基于体验学习的“过程控制”实验教学设计

刘 中,吴云杰,袁少强,王金英,陈 砾

(北京航空航天大学自动化学院,北京 100191)

0 引言

多数自动化专业课程传统的教学方式是先上理论课,将理论、原理、方法等先在课堂讲清楚,然后再进行实验。实验环节也一般提前以理论课的方式讲述,学生按照实验指导书进行实验操作。应该说,这种方式确实效率很高,各层次的学生基本都能够完成规定的实验项目。尤其是学时有限、学生人数多的情况下,是行之有效的方法。但另一方面,传统方式缺乏对知识获取客观规律的深入分析、缺乏对学习者主观能动性的激励、缺乏自由的思考空间。传统教育依据的主要是系统的以课本为载体的学科知识,以教为主,学生采用的是接受式的学习方式。传统教育方式固然起到了很好的作用,但对人的个性发展重视不足,在一定程度上忽视了学习者的创造性。

本文从大卫·库伯提出的“体验学习圈”出发,设计了适合过程控制的实验教学模式,重新设计和编排实验环节,引导学生积极思考,激发学习过程中的创造性思维。

1 关于“体验学习”

体验学习理论的概念是大卫·库伯教授在1984年发表的专著中正式提出的。体验学习理论既区别于传统理性主义的教学方法,又区别于行为主义学习理论,是建立在另一种哲学和认识论基础之上的,特别是源于洛克等人经验主义哲学的思想方法。库伯从哲学、心理学、生理学等多种不同学科进行分析,提出学习应该是由具体体验、反思观察、抽象概括和行动应用所组成的完整过程。

1.1 体验学习的内涵

库伯对体验学习的定义为:学习是体验的转换并创造知识的过程。他强调学习是一种过程,不是内容或结果。知识是一个转换的过程,是连续不断的创造与再创造,不是可获得或传递的独立过程。学习转换的体验包含主观形态和客观形态两种体验。另外他还强调注重理解知识的本质。

1.2 体验学习的特征

综合杜威、勒温、皮亚杰等人体验学习模式,体验学习的特征可归纳为:体验学习是一种过程,而不是结果(学习是起源于体验并在体验下不断修正并获得观念的连续过程);体验学习是以体验为基础的持续过程;体验学习是运用辨证方法不断解决冲突的过程;体验学习是个体与环境之间连续不断的交互作用过程;体验学习是一个创造知识的过程。

1.3 体验学习的过程

库伯将体验学习总结为一个四阶段的循环过程,涉及四个相适应的学习环节——具体体验(concrete experience)、反思观察(reflective observation)、抽象概括(abstract conceptualization)和行动应用(active experimentation)。这就是库伯提出的体验学习圈,如图1所示。

图1 库伯的体验学习圈

标准的学习模式始于“具体体验”环节。学习者首先通过自己的行动在实践中获得具体的体验,然后进行反思性观察,对体验到的内容进行思考,再进行抽象和概括,将反思的结果形成某种抽象概念或理论,最后将抽象的理论和概念应用到新的行动和实践当中验证效果,这样就是一个完整的循环。但整个学习过程并不是至此嘎然而止,当理论和概念应用到新的实践时,新一轮的学习过程又开始了。图中标出了纵向和横向两个维度。纵向表示知识获取的过程,可以通过抽象或具体的方式获得,或称为感知和领悟。横向表示知识转换或形成的过程,可以通过反思辩证或积极行动两种方式进行,或称为内涵缩小和外延扩大。这样就形成了四种不同形式的基本知识:通过感知获取经验并缩小内涵形成发散性知识;通过领悟获取经验并缩小内涵形成同化性知识;通过领悟获取经验并扩大外延形成顺应性知识;通过感知获得经验并扩大外延形成顺应性知识。

体验学习的四个环节相互联系,不断循环,螺旋上升。并不是每次学习过程都由四个完整的环节组成,中间可以有跳跃、反复与交叉。个人的情况不同,获取知识的习惯和优势也不同。因此,体验学习圈模型也不是一成不变的,有相当的灵活性和自由性。

2 过程控制实验教学模式

过程控制是自动化技术的重要分支,既包含丰富的理论知识,又涉及工业现场很多实际系统、传感器、仪表等。与其他课程相比,“过程控制”实验教学环节在整个课程推进过程中的重要作用更为突出。因此,分析人类获取知识的客观规律,从学的角度出发,改革过程控制实验教学环节是提高整个课程教学质量的一个重要因素。从库伯的体验学习圈结构看,应该说实验是处于行动应用阶段。但实验教学不能仅仅停留在这一阶段,不能仅仅将实验部分看成是验证和简单体验的过程。通过实验教学一方面应该不断深化知识和概念,另一方面还应该在实践的过程中继续获取和创造知识。

