基于建構主義學習理論的《電器學》課程教學方法研究

王召斌，尚 尚，任萬濱，翟國富

(1.江蘇科技大學電子信息學院，江蘇鎮江，212003;2.哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院，黑龍江哈爾濱，150001)

1 引言

當前，我國高等教育已進入改革和發展的歷史新階段，為了充分調動學生學習的積極性，發揮教師的主觀能動性，啟發式、引導式、互動式等教學授課方法不斷涌現，不僅加強了教師的引導作用，課堂教學效果亦得到明顯提高［1］。

針對傳統教學模式的諸多弊端提出了建構主義學習理論，該理論由知識觀、學生觀、學習觀和情境觀四部分組成［2］。建構主義的知識觀強調知識的個體性、相對性、情境性，在一定程度上擴大了知識可探索的范圍，拓展了對現實世界研究的空間，從而有利于個體創造性的發揮;建構主義的學生觀強調學生是學習的主體，是意義的主動建構者，因而對學生學習的主體地位給予很高的肯定和尊重，從而有利于學生進行研究和考慮問題;建構主義的學習觀強調探究學習、發現學習、研究性學習、動手實驗等學習方式，從而有利于培養學生的探究意識、創新精神和實踐能力;建構主義的情境觀強調學習的開放性和情境性，注重真實學習情境的創設，教師為學生提供真實的、復雜的、多種答案的問題情境，從而有利于學生身臨其境，并促進所學知識的活學活用［3、4］。然而，建構主義理論本身也存在著某些缺陷，在對其認識不夠全面的基礎上一味追求建構主義的教學模式也將引起諸如教學目標設置不明確，輕視教師主導講解過程，學生抽象概括能力無法得到提高等問題的出現。因此，如何合理地有選擇地應用建構主義學習理論在課程教學中是亟待解決的問題。

本文通過《電器學》課程的重要性及教學特點的剖析，探討了基于建構主義理論思想的教學設計及教學方法，并對該課程合理應用該方法的問題進行了探討。為最終達到以學生為中心，讓學生形成自己的學習方法、構建自己知識結構的目的做出了有益地嘗試。通過這種方式不僅讓學生在此框架的基礎上主動學習獲取其他新知識，培養學生創造性思維的能力，同時對于其他課程的教學方法改革與創新也具有參考價值。

2 電器學課程的主要內容及教學特點

《電器學》是電氣工程及其自動化專業本科教學的專業方向主干課程，總學時70學時，其中授課62學時，實驗8學時。教學過程中綜合運用大學物理、工程力學、電路理論、電磁場理論、電子技術等基礎知識。

通常，人們只是將電器看成簡單的開關，更有人將其片面理解為家用電器，然而從更專業、廣義的角度講，凡是對電能的產生、輸送和應用起控制、保護、檢測、變換與切換及調節作用的電氣器具統稱為電器，是電氣化和自動化的基本工具，在電力輸配電系統、電力傳動和自動控制設備中起著重要作用［5］。本門課程的主要任務是:第一，使學生掌握電器理論基礎知識，包括電動力、發熱、電弧、電接觸、電磁鐵等理論基礎及基本計算分析方法，課程所涉理論框架如圖1所示;第二，通過對低壓電器典型產品的結構和性能的分析及選用方法的介紹，掌握各類電器的用途、結構和性能特點，達到舉一反三的效果;第三，通過實驗課程，使學生具有對電器操作及測試分析的能力。

傳統的《電器學》課程存在許多問題，主要表現為以下幾個方面:(1)所涉及的基本理論本身具有相當的深度，如電弧與電接觸理論所涉及的材料科學、物理電子學、電化學等多學科領域，要求二十學時內完成教學存在客觀難度;(2)電器學的傳統教學模式只按“概念、理論公式證明、試驗結果分析”的步驟講述，而對于提出問題的藝術，概念的形成、公式和定理的發現，乃至理論的創造與發展過程，以及運用數學知識解決實際問題等更實際的部分往往只字不提，結果使《電器學》課程顯得枯燥乏味;(3)以往對電器學缺乏應有的改革力度，沒有充分利用先進的多媒體教學設備進行教學;(4)在傳統教學模式作用下，不少學生沒有養成良好的學習習慣;缺乏正確的思維和理解方法，學生甚至感到學習電器學對自己的學業、工作作用不大，出現了忽視電器理論基礎的現象，影響了電器學在整個課程結構中的基礎地位。因此在教改中不斷鞏固課程的基礎地位，構建合理的課程體系，改革教學方法，提高教學效率是《電器學》課程改革的一項基本要求。

