启发探究型综合案例教学法的探索与实践

2021-04-09梁文宏王冠伟

科技视界 2021年6期

梁文宏王冠伟张洋

（西安工业大学机电工程学院，陕西西安 710021）

0 引言

近年来，国家大力鼓励高等学校进行各本科专业的工程教育专业认证工作，其目的是在与国际高等教育接轨的基础上进一步提升本科教育质量。在认证报告中，各高校不约而同地把培养学生解决复杂工程问题的能力列为专业培养目标，从理论、实践等多个方面进行重点考察或考核。

究其根本，目前全国高等学校本科生仍然采用普遍采取理论教学为主，实践教学为辅的方式，平常也很少直接接触实际工程问题，面对具体问题难以与理论进行联想或总结。在学习方式方法上，我们也注意到了，学生自身在如何学习、不懂或不知道如何提升自身能力等方面存在思想上的迷茫。因此非常有必要针对学生自主解决复杂工程问题的能力进行训练和提高。

高校教学过程中常采用的案例教学，通常是选择案例介绍某个知识点，或验证某种公式。案例教学法来源于国外，最早可以追溯到古希腊、罗马时代，但它真正作为一种教学方法的形成和运用，却发生在1910 年美国哈佛大学的法学院和医学院。哈佛商学院的MBA 课堂强调“以参与者为中心”的学习，所有课程都采用案例教学方式。案例教学强调以学生为中心的学习，认为教师在课堂上的角色并不是讲授知识，而是通过选择案例、提出问题、推进讨论来引导学生思考[1]。

在我国，也有案例教学相关的论文总结。刘晓玲尝试在课程教学中引入工程项目和教学案例。通过课堂讲解和案例教学，激发了学生学习兴趣，促进了探究学习能力和解决问题能力培养[2]。

李从德[3]、张伯阳[4]等认为采用多元化教学方法，才能更好地调动学生主动学习的积极性，激发其学习兴趣，达到活跃课堂气氛，让知识的火花在相互撞击中得以升华，促进课堂教学效率稳步提升。

周萍等尝试了基于医学院校大数据库课程教育对学生学习兴趣培养的视角，分析案例教学在医科大学数据库教学改革中的重要性，并采用调查问卷方式调研学习的效果[5]。

针对工科类教学特点，测控系统设计教研室进行了教学改革研究，这次教改提出了一个案例针对多个教学目标、一个案例对应整本教科书的思路，进一步利用案例法、引入其优秀因素，从而培养学生解决复杂工程问题的能力。

1 启发探究型综合案例教学法设计

测控系统设计课程是我校机械电子工程专业、机械设计制造及其自动化专业机电方向学生在四年级第一学期开设的专业选修课，其主要教学目的是使学生在面对复杂的实际工程问题时，学会如何剥茧抽丝找到系统的核心问题并使用合理的设计方案进行解决。

该课程既具备普通工科课程的特点，还在实际应用中有其独特的属性，即：（1）课程知识面涵盖广泛；（2）课程知识发展迅速，新知识、新技术层出不穷；（3）课程知识与其他课程联系度广泛，具有承前启后的特点；（4）课程工程应用背景突出。

教研组采用案例教学为主体，引导、启发和探究教学为辅[6]，开放性实验为依托，大作业考核为基本方法，配合课程中涉及的多种不同行业、不同技术难度的实际工程实例分析、讨论，建立了一套完整的教学新思路，如图1 所示。

图1 综合教学思路

1.1 案例精选

将具有代表性的科研项目归纳为案例，从项目调研、方案设计、详细设计、现场施工和项目总结五个层面增加学生的兴趣、引导学生进行测控系统设计的步进式学习，最终提升学生的综合设计能力。

工程案例的选择是课程综合案例教学中重要的环节之一，优秀成功的案例可以极大地提升学生的学习和探究热情，不成功案例的分析则可以促进学生们扬长弊端，成熟考虑项目设计要求和设备的功能及传感器的选择等。

智能建筑在施工建设过程中，由于涉及的内容和专业技术等范围较广，需进行综合控制管理。智能建筑进度控制是指对建筑物施工过程中需要开展的不同工作内容进行有效的分配开展，使施工进程达到施工计划要求，避免受到各种施工因素的影响，造成工程建设周期过长，出现衔接不合理的问题。根据某政府办公楼智能建造实践来看，影响智能建筑进度控制的因素有很多，主要有人为因素、环境因素、相关技术因素和施工单位因素等。因此，在智能建筑进度控制的过程中，应做好系统规划，针对具体问题展开合理的安排施工，保证智能建筑按时完工。

