基于建构主义学习理论的《电器学》课程教学方法研究

2014-03-05王召斌任万滨翟国富

机电元件 2014年6期

王召斌，尚尚，任万滨，翟国富

(1.江苏科技大学电子信息学院，江苏镇江，212003;2.哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨，150001)

1 引言

当前，我国高等教育已进入改革和发展的历史新阶段，为了充分调动学生学习的积极性，发挥教师的主观能动性，启发式、引导式、互动式等教学授课方法不断涌现，不仅加强了教师的引导作用，课堂教学效果亦得到明显提高［1］。

针对传统教学模式的诸多弊端提出了建构主义学习理论，该理论由知识观、学生观、学习观和情境观四部分组成［2］。建构主义的知识观强调知识的个体性、相对性、情境性，在一定程度上扩大了知识可探索的范围，拓展了对现实世界研究的空间，从而有利于个体创造性的发挥;建构主义的学生观强调学生是学习的主体，是意义的主动建构者，因而对学生学习的主体地位给予很高的肯定和尊重，从而有利于学生进行研究和考虑问题;建构主义的学习观强调探究学习、发现学习、研究性学习、动手实验等学习方式，从而有利于培养学生的探究意识、创新精神和实践能力;建构主义的情境观强调学习的开放性和情境性，注重真实学习情境的创设，教师为学生提供真实的、复杂的、多种答案的问题情境，从而有利于学生身临其境，并促进所学知识的活学活用［3、4］。然而，建构主义理论本身也存在着某些缺陷，在对其认识不够全面的基础上一味追求建构主义的教学模式也将引起诸如教学目标设置不明确，轻视教师主导讲解过程，学生抽象概括能力无法得到提高等问题的出现。因此，如何合理地有选择地应用建构主义学习理论在课程教学中是亟待解决的问题。

本文通过《电器学》课程的重要性及教学特点的剖析，探讨了基于建构主义理论思想的教学设计及教学方法，并对该课程合理应用该方法的问题进行了探讨。为最终达到以学生为中心，让学生形成自己的学习方法、构建自己知识结构的目的做出了有益地尝试。通过这种方式不仅让学生在此框架的基础上主动学习获取其他新知识，培养学生创造性思维的能力，同时对于其他课程的教学方法改革与创新也具有参考价值。

2 电器学课程的主要内容及教学特点

《电器学》是电气工程及其自动化专业本科教学的专业方向主干课程，总学时70学时，其中授课62学时，实验8学时。教学过程中综合运用大学物理、工程力学、电路理论、电磁场理论、电子技术等基础知识。

通常，人们只是将电器看成简单的开关，更有人将其片面理解为家用电器，然而从更专业、广义的角度讲，凡是对电能的产生、输送和应用起控制、保护、检测、变换与切换及调节作用的电气器具统称为电器，是电气化和自动化的基本工具，在电力输配电系统、电力传动和自动控制设备中起着重要作用［5］。本门课程的主要任务是:第一，使学生掌握电器理论基础知识，包括电动力、发热、电弧、电接触、电磁铁等理论基础及基本计算分析方法，课程所涉理论框架如图1所示;第二，通过对低压电器典型产品的结构和性能的分析及选用方法的介绍，掌握各类电器的用途、结构和性能特点，达到举一反三的效果;第三，通过实验课程，使学生具有对电器操作及测试分析的能力。

传统的《电器学》课程存在许多问题，主要表现为以下几个方面:(1)所涉及的基本理论本身具有相当的深度，如电弧与电接触理论所涉及的材料科学、物理电子学、电化学等多学科领域，要求二十学时内完成教学存在客观难度;(2)电器学的传统教学模式只按“概念、理论公式证明、试验结果分析”的步骤讲述，而对于提出问题的艺术，概念的形成、公式和定理的发现，乃至理论的创造与发展过程，以及运用数学知识解决实际问题等更实际的部分往往只字不提，结果使《电器学》课程显得枯燥乏味;(3)以往对电器学缺乏应有的改革力度，没有充分利用先进的多媒体教学设备进行教学;(4)在传统教学模式作用下，不少学生没有养成良好的学习习惯;缺乏正确的思维和理解方法，学生甚至感到学习电器学对自己的学业、工作作用不大，出现了忽视电器理论基础的现象，影响了电器学在整个课程结构中的基础地位。因此在教改中不断巩固课程的基础地位，构建合理的课程体系，改革教学方法，提高教学效率是《电器学》课程改革的一项基本要求。

图1 电器学所涉理论的主体框架

3 电器学课堂教学环节的建构

“情景”、“协作”、“会话”和“意义建构”是建构主义提倡的学习环境四大要素，能够激发学生学习的兴趣是教师教学过程中要考虑的中心问题，通过完成教学内容的建构、思想方法的建构、情境教学的建构等过程，引导学生提出问题，猜想结果，再检验、论证，激发学生去思考，在思考中得到结论，从而建构符合每个人的知识体系。

3.1 教学内容的建构

电器学课堂教学环节的基本内容主要由三部分组成，第一部分为基本理论，包括电磁理论、发热理论、电动力理论、电弧电接触理论;第二部分为典型电器元件(继电器、接触器、断路器)的功能特征;第三部分为电器元件在电气自动化领域的实际应用。

