基于整体思想的实验教学方案设计探索

张星逸 张颖 杨立权

摘 要：对于实验课程来说，教学设计至关重要。由于实验课堂的互动性与不确定性，其教学设计的难度甚至高于相应的理论课课程设计。本研究从过程控制实验难度大、学生学习主动性差等问题入手，分析实验教学中存在的问题，用“整体—部分—整体”的思路进行实验教学设计，总结出一种以过程控制为典型的针对实验教学的行之有效的教学设计方法与思路，以提高课程教学质量与学生的主动性。

关键词：过程控制;实验教学;整体思想;先整后分

在本科教学中，工科课程具有难度高、实践性强的特点，其课程中设置的实验教学部分对于课程整体教学目标的达成十分重要。优秀的实验教学设计可以起到补充理论教学甚至显著提升教学效果的作用。本研究以平顶山学院过程控制课程实验教学为例进行探索。过程控制课程是电气类与测控类专业的一门重要的核心课程，其内容侧重于经典理论体系的实际应用，并涵盖自动控制理论、传感器技术、计算机与网络技术等内容。通过学习该课程，学生可以将之前学习的基础理论与系统设计进行整合回顾，随着课程的学习进展建立起相对应的过程控制应用系统的设计方法，并理解掌握工业中温度、压力、流量、液位、成分等基础工艺参数的基本测试与控制方法。由于该课程基础知识较多，传统的教学往往是先讲授基础知识与理论，后讲述实际应用方法，这在一定程度上造成了知识与应用之间的断层，即没有应用场景的具象化目标会使基础知识变得枯燥乏味且学生学习起来不易深入，而学生没有扎实的基础知识也会使应用教学的进度难以把控，一旦出现知识盲点便会使教学效果大打折扣。

一、过程控制实验教学存在的问题

鉴于过程控制课程应用性极强的特点，其课程设置的过程控制实验便显得尤为重要。当前，实验课程设计还存在以下一些问题：

学生在做加强深度的同类型实验中，由于基础知识掌握不牢固，不能意识到实验的意义，会感到同类型实验的枯燥，容易进入不明所以的状态，加深实验的教学目的也就无法达成。

学生在做实验时基础知识不牢固，只能机械地跟随讲解记录需要的实验数据，很难从实验中得到理论知识的验证，会加大实验理解的难度。

实验器材使用难度较大，教师如果以小组进行实验就无法保证每位学生主动参与，但如果每个学生独立进行实验，就会出现超出教师指导精力的情况。这个问题也同样出现在其他需要复杂接线的电气类实验中。

二、过程控制实验教学设计实践探索

过程控制课程作为一门应用性较强的课程，其主旨在于对整体系统的把控以及对系统功能实现的把控，进而根据对系统控制的要求分解至细节理论的探究。根据学习与认知的规律，人更倾向于在整体把控事物后，再进行细节的分析与学习。从较为整体的角度进行把控，有助于形成行为人心理层面对目标的认同感。因此，根据过程控制课程的特点，教师用“整体—部分—整体”的思路进行实验教学设计，有利于学生通过生活化的例子整体把控教学内容。比如，在实验过程中，教师先给学生展示整体示意图，让学生对整个实验装置的控制过程与控制目标有一个整体的基本理解。最初的电压值通过变频器转换为对应的三相电的频率，之后三相电输入水泵电机，三相电频率与水泵转速成正比，即最初的电压与此时的水泵转速成正比。在正常状态下，水泵的转速与出水的流量成正比，即最初的电压与此时的水流量成正比。实验用水箱满足最简单的一阶惯性特性，那么复杂的实验装置最后就可以简化为通过流入水箱的水流速度来控制水箱中水面的高度。此时，整个实验在学生的眼中就显得简单了，本来相当复杂的连线也变得有迹可循。连线不需要再整体考虑在整个控制中的地位，而是变为一部分与一部分之间的连线，如输入电压与变频器之间的连线、变频器与水泵电机之间的连线。这样既方便学生从生活化视角理解，又便于学生之间相互交流。

三、过程控制实验教学实践探索及成效

这种实验课程教学设计方法实施后，整个课堂氛围便发生了很大变化。学生从一开始就知道实验装置及控制的目的，进而了解控制的意义和手段。之前在理论课上需要大量时间进行的理论推导便成为一个个比较小的知识点，且这些知识点也有着明确的应用目的。这种目的导向实验设计强化了学生在电气控制方面知识的薄弱环节，促进了此类工科实验课程中固有问题的解决。

