基于體驗學習的“過程控制”實驗教學設(shè)計

劉 中,吳云杰,袁少強,王金英,陳 礫

(北京航空航天大學自動化學院,北京 100191)

0 引言

多數(shù)自動化專業(yè)課程傳統(tǒng)的教學方式是先上理論課,將理論、原理、方法等先在課堂講清楚,然后再進行實驗。實驗環(huán)節(jié)也一般提前以理論課的方式講述,學生按照實驗指導(dǎo)書進行實驗操作。應(yīng)該說,這種方式確實效率很高,各層次的學生基本都能夠完成規(guī)定的實驗項目。尤其是學時有限、學生人數(shù)多的情況下,是行之有效的方法。但另一方面,傳統(tǒng)方式缺乏對知識獲取客觀規(guī)律的深入分析、缺乏對學習者主觀能動性的激勵、缺乏自由的思考空間。傳統(tǒng)教育依據(jù)的主要是系統(tǒng)的以課本為載體的學科知識,以教為主,學生采用的是接受式的學習方式。傳統(tǒng)教育方式固然起到了很好的作用,但對人的個性發(fā)展重視不足,在一定程度上忽視了學習者的創(chuàng)造性。

本文從大衛(wèi)·庫伯提出的“體驗學習圈”出發(fā),設(shè)計了適合過程控制的實驗教學模式,重新設(shè)計和編排實驗環(huán)節(jié),引導(dǎo)學生積極思考,激發(fā)學習過程中的創(chuàng)造性思維。

1 關(guān)于“體驗學習”

體驗學習理論的概念是大衛(wèi)·庫伯教授在1984年發(fā)表的專著中正式提出的。體驗學習理論既區(qū)別于傳統(tǒng)理性主義的教學方法,又區(qū)別于行為主義學習理論,是建立在另一種哲學和認識論基礎(chǔ)之上的,特別是源于洛克等人經(jīng)驗主義哲學的思想方法。庫伯從哲學、心理學、生理學等多種不同學科進行分析,提出學習應(yīng)該是由具體體驗、反思觀察、抽象概括和行動應(yīng)用所組成的完整過程。

1.1 體驗學習的內(nèi)涵

庫伯對體驗學習的定義為:學習是體驗的轉(zhuǎn)換并創(chuàng)造知識的過程。他強調(diào)學習是一種過程,不是內(nèi)容或結(jié)果。知識是一個轉(zhuǎn)換的過程,是連續(xù)不斷的創(chuàng)造與再創(chuàng)造,不是可獲得或傳遞的獨立過程。學習轉(zhuǎn)換的體驗包含主觀形態(tài)和客觀形態(tài)兩種體驗。另外他還強調(diào)注重理解知識的本質(zhì)。

1.2 體驗學習的特征

綜合杜威、勒溫、皮亞杰等人體驗學習模式,體驗學習的特征可歸納為:體驗學習是一種過程,而不是結(jié)果(學習是起源于體驗并在體驗下不斷修正并獲得觀念的連續(xù)過程);體驗學習是以體驗為基礎(chǔ)的持續(xù)過程;體驗學習是運用辨證方法不斷解決沖突的過程;體驗學習是個體與環(huán)境之間連續(xù)不斷的交互作用過程;體驗學習是一個創(chuàng)造知識的過程。

1.3 體驗學習的過程

庫伯將體驗學習總結(jié)為一個四階段的循環(huán)過程,涉及四個相適應(yīng)的學習環(huán)節(jié)——具體體驗(concrete experience)、反思觀察(reflective observation)、抽象概括(abstract conceptualization)和行動應(yīng)用(active experimentation)。這就是庫伯提出的體驗學習圈,如圖1所示。

