基于體驗學習的“過程控制”實驗教學設計

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

多數自動化專業課程傳統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。實驗環節也一般提前以理論課的方式講述,學生按照實驗指導書進行實驗操作。應該說,這種方式確實效率很高,各層次的學生基本都能夠完成規定的實驗項目。尤其是學時有限、學生人數多的情況下,是行之有效的方法。但另一方面,傳統方式缺乏對知識獲取客觀規律的深入分析、缺乏對學習者主觀能動性的激勵、缺乏自由的思考空間。傳統教育依據的主要是系統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。傳統教育方式固然起到了很好的作用,但對人的個性發展重視不足,在一定程度上忽視了學習者的創造性。

本文從大衛·庫伯提出的“體驗學習圈”出發,設計了適合過程控制的實驗教學模式,重新設計和編排實驗環節,引導學生積極思考,激發學習過程中的創造性思維。

1 關于“體驗學習”

體驗學習理論的概念是大衛·庫伯教授在1984年發表的專著中正式提出的。體驗學習理論既區別于傳統理性主義的教學方法,又區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之上的,特別是源于洛克等人經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,提出學習應該是由具體體驗、反思觀察、抽象概括和行動應用所組成的完整過程。

1.1 體驗學習的內涵

庫伯對體驗學習的定義為:學習是體驗的轉換并創造知識的過程。他強調學習是一種過程,不是內容或結果。知識是一個轉換的過程,是連續不斷的創造與再創造,不是可獲得或傳遞的獨立過程。學習轉換的體驗包含主觀形態和客觀形態兩種體驗。另外他還強調注重理解知識的本質。

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過程);體驗學習是以體驗為基礎的持續過程;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境之間連續不斷的交互作用過程;體驗學習是一個創造知識的過程。

1.3 體驗學習的過程

庫伯將體驗學習總結為一個四階段的循環過程,涉及四個相適應的學習環節——具體體驗(concrete experience)、反思觀察(reflective observation)、抽象概括(abstract conceptualization)和行動應用(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”環節。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,對體驗到的內容進行思考,再進行抽象和概括,將反思的結果形成某種抽象概念或理論,最后將抽象的理論和概念應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。但整個學習過程并不是至此嘎然而止,當理論和概念應用到新的實踐時,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,或稱為感知和領悟。橫向表示知識轉換或形成的過程,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:通過感知獲取經驗并縮小內涵形成發散性知識;通過領悟獲取經驗并縮小內涵形成同化性知識;通過領悟獲取經驗并擴大外延形成順應性知識;通過感知獲得經驗并擴大外延形成順應性知識。

體驗學習的四個環節相互聯系,不斷循環,螺旋上升。并不是每次學習過程都由四個完整的環節組成,中間可以有跳躍、反復與交叉。個人的情況不同,獲取知識的習慣和優勢也不同。因此,體驗學習圈模型也不是一成不變的,有相當的靈活性和自由性。

2 過程控制實驗教學模式

過程控制是自動化技術的重要分支,既包含豐富的理論知識,又涉及工業現場很多實際系統、傳感器、儀表等。與其他課程相比,“過程控制”實驗教學環節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律,從學的角度出發,改革過程控制實驗教學環節是提高整個課程教學質量的一個重要因素。從庫伯的體驗學習圈結構看,應該說實驗是處于行動應用階段。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該不斷深化知識和概念,另一方面還應該在實踐的過程中繼續獲取和創造知識。

2.1 實驗過程設計

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律,對實驗教學有很好的指導意義。針對過程控制實驗教學的特點及學生的具體情況,本文設計了五環節的教學過程,包括:個人體驗、個人反思、分組討論、抽象概括和行動應用。如圖2所示。

圖2 五環節教學過程

個人體驗主要是通過學生自己觀察、測量和操作實驗設備,對整個系統的組成進行具體的了解。同時,明確實驗任務和目標,了解實驗設備的功能、性能指標和操作方法。在此基礎上進行獨立思考,根據設備的功能和個人經驗初步設計解決方法。實驗中將學生分成若干小組。分組討論階段包括組內討論和組間討論。一個實驗小組內部成員間進行討論,把自己的思路、想法與小組成員之間分享,確定小組統一的實驗方案。組內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,個人進行理論設計,包括建模、仿真、控制方法選擇等。行動應用就是將設計的控制方法和算法進行實現,控制實際系統,觀察控制效果。

在實驗設計中,增加了分組討論環節,通過討論將個人的思路和想法與他人分享。一方面,能夠調動學生的積極性,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 實驗環節設計

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、系統建模模塊、系統仿真模塊、編程實現模塊和結果分析模塊。各模塊間相對獨立,又彼此聯系。這樣的設計便于實驗的安排和日后系統的升級、維護。

在具體設計階段采用 LabVIEW作為開發平臺,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所示是系統仿真中PID參數調整模塊。實驗中可以靈活向學生開放,同時便于功能的組合與增加。

圖3 PID參數調整模塊

2.3 實驗模式設計

實驗的實施以情景式學習為主線,只明確具體目標和任務,不提供固定、詳細的實驗步驟。實驗指導書以用戶手冊、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節,通過分享和討論激發學生的積極性、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容后以集中的方式進行,兩到三次連續實驗。現根據情況進行拆分,在相關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現場用到的一些具體設備、傳感器等,了解實驗系統的組成、功能,進行簡單控制,明確目標和任務。通過一定階段的理論課程學習之后,再完成整個實驗。

另外,增加實驗室開放環節,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 結語

體驗學習強調個體,強調實踐,強調學習者的反思,通過學習者與現實世界的溝通和聯系,培養學習者的社會責任感。不但促進學者自身的發展,同時也促進了社會的發展,實現了人的發展和社會發展的統一。將體驗學習引入到實驗教學當中,與具體教學實際相結合,能夠引導學生積極思考,發揮創造性思維,為自動化專業人才培養和創新型人才培養發揮良好的作用。

[1]D·A·庫伯.體驗學習:讓體驗成為學習和發展的源泉.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