圖1 電器學所涉理論的主體框架

3 電器學課堂教學環節的建構

“情景”、“協作”、“會話”和“意義建構”是建構主義提倡的學習環境四大要素，能夠激發學生學習的興趣是教師教學過程中要考慮的中心問題，通過完成教學內容的建構、思想方法的建構、情境教學的建構等過程，引導學生提出問題，猜想結果，再檢驗、論證，激發學生去思考，在思考中得到結論，從而建構符合每個人的知識體系。

3.1 教學內容的建構

電器學課堂教學環節的基本內容主要由三部分組成，第一部分為基本理論，包括電磁理論、發熱理論、電動力理論、電弧電接觸理論;第二部分為典型電器元件(繼電器、接觸器、斷路器)的功能特征;第三部分為電器元件在電氣自動化領域的實際應用。

基本理論部分是結構良好領域的知識，人們已形成了普遍的共識，因此采用建構主義的觀點發揮學生主體作用，從不同的知識經驗角度進行知識個體性、相對性和不確定性的強調是不合適的。為更好地實現意義建構，提高學生的綜合素質，在基本理論部分的教學過程中應繼續堅持教師教學過程中的主導地位，同時注重尋求電器學問題與物理學知識點的聯系。針對電器學討論的角度和層次與物理學有所不同的特點，首先應使學生清楚分析的目的意義，引導學生應用已有的物理學分析方法建立模型求解，最終應用所得的結論直接進行電器問題的分析計算。另外需要明確建模前的假定條件，從而使得結論的應用范圍予以嚴格確定，避免誤用情況的發生。

工業應用知識部分具有實用性強的特點，實現相同的信號控制和保護功能可選用不同類型電器元件的組合方式，然而根據實際工況環境和性能的特殊要求則需對方案進行優選。因此可采用建構主義理論中的拋錨式教學模式，如教師先創設情境讓學生面臨一個需要解決的工程實際問題，教師提供解決該問題的線索，學生結合已有知識結構自主學習，互相討論交流完成協作學習步驟，最后由教師對各方案進行總結與點評。

此外，隨著電子技術、半導體器件制造業的迅速發展，無觸點電器、混合電器技術日趨成熟，包括半導體、晶體管、晶閘管、磁性元件和其他光敏、壓敏自動化元件的工作原理、線路設計和參數選擇等方面也使得電器學理論的外延范圍不斷擴大。同時，特種行業(航空航天用、通訊用、汽車用)也在不同方面對電器元件提出了特殊性能指標的要求，還將涉及到機構運動學、高頻電磁波理論、結構動力學等，因此要求教師應主動掌握現代前沿的科學知識，及時優化知識結構，建構其與電器學相關問題的關系。

3.2 思想方法的建構

如果把電器學與大學物理學知識點之間的聯系作為“點”狀的聯系，那么這種聯系只能是散點式、隨機性的，只有把聯系“點”梳理成“線”，貫穿教學始末，才能使教學內容更加序列化、系統化。“線”上梳理，可使學生對電器學的理論體系有較全面的認識，從而更加清晰地透視電器學所涉及的難點問題，如可動鐵心和可變氣隙電磁系統電磁場的計算，電弧分析數學模型的建立，電接觸熱過程數學模型的建立等。

知識點之間的聯系，有利于提高學生的認識層次。考慮到電器設計分析是一個綜合全面的過程，因此在教學中要特別注重尋求熱學、電學、磁學之間的聯系與統一。上述問題的實質就是“三維場”問題的求解，如以解析法要求學生掌握難度較大，因此引入“路”的方法進行等效可將問題簡單化，如熱分析中熱路法引入的熱阻概念及相關定律，電磁分析中磁路法引入的磁阻概念及相關定律等。且上述概念與定律均可方便學生將此與熟悉的電路理論中電阻概念及基爾霍夫第一、第二定律進行類比記憶。通過揭示這些內在聯系，不僅便于學生掌握相關知識，同時對學生綜合素質的提高也將效果明顯。

