彭靖波,王志多,曾 昊,王 磊,張 馭,吳 興
(空軍工程大學(xué) 航空工程學(xué)院,西安 710038)
為主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技與產(chǎn)業(yè)變革,支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等一系列國家戰(zhàn)略,2017 年2 月以來,教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè),全力探索形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國模式、中國經(jīng)驗(yàn),助力高等教育強(qiáng)國建設(shè)。伴隨我國“航空發(fā)動(dòng)機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)”國家科技重大專項(xiàng)的持續(xù)實(shí)施,為了適應(yīng)我國航空事業(yè)發(fā)展人才培養(yǎng)需求,以培養(yǎng)具有專業(yè)勝任能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力的綜合型航空人才為目標(biāo),開展航空動(dòng)力類課程教學(xué)模式改革的需求非常迫切。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的“心臟”,被喻為制造業(yè)皇冠上的明珠,是衡量國家科技核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要標(biāo)志。控制系統(tǒng)被稱為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的大腦,能夠保證發(fā)動(dòng)機(jī)在各種狀態(tài)下安全可靠地工作,同時(shí)發(fā)揮優(yōu)良的性能。由于控制系統(tǒng)的故障,多次造成重大飛行事故,嚴(yán)重危及飛行安全。航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制課程以發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)為教學(xué)對(duì)象,是航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理、航空發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造學(xué)、自動(dòng)控制原理知識(shí)的綜合運(yùn)用。該課程是飛行器動(dòng)力工程專業(yè)本科高年級(jí)學(xué)員的一門專業(yè)方向必修課程,教學(xué)效果不僅對(duì)于學(xué)員理解理論知識(shí)具有關(guān)鍵作用,還對(duì)學(xué)員適崗能力、實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)至關(guān)重要,在人才培養(yǎng)過程中占有十分重要的地位[1]。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制課程教學(xué)內(nèi)容主要包括航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)元件、控制規(guī)律、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、工作原理及性能故障分析方法等,對(duì)于空軍工程大學(xué)(以下簡稱“本校”)學(xué)員來說是一門面向未來工作崗位的專業(yè)方向課,其重要性不言而喻。在課程教學(xué)中有三方面問題需要克服:首先,課程內(nèi)容綜合了大量的專業(yè)基礎(chǔ)課程知識(shí),涉及航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理、航空發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造學(xué)、自動(dòng)控制原理和氣動(dòng)熱力學(xué)等諸多基礎(chǔ)課程,學(xué)員在學(xué)習(xí)過程中容易出現(xiàn)前后知識(shí)銜接不暢的問題;其次,航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一種極其復(fù)雜的氣動(dòng)熱力機(jī)械,氣動(dòng)熱力過程非常復(fù)雜,學(xué)員對(duì)控制規(guī)律理解難度大;最后,發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,可視性差,系統(tǒng)交聯(lián)多且不便于實(shí)物展示,存在學(xué)員對(duì)控制系統(tǒng)工作原理理解不透徹,控制系統(tǒng)原理在使用保障中應(yīng)用難的問題。正是因?yàn)檫@些問題的存在,在教學(xué)過程中采用常規(guī)的啟發(fā)式教學(xué)難以達(dá)到良好的教學(xué)效果。
