基于PBML的机械类专业课新型教学模式探讨

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  [摘 要] 结合机械类专业课程特点,提出一种全新的PBML教学模式,融合基于项目的学习和基于模块化教学两种教学模式,取长补短,实现学习内容模块化、学习过程项目化,其本质是一种探究性、任务驱动式的教学方法和学习模式。将传统教学中以教师为中心转变为以学生为中心,以教材为中心转变为以“项目”为中心,以章节为中心转变为以“模块”为中心,以知识讲解为中心转变为以实践运用为中心。
  [关键词] 教学模式;机械类专业课;PBML
  [中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1005-4634(2013)01-0066-03
  0 引言
  瑞士洛桑国际管理开发研究院调查研究表明中国工程科技人员总数排名世界第一,但是合格工程师的指标世界排名第36位,这与我国高校在工程类人才培养的教学与实践环节中所存在的问题有着直接的联系[1]。因此,改革与创新教学模式、加强实践环节已成为21世纪培养创新型人才的重要工作。
  在国外,关于探究性的教学方法和学习模式最早可以追溯到19世纪末20世纪初美国兴起的实用主义教育思想。实用主义教育思想在批判传统学校教育的基础上提出了“从做中学”的基本原则。在实用主义教育思想提出的前后,许多心理学家和教育学家也都在积极的探索各种教学方法,如发现法、启发式教学法以及自主学习法等。上述这些研究都阐述了要使学生成为主体,引导学生探究和发现知识、培养能力,应采用项目(或任务、问题、情境)式的教学方法。而模块化教学法则是20世纪70年代初由国际劳工组织研究开发出来的以现场教学为主、以技能培训为核心的一种教学模式,它一出台就在许多国家特别是发展中国家得到了广泛的应用。近年来国内一些有识之士已经看到传统教学方法的不足,并着重对课堂教学方法进行改革尝试,把国内外较为盛行的“项目教学法”、“模块化教学法”分别引进了工科教育。在培养学生思维能力,调动学生学习主动性,提高其分析、解决问题的能力上取得了一定的成效。李胜强等人利用自我效能理论,通过调查问卷形式证实以项目为基础的教学方法可提高工科学生的工程实践能力[2]。尹凯和夏红梅等人则分别在临床医学类和机械类课程开展基于项目的教学改革[3-5]。鹿玲等人提出以零件工艺项目化为教学主线,改革传统机械制造工艺学课程[6]。马军等人在CAD/CAM教学中采用基于模块化教学[7]。王田等人对比模块化教学效果,得出模块化教学法更有利于提高高等医学院校计算机课程的教学成效[8]。但“项目教学法”、“模块化教学法”的单独应用亦有其局限性[9],尤其在机械类专业课程教学上更显得有所不足,往往会造成理论与实践相脱节,从而产生教学上的种种弊端。杨叔子院士指出教学内容以及教学方法的改革是高等教育教学改革的核心[10]。鉴于以上原因以及机械类专业课程在工科应用型人才培养中的地位、作用与受益学生数和现状分析,为适应目前应用型人才特别是“卓越人才”培养的目标,对该类课程的教学体系和教学方法的改革势在必行。
  1 PBML教学模式建构与实施过程
  基于项目的模块化学习(Project Based Modular Learning,PBML)是将学生导入一个仿真或真实的情景,在引导、启发、鼓励学生进行协作完成教学项目的过程中掌握知识和能力。PBML是一种全新的教学模式,结合机械类专业课程特点,融合基于项目的学习和基于模块化教学两种学与教的模式,取长补短,实现学习内容模块化、学习过程项目化,其本质是一种探究性、任务驱动式的教学方法和学习模式。将传统教学中的以教师为中心转变为以学生为中心,由以教材为中心转变为以“项目”为中心,以章节为中心转变为以“模块”为中心,由以知识讲解为中心转变为以实践运用为中心。PBML的新型教学模式的建构如图1所示。
  1.1 PBML教学模式建构
