PBL教学模式在机械设计基础课程中的应用

贾艳辉　寇尊权　罗彦茹　刘国君

摘要：本文首次将PBL教学模式引入机械设计基础课程教学中，构建了具体的PBL教学方案，并进一步明确了方案实施中的核心问题。在方案应用过程中，从前期准备、课堂教学安排、教师与学生的关系及评价方法等方面进行了具体介绍。最后，对目前PBL教学推进中存在的问题进行分析，目的在于促进机械设计课程教学改革的深入发展。

关键词：PBL教学法；机械设计；教学模式

doi：10.16083/j.cnki.1671-1580.2018.10.020

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1671—1580（2018）10—0083—04

根据教育部高教司关于开展新工科研究与实践的通知，“高等工程教育在我国高等教育中占有重要的地位。深化工程教育改革、建设工程教育强国，对服务和支撑我国经济转型升级意义重大”，“当前国家推动创新驱动发展，对工程技术人才提出了更高要求，迫切需要加快工程教育改革创新”。由此可以看出，培养适合当前国家重大战略的工程技术人才，是高等工科院校的首要任务。随着新技术、新业态、新模式、新产业的发展，如何解决传统的知识体系适应新经济发展的需求，如何更好地培养复合型、创新型人才是教学改革的面临首要任务。

机械设计基础课程是机械及近机械专业的学科基础课，在培养学生的工程意识教育中起着承上启下的作用，是学生构建工程知识背景，培养工程设计思维和能力的重要环节。而在理论学习的基础上，实践教学的训练尤为重要，它是学生在校期间首次独立完成的整机设计，是一次利用所学基础知识解决实际工程问题的全面训练。在我校的教学计划安排中由于学生多、课业重，无法将理论课程与实践环节贯通，有的专业理论和实践环节相隔了一年的时间，实践效果很不理想。因此，我们引入了PBL教学模式，力图改变传统的、独立的课程设计训练方式，将理论课程与实践环节有机结合，让学生以问题为切入点，激发学生主动探索知识的积极性，在教师有目的的引导下由浅入深利用所学知识解决实际工程问题，以达到提高学生自主学习、实践创新能力的目的。

一、PBL概述

PBL（Problem-Based Learning）即问题式学习，是一种以真实情景中的需要为基础的、以学生为中心的自我引导式教学方法。PBL是1969年由美国神经病学教授Barrows在加拿大的麦克马斯特大学首创，开始主要是在医学院校中推行，在美国先后有100余所医学院校全部或部分学科采用PBL教学模式培养医学人才。20世纪90年代初引入我国，经过40多年的发展，PBL教学在医学人才培养中的深入以及取得的成效，也促进了PBL在其他领域的人才培养中的应用，如教育学、工程学、建筑学、管理学等。

PBL教学模式的基本特点有以下几方面。

以问题为切入点，以解决问题为目的。在理解和解释问题的过程中，学生从逐步整理已有的知识点，寻找新的知识点，到最终形成完整的知识体系，就是PBL教学模式一直强调的理论构建过程。

以学生为中心，教师为辅导，以小组交流、讨论、协助的形式完成任务。强调学习者在知识构建过程中的主体地位，注重對学生自主学习能力和习惯的培养。

注重评价和反馈过程。多元化评价方法和多通道的信息反馈过程，是教师判别学生是否真正达到学习目的的手段，也是学生强化知识体系、发现不足之处、相互取长补短的重要环节。另外，学生在当前特定问题中所取得的成功经验，能够直接或间接地促进后续相关研究的学习成效。

二、PBL在机械设计基础教学中的模式设计

（一）PBL教学与机械设计课程结合的必要性分析

PBL的教学模式的具体步骤如1所示，从问题识别开始到解决问题的过程中，学生需经过判别思考、梳理已有知识、学习新知识、小组讨论、查找资料、方案制定、修改、答辩各个环节。将这种学习模式应用于机械设计课程的学习中优势在于以下几点。

1.在整个过程中以学生自主学习为主，避免了传统填鸭式教学的被动局面。通过小组讨论、互相切磋的过程，可以充分调动学生的积极性，激发学习潜能，变被动学习为主动学习。机械设计是理论与实践结合非常紧密的课程，如果学生没有求知欲望，是很难做到学以致用的，也就无法达到教学的基本目标。