同時(shí),隨著《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》《教育信息化2.0 行動(dòng)計(jì)劃》的發(fā)布,加上我國航空裝備技術(shù)的快速發(fā)展,對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制課程教學(xué)也提出了諸多新要求。課程教學(xué)內(nèi)容需要在液壓機(jī)械控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上前瞻全權(quán)限數(shù)字電子控制、無人動(dòng)力控制及現(xiàn)代控制理論。課程教學(xué)過程中需要充分融入信息化資源和手段,探索線上線下混合式教學(xué)模式并開展課程思政[2]。
基于以上問題及要求,課程組探索了符合軍校學(xué)員能力素質(zhì)發(fā)展需求的案例探究式教學(xué)法,并以此為中心,對(duì)課程教學(xué)資源、教學(xué)模式及考核評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了改革。
以案例為教學(xué)載體的教學(xué)法在國內(nèi)可以追溯到春秋戰(zhàn)國時(shí)代,在國外可以探尋到古希臘羅馬時(shí)代。而現(xiàn)在研究的案例式教學(xué)法主要是指由美國哈佛大學(xué)克里斯托弗·哥倫布·蘭代爾提出的一種教學(xué)方法,于1870年前后最早應(yīng)用于法學(xué)教育中[2]。當(dāng)時(shí)是采取一種很獨(dú)特的案例形式的教學(xué),這些案例都是來自法學(xué)、商學(xué)、醫(yī)學(xué)等真實(shí)情境或事件。透過此種方式,有助于培養(yǎng)學(xué)員主動(dòng)參與課堂討論的積極性,加深學(xué)員對(duì)課程知識(shí)的理解,并培養(yǎng)知識(shí)應(yīng)用能力,實(shí)施之后頗具績效。至今,美國哈佛商學(xué)院(Harvard Business School)有超過80%的課程以案例教學(xué)法為主[3]。
案例式教學(xué)法有一個(gè)基本的假設(shè)前提,即學(xué)員能夠通過對(duì)這些過程的研究與發(fā)現(xiàn)實(shí)施案例教學(xué)過程圖來進(jìn)行學(xué)習(xí),在必要的時(shí)候回憶出并應(yīng)用這些知識(shí)與技能。案例教學(xué)法非常適合開發(fā)分析、綜合及評(píng)估能力等高級(jí)智力技能。這些技能通常是管理者、醫(yī)生和其他的專業(yè)人員所必需的案例,還可使受訓(xùn)者在個(gè)人對(duì)案例進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,提高承擔(dān)具有不確定結(jié)果風(fēng)險(xiǎn)的能力。
有人認(rèn)為,探究式教學(xué)在本質(zhì)上是一種模擬科學(xué)研究的過程,包括兩個(gè)相互聯(lián)系的方面,一是構(gòu)建一個(gè)以學(xué)為中心的探究學(xué)習(xí)環(huán)境,二是給學(xué)員提供必要的幫助和指導(dǎo),使學(xué)員在探究中能明確方向[4]。也有人認(rèn)為,探究教學(xué)是指在教師的引導(dǎo)下,學(xué)員主動(dòng)參與到發(fā)現(xiàn)問題、尋找答案的過程中,以培養(yǎng)學(xué)員探究興趣和解決問題能力的一種教學(xué)活動(dòng)。在理論基礎(chǔ)方面,目前普遍認(rèn)為探究教學(xué)的科學(xué)基礎(chǔ)是科學(xué)史和科學(xué)哲學(xué),心理學(xué)基礎(chǔ)是皮亞杰的建構(gòu)主義理論、布魯納的認(rèn)知結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)理論、奧蘇貝爾的有意義學(xué)習(xí)理論和羅杰斯的人本主義理論等,教育學(xué)基礎(chǔ)是終身教育理論和主體性教育理論[5]。探究式教學(xué)的實(shí)質(zhì)就是按照提出科學(xué)結(jié)論和檢驗(yàn)科學(xué)結(jié)論的結(jié)構(gòu)方式去揭示科學(xué)結(jié)論,探究式教學(xué)的程序主要包括:發(fā)現(xiàn)問題—收集資料—處理與解釋資料—問題解決。探究教學(xué)有利于科學(xué)概念的形成,有利于培養(yǎng)學(xué)員的探究能力,掌握科學(xué)的思維方法。
案例探究式教學(xué)法,將案例建構(gòu)與探究式教學(xué)有機(jī)結(jié)合,吸取案例式教學(xué)法和探究式教學(xué)法的各自優(yōu)點(diǎn),以學(xué)科典型案例為牽引,引導(dǎo)學(xué)員以科學(xué)探究的形式,通過解決案例中所出現(xiàn)的關(guān)鍵問題,達(dá)到理論知識(shí)體系建構(gòu),科學(xué)素養(yǎng)培塑的目標(biāo)。國內(nèi)學(xué)者探索了案例探究式教學(xué)法在不同類型課程中的應(yīng)用情況,如嚴(yán)保康等[6]探索了案例探究式教學(xué)在故障診斷課程中的應(yīng)用,鄭康[7]將案例探究式教學(xué)融入毛澤東思想和中國特色社會(huì)主義理論體系概論課程教學(xué)全過程。同時(shí)在工程材料等課程中也有探索實(shí)踐[8-9]。
