基于5E教学模式的典型教学案例应用

张敬南

(哈尔滨工程大学 自动化学院， 黑龙江 哈尔滨 150001)

基于5E教学模式的典型教学案例应用

张敬南

(哈尔滨工程大学 自动化学院， 黑龙江 哈尔滨 150001)

本文将广泛应用于生物学的5E教学模式应用到“电力拖动控制系统”课程中，对典型教学过程进行了教学案例设计与实践检验，提高了教学效果。结合授课教师的实践经验，总结了5E教学模式在理工科专业课程中应用时所需的注意事项。

5E教学模式；电力拖动控制系统；教学案例

0 引言

建构主义是认知心理学派中的一个分支，其理论的核心是以学生为中心，强调学生对知识的主动发现、主动探索和主动建构[1]。5E教学模式是基于建构主义学习理论展开的，它将教学过程分为吸引(engagement)、探究(exploration)、解释(explanation)、迁移(elaboration)和评价(evaluation)5个阶段[2]。起初，5E教学模式广泛应用于生物学的教学过程中，现在业已成为国内外教育研究的热点，研究者将其教学理论引入到各类课程中并进行了经验总结[3，4]。

笔者长期致力于“电力拖动控制系统”课程的教学改革工作，结合5E教学模式和“电力拖动控制系统”课程的特点，在该课程的教学过程中应用5E教学模式来调动学生的学习兴趣、提升学生的探究和实践能力，实践证明该方法是行之有效的。

本文对5E教学模式在“电力拖动控制系统”课程教学中的一个典型应用案例做出较为详细分析与探讨。

1 基于5E教学模式的教学案例

1.1 教学内容认识

5E教学模式与传统教学模式相比较，教师在教学过程中的教学理念、教学方式和角色定位都要发生根本性的变化，学生的学习方式也随之改变。从教师讲授为主的单一模式转变为教师引导为主，结合启发、提问、指导、参与讨论和评价的多源模式；而学生也从被动接受知识向主动参与探究构建知识的转变。为了能够发挥5E教学模式的作用，需要打造合适的教案，每一个知识点的教学过程都要依据5个阶段进行对应设计。本文以一典型教学案例的设计过程介绍5E教学模式在“电力拖动控制系统”课程中的应用。

教学内容：转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性[5]。

内容分析：本节课要求学生在掌握具有截流负反馈的转速单闭环调速系统前提下，针对起、制动性能的要求高的场合，研究转速、电流双闭环调速系统的起动过程。分析该系统的基本构成及控制规律，并进而获得转速闭环和电流比环的作用。

教学目的：重点掌握转速、电流双闭环直流调速系统改善起动过程及起动过程的分析、控制规律和调节器作用。在教学过程还要培养学生的对专业知识的认知和思考分析的能力。

1.2 各个教学环节的设计

结合5E教学模式，上述教学内容在2015年度的教学过程中被设计成5个环节。

1)吸引

本环节要通过情境中出现的问题吸引学生，并引起学生的认知冲突，激发学生主动探究的兴趣，实现学生主动建构知识的目的。

在教案的设计中，学生首先针对转速单闭环调速系统和具有截流反馈的转速单闭环调速系统进行起动过程的仿真，验证单闭环调速系统的起动电流问题和截流反馈在牺牲系统随动性的前提下获得对起动电流抑制作用的初步认识。然后，结合龙门刨床等频繁正、反转，起、制动过程的演示对调速系统提出新的要求：由于实际中的很多调速系统需要实现频繁的正、反转，起、制动运行，需要较高的跟随性能要求。由于学生还没有学到可逆系统，所以，本环节只对起动过程提出快速性的要求。引导学生对具有截流反馈的单闭环调速系统能否实现该起动要求提出质疑，并进一步去思考如何能获得起动过程时间的缩短。

