工科专业课主动式教学法的设计与应用

[摘 要] 针对大学生在专业课教学中被动学习的现状，设计基于建构主义教学理论的专业课主动式教学模式；确定归纳式及归纳-演绎式综合教学法；规划多种相互融合的教学形式。通过“特种加工”专业课的教学实践，证明主动式教学法的应用有利于提高学生的学习主动性和综合能力素质。

[关键词] 教学模式；教学方法；建构主义；CDIO

[中图分类号] G642.4 [文献标志码] A [文章编号] 1005-4634（2014）02-0060-04

0 引言

传统的灌输式教学模式存在诸多弊端，对推动以学生为主体以教师为主导的教学理念和培养学生的全面素质、主动性学习习惯、创新能力等存在不足[1]。目前，大学专业课教学存在的主要问题包括：一是学生缺少学习主动性。应试教育和灌输式教学模式造成学生学习主动性的缺失。“课堂靠教师，课下靠教材，考试靠突击”成为大学课程学习的典型弊端；二是专业课缺少综合的主动式教学方法。单一形式的教学改革很难改变目前强调知识学习、忽略能力与素质培养的现状。

近些年，建构主义教学理论所要求的学习环境得到了信息技术的强有力支持，使其日益与教学实践结合起来，从而成为国内外深化教学改革的指导思想。建构主义教学理论的核心为：以学生为中心，强调学生对知识的主动探索、主动发现、主动实践和对所学知识意义的主动建构，即强调的是“学”而非“教”，所要求的学习环境包括情境、协作、交流和意义建构四个部分[2]。

本文针教学中现存的问题，探索基于建构主义教学理论的专业课主动式教学法，对课堂教学、实践等环节进行系统设计，为学生构建主动性学习平台，实现知识-能力-素质一体化教育。

1 主动式教学模式与教学方法

1.1 基于建构主义教学理论的专业课教学模式

教学模式是将一定的教学理论转换成教学目标、教学内容、教学方法与策略、教学评价等具体环节的结构框架和活动程序。建构主义教学模式体现学生是知识意义的主动建构者，教师是教学过程的组织指导者和意义建构的促进者。就工科专业课而言，教学注重知识的工程应用，强调知识与技能的整体性和累积性，故建构主义教学模式更适合专业课教学[3]。

图1为针对工科专业课所设计的建构主义教学模式框图。其组成要素为：教学任务分析，教学目标制定，教学对象分析，教学内容选择，教学手段选用，教学环境、媒体工具和各种教学策略的设计，教学效果评价与教学模式修正。其特点为：贯彻以学生为主体、以教师为主导的理念，要求在一定情境下采取主动的、建构的方式学习；强调根据学生和学习内容特征采取多样化教学形式；注重教学评价，以教学目标的实现对教学模式进行检验和修正。

1.2 基于建构主义教学理论的专业课教学方法

工科专业课传统的讲授方法都以演绎方式进行，教师讲授的模式为：从“一般原理”到“数学模型推导”再到“模型应用举例”。对为什么这样做很少强调。依据建构主义教学理论，学生是通过将新信息纳入已有认知框架来学习，新内容的提出不要让学生突然改变其认知模型。教学应该以螺旋式展开，以便和已有知识结构联系起来，帮助学生自主填补知识空白，改变学生对教师的依赖状态[4]。

与演绎式教学法相对应的是归纳式教学法。此方法不是从原理开始最后到应用，而是从具体事物出发，即一个有待解释的现象或一组实验数据、一个有待解决的实际问题等。学生预解决问题，就必须主动探索和学习解决问题的原理、方法和程序。归纳式教学法是一系列教学方法的统称，如探究式教学、基于问题的教学、基于案例的教学、启发式教学、基于项目的教学等；其共同特点正是建构主义教学理论的核心。所以工科专业课应采用归纳教学法或归纳-演绎综合教学法。

2 基于建构主义教学理论的教学形式

针对工科专业课教学，以建构主义教学理论为指导，依据教学目标精心设计讲授、讨论、CDIO项目、实验、考核等相辅相成的教学形式，提高学习主动性。各教学环节相互融合，例如，CDIO、实验和专题讨论的相互融合。

2.1 以学为主的课堂讲授

在课堂教学中，教师的任务是为学生营造良好的课堂环境，组织和指导学生学习；鼓励学生进行讨论交流，充分调动学生的学习主动性，使学生逐渐养成主动性学习习惯；教师既讲授具体知识，又传授思考、分析、研究问题的方法，既阐述自己的学术观点，又引导学生提出不同见解，从而培养学生分析、判断、运用、研究的能力。课堂教学既要发挥教师的主导作用，又要保证学生的主体地位。

