PBL教学法在钻探设备课程实验教学中的应用

2019-10-15赵大军韩君鹏

实验室研究与探索 2019年9期

赵大军，韩君鹏

(吉林大学建设工程学院，长春 130026)

0 引言

随着网络技术逐步发展，信息流通渠道不断拓宽，传统教学方法已无法适应信息爆炸式增长所引起的思维方式的变革。如今，开放式的教育环境更有利于培养新一代年轻人的创新性思维能力，满足国家对于创新性人才的迫切需求。

以问题为导向的教学方法(problem-based learning，PBL)，是以学生为中心的教育方式，由教师设定教学目标，学生自主完成学习任务。该学习法由美国神经病学教授Barrows于1969年在加拿大麦克马斯特大学首创，并率先应用在医学教育领域[1]。随后哈佛大学等多所世界著名院校先后将该方法应用于本校各个专业，均获得良好的实施效果。目前PBL教学方法已经成为国际上较为流行的一种教学方法，在西方发达国家该教学方法的理论研究和教学实践都趋于成熟[2-3]。

我国于上世纪80年代开始引进PBL教学方法，并最早应用在医学专业中[4-6]。本世纪初，清华大学医学院及北京大学医学部开始PBL医学教育模式的试验和改革[7-8]。目前国内多所著名高校已在计算机、生物学、工程学等不同学科课程中开始尝试PBL教学法的应用[9-11]。国内的试行结果表明PBL教学法在科学文献阅读、团队合作、沟通协调等能力的培养方面很有优势，有利于调动学生的积极性与主动性[12]，改变学生固有的思维方式，在培养创新型人才方面有着巨大的优势[13-14]。

1 钻探设备课程实践教学特点

钻探设备课程是地质工程专业领域的一门主干专业课，主要介绍钻探施工过程中应用的钻机、泥浆泵、钻塔、动力机的结构、工作原理、特点及适用条件。

钻探设备课程是一门实践性很强的课程，课程需要配合大量的实验教学帮助学生理解和掌握课程内容。实验教学内容包括钻探设备的总体结构及部件结构原理认知、钻机的操作、零部件的拆卸与装配。通过实地的操作，学生能够直观地了解各部件的构造及工作原理，掌握实际生产工作中的操作步骤，为学生日后在钻探领域的生产工作、科研探索打下坚实的基础。

该课程实验教学具有以下特点：

(1) 实验设备庞大，零件结构复杂种类繁多。钻探设备课程实验教学所用到的配套设备单个占地面积可达1～6 m2，最大高度可超过10 m，钻机重约2 t，无法移动。设备个别部件拆解后的零件重量依然在几10～100 kg，搬运工作需要多人协作完成。部件内部组成结构复杂，零件多且配合紧密，如摩擦离合器即由27种不同零件组成。

(2) 钻进操作要求多人、高配合度。钻探设备的部分操作单人无法独立完成。例如钻探过程中拧卸钻杆操作，由于两钻杆螺纹连接紧密，卸除第一扣需要较大的力，故需两人各自手持管钳向相反方向拧卸。此外钻进过程中，钻机操作、泥浆循环系统控制、钻塔顶端钻具摆放等操作需要各岗位人员各司其职，相互配合。

(3) 容易出现安全隐患。实验设备运转速度高，回转部件最高转速可达1 600 r/min；设备工作压力较大，立轴最大压力可达60 kN。较高的运行速度及运行压力均易产生安全隐患，且学生初次接触机器，操作生疏，对于应急事件处理缺乏经验，在多人大班授课时，教师无法关注到每个学生，故极易发生安全事故。

实验教学内容的以上特点均决定了传统的单一由教师示范、学生独自操作的实验教学方法很难使每个学生在规定的实验课时中完全掌握实验教学内容，无法满足实验教学要求。

2 PBL教学法应用准备

2.1 实验教学PBL问题设置

PBL教学法是以问题为导向的学习方法，其首要任务就是由教师依照课程内容设定问题，学生小组据此分工调查研究，共同解决问题[15]。如何提出一个切中课程内容重心，并且能够激发学生学习兴趣的问题，是PBL教学法应用开展的核心。

问题的设置遵循以下几个要点：

(1) 问题贴近实验教学重心。课程实验教学注重学生动手能力的培养，通过亲身操作体验，增加感性认识，深化钻探设备结构原理的理解。以课程内容为基础，结合课程教学目标，考虑学生学习能力，精心选择问题。

(2) 问题能够激起学生兴趣。在传统的教学中，教师集中讲述操作方法及对应功效，学生的大脑只能被动接收信息，这也是学生上课注意力不集中的原因。通过结合实际的工程案例进行提问，让学生的大脑调动起来，主动探究操作动作在实际生产中达到的效果及其作用机理。例如针对钻机摩擦离合器的功用内容，可以提出：钻机动力机不能频繁停启，而钻机的动作改变频繁，如何来实现？孔内钻具突然遇阻，不能正常回转或提拉，在钻机机械传动系统中如何保证动力机及钻机各部件不受损坏？

