張敬南

(哈爾濱工程大學 自動化學院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

基于5E教學模式的典型教學案例應(yīng)用

張敬南

(哈爾濱工程大學 自動化學院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

本文將廣泛應(yīng)用于生物學的5E教學模式應(yīng)用到“電力拖動控制系統(tǒng)”課程中，對典型教學過程進行了教學案例設(shè)計與實踐檢驗，提高了教學效果。結(jié)合授課教師的實踐經(jīng)驗，總結(jié)了5E教學模式在理工科專業(yè)課程中應(yīng)用時所需的注意事項。

5E教學模式；電力拖動控制系統(tǒng)；教學案例

0 引言

建構(gòu)主義是認知心理學派中的一個分支，其理論的核心是以學生為中心，強調(diào)學生對知識的主動發(fā)現(xiàn)、主動探索和主動建構(gòu)[1]。5E教學模式是基于建構(gòu)主義學習理論展開的，它將教學過程分為吸引(engagement)、探究(exploration)、解釋(explanation)、遷移(elaboration)和評價(evaluation)5個階段[2]。起初，5E教學模式廣泛應(yīng)用于生物學的教學過程中，現(xiàn)在業(yè)已成為國內(nèi)外教育研究的熱點，研究者將其教學理論引入到各類課程中并進行了經(jīng)驗總結(jié)[3，4]。

筆者長期致力于“電力拖動控制系統(tǒng)”課程的教學改革工作，結(jié)合5E教學模式和“電力拖動控制系統(tǒng)”課程的特點，在該課程的教學過程中應(yīng)用5E教學模式來調(diào)動學生的學習興趣、提升學生的探究和實踐能力，實踐證明該方法是行之有效的。

本文對5E教學模式在“電力拖動控制系統(tǒng)”課程教學中的一個典型應(yīng)用案例做出較為詳細分析與探討。

1 基于5E教學模式的教學案例

1.1 教學內(nèi)容認識

5E教學模式與傳統(tǒng)教學模式相比較，教師在教學過程中的教學理念、教學方式和角色定位都要發(fā)生根本性的變化，學生的學習方式也隨之改變。從教師講授為主的單一模式轉(zhuǎn)變?yōu)榻處熞龑?dǎo)為主，結(jié)合啟發(fā)、提問、指導(dǎo)、參與討論和評價的多源模式；而學生也從被動接受知識向主動參與探究構(gòu)建知識的轉(zhuǎn)變。為了能夠發(fā)揮5E教學模式的作用，需要打造合適的教案，每一個知識點的教學過程都要依據(jù)5個階段進行對應(yīng)設(shè)計。本文以一典型教學案例的設(shè)計過程介紹5E教學模式在“電力拖動控制系統(tǒng)”課程中的應(yīng)用。

教學內(nèi)容：轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性[5]。

內(nèi)容分析：本節(jié)課要求學生在掌握具有截流負反饋的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)前提下，針對起、制動性能的要求高的場合，研究轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程。分析該系統(tǒng)的基本構(gòu)成及控制規(guī)律，并進而獲得轉(zhuǎn)速閉環(huán)和電流比環(huán)的作用。

教學目的：重點掌握轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)改善起動過程及起動過程的分析、控制規(guī)律和調(diào)節(jié)器作用。在教學過程還要培養(yǎng)學生的對專業(yè)知識的認知和思考分析的能力。

1.2 各個教學環(huán)節(jié)的設(shè)計

結(jié)合5E教學模式，上述教學內(nèi)容在2015年度的教學過程中被設(shè)計成5個環(huán)節(jié)。

1)吸引

本環(huán)節(jié)要通過情境中出現(xiàn)的問題吸引學生，并引起學生的認知沖突，激發(fā)學生主動探究的興趣，實現(xiàn)學生主動建構(gòu)知識的目的。

在教案的設(shè)計中，學生首先針對轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和具有截流反饋的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進行起動過程的仿真，驗證單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動電流問題和截流反饋在犧牲系統(tǒng)隨動性的前提下獲得對起動電流抑制作用的初步認識。然后，結(jié)合龍門刨床等頻繁正、反轉(zhuǎn)，起、制動過程的演示對調(diào)速系統(tǒng)提出新的要求：由于實際中的很多調(diào)速系統(tǒng)需要實現(xiàn)頻繁的正、反轉(zhuǎn)，起、制動運行，需要較高的跟隨性能要求。由于學生還沒有學到可逆系統(tǒng)，所以，本環(huán)節(jié)只對起動過程提出快速性的要求。引導(dǎo)學生對具有截流反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能否實現(xiàn)該起動要求提出質(zhì)疑，并進一步去思考如何能獲得起動過程時間的縮短。

在教學實踐中，學生很快發(fā)現(xiàn)了具有截流反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)限制電流和調(diào)速系統(tǒng)快速起動要求之間存在矛盾，對采用該調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)快速起動提出質(zhì)疑。

2)探究

本環(huán)節(jié)的目的是通過引導(dǎo)學生進行探究，在探究的過程中，學生應(yīng)用原有知識概念和技能方法探索解決新問題的途徑，為之后的新的知識概念形成創(chuàng)造便利條件。