在专业课讲授中注重应用归纳教学法和归纳-演绎综合教学法。教学组织形式要多样化，以应用为引导采取启发式、案例式、讨论式等以学为主的教学形式，并合理有效利用多媒体教学。

2.2 交互式学习的讨论课

针对课程重点难点和新技术新应用等设置讨论题目。讨论分为要点讨论和专题讨论。要点讨论是针对讲授中的某一知识点提出的讨论题目，涉及面较小，可在课堂随时进行；专题讨论是则需要提前布置准备。由教师提出讨论题目、要点、阅读书目，让学生有足够的准备时间查阅资料、归纳总结出讨论文稿。专题讨论可结合CDIO项目进行，即将CDIO所涉及的关键问题设置为专题讨论题目。“特种加工”课程的要点讨论题目举例：“电火花加工为什么使用直流脉冲电源？”；专题讨论题目举例：“水射流切割断面粗糙度影响因素分析”。

学生以学习小组形式参与讨论。通过讨论交流增强学生对知识的认识理解，培养学生的自学能力、独立思考能力和探究问题的兴趣；使学生从知识运作、技能掌握、语言表达、归纳总结等方面得到充分锻炼。教师在讨论过程中主要是提出问题，设置障碍，启发思路和引导争论。

2.3 工程实训的CDIO项目

CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）、运行（Operate），是近年来国际上认可的工程教育模式。CDIO项目为学生提供一种建立在真实情境上的工程基础教育，它针对产品研发到使用甚至回收的全生命周期，让学生完全按工程思维进行构思-设计-实现-运行全过程的主动学习，培养学生的工程实践、研究创新、交流合作等工程师需要具备的知识、能力和态度。使学生掌握扎实的技术基础知识（知识）；领导或具体从事产品或系统的构思、设计、实现和运行中的某个环节或全部过程（能力）；客观认识自己和他人，培养正确的工作观、竞争观，合作观（态度）。所以，以CDIO为教学情境是专业课教学中设置和实现目标最自然的方式[5]。“特种加工”课程所设置的CDIO项目举例：“摩托车模型水射流切割及表面质量研究”，“小型型腔模具电火花成型加工工艺参数分析”。

2.4 自主设计的创意实验

现有实验的不足为：不需学生自己设计实验方案，因为学生人数较多，多数实验由实验员演示，学生只需在现成的实验报告表格里记录实验数据，整理分析数据即可。不能培养学生进行科学研究的创新能力、思维方法和严谨态度[6]。

将CDIO项目与现有实验融合，针对CDIO项目中的关键问题设置实验。通过CDIO促使现有的“演示填表式”实验向实践型、 探索型、创新型实验方向发展。依据明确的实验目的，在兴趣驱动下进行实验的自主设计、操作检测、数据处理、结果分析。自然引导学生进入认真探究的境地。

例如，“特种加工”专业课实验之一：“水射流切割表面粗糙度测试与影响因素分析”。此实验题目来自CDIO项目“摩托车模型水射流切割及表面质量研究”，同时为专题讨论题目。为提高所切割模型的表面质量，需要研究粗糙度的影响因素。在专题讨论的基础上，由学生自主设计实验，了解设备功能，在实验员的帮助下切割试样，自己检测切割断面粗糙度，绘制实验曲线，进行相关分析。

2.5 以能力为导向的考核

课程成绩由多个教学环节综合决定，如笔试、实验、讨论课、CDIO项目等。笔试内容应注重活的知识检查，不能过分强调标准答案，摒弃死记硬背的考核方式。在笔试考核中体现讨论课、实验、CDIO项目等活学活用的内容，使临阵磨枪搞突击的做法不再灵验，通过正确的考核方式引导学生注重平时学习和能力素质的提高。

各教学环节的考核成绩不能只由教师和实验员评定，也要让学生参与到考核与评价中来。如专题讨论与CDIO项目的个人自评与小组内互评，演示讲解时小组间的互评等。通过学生参与考核，使每个学生都认识到自己对于小组集体的重要性，大家应互帮互学、共同进步。