課程組在多年課程實(shí)踐教學(xué)過程中,探索實(shí)踐了適用于本校航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制課程(以下簡稱“本課程”)教學(xué)的案例探究式教學(xué)法,如圖1 所示。它以案例為牽引,在教員的啟發(fā)誘導(dǎo)之下,以學(xué)員的自主學(xué)習(xí)和合作討論為基本范式,按照在線預(yù)習(xí)準(zhǔn)備、故障現(xiàn)象引入、問題探究引導(dǎo)、故障原因討論及維護(hù)能力培塑的環(huán)節(jié)展開教學(xué),引導(dǎo)學(xué)員對(duì)案例背后的原理進(jìn)行深入探究。既可培養(yǎng)學(xué)員對(duì)控制系統(tǒng)工作原理、性能及其故障的分析能力,掌握裝備現(xiàn)狀,又可加深學(xué)員對(duì)未來崗位的認(rèn)識(shí),掌握正確的裝備故障分析方法,培養(yǎng)科學(xué)的排故能力。
圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制案例探究式教學(xué)法流程
本課程的案例探究式教學(xué)法是建立在線上教學(xué)資源、故障案例庫、線上線下混合式教學(xué)模式基礎(chǔ)之上的。為此,課程組于2019 年建成了航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制學(xué)堂在線慕課,慕課內(nèi)容分為入門篇、提高篇、精進(jìn)篇和拓展篇4 個(gè)篇章,以科普+專業(yè)提升的方式向?qū)W員展示。入門篇為航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制概述;提高篇分為控制系統(tǒng)元件和控制系統(tǒng)兩大部分,按照從元件到結(jié)構(gòu)再到整機(jī)系統(tǒng)的順序構(gòu)建典型發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)知識(shí)脈絡(luò);精進(jìn)篇為高階內(nèi)容,涉及先進(jìn)數(shù)字電子控制系統(tǒng),主要面向高階專業(yè)學(xué)員的需求;拓展篇為延伸內(nèi)容,將最新的科研成果融入課程,以拓展學(xué)員的科技視野,了解航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域最前沿的發(fā)展動(dòng)態(tài)。
豐富的數(shù)字化資源和案例庫是開展信息化和案例探究式教學(xué)的基礎(chǔ)。在數(shù)字化資源建設(shè)方面,針對(duì)學(xué)員自學(xué)能力培養(yǎng)需求,課程團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了“多元多級(jí)”的教學(xué)資源體系,以解決發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制過程抽象不可視等學(xué)習(xí)難點(diǎn)問題。“多元”是指多媒體展示的視頻、圖片和二/三維動(dòng)畫,AR 源呈現(xiàn)的整機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和控制系統(tǒng)多角度AR 影像,虛擬仿真實(shí)現(xiàn)的整機(jī)控制、各控制系統(tǒng)和先進(jìn)控制技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)。“多級(jí)”是指元件的基礎(chǔ)級(jí)資源、系統(tǒng)與整機(jī)的綜合級(jí)資源、新技術(shù)虛擬仿真的創(chuàng)新級(jí)資源。建設(shè)的數(shù)字化資源和慕課視頻為學(xué)員線上自學(xué)、理解控制系統(tǒng)工作原理提供了很好的支撐。
在案例庫建設(shè)方面,課程團(tuán)隊(duì)充分利用本校在獲取發(fā)動(dòng)機(jī)故障案例方面的優(yōu)勢(shì),大量收集發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)在服役過程中的故障案例。針對(duì)控制系統(tǒng)元件、主燃油控制系統(tǒng)、加力燃油控制系統(tǒng)和幾何通道控制系統(tǒng),篩選了大量適合于案例探究式教學(xué)的故障案例,形成了故障案例庫。數(shù)字化資源和案例庫的基本框架如圖2 所示。在這里,案例需要契合教材內(nèi)容,承接教學(xué)主線,突出教學(xué)重點(diǎn),且必須遵循可二次分析的原則并具有課程知識(shí)結(jié)構(gòu)的完整性,數(shù)字資源的建設(shè)則必須根據(jù)案例探究的思維過程針對(duì)性設(shè)置呈現(xiàn)形式。如,針對(duì)主燃油控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速控制器,設(shè)置了飛機(jī)著陸收油門后轉(zhuǎn)速不下降的故障案例,配合案例建設(shè)了轉(zhuǎn)速控制器的工作原理動(dòng)畫和視頻。解決該故障原理后,學(xué)員能夠充分掌握轉(zhuǎn)速控制器的結(jié)構(gòu)組成和工作原理。