圖1 庫伯的體驗學習圈

標準的學習模式始于“具體體驗”環(huán)節(jié)。學習者首先通過自己的行動在實踐中獲得具體的體驗,然后進行反思性觀察,對體驗到的內(nèi)容進行思考,再進行抽象和概括,將反思的結(jié)果形成某種抽象概念或理論,最后將抽象的理論和概念應(yīng)用到新的行動和實踐當中驗證效果,這樣就是一個完整的循環(huán)。但整個學習過程并不是至此嘎然而止,當理論和概念應(yīng)用到新的實踐時,新一輪的學習過程又開始了。圖中標出了縱向和橫向兩個維度。縱向表示知識獲取的過程,可以通過抽象或具體的方式獲得,或稱為感知和領(lǐng)悟。橫向表示知識轉(zhuǎn)換或形成的過程,可以通過反思辯證或積極行動兩種方式進行,或稱為內(nèi)涵縮小和外延擴大。這樣就形成了四種不同形式的基本知識:通過感知獲取經(jīng)驗并縮小內(nèi)涵形成發(fā)散性知識;通過領(lǐng)悟獲取經(jīng)驗并縮小內(nèi)涵形成同化性知識;通過領(lǐng)悟獲取經(jīng)驗并擴大外延形成順應(yīng)性知識;通過感知獲得經(jīng)驗并擴大外延形成順應(yīng)性知識。

體驗學習的四個環(huán)節(jié)相互聯(lián)系,不斷循環(huán),螺旋上升。并不是每次學習過程都由四個完整的環(huán)節(jié)組成,中間可以有跳躍、反復(fù)與交叉。個人的情況不同,獲取知識的習慣和優(yōu)勢也不同。因此,體驗學習圈模型也不是一成不變的,有相當?shù)撵`活性和自由性。

2 過程控制實驗教學模式

過程控制是自動化技術(shù)的重要分支,既包含豐富的理論知識,又涉及工業(yè)現(xiàn)場很多實際系統(tǒng)、傳感器、儀表等。與其他課程相比,“過程控制”實驗教學環(huán)節(jié)在整個課程推進過程中的重要作用更為突出。因此,分析人類獲取知識的客觀規(guī)律,從學的角度出發(fā),改革過程控制實驗教學環(huán)節(jié)是提高整個課程教學質(zhì)量的一個重要因素。從庫伯的體驗學習圈結(jié)構(gòu)看,應(yīng)該說實驗是處于行動應(yīng)用階段。但實驗教學不能僅僅停留在這一階段,不能僅僅將實驗部分看成是驗證和簡單體驗的過程。通過實驗教學一方面應(yīng)該不斷深化知識和概念,另一方面還應(yīng)該在實踐的過程中繼續(xù)獲取和創(chuàng)造知識。

2.1 實驗過程設(shè)計

庫伯提出的體驗學習圈基本從哲學、心理學和生理學等方面闡明了人類獲取知識的規(guī)律,對實驗教學有很好的指導(dǎo)意義。針對過程控制實驗教學的特點及學生的具體情況,本文設(shè)計了五環(huán)節(jié)的教學過程,包括:個人體驗、個人反思、分組討論、抽象概括和行動應(yīng)用。如圖2所示。

圖2 五環(huán)節(jié)教學過程

個人體驗主要是通過學生自己觀察、測量和操作實驗設(shè)備,對整個系統(tǒng)的組成進行具體的了解。同時,明確實驗任務(wù)和目標,了解實驗設(shè)備的功能、性能指標和操作方法。在此基礎(chǔ)上進行獨立思考,根據(jù)設(shè)備的功能和個人經(jīng)驗初步設(shè)計解決方法。實驗中將學生分成若干小組。分組討論階段包括組內(nèi)討論和組間討論。一個實驗小組內(nèi)部成員間進行討論,把自己的思路、想法與小組成員之間分享,確定小組統(tǒng)一的實驗方案。組內(nèi)討論后進行組間討論,各小組介紹本組的想法與實驗方案,進行比較與判斷。抽象概括階段主要是實驗方案確定后,個人進行理論設(shè)計,包括建模、仿真、控制方法選擇等。行動應(yīng)用就是將設(shè)計的控制方法和算法進行實現(xiàn),控制實際系統(tǒng),觀察控制效果。