2.解决了传统课程设置中理论与实践课程脱节的问题。学生以问题为出发点，在解决问题的过程中，学习了机械设计的主要知识点，并将其应用于方案设计中，在反复的修改、优化过程中做到理论与实践的结合。

3.PBL教学与工程专业认证标准中对学生的毕业要求指标高度契合。工程专业认证标准中，对机械类专业的学生毕业要求有12条，其中对问题分析和终身学习能力提出了明确要求（如图1），经过PBL过程训练，学生的自主学习习惯养成和分析问题能力都会得到有效提高。

（二）机械设计课程的PBL教学方案设计

根据PBL的核心要素，结合“机械设计基础”课程的特点及现阶段学校教学的基本设施，提出了基于PBL的机械设计基础教学实施方案，如图2所示。该方案以问题为出发点，将机械设计的基本知识内容划分为初级、中级、高级三个层次，由浅入深、环环相扣，由理论到实践的原则设置问题，较好地解决了机械设计课程知识点零散，连贯性差，理论和实践脱节的问题。

（三）PBL方案实施中需要解决的关键问题

1.教学内容重组与问题设定

按PBL设计的机械设计基础课程教学方案，需打破原有教材的各章节，将其主要内容进行重新组合，重组的原则是以该课程需掌握的各个核心技术能力为目标，确定达到该目标的考查项目，即形成图2所示的中级问题。在现阶段的教学设计中我们将机械设计基础课程的核心技能划分为四个部分：机构学认知、标准件应用、典型传动件设计和轴系部件的设计。每个部分设计若干问题，学生以小组为单位自行选择题目，根据中级问题梳理其相关的知识点，提出初级问题。初级问题一般由教师给定，本着由简单到复杂的原则，引导学生自主学习，并能够在预习和查资料过程中发现和提出新问题；在中级问题完成时，学生已经掌握了该课程的主要知识点，形成以问题为中心的知识体系，顺理成章地可以进入到高级问题的解答，高级问题的设定是教师根据学生应达到的培养目标，与学生讨论共同制定的。问题应为符合实际工况的综合性的整机设计，可以是学生感兴趣的创新设计，也可以与指导教师科研项目相关的现实问题，选题应以学生的意愿为主，教师主要把握题目的难易程度及是否与教学目标相符。

2.开发网络资源

为保证学生自主学习的有效性，提高学习效率，基于吉林大学校内教改项目课题组研究开发了两个机械设计系列课程的网络支持系统。

（1）机械设计课程实践平台

该平台是以拓展学生知识面和工程背景为核心，以提高大学生机械创新设计能力为目标，以计算机网络为载体，集知识性、趣味性于一体的综合性、创新性实践平台。具体内容包括：1）建立了创新实践平台基本框架，开发创新设计指导模块，其中包括创造性思维、创造原理、常用创新技法、机械原理方案的创新设计、机构方案的创新设计、反求设计等内容。2）开发工程背景知识模块，根据多年指导课程设计、创新设计的经验，按典型零件结构、機械工作原理、零件加工方法进行分类，以视频和图片的形式提交到平台中。

（2）机械设计系列课程网络自主研究性学习平台

该平台是以学生在网络环境下自主学习、基于问题的研究性学习目标，并能够适应学习者网络化、个性化、多样化学习需求的教学辅助平台。该平台具有师生互动、学习者之间的提问交流、检验学习效果、提交作业、报告等功能，不但能为学生自主获取知识提供有效帮助，还可以及时监测学生的学习状况，调整学习计划。

三、教学实施过程

（一）课前准备

开课之前，教师通过网络平台介绍本课程的基本要求、学习方式、分组形式、考核标准及必备的教材和参考书，选课的学生通过点名的方式回复，确认已对上述内容清楚了解。确认之后，学生可以看到PBL学习框图及相应的任务要求，初步了解课程的设置形式，教学的基本目标，并首次接受教师布置的初级问题，这些问题需要在上课之前完成。学生可以通过教材、参考书、和网络资源寻找问题的答案，每一级别的问题难易程度亦是由浅入深设置，学生经过自主探究后还不能完全理解的共性的问题，也正是教师要在课堂上组织讨论、讲解的重点和难点问题，让学生带着问题进入课堂学习，会达到事半功倍的学习效果。