根据时效性、技术复杂性，建议将案例分为三类进行规划和讲述，即：基础学习型、应用进阶型、前沿创新型。由于学生所学知识的局限性，三种类型的案例进行分类和演示时可以按照5∶3∶2 的比例进行规划和穿插教学，具体的案例选择要求如下。

（1）基础学习型案例：这类案例通常选择身边常见的、能够接触到的、技术含量相对较低、容易考察和理解的项目。

基础学习型案例要选择广泛，此种案例相对功能、技术简单，最好是学生课程中直接学习过或身边常见的设备产品。例如：我们在教学中选取了自己主持研发的工程项目中，以单片机为核心的温室大棚温湿度控制系统和热带鱼缸养殖系统。大棚蔬菜、水果一般学生都听说过，大部分自主采摘过，个别学生家中还有温室大棚，通常包括卷帘、通风、浇灌、测温环节，功能简单，易于理解。

基础学习型案例选择的主要目的是与学生课程学习内容密切相关，可以根据实际情况定期进行案例更换。

（2）应用进阶型案例：这类案例通常选择学生学习过相关知识，可以进行互动、讨论式学习的项目。

这时，选择的工程案例是学生日常生活中会接触到的产品生产设备，课前安排学生观看生产视频、了解设备特点，理解生产过程及控制系统设计的重点。我们选择了自己主持研发的工程项目中的造纸设备控制系统、手机扬声器测试控制系统等，其中采用了PLC 控制、触摸屏控制等相对复杂的技术手段。

卫生纸是生活中常见产品，生产卫生纸的设备其控制方案要求多轴同速，多轴负荷平均分配两项功能，由此可以引申、启发学生进行讨论：在控制系统设计过程中，如何实现多轴的同速及负荷平均分配要求、选取何种传感器、增加学生知识面、开阔眼界，同时针对造纸这一特殊行业，探讨其工作环境、环境污染等方面，综合设计系统的控制方案。

进阶型案例是对学生最有益处的学习案例，它来源于实际工程、能够解决当前实际工程问题，比学生在校学习的基础知识多一些，学生可以很快融入实际设计中，受到技术发展和更新的影响，该类案例也需根据实际情况定期进行案例更换。

选择伺服阀测试试验台作为案例。该试验台是测试伺服阀动静态功能，测试系统、测量方案都很有特色。创新型案例的选择是针对本科生的知识结构及学习兴趣进行的，可以让学生了解并熟悉本学科的前沿知识、设备控制系统实现的关键技术和部分解决方案。

1.2 深入探究

启发探究型综合案例教学法要充分利用精选的工程案例，学生在每节课前，针对老师上节课末下发的视频、图片等资料，利用图书馆、互联网完成案例调研作业；在教学过程中，教师带领学生按照教学目标设计针对精选的工程案例进行深入研究；最终，实现学生对测控系统的综合分析及设计能力的提升。

在初期的案例调研结束后，学生对案例仅处于初期好奇阶段，想进一步提升学生的学习效果，就需要对案例进行详细的分析、比对、讨论和探究[7]。其中方案设计是项目的重中之重，也是课程的教学目标。注重方案设计，引导学生在案例的方案设计阶段进行选择确认不同产品的不同特点，从产品设计需求、环保要求、运营过程、售后服务等多个角度综合比对设计方案，将理论与实践充分接触和融合，促使学生产生动手实践的想法。

深入探究的另外一个层面是项目难度的由浅入深。初期浅显项目的调研即便学生少预习、不预习也能够迅速深入地参与讨论，随着学生问题的深入和案例难度的提升，引导并督促学生完成课后自学和课前的预习。

深入探究的第三个层次是自由组合的大作业。大作业题目开放，例如：智慧家居产品、智慧小区等。针对不同类型的题目，学生自由结合成为不同小组，每组3～4 人，自选或选定老师提供的题目思路进行测控系统的方案设计和选型，以答辩、说明书、讨论视频、调研视频等的复合成绩确定大作业成绩评定依据。答辩时，小组成员每人介绍其中一部分内容，回答其他小组成员的任意三个问题；成绩评定由学生分值和教师分值两部分组成，学生分值是由全部学生打分的平均分确定，教师分值占比40%～50%，并使大作业在考核中占据较大比重。

深入探究的最后一个层面是以开放性实验、机械设计创新大赛、电子设计大赛、毕业设计大赛等为平台，引导、指导学生积极参与，以实际操作为依托，在项目中体现出案例教学的优点，促进学生的动手能力和团队合作能力提升。