2.1 实验过程设计

库伯提出的体验学习圈基本从哲学、心理学和生理学等方面阐明了人类获取知识的规律,对实验教学有很好的指导意义。针对过程控制实验教学的特点及学生的具体情况,本文设计了五环节的教学过程,包括:个人体验、个人反思、分组讨论、抽象概括和行动应用。如图2所示。

图2 五环节教学过程

个人体验主要是通过学生自己观察、测量和操作实验设备,对整个系统的组成进行具体的了解。同时,明确实验任务和目标,了解实验设备的功能、性能指标和操作方法。在此基础上进行独立思考,根据设备的功能和个人经验初步设计解决方法。实验中将学生分成若干小组。分组讨论阶段包括组内讨论和组间讨论。一个实验小组内部成员间进行讨论,把自己的思路、想法与小组成员之间分享,确定小组统一的实验方案。组内讨论后进行组间讨论,各小组介绍本组的想法与实验方案,进行比较与判断。抽象概括阶段主要是实验方案确定后,个人进行理论设计,包括建模、仿真、控制方法选择等。行动应用就是将设计的控制方法和算法进行实现,控制实际系统,观察控制效果。

在实验设计中,增加了分组讨论环节,通过讨论将个人的思路和想法与他人分享。一方面,能够调动学生的积极性,对事物进行独立思考。另一方面,分享也是知识创造的过程,能够在与别人讨论的过程中对知识的理解不断深化和修正。

2.2 实验环节设计

为配合体验学习教学过程的实施,整个实验从功能角度按照模块化的方式进行组合。实验部分主要包含五个模块:功能测试模块、系统建模模块、系统仿真模块、编程实现模块和结果分析模块。各模块间相对独立,又彼此联系。这样的设计便于实验的安排和日后系统的升级、维护。

在具体设计阶段采用 LabVIEW作为开发平台,利用LabVIEW良好的图形界面和模块化的方式,将不同功能的部分分成若干模块。如图3所示是系统仿真中PID参数调整模块。实验中可以灵活向学生开放,同时便于功能的组合与增加。

图3 PID参数调整模块

2.3 实验模式设计

实验的实施以情景式学习为主线,只明确具体目标和任务,不提供固定、详细的实验步骤。实验指导书以用户手册、编程手册、使用说明书等方式编写,提供必要的参数和性能指标。增强实验的互动性,包括学生之间的互动、教师与学生的互动和理论与实际的互动。在实验中加入分享和讨论评价环节,通过分享和讨论激发学生的积极性、深化对知识的理解。重视学生个性,以灵活的方法和步骤进行实验,学生可以按模块进行选择,按自己熟悉的方式进行实验。

实验一般安排在期末或理论课程某阶段内容后以集中的方式进行,两到三次连续实验。现根据情况进行拆分,在相关理论课程前进行一次1至2学时的实验,让学生用最直观的方式了解工业现场用到的一些具体设备、传感器等,了解实验系统的组成、功能,进行简单控制,明确目标和任务。通过一定阶段的理论课程学习之后,再完成整个实验。

另外,增加实验室开放环节,课后增加2学时左右实验室开放时间。学有余力和有兴趣的同学可以在实验室开放时间进行进一步研究和实验。

3 结语

体验学习强调个体,强调实践,强调学习者的反思,通过学习者与现实世界的沟通和联系,培养学习者的社会责任感。不但促进学者自身的发展,同时也促进了社会的发展,实现了人的发展和社会发展的统一。将体验学习引入到实验教学当中,与具体教学实际相结合,能够引导学生积极思考,发挥创造性思维,为自动化专业人才培养和创新型人才培养发挥良好的作用。

[1]D·A·库伯.体验学习:让体验成为学习和发展的源泉.上海:华东师范大学出版社,2008.1

[2]Mahmoud Abdulwahed,Zoltan K Nagy.Towards Constructivist Laboratory Education:Case Study for Process Control Laboratory.38th ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference,2008

[3]严奕峰.体验学习圈:体验与学习发生的过程机制.上海教育科研,2009.4 59-61

[4]Arnold Kamis,Heikki Topi.Network Subnetting:an Instance of T echnical Problem Solving in Kolb's Experiential Learning Cycle.Proceedings of the 40th Hawaii International Conference on System Sciences,2007