  PBML教学体系的主线和核心是建立教学模块库和综合性项目。在教学内容编排上突出综合化和基础化。教学内容的模块编排,既要注意系统性、连贯性,更要注重综合性的整体和整体性的优化。教师根据教学大纲目标和学生接受教育的能力,适当地调整教学内容模块,同时鼓励学生根据自身学习条件适当增加一些内容模块,以突出学生的个性发展。采用模块化分割理论教学内容需要指导老师在吃透选定教材的基础上,以促进学生建立合理的认知结构为目的,把教材的内容按一定的知识模块重新编排。编排的原则之一是既要切合学生的认知过程,由易到难、由浅入深,又要保证知识的连贯性、系统性,以形成特定的知识体系;原则之二是教师在传授一定结构教材的同时,教会学生独立发展知识结构,按自己的兴趣与需求对学习材料进行加工组织。这样,经过自己独立组织的知识结构,由于思维活动的积极参与,将有利于促进知识迁移;原则之三是编排的教学内容体现整体优化的特点,以实现教学内容模块之间的交叉、渗透和衔接,避免重复,以较少的学时使学生获取更多的知识信息。
  PBML中模块的建立过程犹如计算机软件的开发过程。为此,首先必须仔细研究教材,确定按什么方式将课程分成适当的模块M1,M2,…,Mn(一般按照章节内容进行分解)。每一模块体系都有一个主导思想,是该模块体系知识总体内在联系的共同的基础知识,同时也是为学生再学习、再认识提供合理支撑点的科学知识。每个模块是完整独立的个体,有自己明确的观点、概念、规律、目标和方式,然后模块之间又紧密相连,前者是后者的基础,整个模块体系又统一于一个共同的主导思想(如教学大纲)中。模块和主导思想如同血与肉的关系,主导思想保证了模块教学过程的发展,在PBML教学中起到知识的整合作用并围绕主导思想产生个别构成因素的联系。
  针对项目任务和内容设计,项目任务应能激发学生的兴趣,项目的选取应结合机械类相应专业课程,难易程度与学生当前学习水平应相当,具有一定的实际应用价值。项目内容应涵盖课程的主要教学内容,进度安排上具有系统性、层次性和科学性。一个大型项目可以结合知识模块化,分解成为相应的多个子项目形式P1,P2,…,Pn。采用项目和任务引领教学路线,从具体的工作环节或知识运用出发,由具体的、局部的知识逐步扩展到全面的、比较抽象的知识,通过一个任务的剖析和完成,把模块内的教学与实践的知识及运用紧密联系起来。   1.2 PBML教学模式的课堂实施方法
  1)划分小组。依据学习者的学习成绩、知识结构、认知能力、认知方式等划分小组,小组人数以6~8人为宜,并推选组长。一般采用互补方式,如成绩好的学生与成绩差的学生相搭配,既有利于差生的转化,又有利于促进优等生的灵活变通,即所谓“教学相长”;不同知识结构的学生相搭配,可以取长补短,相互借鉴;不同认知方式的学生相搭配,在发挥各自优势的情况下相互学习,使认知风格“相互强化”。
  2)确定模块内容。教师要认真研究“新课标”,分析教材,确定教学的目标、内容、重点、难点、疑点,划分教学模块,要考虑学生的心理特征和兴趣爱好,以便确定相应的模块内容。
  3)布置项目任务。一节课的教学目标、教学内容,需要通过完成一项或几项具体的任务融合到教学过程中。一项好的任务是完成教学目的的关键,要把知识与技能、过程与方法等目标融入任务中,使任务有利于学生个性的发展。确定要完成的任务后,教师要向学生具体详细地讲清任务,充分调动学生学习的积极性。
  4)学生实施。教师作为教学组织者,要掌握教学的指挥、调度,要指导学生了解怎么做,帮学生想办法、找出路,特别是对有困难的学生要给予必要的指导,使每个学生都能顺利完成任务。这一阶段,教师作为学生“导航者”,要使学生在亲切友好、和谐平等的气氛中进行知识、技能的学习。
  5)评价结果。学生完成任务之后,教师要进行讨论、总结、评比,使教学内容得到进一步的强化。各小组学生代表要依次对完成的任务发表见解,其他小组提问或发表自己的看法,由老师或小组负责人进行总结,最后由老师评价。评价包括学生对知识的掌握程度、运用知识解决新问题的能力以及学生在活动中的表现等,注意多褒奖、少贬低,以激发学生进行下一轮学习的兴趣。
  1.3 PBML教学模式实践
  结合目前主持的国家自然科学基金项目,设定“旋转机械故障模拟实验平台设计”子项目。该实验台的功能主要是模拟轴承和齿轮的故障模式,要求结构尽量紧凑。以此子项目为核心,分成若干子模块,如“M1模块——基于3D软件试验台造型(P1)”、“M2模块——关键部件设计与分析(P2)”、“M3模块——模型运动仿真和图形处理(P3)”。在M1模块中采用Pro/E软件设计出试验台结构如图2所示,在M2模块中采用ANSYS软件分析结构强度,在M3模块中采用Pro/E软件中的Mechanism Design Extension模块进行运动仿真,并最终输出2D图纸。上述的M1、M2、M3模块实际上对应了《机械CAD/CAM技术》课程中CAD的几何造型、工程分析、仿真模拟和图形处理四个基本组成。