在教案設(shè)計中，首先對學生提出起動時間的要求，讓學生利用具有截流反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真程序進行仿真分析和探索，引導(dǎo)學生利用已經(jīng)具備的知識進行小結(jié)。在此期間，學生會不斷地提出新的想法(包括錯誤的想法)，并在已經(jīng)熟悉了的仿真程序基礎(chǔ)上完成新的想法的仿真分析，記錄觀察結(jié)果，形成觀點并獲得結(jié)論。隨著問題的不斷深入，當沒有新的思想提出時(或者當有學生提出雙閉環(huán)思想時)，授課教師再提供轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真程序給學生，引導(dǎo)學生通過仿真對比分析起動過程轉(zhuǎn)速及其他參數(shù)的變化，并讓學生確定達到了預(yù)期的起動要求。

在教學實踐中，學生想到的方法可能包括：添加輔助電動機加快起動過程、引入PID調(diào)節(jié)器代替PI調(diào)節(jié)器、引入與轉(zhuǎn)速差值相關(guān)的前饋環(huán)節(jié)等?？紤]到經(jīng)濟指標，學生很快放棄了添加輔助電動機的方法。學生對其他方法進行了仿真分析，最終發(fā)現(xiàn)，除了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)之外，均沒有達到指標的要求。

3)解釋

在教師引導(dǎo)下，學生逐步獲得正確的結(jié)果，此時要鼓勵學生用自己的理解和語言進行闡述。解釋階段是5E教學模式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是學生理論自我建構(gòu)過程。

在教案的設(shè)計中將本階段分成了2個部分：首先，在學生確定轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有較好的起動效果后，授課教師便引導(dǎo)學生進一步討論“為什么雙閉環(huán)具有較好的起動性能呢？”，并在解釋環(huán)節(jié)中做出詳盡的推導(dǎo)。第二，對期望的起動過程中轉(zhuǎn)速和電流的靜特性曲線進行描述。并引導(dǎo)學生將期望靜特性和實際靜特性進行對比，獲得轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)特點的初步的結(jié)論。

結(jié)合教學實踐，在第一部分內(nèi)容中，學生都會逐步獲得以下知識點：①聯(lián)系到以往的知識——運動方程式，確定縮短起動時間、提高加速度的方法在于增大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與制動轉(zhuǎn)矩的差值上；②起動過程電流多大合適，電流對應(yīng)了電磁轉(zhuǎn)矩，能夠獲得的最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的是最大電流。

第二部分內(nèi)容上，期望的靜特性曲線需要授課教師幫助學生對兩個狀態(tài)加以區(qū)分，學生確定了兩個狀態(tài)后，能夠很快完成期望靜特性和實際靜特性的對比。

4)遷移

本環(huán)節(jié)的目的是在獲得正確的結(jié)論后，能夠進一步地深入研究及實現(xiàn)知識的拓展。

教案的設(shè)計中，要引導(dǎo)學生結(jié)合雙閉環(huán)仿真程序進行起動過程的轉(zhuǎn)速、電流變化情況進行總結(jié)。由授課教師給出雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的三個關(guān)鍵特點：飽和非線性控制、轉(zhuǎn)速的超調(diào)和準時間最優(yōu)控制，學生通過實際特性與期望特性的比較確定這三個關(guān)鍵特點的正確性。最后授課教師提出不同的工況要求和參數(shù)要求，引導(dǎo)學生通過仿真程序進行仿真并獲得調(diào)節(jié)器的作用。

在教學實踐中，由于教學時間的限制，不能在一次教學活動中完成全部環(huán)節(jié)，一些拓展活動可以留作課后思考題。其內(nèi)容有：在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，嘗試改變調(diào)節(jié)器參數(shù)，觀測并總結(jié)調(diào)節(jié)器參數(shù)對運行性能的影響。

5)評價

本環(huán)節(jié)的目的在于明確學生活動的收獲和鼓勵學生對研究過程進行反思，同時，評價也為教師提供了一個評估自己教學過程和效果的機會。

在這一階段可以用正式或非正式的方法評價學生對新知識的理解及應(yīng)用能力。如果用正式的方法評價，教師可以采用紙筆測驗和觀察現(xiàn)場表現(xiàn)等形式；如果采用非正式評價，教師可以在整個教學過程的任何時候進行。在本教案的設(shè)計中采用了正式的方法評價，主要涉及四方面內(nèi)容：①針對探索階段出現(xiàn)的錯誤方案所進行的反思；②考核學生對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)基本概念的掌握和特點的認識。③給出工況和調(diào)節(jié)器參數(shù)改變的具體實例，檢查學生在遷移階段的掌握情況。④提出一些開放式問題對學生掌握情況做了進一步的提升。

在教學實踐中，通過此階段確定學生是否能夠有效掌握教學內(nèi)容的相關(guān)知識和技能。良好的評價就能說明本次教學活動中采用5E教學模式是行之有效的。

2 實踐效果與注意事項

2.1 實踐效果

通過2015年度在我校電氣工程及其自動化專業(yè)“電力拖動控制系統(tǒng)”課程的教學活動中應(yīng)用的檢驗，將5E教學模式應(yīng)用在此課程的教學活動中，獲得了很好的教學效果，達到了學生的自主學習能力和知識掌握程度提升的預(yù)期目標。