3 CDIO项目实施实例

以机械设计制造及其自动化专业的“特种加工”课程为例介绍CDIO项目的实施。课程32学时（含4学时实验），每周4学时，用时8周。

3.1 CDIO项目内容与要求

“特种加工”课程所设置的CDIO项目为实物制作及试验研究两类课题。一类为零件或模型设计与实物制作，即将特种加工知识应用于实际零件的制造；另一类是特种加工工艺规律研究。以研究某种特种加工的工艺规律为目标，包括试验设计与实施、检测分析、数据处理、结果分析等。题目举例：板状零件的水射流切割工艺与制作；摩托车模型设计与水射流切割制作；陶瓷拼花水射流切割制作工艺；电火花型腔加工工艺设计与实物制作；水射流切割参数对切割表面粗糙度及效率的影响规律研究；电火花加工表面粗糙度影响因素试验研究；等等。

3.2 CDIO项目实施过程

CDIO项目实施过程如下。

1）项目布置：讲解设置CDIO项目的目的、题目、研究内容、实施方案、研究步骤及考核标准等；

2）项目分组：4～5名同学为一组，组长1人。确定组内协作方式和分工内容；

3）项目选择：各组从给定项目题目中选择一题，学生也可以通过查阅资料与教师商定题目；

4）调研检索：根据所选项目内容进行广泛检索，设计出项目实施的初步方案；

5）制定计划：制定详细的研究进程计划；

6）知识准备：完成所用软件和知识的学习；熟悉加工与试验设备；

7）方案论证：确定实物制作的工艺方案或试验研究的设计方案；

8）具体实施：实物加工、检测和分析；研究试验，数据处理及结果分析。利用机制实验室1530BA型磨料水射流切割机床、NH7145CHC精密电火花成型加工机床、DK7780型电火花线切割机床、JB-1C型粗糙度测量仪等完成项目。

9）项目答辩：撰写项目报告和制作演示文档PPT，进行答辩。

图2所示为CDIO项目实物制作、实验研究试样及研究结果等示例。

3.3 CDIO项目指导方式

项目指导教师包括任课教师和实验师。任课教师负责全面指导，实验师负责实验操作的指导。

1）课内指导：项目实施与讨论课结合，讨论课的部分内容即为项目所涉及到的关键问题。引导学生制定切实可行的设计方案、工艺加工路线和试验方案，选定正确的研究方法；

2）课外指导：课外利用答疑时间进行项目指导，定期检查项目进度；另可与研究生交流；

3）实验指导：项目所涉及的试验内容由任课教师和实验师共同负责。包括设备的操作、安全措施、试验数据的处理与分析等；

3.4 CDIO项目进程安排

CDIO项目进程安排如表1所示。

3.5 CDIO项目成绩评定

学生项目成绩由小组成绩和组内自评成绩两部分构成。

1）小组成绩：由指导教师根据项目研究报告（40%）、答辩（40%）和小组合作表现（20%）综合评定。答辩成绩由教师和其余小组代表评定。

2）组内成绩：小组自评成绩：按2-4-4比例给出成绩A、B、C，由组长签字上交。

3）最终成绩：小组得分为平均分，个人成绩是在平均分的基础上根据组内成绩上下浮动所得。

4 结束语

通过在“特种加工”专业课教学中应用主动式教学法，达到了如下目标：

1）基于建构主义教学理论的主动式教学法适合于工科专业课教学，利于实现知识、能力和素质的一体化教学目标，有助于推行以学生为主体以教师为主导的教学理念；

2）多种教学形式相互融合并用，能够培养学生积极主动的学习习惯，逐渐改变被动学习状态；有助于学生掌握活的知识，调动独立思考、互动交流的积极性；提高学生在课堂教学中的参与热情；

3）通过CDIO项目的实施，有助于培养学生的工程实践、科学研究、团队合作等综合素质。

参考文献

[1]张丽娟.美国高校教学模式的三个重要环节[J].中国高等教育，2012，（18）：62-63.

[2]傅四保. 建构主义学习理论指导下的项目教学法初探--以“教育技术学研究方法”课程教学为例[J].中国大学教学，2011，（2）：56-58.

[3]陈新忠，李忠云，胡瑞.“以学生为中心”的本科教育实践误区及引导原则[J].中国高教研究，2012，（11）：57-63.

[4]王立人（译）.归纳式教学法的定义、比较与研究基础（上）[J].高等工程教育研究，2009（3）：15-28.

[5]汕头大学工学院.中国CDIO工程教育2012年会纪要[J].高等工程教育研究，2013，（3）：60-61.

[6]陈飞，孙斌，赵玉晓.基于卓越工程师计划的三性实验教学改革[J].教学研究，2013，36（5）：106-109.