全事故。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的以上特點(diǎn)均決定了傳統(tǒng)的單一由教師示范、學(xué)生獨(dú)自操作的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法很難使每個(gè)學(xué)生在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)課時(shí)中完全掌握實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，無法滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。

2 PBL教學(xué)法應(yīng)用準(zhǔn)備

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)PBL問題設(shè)置

PBL教學(xué)法是以問題為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)方法，其首要任務(wù)就是由教師依照課程內(nèi)容設(shè)定問題，學(xué)生小組據(jù)此分工調(diào)查研究，共同解決問題[15]。如何提出一個(gè)切中課程內(nèi)容重心，并且能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的問題，是PBL教學(xué)法應(yīng)用開展的核心。

問題的設(shè)置遵循以下幾個(gè)要點(diǎn)：

(1) 問題貼近實(shí)驗(yàn)教學(xué)重心。課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)注重學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)，通過親身操作體驗(yàn)，增加感性認(rèn)識(shí)，深化鉆探設(shè)備結(jié)構(gòu)原理的理解。以課程內(nèi)容為基礎(chǔ)，結(jié)合課程教學(xué)目標(biāo)，考慮學(xué)生學(xué)習(xí)能力，精心選擇問題。

(2) 問題能夠激起學(xué)生興趣。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，教師集中講述操作方法及對(duì)應(yīng)功效，學(xué)生的大腦只能被動(dòng)接收信息，這也是學(xué)生上課注意力不集中的原因。通過結(jié)合實(shí)際的工程案例進(jìn)行提問，讓學(xué)生的大腦調(diào)動(dòng)起來，主動(dòng)探究操作動(dòng)作在實(shí)際生產(chǎn)中達(dá)到的效果及其作用機(jī)理。例如針對(duì)鉆機(jī)摩擦離合器的功用內(nèi)容，可以提出：鉆機(jī)動(dòng)力機(jī)不能頻繁停啟，而鉆機(jī)的動(dòng)作改變頻繁，如何來實(shí)現(xiàn)？孔內(nèi)鉆具突然遇阻，不能正?；剞D(zhuǎn)或提拉，在鉆機(jī)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中如何保證動(dòng)力機(jī)及鉆機(jī)各部件不受損壞？

(3) 問題難易適中?？紤]學(xué)生初次接觸相關(guān)機(jī)械設(shè)備，對(duì)于鉆探方法的認(rèn)知正處于構(gòu)建階段，因而一些復(fù)雜的操作學(xué)生較難理解，容易導(dǎo)致學(xué)生喪失解決問題的信心，而過于簡(jiǎn)單的問題易于完成，學(xué)生無法體驗(yàn)到通過幾種操作手法的變換組合而解決不同問題的奧妙，進(jìn)而無法調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性。同時(shí)還要考慮我國(guó)大學(xué)生在傳統(tǒng)教學(xué)模式下養(yǎng)成的學(xué)習(xí)習(xí)慣和自學(xué)能力。采用維果茨基的“最近發(fā)展區(qū)”原則進(jìn)行問題設(shè)置[16]，即在教師的啟發(fā)引導(dǎo)下，通過學(xué)生認(rèn)真思考和討論，最終自己能夠解決的問題，也是使學(xué)生通過解決問題收獲最大的原則。

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的準(zhǔn)備

PBL教學(xué)法需充足的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備、儀器、教具、圖書資料及說明書、掛圖及影像資料等，來保證學(xué)生自學(xué)需求。針對(duì)鉆探設(shè)備實(shí)驗(yàn)課程的重點(diǎn)內(nèi)容鉆機(jī)、泥漿泵結(jié)構(gòu)組成及工作原理，來準(zhǔn)備相應(yīng)的教學(xué)設(shè)施。

(1) 鉆探設(shè)備及工具。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)為學(xué)生準(zhǔn)備了2臺(tái)XY-4型立軸式巖心鉆機(jī)整機(jī)，以及XY-4鉆機(jī)拆解后的獨(dú)立零部件：摩擦離合器、變速箱、分動(dòng)箱、回轉(zhuǎn)器、卡盤、升降機(jī)等，水井鉆機(jī)3臺(tái)、工程鉆機(jī)4臺(tái)，泥漿泵3臺(tái)。部件拆裝工具4套。

(2) 教學(xué)輔助及參考資料。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)準(zhǔn)備了多套鉆機(jī)、泥漿泵的說明書、施工現(xiàn)場(chǎng)使用圖片、教材及參考書等資料。針對(duì)鉆探設(shè)備主要部件的結(jié)構(gòu)制作了35張教學(xué)掛圖，并與實(shí)物一一對(duì)應(yīng)擺放，學(xué)生可圖-物對(duì)照進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高學(xué)生對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)原理的理解、提高讀圖能力。

(3) 教具模型。針對(duì)結(jié)構(gòu)、工作原理復(fù)雜的鉆探設(shè)備部件，為增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，提高動(dòng)手能力，研制了螺桿泵、曲軸超越離合器式?jīng)_擊機(jī)構(gòu)、曲柄連桿沖擊機(jī)構(gòu)、振動(dòng)鉆機(jī)等多個(gè)教學(xué)模型。學(xué)生可通過動(dòng)手操作觀察部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作過程。圖1所示為螺桿泵轉(zhuǎn)子和定子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的教學(xué)模型照片，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子可多個(gè)平面內(nèi)觀察不同位置上轉(zhuǎn)子與定子的配合關(guān)系，及轉(zhuǎn)子與定子間密封腔的形成與連續(xù)移動(dòng)的規(guī)律。

