PBL教學法在鉆探設備課程實驗教學中的應用

趙大軍， 韓君鵬

(吉林大學 建設工程學院， 長春 130026)

0 引 言

隨著網絡技術逐步發展，信息流通渠道不斷拓寬，傳統教學方法已無法適應信息爆炸式增長所引起的思維方式的變革。如今，開放式的教育環境更有利于培養新一代年輕人的創新性思維能力，滿足國家對于創新性人才的迫切需求。

以問題為導向的教學方法(problem-based learning，PBL)，是以學生為中心的教育方式，由教師設定教學目標，學生自主完成學習任務。該學習法由美國神經病學教授Barrows于1969年在加拿大麥克馬斯特大學首創，并率先應用在醫學教育領域[1]。隨后哈佛大學等多所世界著名院校先后將該方法應用于本校各個專業，均獲得良好的實施效果。目前PBL教學方法已經成為國際上較為流行的一種教學方法，在西方發達國家該教學方法的理論研究和教學實踐都趨于成熟[2-3]。

我國于上世紀80年代開始引進PBL教學方法，并最早應用在醫學專業中[4-6]。本世紀初，清華大學醫學院及北京大學醫學部開始PBL醫學教育模式的試驗和改革[7-8]。目前國內多所著名高校已在計算機、生物學、工程學等不同學科課程中開始嘗試PBL教學法的應用[9-11]。國內的試行結果表明PBL教學法在科學文獻閱讀、團隊合作、溝通協調等能力的培養方面很有優勢，有利于調動學生的積極性與主動性[12]，改變學生固有的思維方式，在培養創新型人才方面有著巨大的優勢[13-14]。

1 鉆探設備課程實踐教學特點

鉆探設備課程是地質工程專業領域的一門主干專業課，主要介紹鉆探施工過程中應用的鉆機、泥漿泵、鉆塔、動力機的結構、工作原理、特點及適用條件。

鉆探設備課程是一門實踐性很強的課程，課程需要配合大量的實驗教學幫助學生理解和掌握課程內容。實驗教學內容包括鉆探設備的總體結構及部件結構原理認知、鉆機的操作、零部件的拆卸與裝配。通過實地的操作，學生能夠直觀地了解各部件的構造及工作原理，掌握實際生產工作中的操作步驟，為學生日后在鉆探領域的生產工作、科研探索打下堅實的基礎。

該課程實驗教學具有以下特點：

(1) 實驗設備龐大，零件結構復雜種類繁多。鉆探設備課程實驗教學所用到的配套設備單個占地面積可達1～6 m2，最大高度可超過10 m，鉆機重約2 t，無法移動。設備個別部件拆解后的零件重量依然在幾10～100 kg，搬運工作需要多人協作完成。部件內部組成結構復雜，零件多且配合緊密，如摩擦離合器即由27種不同零件組成。

(2) 鉆進操作要求多人、高配合度。鉆探設備的部分操作單人無法獨立完成。例如鉆探過程中擰卸鉆桿操作，由于兩鉆桿螺紋連接緊密，卸除第一扣需要較大的力，故需兩人各自手持管鉗向相反方向擰卸。此外鉆進過程中，鉆機操作、泥漿循環系統控制、鉆塔頂端鉆具擺放等操作需要各崗位人員各司其職，相互配合。

(3) 容易出現安全隱患。實驗設備運轉速度高，回轉部件最高轉速可達1 600 r/min；設備工作壓力較大，立軸最大壓力可達60 kN。較高的運行速度及運行壓力均易產生安全隱患，且學生初次接觸機器，操作生疏，對于應急事件處理缺乏經驗，在多人大班授課時，教師無法關注到每個學生，故極易發生安全事故。

實驗教學內容的以上特點均決定了傳統的單一由教師示范、學生獨自操作的實驗教學方法很難使每個學生在規定的實驗課時中完全掌握實驗教學內容，無法滿足實驗教學要求。

2 PBL教學法應用準備

2.1 實驗教學PBL問題設置

PBL教學法是以問題為導向的學習方法，其首要任務就是由教師依照課程內容設定問題，學生小組據此分工調查研究，共同解決問題[15]。如何提出一個切中課程內容重心，并且能夠激發學生學習興趣的問題，是PBL教學法應用開展的核心。

問題的設置遵循以下幾個要點：

(1) 問題貼近實驗教學重心。課程實驗教學注重學生動手能力的培養，通過親身操作體驗，增加感性認識，深化鉆探設備結構原理的理解。以課程內容為基礎，結合課程教學目標，考慮學生學習能力，精心選擇問題。

(2) 問題能夠激起學生興趣。在傳統的教學中，教師集中講述操作方法及對應功效，學生的大腦只能被動接收信息，這也是學生上課注意力不集中的原因。通過結合實際的工程案例進行提問，讓學生的大腦調動起來，主動探究操作動作在實際生產中達到的效果及其作用機理。例如針對鉆機摩擦離合器的功用內容，可以提出：鉆機動力機不能頻繁停啟，而鉆機的動作改變頻繁，如何來實現？孔內鉆具突然遇阻，不能正常回轉或提拉，在鉆機機械傳動系統中如何保證動力機及鉆機各部件不受損壞？