从实际项目中深刻理解CAD的含义:以计算机为工具,通过人机交互,处理产品设计过程中的图形和数据信息,辅助完成整个产品设计过程的综合性技术。同时在学习过程中,略去了学生已经普遍掌握的计算机软硬件和网络等知识内容。试验台最终设计的模型如图2、3所示,设计完成之后进而转入M4模块——计算机辅助工艺设计(CAPP)(P4)和M5模块——计算机加工模拟(CAM)(P5)。在M4模块中完成对关键加工部件的毛坯设计、工艺路线、工序设计和工艺文件等任务,而在M5模块中则需要完成形面定义、刀具选择、加工参数定义、刀轨计算和加工模拟等任务。通过具体实施项目实例,围绕5个模块内容将CAD/CAPP/CAM内容进行集成,并结合多种大型软件重点讲述3C所涉及的几何建模、工程分析、工程绘图、工艺规划、数控编程、模拟仿真和数据处理等知识点,理论与软件学习并行,学生的积极性也大大提高,教学效果良好。
  2 PBML新型教学模式的优势
  1)在机械类专业课的教学过程中率先提出PBML式教学模式。打破了传统的基础理论-专业理论-专业技能分段式教学模式,而是以能力训练模块为基础,在模块化分解课程知识基础上,采用实践-理论-实践不断循环的教学方法,让学生从宏观角度掌握所学专业知识,从实践中去发现问题、提出问题并在老师的引导下解决问题,充分体现了学习过程中学生的主体地位。
  2)注重对学生应用能力的培养。PBML教学模式依据学生心理的变化寻求适当的教学方法,设计课程教学方案,培养其思考问题、分析问题的能
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  力。它站在“学”的角度,提出在课程教学模式改革中,以学生为主体,遵循心理学认知规律,将适宜的教、学形式有机结合。
  3)促进教师提高自身专业水平。PBML教学模式要求教师有丰富的专业知识和多个软件的应用能力,对教师来说也是一种积极的促进作用。因此,PBML教学法在培育学生能力的同时也促进教师提高其自身的教学能力,包括知识储备、应变能力等等。
  3 结束语
  PBML是一种融合基于项目的学习和基于模块化教学的全新教学模式。它采用模块化分割理论教学内容,采用项目和任务引领教学路线,以实现学习内容模块化、学习过程项目化,其本质是一种探究性、任务驱动式的教学方法和学习模式,实践效果良好。这种新型教学模式从学生学习方式上来讲,应当是一种开发性(或称为运用性)的教学;从教学方法上来讲,应当是一种带有启发性质的教学;从教学目的上来讲,应当是一种培养工科学生理论联系实际的教学;从教学结果来讲,应当是一种使学生具备独立运用各种相关专业知识解决实际工程设计、制造问题能力的教学。PBML教学从具体的工作环节或知识运用出发,由具体的、局部的知识逐步扩展到全面的、比较抽象的知识,通过一个任务的剖析和完成,把模块内的教学与实践的知识及运用紧密联系起来。
  参考文献
  [1]李继怀,王力军.工程教育的理性回归与卓越工程师培养[J].黑龙江高教研究,2011,(3):140-142.
  [2]李胜强,雷环,高国华,等.以项目为基础的教学方法对提高大学生工程实践自我效能的影响研究[J].高等工程教育研究, 2011,(3):21-27
  [3]尹凯,桂庆军,沈元琼,等.仿真模拟教学系统结合PBL教学法在临床基本技能教学中的应用[J].医学教育探索,2010,9(8):1062-1063
  [4]夏红梅,王红军,甄文斌.项目教学法在《机械CAD/CAM》双语教学中的应用[J]. 湖南科技学院学报,2009, 30(12): 101-103.
  [5]张红兵.基于工程项目的教学方法研究与应用[J].苏州市职业大学学报,2008,19(2):112-114.
  [6]鹿玲,陈锦江,姚建涛,等.机械制造工艺学课程基于项目的教学新模式探索与实践[J].教学研究,2011,34(3):44-47.
  [7]马军,肖艳秋.基于模块化思想的CAD/CAM教学与实践[J].山西科技,2010,25(2):140-141.
  [8]王田,王开发.等.模块化PBL教学法在医学计算机教学中的应用[J].医学教育探索,2010,9(8):1060-1061.
  [9]高丹.模块教学——二十一世纪适合社会及人发展的教学形式[J].首都师范大学学报(社会科学版),2001(6),111-115.
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