圖2 信息化資源及故障案例庫建設(shè)
下面以主燃油控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)“最大狀態(tài)協(xié)調(diào)工作”的講授為例,講述案例探究式教學(xué)法在課程中的具體實(shí)踐過程。
1 課前
在線預(yù)習(xí)準(zhǔn)備。通過布置預(yù)習(xí)作業(yè),促使學(xué)員利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)、學(xué)堂在線資源及數(shù)字化資源庫,自主在線預(yù)習(xí)本節(jié)課相關(guān)的基本知識(shí),主要包括最大狀態(tài)液壓機(jī)械控制原理、電子控制原理和協(xié)調(diào)工作原理。目的是一方面培養(yǎng)學(xué)員的自學(xué)能力,另一方面獲取案例自主探究所需要的基礎(chǔ)知識(shí)。
故障現(xiàn)象引入。教員下發(fā)本節(jié)課探究的案例,某發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)超溫超轉(zhuǎn)故障,重點(diǎn)是詳細(xì)描述故障現(xiàn)象,使學(xué)員對(duì)故障發(fā)生的參數(shù)表現(xiàn)有非常詳細(xì)且充分地掌握。在此案例中,以場(chǎng)景圖片、視頻伴隨文字注解和音頻的形式給出了發(fā)動(dòng)機(jī)在發(fā)生故障時(shí)的使用環(huán)境、飛行環(huán)境、飛行員操作狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)及其各個(gè)參數(shù)的變化規(guī)律,引導(dǎo)學(xué)員進(jìn)入情境,更好地探究和思考。案例內(nèi)容涵蓋轉(zhuǎn)速控制器、電子控制器在最大狀態(tài)的工作原理及其協(xié)調(diào)工作過程。
需要指出,一般在正式上課前一周,教員把案例材料發(fā)給學(xué)員。讓學(xué)員閱讀案例庫材料,進(jìn)一步查閱指定的資料和讀物,自主學(xué)習(xí),搜集必要的信息,并積極地思索,初步形成關(guān)于案例中問題的原因分析和解決方案。教員在這個(gè)階段給學(xué)員列出一些思考題,讓學(xué)員有針對(duì)性地開展準(zhǔn)備工作。注意這個(gè)步驟是必不可少而且非常重要的,這個(gè)階段學(xué)員如果準(zhǔn)備工作沒有做充分的話,會(huì)影響到整個(gè)授課過程的效果。為此,課前自測(cè)是必要的,教員在課前通過線上投票、問答、討論等形式掌握學(xué)員對(duì)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的理解程度。
2 課中
問題探究引導(dǎo)。引導(dǎo)學(xué)員再次進(jìn)入情境案例,初步分析案例中控制系統(tǒng)在故障發(fā)生時(shí)的工作過程,在學(xué)生進(jìn)入案例情境后,教員在教學(xué)過程中,適時(shí)地拋出需要初步探究的問題,一方面引導(dǎo)學(xué)員思考,另一方面檢驗(yàn)學(xué)員的線上自學(xué)能力。在這一過程中,教員根據(jù)學(xué)員在線上的學(xué)習(xí)情況,結(jié)合數(shù)字化資源對(duì)一些重要的知識(shí)進(jìn)行細(xì)化講解。這個(gè)過程需要把握的重點(diǎn)主要有兩方面,一是引導(dǎo)學(xué)員進(jìn)入案例,開始進(jìn)入更深層次的思考,另一方面是對(duì)學(xué)員掌握不太好的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解,為后續(xù)故障原因研討做好準(zhǔn)備。一般來說,計(jì)劃的協(xié)調(diào)機(jī)制、結(jié)構(gòu)上的協(xié)調(diào)和工作原理的協(xié)調(diào)是重難點(diǎn)內(nèi)容。