通過與往年教學過程的比較，本年度獲得良好教學效果主要體現(xiàn)在學生主觀能動性的調(diào)動上。在5E教學模式下，學生的學習興趣明顯提升，態(tài)度積極；面對問題能夠提出新的想法，修正錯誤，不斷接近正確的結(jié)論；學習過程拓寬了學生的思路、強化了學生的知識結(jié)構(gòu)，通過知識點的不斷重構(gòu)，形成了正確的理論體系。

2.2 注意事項

(1)授課教師必須具備足夠的掌控能力。一方面，教學目的要明確，要保證教學的有序性；另一方面，由于5E教學模式的教學過程和教學思路是多源的、發(fā)散的，不可避免會發(fā)生各種突發(fā)狀況。因此，教師需要盡量對教學過程有詳盡的教案，并進行發(fā)展趨勢和控制范疇的有效預(yù)估。所以欠缺豐富的教學和實踐經(jīng)驗的教師難以勝任。

(2)授課教師必須在教學過程中接受學生逐步熟悉的過程，可以先培養(yǎng)個別勇于表現(xiàn)的學生，并在過程中由這些學生帶動其他學生參與進來。

(3)要選擇概念清晰、推導(dǎo)多樣化、但結(jié)論具有收斂性的教學內(nèi)容進行5E教學模式實踐。也不要在一門課的一開始就采用，要留給學生對相關(guān)基礎(chǔ)知識認知的過程。

(4)不同于案例教學，5E教學模式(尤其是探究環(huán)節(jié))允許學生犯錯誤，但授課教師需要控制，不能放任錯誤發(fā)散，教師要恰當?shù)囊龑?dǎo)，將學生在錯誤的路上及時回頭。

(5)不同的課程或課程中不同的內(nèi)容之間不能停留在表面形式的模仿層面，而是應(yīng)該充分理解其理論基礎(chǔ)和精髓所在，在教學中不斷實踐和反思，做到靈活運用。

(6)5E教學模式相對于傳統(tǒng)講授型教學過程需要更多的學時。建議首個采用的知識點可以隨堂完成，后續(xù)的知識點的部分環(huán)節(jié)(比如探究、遷移和評價環(huán)節(jié))可以留為課后完成，課堂總結(jié)。

3 結(jié)語

5E教學模式是眾多探究式教學模式中的顯著代表之一，雖然筆者認為5E教學模式在應(yīng)用過程具有諸多注意事項，但是通過“電力拖動控制系統(tǒng)”課程的典型應(yīng)用，其在激發(fā)學生潛能、幫助學生構(gòu)建知識體系方面的作用是不能否定的。

(張敬南文)

5E教學模式在理論性和實踐性均較強的理工類專業(yè)課程中應(yīng)用具有可行性，但也不能斷言其一定優(yōu)于其他教學模式，還要考慮教學內(nèi)容、授課教師、學生基礎(chǔ)等多方面因素的影響，實際的教學過程中需要根據(jù)不同的教學內(nèi)容和教學目的，根據(jù)師生特點綜合應(yīng)用不同教學模式，并不斷在教學實踐中加以檢驗和革新。

[1] 劉寅齊，趙應(yīng)吉. 建構(gòu)主義學習理論對多媒體網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下大學英語自主學習的啟示[J]. 北京：中國大學教學. 2007(8):84-86

[2] 張杏娟，劉恩山. 5E教學模式在發(fā)展學生能力和課程建設(shè)中的價值及作用[J]. 北京：生物學通報. 2015.50(2):21-23.

[3] 吳成軍，張敏. 美國生物學“5E”教學模式的內(nèi)涵、實例及其本質(zhì)特征[J]. 北京：課程·教材·教法. 2010.30(6)：108-112.

[4] 黃皓. “5E學習環(huán)”探究教學模式初探--以“設(shè)計、制作一個由簡單機械組成的機械模型”為例[J]. 重慶：物理教學探討， 2014.32(4)：68-71.

[5] 阮毅，陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)--運動控制系統(tǒng)(第四版)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社. 2009.8.

Application of Typical Teaching Case Based on 5E Teaching Mode

ZHANG Jing-nan

(CollegeofAutomation,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)

The 5E teaching mode in biology is applied to the course of Electric Drive Control System. The teaching case using the 5E teaching mode is designed and practiced of the teaching process, and the effect is obvious. Combined with the practical experience of teacher, the considerations of 5E teaching mode are summarized.

5E teaching mode; electric drive control system; teaching case

2015-11-03;

2015-12-09 基金項目：黑龍江省教育科學規(guī)劃課題(GJC1215018)

張敬南(1975-), 男，博士，副教授，主要從事電氣工程及其自動化教學和研究工作, E-mail：zhangjingnan@hrbeu.edu.cn

TM921

A

1008-0686(2016)05-0075-04