（二）PBL中的教师和学生

从前面的分析可知，PBL教学以学生自主学习为中心，教师的作用是引导、启发和督促，激发学生发现问题的意识和解决问题的能力。随着知识的积累，学生自主学习的时间会逐渐增多，大量的时间会用在查资料、小组讨论、师生交流、撰写报告上。习惯了传统教学方式的学生，刚开始一段时间很不适应PBL中小组讨论和交流，经常出现冷场的现象。原因一是学生准备不足，没有自己的观点；二是不会表达或不敢表达自己的想法。这个时期教师需要经常参与学生的讨论，发现问题所在，及时调整分工、鼓励每一个学生表达自己的观点，使学生真正感受到解决问题后的成就感。学生会从小组协作中锻炼自己合作能力，增强团队意识，发现自己的潜质和特长。学生接受这种学习模式后，教师只需定期检查学生项目进展情况、查看讨论记录即可，将学习的主动权交给学生，让学生能在解决问题的过程中，不断发现新问题，学习新知识，在多次交流、反思过程中构建完整的知识框架。

（三）课堂教学环节

目前运行的PBL下的课堂环节，主要有共性问题讲解、师生交流、初级问题测验和中级问题小组汇报等环节。各个环节是交叉进行的，即在前一个核心技能进入中期问题阶段时，后一个核心技能的初级问题已经开始，这样螺旋式的进阶方式有助于学生捕捉知识点的连贯性，形成完整的设计思维。

对于共性的、理论性强的知识点讲解，也是以先讨论后总结式讲解的方式进行，由于学生个体差异较大，教师会根据学生掌握的情况，进行单独答疑辅导。中级、高级问题汇报一般在方案设计基本完成的时间点进行，以小组为单位制作PPT介绍项目总体思路，设计方案和目前存在的问题等，各组之间互相提问、点评。通过学生的讲解和讨论，教师可以及时掌握项目进展状况、方案的合理性、小组成员的参与情况以及是否达到预期的项目设置要求，根据各组情况给出建议和意见，以便学生进行后续工作。

（四）多元评价与反馈

按我校现行的教学大纲要求，机械设计基础课程包含理论和实践两部分，都有各自的学分。虽然在执行PBL教学时将理论与实践课程（即图2中的高级问题）贯通，但在评价时必须给定两个分数。理论课的评价采用过程评价结合期末成绩的方式进行，过程评价包括：平时测验、大作业、课堂表现、小组讨论参与度等方面组成，通过折算与期末成绩相加得到学生最终的理论课成绩。实践课成绩采用如表1所示的评价方式，每个学生的最终成绩由三部分组成：小组内成绩是小组成员（包括本人）打分后求平均值；小组外成绩是其他小组对该组打分后求平均值；教师则需要给每个学生打分，三项加权求和后得到学生的最终成绩。让学生参与自评与互评过程，既是对学习过程的回顾与反思，也是对个人和小组学习能力的促进和加强。

四、总结

以“问题”为切入点，以学生自主探究为主的PBL教学模式是对传统教学课堂授课教学方法的变革。PBL教学突出了工程素质的培养，注重学生的结构性知识构建、有效思维过程和自主学习能力的强化。从试点班级的实践结果来看，学生的实践能力和自学能力得到明显提高。但是，在实践过程中笔者也发现影响PBL教学进一步发展的几个问题：1）学生课业重，没有充足的自主学习时间；2）师生比严重不足，PBL教学要求以小组的形式讨论、交流，要求每一组至少有一名指导教师，教师要付出比传统课程更多的时间和精力；3）教学资源问题，实验设备、学生的学习空间都严重不足；4）对教学设计者的能力培养问题，PBL教学还缺乏完整的设计。为PBL教学能有更高、更广的发展空间，让更多的学生受益，专业培养计划的设计者应将其作为课程体系建设的一部分通盘考虑。