在實驗設(shè)計中,增加了分組討論環(huán)節(jié),通過討論將個人的思路和想法與他人分享。一方面,能夠調(diào)動學生的積極性,對事物進行獨立思考。另一方面,分享也是知識創(chuàng)造的過程,能夠在與別人討論的過程中對知識的理解不斷深化和修正。

2.2 實驗環(huán)節(jié)設(shè)計

為配合體驗學習教學過程的實施,整個實驗從功能角度按照模塊化的方式進行組合。實驗部分主要包含五個模塊:功能測試模塊、系統(tǒng)建模模塊、系統(tǒng)仿真模塊、編程實現(xiàn)模塊和結(jié)果分析模塊。各模塊間相對獨立,又彼此聯(lián)系。這樣的設(shè)計便于實驗的安排和日后系統(tǒng)的升級、維護。

在具體設(shè)計階段采用 LabVIEW作為開發(fā)平臺,利用LabVIEW良好的圖形界面和模塊化的方式,將不同功能的部分分成若干模塊。如圖3所示是系統(tǒng)仿真中PID參數(shù)調(diào)整模塊。實驗中可以靈活向?qū)W生開放,同時便于功能的組合與增加。

圖3 PID參數(shù)調(diào)整模塊

2.3 實驗?zāi)Ｊ皆O(shè)計

實驗的實施以情景式學習為主線,只明確具體目標和任務(wù),不提供固定、詳細的實驗步驟。實驗指導(dǎo)書以用戶手冊、編程手冊、使用說明書等方式編寫,提供必要的參數(shù)和性能指標。增強實驗的互動性,包括學生之間的互動、教師與學生的互動和理論與實際的互動。在實驗中加入分享和討論評價環(huán)節(jié),通過分享和討論激發(fā)學生的積極性、深化對知識的理解。重視學生個性,以靈活的方法和步驟進行實驗,學生可以按模塊進行選擇,按自己熟悉的方式進行實驗。

實驗一般安排在期末或理論課程某階段內(nèi)容后以集中的方式進行,兩到三次連續(xù)實驗。現(xiàn)根據(jù)情況進行拆分,在相關(guān)理論課程前進行一次1至2學時的實驗,讓學生用最直觀的方式了解工業(yè)現(xiàn)場用到的一些具體設(shè)備、傳感器等,了解實驗系統(tǒng)的組成、功能,進行簡單控制,明確目標和任務(wù)。通過一定階段的理論課程學習之后,再完成整個實驗。

另外,增加實驗室開放環(huán)節(jié),課后增加2學時左右實驗室開放時間。學有余力和有興趣的同學可以在實驗室開放時間進行進一步研究和實驗。

3 結(jié)語

體驗學習強調(diào)個體,強調(diào)實踐,強調(diào)學習者的反思,通過學習者與現(xiàn)實世界的溝通和聯(lián)系,培養(yǎng)學習者的社會責任感。不但促進學者自身的發(fā)展,同時也促進了社會的發(fā)展,實現(xiàn)了人的發(fā)展和社會發(fā)展的統(tǒng)一。將體驗學習引入到實驗教學當中,與具體教學實際相結(jié)合,能夠引導(dǎo)學生積極思考,發(fā)揮創(chuàng)造性思維,為自動化專業(yè)人才培養(yǎng)和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)發(fā)揮良好的作用。

[1]D·A·庫伯.體驗學習:讓體驗成為學習和發(fā)展的源泉.上海:華東師范大學出版社,2008.1

[2]Mahmoud Abdulwahed,Zoltan K Nagy.Towards Constructivist Laboratory Education:Case Study for Process Control Laboratory.38th ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference,2008

[3]嚴奕峰.體驗學習圈:體驗與學習發(fā)生的過程機制.上海教育科研,2009.4 59-61

[4]Arnold Kamis,Heikki Topi.Network Subnetting:an Instance of T echnical Problem Solving in Kolb's Experiential Learning Cycle.Proceedings of the 40th Hawaii International Conference on System Sciences,2007