(3) 問題難易適中。考慮學生初次接觸相關機械設備，對于鉆探方法的認知正處于構建階段，因而一些復雜的操作學生較難理解，容易導致學生喪失解決問題的信心，而過于簡單的問題易于完成，學生無法體驗到通過幾種操作手法的變換組合而解決不同問題的奧妙，進而無法調動學生積極性。同時還要考慮我國大學生在傳統教學模式下養成的學習習慣和自學能力。采用維果茨基的“最近發展區”原則進行問題設置[16]，即在教師的啟發引導下，通過學生認真思考和討論，最終自己能夠解決的問題，也是使學生通過解決問題收獲最大的原則。

2.2 實驗教學資源的準備

PBL教學法需充足的實驗教學設備、儀器、教具、圖書資料及說明書、掛圖及影像資料等，來保證學生自學需求。針對鉆探設備實驗課程的重點內容鉆機、泥漿泵結構組成及工作原理，來準備相應的教學設施。

(1) 鉆探設備及工具。實驗室內為學生準備了2臺XY-4型立軸式巖心鉆機整機，以及XY-4鉆機拆解后的獨立零部件：摩擦離合器、變速箱、分動箱、回轉器、卡盤、升降機等，水井鉆機3臺、工程鉆機4臺，泥漿泵3臺。部件拆裝工具4套。

(2) 教學輔助及參考資料。實驗室內準備了多套鉆機、泥漿泵的說明書、施工現場使用圖片、教材及參考書等資料。針對鉆探設備主要部件的結構制作了35張教學掛圖，并與實物一一對應擺放，學生可圖-物對照進行學習，提高學生對設備結構原理的理解、提高讀圖能力。

(3) 教具模型。針對結構、工作原理復雜的鉆探設備部件，為增加學生的感性認識，提高動手能力，研制了螺桿泵、曲軸超越離合器式沖擊機構、曲柄連桿沖擊機構、振動鉆機等多個教學模型。學生可通過動手操作觀察部件內部結構和工作過程。圖1所示為螺桿泵轉子和定子內部結構的教學模型照片，轉動轉子可多個平面內觀察不同位置上轉子與定子的配合關系，及轉子與定子間密封腔的形成與連續移動的規律。

圖1 螺桿泵教學模型

(4) 網上自學視頻資料。鉆機的關鍵部件零件多，結構復雜，內部結構及工作過程觀察困難，單一的平面圖講解也較為抽象。利用3DSMAX、unity3D計算機軟件制作了15個鉆探設備主要部件三維仿真動畫，學生可通過網絡平臺提前觀看各部件的結構及工作原理的模擬演示。例如升降機三維結構，如圖2所示，在不同的工作中，內部行星齒系的運動狀態不同，通過三維動畫演示及部件外殼剖切展示內部結構，學生可以清楚地觀察到工作過程中各零件連接關系及運動狀態。生動靈活的圖像更加迎合學生的喜好，激發學生學習興趣，達到事半功倍的教學效果。

圖2 升降機三維模型圖

1-升降機軸； 2-軸承蓋； 3-軸承； 4-軸承座； 5-石棉板； 6-剎車帶； 7-內齒圈； 8-行星齒輪； 9-行星輪架； 10-提升制動盤； 11-氈封油圈； 12-中心齒輪

3 PBL教學法應用過程

3.1 組織形式

在教學內容展開前，教師需要對學生劃分學習小組，并確定組長。教學過程中每個小組為1個教學模塊，每個教學模塊均需1名教師進行組織學習。為解決指導教師人數不足的問題，由每個學習小組組長承擔組織學習的任務。

3.2 教學過程

(1) 布置問題。提前把設置的問題布置給學生，實驗室對學生全天開放，學生可提前進入實驗室針對問題進行自學。

(2) 學生解決問題。針對給出的問題，由組長分工，通過查閱書籍、網絡搜索等手段查閱相關文獻資料，了解鉆進工作基本過程，在實驗室內對實物進行觀察及初步操作練習，了解設備工作特點，隨后對教師提出的問題進行分析探究，考慮操作過程中可能出現的現象，如變速箱掛不上檔、離合器打滑、卡盤卡不緊或打滑等，并針對此現象進行組內討論，分析其誘因并提出解決方法。隨后依照解決方案到實驗室內操作儀器進行初步嘗試，在嘗試過程中不斷摸索、完善解決問題的方法，得出本組的初步結論。

(3) 討論完善。針對已經得出的初步結論，在實驗課中各小組間進行相互交流探討。由組長作為本組代表進行發言，闡明本組解決問題的方法，其他小組自由提問。通過互相提問可以暴露出本組結論的薄弱點，吸取他組優點對本組答案進行補充完善，與此同時，通過答辯過程可以加深學生對知識的理解，引導學生思考，深入理解儀器設備的結構原理及功能。在討論過程中，教師負責把控全局，引導學生的問題切入點，避免出現偏差。學生在討論結束后，梳理總結本組解決問題的過程，做出改進，最后得出最終結論，以小組為單位上交成果報告。

3.3 成績評定

實驗結束后，教師依據組長對小組成員的分工，分別評價各成員的完成情況，考慮各成員在實踐探索中發現問題、思考問題的能力，參照在組內討論過程中各成員對于知識內容的理解程度以及對于新想法的提出，最后對比各組發言人在問答環節中語言組織能力、概括能力、思路清晰度，結合成果報告綜合點評，并確定成績。

4 結 語

以培養學生創新思維、創新意識為目的的PBL教學法可以滿足鉆探設備課程實驗教學的需要，能夠很好地解決該課程設備內部結構復雜、三維空間思維要求高、結構原理授課難度大等問題給實驗教學帶來的難題，可以激發學生的學習興趣。提高鉆探設備實驗教學質量，培養了大學生解決實際工程問題的能力。