(3) 问题难易适中。考虑学生初次接触相关机械设备，对于钻探方法的认知正处于构建阶段，因而一些复杂的操作学生较难理解，容易导致学生丧失解决问题的信心，而过于简单的问题易于完成，学生无法体验到通过几种操作手法的变换组合而解决不同问题的奥妙，进而无法调动学生积极性。同时还要考虑我国大学生在传统教学模式下养成的学习习惯和自学能力。采用维果茨基的“最近发展区”原则进行问题设置[16]，即在教师的启发引导下，通过学生认真思考和讨论，最终自己能够解决的问题，也是使学生通过解决问题收获最大的原则。

2.2 实验教学资源的准备

PBL教学法需充足的实验教学设备、仪器、教具、图书资料及说明书、挂图及影像资料等，来保证学生自学需求。针对钻探设备实验课程的重点内容钻机、泥浆泵结构组成及工作原理，来准备相应的教学设施。

(1) 钻探设备及工具。实验室内为学生准备了2台XY-4型立轴式岩心钻机整机，以及XY-4钻机拆解后的独立零部件：摩擦离合器、变速箱、分动箱、回转器、卡盘、升降机等，水井钻机3台、工程钻机4台，泥浆泵3台。部件拆装工具4套。

(2) 教学辅助及参考资料。实验室内准备了多套钻机、泥浆泵的说明书、施工现场使用图片、教材及参考书等资料。针对钻探设备主要部件的结构制作了35张教学挂图，并与实物一一对应摆放，学生可图-物对照进行学习，提高学生对设备结构原理的理解、提高读图能力。

(3) 教具模型。针对结构、工作原理复杂的钻探设备部件，为增加学生的感性认识，提高动手能力，研制了螺杆泵、曲轴超越离合器式冲击机构、曲柄连杆冲击机构、振动钻机等多个教学模型。学生可通过动手操作观察部件内部结构和工作过程。图1所示为螺杆泵转子和定子内部结构的教学模型照片，转动转子可多个平面内观察不同位置上转子与定子的配合关系，及转子与定子间密封腔的形成与连续移动的规律。

图1 螺杆泵教学模型

(4) 网上自学视频资料。钻机的关键部件零件多，结构复杂，内部结构及工作过程观察困难，单一的平面图讲解也较为抽象。利用3DSMAX、unity3D计算机软件制作了15个钻探设备主要部件三维仿真动画，学生可通过网络平台提前观看各部件的结构及工作原理的模拟演示。例如升降机三维结构，如图2所示，在不同的工作中，内部行星齿系的运动状态不同，通过三维动画演示及部件外壳剖切展示内部结构，学生可以清楚地观察到工作过程中各零件连接关系及运动状态。生动灵活的图像更加迎合学生的喜好，激发学生学习兴趣，达到事半功倍的教学效果。

图2 升降机三维模型图

1-升降机轴； 2-轴承盖； 3-轴承； 4-轴承座； 5-石棉板； 6-刹车带； 7-内齿圈； 8-行星齿轮； 9-行星轮架； 10-提升制动盘； 11-毡封油圈； 12-中心齿轮

3 PBL教学法应用过程

3.1 组织形式

在教学内容展开前，教师需要对学生划分学习小组，并确定组长。教学过程中每个小组为1个教学模块，每个教学模块均需1名教师进行组织学习。为解决指导教师人数不足的问题，由每个学习小组组长承担组织学习的任务。

3.2 教学过程

(1) 布置问题。提前把设置的问题布置给学生，实验室对学生全天开放，学生可提前进入实验室针对问题进行自学。

(2) 学生解决问题。针对给出的问题，由组长分工，通过查阅书籍、网络搜索等手段查阅相关文献资料，了解钻进工作基本过程，在实验室内对实物进行观察及初步操作练习，了解设备工作特点，随后对教师提出的问题进行分析探究，考虑操作过程中可能出现的现象，如变速箱挂不上档、离合器打滑、卡盘卡不紧或打滑等，并针对此现象进行组内讨论，分析其诱因并提出解决方法。随后依照解决方案到实验室内操作仪器进行初步尝试，在尝试过程中不断摸索、完善解决问题的方法，得出本组的初步结论。

(3) 讨论完善。针对已经得出的初步结论，在实验课中各小组间进行相互交流探讨。由组长作为本组代表进行发言，阐明本组解决问题的方法，其他小组自由提问。通过互相提问可以暴露出本组结论的薄弱点，吸取他组优点对本组答案进行补充完善，与此同时，通过答辩过程可以加深学生对知识的理解，引导学生思考，深入理解仪器设备的结构原理及功能。在讨论过程中，教师负责把控全局，引导学生的问题切入点，避免出现偏差。学生在讨论结束后，梳理总结本组解决问题的过程，做出改进，最后得出最终结论，以小组为单位上交成果报告。