在教学实践中，学生很快发现了具有截流反馈的单闭环调速系统限制电流和调速系统快速起动要求之间存在矛盾，对采用该调速系统实现快速起动提出质疑。

2)探究

本环节的目的是通过引导学生进行探究，在探究的过程中，学生应用原有知识概念和技能方法探索解决新问题的途径，为之后的新的知识概念形成创造便利条件。

在教案设计中，首先对学生提出起动时间的要求，让学生利用具有截流反馈的单闭环调速系统的仿真程序进行仿真分析和探索，引导学生利用已经具备的知识进行小结。在此期间，学生会不断地提出新的想法(包括错误的想法)，并在已经熟悉了的仿真程序基础上完成新的想法的仿真分析，记录观察结果，形成观点并获得结论。随着问题的不断深入，当没有新的思想提出时(或者当有学生提出双闭环思想时)，授课教师再提供转速、电流双闭环调速系统的仿真程序给学生，引导学生通过仿真对比分析起动过程转速及其他参数的变化，并让学生确定达到了预期的起动要求。

在教学实践中，学生想到的方法可能包括：添加辅助电动机加快起动过程、引入PID调节器代替PI调节器、引入与转速差值相关的前馈环节等。考虑到经济指标，学生很快放弃了添加辅助电动机的方法。学生对其他方法进行了仿真分析，最终发现，除了转速、电流双闭环调速系统之外，均没有达到指标的要求。

3)解释

在教师引导下，学生逐步获得正确的结果，此时要鼓励学生用自己的理解和语言进行阐述。解释阶段是5E教学模式的关键环节，是学生理论自我建构过程。

在教案的设计中将本阶段分成了2个部分：首先，在学生确定转速、电流双闭环调速系统具有较好的起动效果后，授课教师便引导学生进一步讨论“为什么双闭环具有较好的起动性能呢？”，并在解释环节中做出详尽的推导。第二，对期望的起动过程中转速和电流的静特性曲线进行描述。并引导学生将期望静特性和实际静特性进行对比，获得转速、电流双闭环调速系统特点的初步的结论。

结合教学实践，在第一部分内容中，学生都会逐步获得以下知识点：①联系到以往的知识——运动方程式，确定缩短起动时间、提高加速度的方法在于增大驱动转矩与制动转矩的差值上；②起动过程电流多大合适，电流对应了电磁转矩，能够获得的最大驱动转矩对应的是最大电流。

第二部分内容上，期望的静特性曲线需要授课教师帮助学生对两个状态加以区分，学生确定了两个状态后，能够很快完成期望静特性和实际静特性的对比。

4)迁移

本环节的目的是在获得正确的结论后，能够进一步地深入研究及实现知识的拓展。

教案的设计中，要引导学生结合双闭环仿真程序进行起动过程的转速、电流变化情况进行总结。由授课教师给出双闭环调速系统的三个关键特点：饱和非线性控制、转速的超调和准时间最优控制，学生通过实际特性与期望特性的比较确定这三个关键特点的正确性。最后授课教师提出不同的工况要求和参数要求，引导学生通过仿真程序进行仿真并获得调节器的作用。

在教学实践中，由于教学时间的限制，不能在一次教学活动中完成全部环节，一些拓展活动可以留作课后思考题。其内容有：在双闭环调速系统的基础上，尝试改变调节器参数，观测并总结调节器参数对运行性能的影响。

5)评价

本环节的目的在于明确学生活动的收获和鼓励学生对研究过程进行反思，同时，评价也为教师提供了一个评估自己教学过程和效果的机会。

在这一阶段可以用正式或非正式的方法评价学生对新知识的理解及应用能力。如果用正式的方法评价，教师可以采用纸笔测验和观察现场表现等形式；如果采用非正式评价，教师可以在整个教学过程的任何时候进行。在本教案的设计中采用了正式的方法评价，主要涉及四方面内容：①针对探索阶段出现的错误方案所进行的反思；②考核学生对双闭环调速系统基本概念的掌握和特点的认识。③给出工况和调节器参数改变的具体实例，检查学生在迁移阶段的掌握情况。④提出一些开放式问题对学生掌握情况做了进一步的提升。

在教学实践中，通过此阶段确定学生是否能够有效掌握教学内容的相关知识和技能。良好的评价就能说明本次教学活动中采用5E教学模式是行之有效的。

2 实践效果与注意事项

2.1 实践效果

通过2015年度在我校电气工程及其自动化专业“电力拖动控制系统”课程的教学活动中应用的检验，将5E教学模式应用在此课程的教学活动中，获得了很好的教学效果，达到了学生的自主学习能力和知识掌握程度提升的预期目标。