学生在明确实验目的后，知道了记录数据的意义，连线的过程及记录数据的过程便不再枯燥了。每一组实验数据的记录也有了相应的意义，而这个意义是建立在学生对整个实验目的了解的基础上的。虽然一部分学生对某些知识点掌握不牢固，但这并不影响其理解实验的目的和意义，以及实验记录数据的目的和意义，反而能帮助其加深理解，从而更好地掌握之前记不牢固的知识点。

传统的教学方法与输出式学习相辅相成。在实验教学过程中，有些学生的理解能力强于其他学生，教师可以尝试让他们把实验的整体系统及接线讲给不理解的同组成员听，以“帮带”的形式进行实验的讲解，而教师只需要在旁边及时修正即可。这样既能提高学生的接受程度，也能让讲解的学生发现自己理解的知识点的薄弱区域，从而提高全体学生学习的主动性。

四、过程控制实验教学效果评价

无论是课堂效果还是学生的反馈，都表明“整体—部分—整体”的实验教学设计效果显著，意义重大。

第一，相比之前的实验课堂，学生的整体积极性明显提高。实验操作熟练的学生在完成自己的实验之余，还能够主动参与到对其他学生的“帮带”中去，这种学生之间的指导对于学生自身来说接受程度更高，效果也更好。同時，其他学生也更愿意将自己没有理解的内容以提问的方式说出来，学生与教师之间的距离被拉近了，学生在提问时心理负担也更小了。

第二，学生对实验教学的评价普遍较好。从学生评教与师生对话中得知，成绩较好的学生在实验课堂上的成就感更高了，不仅多了自己帮助同组成员时的成就感，而且在给同组成员讲解时也促进了他们对知识的巩固与拓展。成绩中等的学生有了程度较好的学生的“帮带”，其理解知识的难度有所降低，并且拉近了与教师之间的距离。成绩较差的学生在这种教学方式下，对实验相关知识掌握不牢固也能进行实验操作，并且在实验操作之后加深了对知识的理解。可见，这种实验教学方法对学生学习提供了很大的帮助。

第三，提高了实验效率。过程控制实验的时间比较长，在以往的教学中，两节课的时间最多允许学生做两次实验，时间不允许实验重做的次数过多，判断实验是否成功的评价指标一般都掌握在教师的手中，可以说整个实验难度大且容错率低。但在此种教学设计实施的过程中，学生实验的成功率高且实验时间大幅缩短，尤其是在简单的实验中，八成以上的学生都能够提前完成实验，并且教师指导的次数也显著减少。此外，学生也基本明白了实验的目的和意义。可见，这样的教学设计对学生提高实验的操作及理解实验的目的效果显著。

综上所述，此次过程控制实验课程设计的新思路，是将枯燥的理论计算与曲线性质记忆从实验的本身中暂时剥离出来，让学生用最简单的生活化语言将实验的目的以及原理描述出来，再将各种知识进行模块化处理，从而有重点地巩固之前掌握不牢固的知识部分。运用整体理解以及从整体到部分的教学思维提高学生在实验课上的兴趣和主动性，比单纯在理论课上使用记忆推导法更加便于学生理解和整体掌握，尤其是在这种实用性、生活场景比较强的工科的实验课程中，可以收到事半功倍的效果。“整体—部分—整体”实验教学模式的探索，为进一步改进和完善实验教学模式，提供了一种新方法与新思路。

参考文献：

[1]宋文蕾.新工科背景下过程控制课程体系的改革与探索[J].当代教育实践与教学研究，2020（6）.

[2]何离庆.过程控制系统与装置[M].重庆：重庆大学出版社，2003.

[3]J.S.Bruner.教育过程[M].北京：文化教育出版社，1982.

[4]皮连生.学与教的心理学[M].上海：华东师范大学出版社，1997.

责编：初 心

作者简介：张星逸（1991— ），男，平顶山学院电气与机械工程学院助理实验师，硕士，研究方向为机械自动化与系统控制;张颖（1991— ）女，平顶山学院电气与机械工程学院助教，硕士，研究方向为精密加工制造;杨立权（1984— ），男，平顶山学院电气与机械工程学院讲师，博士，研究方向为智能制造技术与装备。