故障原因討論。根據(jù)學(xué)員對(duì)知識(shí)的掌握情況,結(jié)合其個(gè)人意愿或興趣,將學(xué)員劃分為由3~6 人組成的幾個(gè)小組。小組成員分工要具體,要有團(tuán)隊(duì)考核,也要有個(gè)人考核,這樣他們?cè)跍?zhǔn)備和討論時(shí),表達(dá)不同意見的機(jī)會(huì)就多些,學(xué)員對(duì)案例的理解也就更深刻。各個(gè)學(xué)習(xí)小組的討論區(qū)域應(yīng)相對(duì)隔離。各個(gè)小組派出代表,發(fā)表本小組對(duì)于教員所分配內(nèi)容的分析和處理意見。發(fā)言時(shí)間一般應(yīng)該控制在5 分鐘以內(nèi),發(fā)言完畢之后發(fā)言人要接受其他小組成員的詢問并作出解釋,此時(shí)本小組的其他成員可以代替發(fā)言人回答問題。小組集中討論的這一過程為學(xué)員發(fā)揮的過程,此時(shí)教員充當(dāng)?shù)氖墙M織者和主持人的角色,需要充分調(diào)動(dòng)學(xué)員的積極性,提升全員參與性。此時(shí)的發(fā)言和討論是用來擴(kuò)展和深化學(xué)員對(duì)案例的理解程度的。然后教員可以設(shè)計(jì)提出幾個(gè)意見比較集中的問題和處理方式,組織各個(gè)小組對(duì)這些問題和處理方式進(jìn)行重點(diǎn)討論和探究。這樣做就將學(xué)員的注意力引導(dǎo)到方案的合理解決上來。
維護(hù)能力培塑。討論結(jié)束后,教員總結(jié)故障原因和排故措施,并將故障原因、排故措施與維護(hù)規(guī)程結(jié)合起來,強(qiáng)調(diào)維護(hù)要點(diǎn),培養(yǎng)學(xué)員的維護(hù)能力。在教學(xué)過程中,將案例與裝備技術(shù)發(fā)展、維護(hù)作風(fēng)塑造等思政元素結(jié)合起來,培塑學(xué)員勇攀高峰的創(chuàng)新精神和嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的維護(hù)作風(fēng)。
3 課后
在小組集中討論完成之后,教員在課后留出一定的時(shí)間讓學(xué)員自己進(jìn)行思考和總結(jié)。這種總結(jié)可以是故障規(guī)律和排故經(jīng)驗(yàn),也可以是獲取知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的方式。總結(jié)完成后需要以小組為單位提交課題總結(jié)報(bào)告,并計(jì)入平時(shí)成績。同時(shí),教員應(yīng)該在研討結(jié)束后,充分總結(jié)授課經(jīng)驗(yàn),進(jìn)一步對(duì)案例和教學(xué)過程進(jìn)行優(yōu)化,對(duì)研討問題進(jìn)行改進(jìn),以進(jìn)一步提升教學(xué)效果。
線上線下混合的案例探究式教學(xué)注重的是學(xué)員全方位能力的培養(yǎng),需要設(shè)定多元化的考核機(jī)制,可促進(jìn)學(xué)員線上自學(xué)能力、課堂表達(dá)能力、實(shí)踐能力和課程報(bào)告的撰寫與分析能力進(jìn)行全面提升。因此在教學(xué)過程中,課程組設(shè)定了多階段、多層次、多平臺(tái)的測(cè)試,及時(shí)反饋學(xué)情和調(diào)整授課重難點(diǎn)。通過線上線下預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí),單元、課中測(cè)試,增強(qiáng)學(xué)員學(xué)習(xí)積極性和成就感。綜合考慮學(xué)員的作業(yè)、答辯、研討和故障分析中的表現(xiàn),形成全時(shí)段、多任務(wù)、整課程的抗遺忘的強(qiáng)化考核和記憶模式。融考核評(píng)價(jià)于平時(shí)教學(xué)中,以達(dá)到簡潔高效和省時(shí)減負(fù)的目的。
通過對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制的案例探究式教學(xué)模式進(jìn)行探索,得到如下結(jié)論。
1)在案例探究過程中沒人告訴學(xué)員應(yīng)該怎么辦,而是學(xué)員自己去思考、去探究、去創(chuàng)造,使得枯燥乏味的課堂教學(xué)變得生動(dòng)活潑。
2)在每位學(xué)員就自己和他人的方案發(fā)表見解時(shí),就是一種經(jīng)驗(yàn)的交流、思想的碰撞。案例探究式教學(xué)法促進(jìn)了注重知識(shí)向注重能力的轉(zhuǎn)變,促進(jìn)了被動(dòng)學(xué)習(xí)向主動(dòng)學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變。
3)案例探究式教學(xué),核心是案例庫的建設(shè)、學(xué)員的深度參與和知識(shí)的自我建構(gòu),案例庫的建設(shè)必須充分,需具有情境性強(qiáng)、知識(shí)結(jié)構(gòu)完整、契合課程內(nèi)容和教學(xué)主線等特點(diǎn)。
4)案例探究式教學(xué),雖然強(qiáng)調(diào)學(xué)員的自主知識(shí)建構(gòu),但是教員需要有效把握新舊知識(shí)的教學(xué)比例和教學(xué)進(jìn)度,使得教學(xué)過程能有序進(jìn)行,同時(shí)教學(xué)需要不斷提升自身綜合能力,從課堂把控,案例建設(shè),故障分析經(jīng)驗(yàn),課堂組織等方面不斷提升、不斷改善教學(xué)效果。