通过与往年教学过程的比较，本年度获得良好教学效果主要体现在学生主观能动性的调动上。在5E教学模式下，学生的学习兴趣明显提升，态度积极；面对问题能够提出新的想法，修正错误，不断接近正确的结论；学习过程拓宽了学生的思路、强化了学生的知识结构，通过知识点的不断重构，形成了正确的理论体系。

2.2 注意事项

(1)授课教师必须具备足够的掌控能力。一方面，教学目的要明确，要保证教学的有序性；另一方面，由于5E教学模式的教学过程和教学思路是多源的、发散的，不可避免会发生各种突发状况。因此，教师需要尽量对教学过程有详尽的教案，并进行发展趋势和控制范畴的有效预估。所以欠缺丰富的教学和实践经验的教师难以胜任。

(2)授课教师必须在教学过程中接受学生逐步熟悉的过程，可以先培养个别勇于表现的学生，并在过程中由这些学生带动其他学生参与进来。

(3)要选择概念清晰、推导多样化、但结论具有收敛性的教学内容进行5E教学模式实践。也不要在一门课的一开始就采用，要留给学生对相关基础知识认知的过程。

(4)不同于案例教学，5E教学模式(尤其是探究环节)允许学生犯错误，但授课教师需要控制，不能放任错误发散，教师要恰当的引导，将学生在错误的路上及时回头。

(5)不同的课程或课程中不同的内容之间不能停留在表面形式的模仿层面，而是应该充分理解其理论基础和精髓所在，在教学中不断实践和反思，做到灵活运用。

(6)5E教学模式相对于传统讲授型教学过程需要更多的学时。建议首个采用的知识点可以随堂完成，后续的知识点的部分环节(比如探究、迁移和评价环节)可以留为课后完成，课堂总结。

3 结语

5E教学模式是众多探究式教学模式中的显著代表之一，虽然笔者认为5E教学模式在应用过程具有诸多注意事项，但是通过“电力拖动控制系统”课程的典型应用，其在激发学生潜能、帮助学生构建知识体系方面的作用是不能否定的。

(张敬南文)

5E教学模式在理论性和实践性均较强的理工类专业课程中应用具有可行性，但也不能断言其一定优于其他教学模式，还要考虑教学内容、授课教师、学生基础等多方面因素的影响，实际的教学过程中需要根据不同的教学内容和教学目的，根据师生特点综合应用不同教学模式，并不断在教学实践中加以检验和革新。

[1] 刘寅齐，赵应吉. 建构主义学习理论对多媒体网络环境下大学英语自主学习的启示[J]. 北京：中国大学教学. 2007(8):84-86

[2] 张杏娟，刘恩山. 5E教学模式在发展学生能力和课程建设中的价值及作用[J]. 北京：生物学通报. 2015.50(2):21-23.

[3] 吴成军，张敏. 美国生物学“5E”教学模式的内涵、实例及其本质特征[J]. 北京：课程·教材·教法. 2010.30(6)：108-112.

[4] 黄皓. “5E学习环”探究教学模式初探--以“设计、制作一个由简单机械组成的机械模型”为例[J]. 重庆：物理教学探讨， 2014.32(4)：68-71.

[5] 阮毅，陈伯时. 电力拖动自动控制系统--运动控制系统(第四版)[M]. 北京：机械工业出版社. 2009.8.

Application of Typical Teaching Case Based on 5E Teaching Mode

ZHANG Jing-nan

(CollegeofAutomation,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)

The 5E teaching mode in biology is applied to the course of Electric Drive Control System. The teaching case using the 5E teaching mode is designed and practiced of the teaching process, and the effect is obvious. Combined with the practical experience of teacher, the considerations of 5E teaching mode are summarized.

5E teaching mode; electric drive control system; teaching case

2015-11-03;

2015-12-09 基金项目：黑龙江省教育科学规划课题(GJC1215018)

张敬南(1975-), 男，博士，副教授，主要从事电气工程及其自动化教学和研究工作, E-mail：zhangjingnan@hrbeu.edu.cn

TM921

A

1008-0686(2016)05-0075-04