3.3 情景教學的建構

建構主義強調人與環境的相互作用。電器學是具有理論性較強的一門學科，為了能使整個課堂生動、形象、直觀，必須使用現代化的教學手段。建構主義的課堂教學可以運用計算機多媒體課件形象直觀地展示各類電器元件及相關理論的發展史，創設大量富有啟發性的教學情景，實現師生互動，激發學生的興趣，增強學生學習的積極性。尤其是通過恰當的問題可為學生創設良好的學習情景。應用現代的多物理場有限元分析軟件和數值計算工具可給出更加形象直觀的物理場圖景，從而達到多媒體創建合理學習情境的目的，如在分析螺線管的漏磁場及漏磁力時，若直接采用磁路法進行等效計算，學生的接受效果將不理想，因此在課堂上無法演示其試驗過程的情況下，采用ANSYS電磁場軟件仿真分析，可使主磁通、漏磁通的三維圖景一目了然，此時再將磁路法及相關等效條件引入，可使教學效果得到明顯提高，學生對解決問題的思路和等效條件的合理性也將更加明晰。

4 建構主義學習環境下的教學設計實例

現以電器學重要內容“觸頭質量的轉移與電磨損”為例，進行建構主義學習環境下的教學設計，包括教學目標分析、情境創設、引導式教學、自主學習設計、協作學習設計等步驟。

4.1 教學目標分析

設定該教學單元的學習目標為，通過講授在切換不同的電路負載過程中觸頭發生的電磨損現象，使學生掌握金屬橋磨損和電弧磨損的現象、磨損特征和相應的負載條件(電壓、電流)。了解觸頭產生磨損的機理與相應的分析方法。

4.2 情境創設與引導式教學

采用多媒體先后演示電器壽命試驗設備、試驗方法和電器觸頭壽命試驗前、試驗后表面燒蝕的形貌照片，然后由教師根據圖片引導學生歸納總結出觸點燒蝕磨損的特征，為學生自主學習提供信息和幫助，最后，教師根據教材講授不同的電壓、電流條件對觸頭的磨損機理與磨損原因。為便于學生對電磨損形式歸類記憶，教師提示以電壓、電流作為坐標軸，并由學生思考、討論、繪制特征曲線圖。教師逐步引導學生聯系機械參數(如分斷速度、閉合速度、閉合力)、觸頭形狀參數、氣體介質的壓力和溫度、觸頭材料及配對情況對于電磨損與質量轉移是否有關系呢?

4.3 自主學習設計與協作學習設計

將學生分成小組，教師將事先準備好的影響電磨損因素的文獻資料分發給各小組，進行自主學習設計，讓學生在了解該問題研究現狀的基礎上，便于學生在自我探索過程中進入情境去學習。著重體現以學生為中心的三要素:發揮學生的首創精神、將知識外化和實現自我反饋。在個人自主學習的基礎上開展小組討論、協商，以進一步完善和深化對該問題的意義建構，最后由教師完成對提出問題的總結與學生學習效果的評價。

5 結論

本文基于建構主義思想提出的《電器學》課程教學方法，改變了注重結論輕視知識形成過程的應試教育模式，充分調動了學生的積極性，主動性，教師充當引導者，并借助現代化的教學手段，實施積極高效的課堂教學，從而將更加有利于培養學生在電器設計及工業應用方面的知識建構。

［1］ 周麗芹，葛安亮.引導式和啟發式課堂教學方法在《數字電子技術》課程中的應用［J］.黑龍江科技信息，2008，(7):138.

［2］ 萊斯利.P.斯特弗，杰里.蓋爾主編，高文，徐斌燕，程可拉等譯.教育中的建構主義［M］.上海:華東師范大學出版社，2002:295－308.

［3］ 何克抗.建構主義的教學模式、教學方法與教學設計［J］.北京師范大學學報(社會科學版)，1997，(5):74－81.

［4］ 譚頂良，王華容.建構主義學習理論的困惑［J］.南京師大學報(社會科學版)，2005，(6):103 －107.

［5］ 張冠生.電器理論基礎［M］.北京:機械工業出版社，1981.1 －13.