圖1 螺桿泵教學(xué)模型

(4) 網(wǎng)上自學(xué)視頻資料。鉆機(jī)的關(guān)鍵部件零件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作過程觀察困難，單一的平面圖講解也較為抽象。利用3DSMAX、unity3D計(jì)算機(jī)軟件制作了15個(gè)鉆探設(shè)備主要部件三維仿真動(dòng)畫，學(xué)生可通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)提前觀看各部件的結(jié)構(gòu)及工作原理的模擬演示。例如升降機(jī)三維結(jié)構(gòu)，如圖2所示，在不同的工作中，內(nèi)部行星齒系的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，通過三維動(dòng)畫演示及部件外殼剖切展示內(nèi)部結(jié)構(gòu)，學(xué)生可以清楚地觀察到工作過程中各零件連接關(guān)系及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。生動(dòng)靈活的圖像更加迎合學(xué)生的喜好，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果。

圖2 升降機(jī)三維模型圖

1-升降機(jī)軸； 2-軸承蓋； 3-軸承； 4-軸承座； 5-石棉板； 6-剎車帶； 7-內(nèi)齒圈； 8-行星齒輪； 9-行星輪架； 10-提升制動(dòng)盤； 11-氈封油圈； 12-中心齒輪

3 PBL教學(xué)法應(yīng)用過程

3.1 組織形式

在教學(xué)內(nèi)容展開前，教師需要對(duì)學(xué)生劃分學(xué)習(xí)小組，并確定組長(zhǎng)。教學(xué)過程中每個(gè)小組為1個(gè)教學(xué)模塊，每個(gè)教學(xué)模塊均需1名教師進(jìn)行組織學(xué)習(xí)。為解決指導(dǎo)教師人數(shù)不足的問題，由每個(gè)學(xué)習(xí)小組組長(zhǎng)承擔(dān)組織學(xué)習(xí)的任務(wù)。

3.2 教學(xué)過程

(1) 布置問題。提前把設(shè)置的問題布置給學(xué)生，實(shí)驗(yàn)室對(duì)學(xué)生全天開放，學(xué)生可提前進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室針對(duì)問題進(jìn)行自學(xué)。

(2) 學(xué)生解決問題。針對(duì)給出的問題，由組長(zhǎng)分工，通過查閱書籍、網(wǎng)絡(luò)搜索等手段查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，了解鉆進(jìn)工作基本過程，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)實(shí)物進(jìn)行觀察及初步操作練習(xí)，了解設(shè)備工作特點(diǎn)，隨后對(duì)教師提出的問題進(jìn)行分析探究，考慮操作過程中可能出現(xiàn)的現(xiàn)象，如變速箱掛不上檔、離合器打滑、卡盤卡不緊或打滑等，并針對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行組內(nèi)討論，分析其誘因并提出解決方法。隨后依照解決方案到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)操作儀器進(jìn)行初步嘗試，在嘗試過程中不斷摸索、完善解決問題的方法，得出本組的初步結(jié)論。

(3) 討論完善。針對(duì)已經(jīng)得出的初步結(jié)論，在實(shí)驗(yàn)課中各小組間進(jìn)行相互交流探討。由組長(zhǎng)作為本組代表進(jìn)行發(fā)言，闡明本組解決問題的方法，其他小組自由提問。通過互相提問可以暴露出本組結(jié)論的薄弱點(diǎn)，吸取他組優(yōu)點(diǎn)對(duì)本組答案進(jìn)行補(bǔ)充完善，與此同時(shí)，通過答辯過程可以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，引導(dǎo)學(xué)生思考，深入理解儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理及功能。在討論過程中，教師負(fù)責(zé)把控全局，引導(dǎo)學(xué)生的問題切入點(diǎn)，避免出現(xiàn)偏差。學(xué)生在討論結(jié)束后，梳理總結(jié)本組解決問題的過程，做出改進(jìn)，最后得出最終結(jié)論，以小組為單位上交成果報(bào)告。

3.3 成績(jī)?cè)u(píng)定

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師依據(jù)組長(zhǎng)對(duì)小組成員的分工，分別評(píng)價(jià)各成員的完成情況，考慮各成員在實(shí)踐探索中發(fā)現(xiàn)問題、思考問題的能力，參照在組內(nèi)討論過程中各成員對(duì)于知識(shí)內(nèi)容的理解程度以及對(duì)于新想法的提出，最后對(duì)比各組發(fā)言人在問答環(huán)節(jié)中語言組織能力、概括能力、思路清晰度，結(jié)合成果報(bào)告綜合點(diǎn)評(píng)，并確定成績(jī)。

4 結(jié) 語

以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、創(chuàng)新意識(shí)為目的的PBL教學(xué)法可以滿足鉆探設(shè)備課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，能夠很好地解決該課程設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、三維空間思維要求高、結(jié)構(gòu)原理授課難度大等問題給實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來的難題，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。提高鉆探設(shè)備實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)了大學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。