淺析工科高校思維型課堂構建

王瑞琦++劉向陽

摘 要：以《現場總線技術》課程為例，在高校工科課程中構建思維型課堂。通過 “認知沖突”、“社會建構” 和“應用遷移”等環節，將習得的PROFIBUS現場總線的應用方法遷移到其他類型總線上，達到觸類旁通的目的。

關鍵詞：思維型課堂 高校 工科 現場總線技術

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）03（b）-0198-02

該文以《現場總線技術》課程為例，探索高校工科思維型課堂。眾所周知，“儀表”在生活和生產中隨處在用。在儀表產生初期，人類需在它跟前觀測或者控制，但有時儀表不容易接近（如在飛機內部）或現場比較危險。基于此，形成學生的“認知沖突”，然后順理成章引入現場總線（PROFIBUS總線），強調使用“在現場的控制總線”即“現場總線”來實現儀表器件的監控，而把人從現場解放出來，如此完成學生的“社會建構”。最后通過“應用遷移”，將總線應用到各行各業，于是形成用在樓宇自控系統（電梯）上的LONWORKS總線，用在道路交通（汽車）上的CAN總線和用在低壓開關設備上的DEVICENET總線等。

1 思維型課堂理論

林崇德等人研究了思維型課堂的基本教學原理[1]，并指出它包括引發認知沖突，完成社會建構和應用遷移等部分，如圖1。該文結合現場總線課程，介紹思維型課堂的三個構成要素。

1.1 認知沖突

工科學生在學習新知識時，新的理論技術向學生提出的新要求和學生已有的認知水平或應用能力之間的矛盾，是學生習得新知的內部矛盾，這里稱之為認知沖突。認知沖突可以是一個新的原理，一個新的結構甚至是原有知識在新場景下的一種變形。皮亞杰認為順應或調節是解決認知沖突的一種有效方法，即個體遇到新的情境條件下，原有認知結構不能適應現實環境要求時，他只能改變已有的認知結構以符合現實環境的要求。通過順應或調節，在解決矛盾中求發展，達到認識水平和應用能力的提高。

1.2 社會建構

學習是一個主動建構的過程。從工科教學的角度來講，教師必須恰當地列舉生產生活中的典型結構或應用，喚起學生已有的感性認識，運用演示或實驗來加強學生對新事物的結構、原理和使用方法的認識，著眼于學生的“最近發展區”進行教學。

另外，社會文化環境影響著學生的思維發展和學習效果，課堂教學作為學生最基本的社會文化環境，其質量好壞直接影響學生的學習效果。筆者在現場總線技術的教學當中，著力通過課堂互動來提高學生的學習效果。一方面采用計算機輔助教學（Computer Aided Instruction，簡稱CAI），通過制作Flash動畫和采用“藍箱”錄制教學視頻和學生進行互動，引發學生學習欲望。另一方面設計基于PROFIBUS總線的火災報警裝置，在課堂上現場演示。在傳感器端用吹風機吹（溫感）或點煙熏（煙感）使控制端報警，讓學生從感官上構建起對現場總線的結構，原理和工作過程的認識。

1.3 應用遷移

應用知識來解決實際問題是教學的最終目的，但真實生產環境可能與課堂教學有較大差異，這就需要學生具備應用遷移的能力，具備發散思維能力和解決實際問題的膽量氣魄，能自信、靈活地將所學方法應用滲透到相關工業生產中。筆者在現場總線的教學中，從頭到尾詳細介紹一種總線（PROFIBUS總線），當學生對PROFIBUS總線節點設計，系統搭建，編程過程非常清楚后，再要求他們用類比思維、遷移思維、發散思維進行應用遷移，學生能較容易地掌握CAN總線、DEVICENET總線和LONWORKS總線等。如果再加強同輩教育，構建學習小組，應用遷移的范圍和深度會更加廣泛和深刻。

2 構建思維型課堂：以《現場總線技術》課程為例

《現場總線技術》作為自動化專業的一門基礎課，對其教學改革有很多研究。黑龍江大學的于浩洋等人提出在該課程的教學中，因總線涉及種類較多，為避免面面俱到，走馬觀花，選取PROFIBUS總線進行專門介紹 。為了更有效率地學習，該論文以目前廣泛應用的PROFIBUS現場總線為例，由西門子工業控制網絡作為切入點，探討思維型課堂在《現場總線技術》課程中的應用。

該課程的學習目標是介紹現場總線通信的基礎知識，通過西門子工業控制系統使學生掌握PROFIBUS通信系統和上位監控系統的建構方法，并通過類比，使學生明確其他諸如CAN總線、DEVICENET總線和LONWORKS總線等系統的建構思路。思維型課堂的實現主要有三大步驟。

3.1 認知沖突：學習現場總線概念

在學生的固有思維中，儀表的監控需要人在它跟前觀測或控制，但事實上儀表常不容易接近（如在飛機內部）或現場比較危險，怎么辦？這就是與學生固有觀點相悖的“認知沖突”，由此引發學生學習興趣，然后順理成章引入現場總線（PROFIBUS總線），告知學生將總線留在現場，人在遠端“觀測室”進行監控。

3.2 社會建構：搭建PROFIBUS現場總線系統

這是思維型課堂的核心。首先教師講解PROFIBUS通信原理和總線體系結構。將學生進行分組，帶領他們動手搭建一個模擬工業企業環境的PROFIBUS通信系統并調試完成，初步完成學生對新技能的社會建構。

其次，結合已調試好的PROFIBUS通信系統，在構建好的現場總線系統基礎上添加上位機，對系統中的數據進行實時監控。至此，充分完成學生的社會建構。

3.3 應用遷移：拓展到其他類型總線

在前面的基礎上進行應用遷移，將已有的PROFIBUS現場總線的搭建方法應用到CAN總線、DEVICENET總線和LONWORKS總線等系統的建構和應用中，并在實踐中總結它們的特點和優劣。

通過以上四個步驟，完成了《現場總線技術》思維性課堂設計，最后由任課教師對學生在現場總線系統搭建和應用中遇到的問題及解決方案進行總結，進一步鞏固學生習得的技能。

4 結語

《現場總線技術》是自動化專業的一門專業課，當前自動控制領域離不開現場總線的參與。該文以《現場總線技術》課程為例，在自動化專業中構建以“應用型”為目的的“思維型課堂”，經教學實踐檢驗，提高了學生思考問題的主動性和實際動手能力，收效良好。該研究為高等院校工科類課程的改革提供了新的思路。

參考文獻

[1] 林崇德，胡衛平.思維型課堂教學的理論與實踐[J].北京師范大學學報：社會科學版，2010（1）：29-36.