最终引导帮助学生在面对复杂工程实际问题进行解决时做到“三层”：一层是传授知识，包括理论、概念、分析框架与工具、技术，以及描述性的信息。二层是帮助学生获取技能，包括：发现机会或问题的能力；想象可替代的解决方案的能力；跨职能整合能力等。三层是帮助学生树立正确的工作态度和世界观，包括：培养行动的勇气、承担责任、追求卓越、树立伦理标准、承认不完美、持续学习、理解他人；理解情境对企业决策的影响，关注企业目标与企业责任，明确领导者的责任[8]。

2 启发探究型综合案例教学法实施与评测

针对案例教学法是否适应工科教学，是否能够被学生接受，教研组对本校机械电子工程专业本科生进行了教学方法实施和评测。

2.1 教学实施

采用同级分组教学、同级和隔级比较的方式进行，具体情况如表1 所示。

通过2013～2015 级学生的成绩分析，学生对考试的重视程度基本相同，同年级中采用讲述和综合教学法的方式成绩没有明显区别，集中在70 分附近区域。另一方面，日常任务同样为课堂测试、大作业、日常作业的内容时，综合案例法的授课学生由于参与了课前预习和讨论环节，在课堂随测中更能够获得一些关键知识，因此平时成绩有提升。

表1 实施人数及比对项目

2.2 综合教学效果评测

教学效果的评测包括多方面，前提当然是以学生为中心，评测学生的知识积累情况。教研组针对学生接受程度、教学效果和教学质量设计了调查问卷[9]。学生为2014 级和2015 级合计6 个班，发放169 份问卷，回收有效问卷152 份。

针对学生能够接受的学习方式和方法，提出了两种方式，一种是学生选择现在传统的学习方式，45%的学生希望教师讲述，突破重点；二是综合教学方式，47%的学生希望通过通论、互动、多媒体录像等方式进行学习。通过调研可知，尽管课程准备了微课、慕课资源（外校），提供了大量资料和视频，25%的学生选择老师讲，学生听的传统教学法；66%的学生希望先看微课，教师先给学生提供资源，分组讨论交流问题后进行归纳和成果展示。传统教学和综合教学的选择学生人数几乎一样多，学生学习知识的思路和方法还是普遍接受传统讲后再学的思维。当然，大部分的学生普遍接受利用先进的网络技术、共享技术学习先进的技术和知识。

对于教研组提出的利用案例进行授课的问题，赞同采用案例授课的学生占总人数的90%，反对5%，无所谓5%，多数学生认可使用案例进行授课的模式。对于分组和组内讨论情况，60.5%的学生认为参与度较高，34.2%的学生认为有浑水摸鱼的，5.3%的学生认为参与度较低，从中也可以看到，超过半数的学生对案例有兴趣，能够主动或被动地参与讨论环节。

案例法想要获得优秀的效果，课前预习和课后复习非常重要。针对“学在教前”问题，调研结果显示：19%的学生课前不预习，45%的学生缺乏监督的情况下不进行预习，32%的学生进行简单预习，4%能根据课前任务进行自主预习。学生虽然对案例很感兴趣，但没有监督预习机制时，惯性和惰性使多数学生不进行课前预习工作，随后的课堂展示、讨论环节也反映出这种趋势，预习过的学生互动良好，提出的问题针对性很强，自主讨论时也很激烈。没有预习环节的学生在上课期间才在网上随意搜索、下载，效率较低。这些在授课中采用由浅入深的案例进行引导，也在网络学习平台中进行督促，甚至将预习问题纳入课程考核指标中，多方面促使学生有效进行课前预习，提高预习效果。

我们还对启发探究型综合案例教学会给学生造成更大的学习负担进行了问卷调查，34%的学生认为有负担，61%的学生认为负担可以接受，只有剩下的5%的学生认为负担太重，无法承受。同时，88%的学生认为课程采用案例的方法进行学习是合理的，仍有8%的学生认为不合理。

随着课程的深入改变，主动参与后续实践环节的学生有明显增加，2014 年本科毕业设计竞赛参加人数从4 人增加到10 人；开设的开放性实验参加人数从2014 级5 人到2015 级爆满，学生参与开放性实验的意愿明显提高。

另外，还利用学校、学院教学督导环节和同行评价方式进行了教师间沟通，教研组人员被推荐参加校级课堂教学创新大赛，教学方式也被选送参加陕西省首届课堂创新大赛，获得了部分专家和教师的认可。