張星逸 張穎 楊立權(quán)

摘 要：對于實驗課程來說，教學設計至關重要。由于實驗課堂的互動性與不確定性，其教學設計的難度甚至高于相應的理論課課程設計。本研究從過程控制實驗難度大、學生學習主動性差等問題入手，分析實驗教學中存在的問題，用“整體—部分—整體”的思路進行實驗教學設計，總結(jié)出一種以過程控制為典型的針對實驗教學的行之有效的教學設計方法與思路，以提高課程教學質(zhì)量與學生的主動性。

關鍵詞：過程控制;實驗教學;整體思想;先整后分

在本科教學中，工科課程具有難度高、實踐性強的特點，其課程中設置的實驗教學部分對于課程整體教學目標的達成十分重要。優(yōu)秀的實驗教學設計可以起到補充理論教學甚至顯著提升教學效果的作用。本研究以平頂山學院過程控制課程實驗教學為例進行探索。過程控制課程是電氣類與測控類專業(yè)的一門重要的核心課程，其內(nèi)容側(cè)重于經(jīng)典理論體系的實際應用，并涵蓋自動控制理論、傳感器技術(shù)、計算機與網(wǎng)絡技術(shù)等內(nèi)容。通過學習該課程，學生可以將之前學習的基礎理論與系統(tǒng)設計進行整合回顧，隨著課程的學習進展建立起相對應的過程控制應用系統(tǒng)的設計方法，并理解掌握工業(yè)中溫度、壓力、流量、液位、成分等基礎工藝參數(shù)的基本測試與控制方法。由于該課程基礎知識較多，傳統(tǒng)的教學往往是先講授基礎知識與理論，后講述實際應用方法，這在一定程度上造成了知識與應用之間的斷層，即沒有應用場景的具象化目標會使基礎知識變得枯燥乏味且學生學習起來不易深入，而學生沒有扎實的基礎知識也會使應用教學的進度難以把控，一旦出現(xiàn)知識盲點便會使教學效果大打折扣。

一、過程控制實驗教學存在的問題

鑒于過程控制課程應用性極強的特點，其課程設置的過程控制實驗便顯得尤為重要。當前，實驗課程設計還存在以下一些問題：

學生在做加強深度的同類型實驗中，由于基礎知識掌握不牢固，不能意識到實驗的意義，會感到同類型實驗的枯燥，容易進入不明所以的狀態(tài)，加深實驗的教學目的也就無法達成。

學生在做實驗時基礎知識不牢固，只能機械地跟隨講解記錄需要的實驗數(shù)據(jù)，很難從實驗中得到理論知識的驗證，會加大實驗理解的難度。

實驗器材使用難度較大，教師如果以小組進行實驗就無法保證每位學生主動參與，但如果每個學生獨立進行實驗，就會出現(xiàn)超出教師指導精力的情況。這個問題也同樣出現(xiàn)在其他需要復雜接線的電氣類實驗中。

二、過程控制實驗教學設計實踐探索

過程控制課程作為一門應用性較強的課程，其主旨在于對整體系統(tǒng)的把控以及對系統(tǒng)功能實現(xiàn)的把控，進而根據(jù)對系統(tǒng)控制的要求分解至細節(jié)理論的探究。根據(jù)學習與認知的規(guī)律，人更傾向于在整體把控事物后，再進行細節(jié)的分析與學習。從較為整體的角度進行把控，有助于形成行為人心理層面對目標的認同感。因此，根據(jù)過程控制課程的特點，教師用“整體—部分—整體”的思路進行實驗教學設計，有利于學生通過生活化的例子整體把控教學內(nèi)容。比如，在實驗過程中，教師先給學生展示整體示意圖，讓學生對整個實驗裝置的控制過程與控制目標有一個整體的基本理解。最初的電壓值通過變頻器轉(zhuǎn)換為對應的三相電的頻率，之后三相電輸入水泵電機，三相電頻率與水泵轉(zhuǎn)速成正比，即最初的電壓與此時的水泵轉(zhuǎn)速成正比。在正常狀態(tài)下，水泵的轉(zhuǎn)速與出水的流量成正比，即最初的電壓與此時的水流量成正比。實驗用水箱滿足最簡單的一階慣性特性，那么復雜的實驗裝置最后就可以簡化為通過流入水箱的水流速度來控制水箱中水面的高度。此時，整個實驗在學生的眼中就顯得簡單了，本來相當復雜的連線也變得有跡可循。連線不需要再整體考慮在整個控制中的地位，而是變?yōu)橐徊糠峙c一部分之間的連線，如輸入電壓與變頻器之間的連線、變頻器與水泵電機之間的連線。這樣既方便學生從生活化視角理解，又便于學生之間相互交流。