基本理论部分是结构良好领域的知识，人们已形成了普遍的共识，因此采用建构主义的观点发挥学生主体作用，从不同的知识经验角度进行知识个体性、相对性和不确定性的强调是不合适的。为更好地实现意义建构，提高学生的综合素质，在基本理论部分的教学过程中应继续坚持教师教学过程中的主导地位，同时注重寻求电器学问题与物理学知识点的联系。针对电器学讨论的角度和层次与物理学有所不同的特点，首先应使学生清楚分析的目的意义，引导学生应用已有的物理学分析方法建立模型求解，最终应用所得的结论直接进行电器问题的分析计算。另外需要明确建模前的假定条件，从而使得结论的应用范围予以严格确定，避免误用情况的发生。

工业应用知识部分具有实用性强的特点，实现相同的信号控制和保护功能可选用不同类型电器元件的组合方式，然而根据实际工况环境和性能的特殊要求则需对方案进行优选。因此可采用建构主义理论中的抛锚式教学模式，如教师先创设情境让学生面临一个需要解决的工程实际问题，教师提供解决该问题的线索，学生结合已有知识结构自主学习，互相讨论交流完成协作学习步骤，最后由教师对各方案进行总结与点评。

此外，随着电子技术、半导体器件制造业的迅速发展，无触点电器、混合电器技术日趋成熟，包括半导体、晶体管、晶闸管、磁性元件和其他光敏、压敏自动化元件的工作原理、线路设计和参数选择等方面也使得电器学理论的外延范围不断扩大。同时，特种行业(航空航天用、通讯用、汽车用)也在不同方面对电器元件提出了特殊性能指标的要求，还将涉及到机构运动学、高频电磁波理论、结构动力学等，因此要求教师应主动掌握现代前沿的科学知识，及时优化知识结构，建构其与电器学相关问题的关系。

3.2 思想方法的建构

如果把电器学与大学物理学知识点之间的联系作为“点”状的联系，那么这种联系只能是散点式、随机性的，只有把联系“点”梳理成“线”，贯穿教学始末，才能使教学内容更加序列化、系统化。“线”上梳理，可使学生对电器学的理论体系有较全面的认识，从而更加清晰地透视电器学所涉及的难点问题，如可动铁心和可变气隙电磁系统电磁场的计算，电弧分析数学模型的建立，电接触热过程数学模型的建立等。

知识点之间的联系，有利于提高学生的认识层次。考虑到电器设计分析是一个综合全面的过程，因此在教学中要特别注重寻求热学、电学、磁学之间的联系与统一。上述问题的实质就是“三维场”问题的求解，如以解析法要求学生掌握难度较大，因此引入“路”的方法进行等效可将问题简单化，如热分析中热路法引入的热阻概念及相关定律，电磁分析中磁路法引入的磁阻概念及相关定律等。且上述概念与定律均可方便学生将此与熟悉的电路理论中电阻概念及基尔霍夫第一、第二定律进行类比记忆。通过揭示这些内在联系，不仅便于学生掌握相关知识，同时对学生综合素质的提高也将效果明显。

3.3 情景教学的建构

建构主义强调人与环境的相互作用。电器学是具有理论性较强的一门学科，为了能使整个课堂生动、形象、直观，必须使用现代化的教学手段。建构主义的课堂教学可以运用计算机多媒体课件形象直观地展示各类电器元件及相关理论的发展史，创设大量富有启发性的教学情景，实现师生互动，激发学生的兴趣，增强学生学习的积极性。尤其是通过恰当的问题可为学生创设良好的学习情景。应用现代的多物理场有限元分析软件和数值计算工具可给出更加形象直观的物理场图景，从而达到多媒体创建合理学习情境的目的，如在分析螺线管的漏磁场及漏磁力时，若直接采用磁路法进行等效计算，学生的接受效果将不理想，因此在课堂上无法演示其试验过程的情况下，采用ANSYS电磁场软件仿真分析，可使主磁通、漏磁通的三维图景一目了然，此时再将磁路法及相关等效条件引入，可使教学效果得到明显提高，学生对解决问题的思路和等效条件的合理性也将更加明晰。

4 建构主义学习环境下的教学设计实例

现以电器学重要内容“触头质量的转移与电磨损”为例，进行建构主义学习环境下的教学设计，包括教学目标分析、情境创设、引导式教学、自主学习设计、协作学习设计等步骤。

4.1 教学目标分析

设定该教学单元的学习目标为，通过讲授在切换不同的电路负载过程中触头发生的电磨损现象，使学生掌握金属桥磨损和电弧磨损的现象、磨损特征和相应的负载条件(电压、电流)。了解触头产生磨损的机理与相应的分析方法。

4.2 情境创设与引导式教学

采用多媒体先后演示电器寿命试验设备、试验方法和电器触头寿命试验前、试验后表面烧蚀的形貌照片，然后由教师根据图片引导学生归纳总结出触点烧蚀磨损的特征，为学生自主学习提供信息和帮助，最后，教师根据教材讲授不同的电压、电流条件对触头的磨损机理与磨损原因。为便于学生对电磨损形式归类记忆，教师提示以电压、电流作为坐标轴，并由学生思考、讨论、绘制特征曲线图。教师逐步引导学生联系机械参数(如分断速度、闭合速度、闭合力)、触头形状参数、气体介质的压力和温度、触头材料及配对情况对于电磨损与质量转移是否有关系呢?

4.3 自主学习设计与协作学习设计

将学生分成小组，教师将事先准备好的影响电磨损因素的文献资料分发给各小组，进行自主学习设计，让学生在了解该问题研究现状的基础上，便于学生在自我探索过程中进入情境去学习。着重体现以学生为中心的三要素:发挥学生的首创精神、将知识外化和实现自我反馈。在个人自主学习的基础上开展小组讨论、协商，以进一步完善和深化对该问题的意义建构，最后由教师完成对提出问题的总结与学生学习效果的评价。