三、過程控制實驗教學實踐探索及成效

這種實驗課程教學設計方法實施后，整個課堂氛圍便發(fā)生了很大變化。學生從一開始就知道實驗裝置及控制的目的，進而了解控制的意義和手段。之前在理論課上需要大量時間進行的理論推導便成為一個個比較小的知識點，且這些知識點也有著明確的應用目的。這種目的導向?qū)嶒炘O計強化了學生在電氣控制方面知識的薄弱環(huán)節(jié)，促進了此類工科實驗課程中固有問題的解決。

學生在明確實驗目的后，知道了記錄數(shù)據(jù)的意義，連線的過程及記錄數(shù)據(jù)的過程便不再枯燥了。每一組實驗數(shù)據(jù)的記錄也有了相應的意義，而這個意義是建立在學生對整個實驗目的了解的基礎上的。雖然一部分學生對某些知識點掌握不牢固，但這并不影響其理解實驗的目的和意義，以及實驗記錄數(shù)據(jù)的目的和意義，反而能幫助其加深理解，從而更好地掌握之前記不牢固的知識點。

傳統(tǒng)的教學方法與輸出式學習相輔相成。在實驗教學過程中，有些學生的理解能力強于其他學生，教師可以嘗試讓他們把實驗的整體系統(tǒng)及接線講給不理解的同組成員聽，以“幫帶”的形式進行實驗的講解，而教師只需要在旁邊及時修正即可。這樣既能提高學生的接受程度，也能讓講解的學生發(fā)現(xiàn)自己理解的知識點的薄弱區(qū)域，從而提高全體學生學習的主動性。

四、過程控制實驗教學效果評價

無論是課堂效果還是學生的反饋，都表明“整體—部分—整體”的實驗教學設計效果顯著，意義重大。

第一，相比之前的實驗課堂，學生的整體積極性明顯提高。實驗操作熟練的學生在完成自己的實驗之余，還能夠主動參與到對其他學生的“幫帶”中去，這種學生之間的指導對于學生自身來說接受程度更高，效果也更好。同時，其他學生也更愿意將自己沒有理解的內(nèi)容以提問的方式說出來，學生與教師之間的距離被拉近了，學生在提問時心理負擔也更小了。

第二，學生對實驗教學的評價普遍較好。從學生評教與師生對話中得知，成績較好的學生在實驗課堂上的成就感更高了，不僅多了自己幫助同組成員時的成就感，而且在給同組成員講解時也促進了他們對知識的鞏固與拓展。成績中等的學生有了程度較好的學生的“幫帶”，其理解知識的難度有所降低，并且拉近了與教師之間的距離。成績較差的學生在這種教學方式下，對實驗相關知識掌握不牢固也能進行實驗操作，并且在實驗操作之后加深了對知識的理解。可見，這種實驗教學方法對學生學習提供了很大的幫助。

第三，提高了實驗效率。過程控制實驗的時間比較長，在以往的教學中，兩節(jié)課的時間最多允許學生做兩次實驗，時間不允許實驗重做的次數(shù)過多，判斷實驗是否成功的評價指標一般都掌握在教師的手中，可以說整個實驗難度大且容錯率低。但在此種教學設計實施的過程中，學生實驗的成功率高且實驗時間大幅縮短，尤其是在簡單的實驗中，八成以上的學生都能夠提前完成實驗，并且教師指導的次數(shù)也顯著減少。此外，學生也基本明白了實驗的目的和意義。可見，這樣的教學設計對學生提高實驗的操作及理解實驗的目的效果顯著。

綜上所述，此次過程控制實驗課程設計的新思路，是將枯燥的理論計算與曲線性質(zhì)記憶從實驗的本身中暫時剝離出來，讓學生用最簡單的生活化語言將實驗的目的以及原理描述出來，再將各種知識進行模塊化處理，從而有重點地鞏固之前掌握不牢固的知識部分。運用整體理解以及從整體到部分的教學思維提高學生在實驗課上的興趣和主動性，比單純在理論課上使用記憶推導法更加便于學生理解和整體掌握，尤其是在這種實用性、生活場景比較強的工科的實驗課程中，可以收到事半功倍的效果。“整體—部分—整體”實驗教學模式的探索，為進一步改進和完善實驗教學模式，提供了一種新方法與新思路。

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責編：初 心

作者簡介：張星逸（1991— ），男，平頂山學院電氣與機械工程學院助理實驗師，碩士，研究方向為機械自動化與系統(tǒng)控制;張穎（1991— ）女，平頂山學院電氣與機械工程學院助教，碩士，研究方向為精密加工制造;楊立權(quán)（1984— ），男，平頂山學院電氣與機械工程學院講師，博士，研究方向為智能制造技術(shù)與裝備。