问题式学习法(PBL)在卓越工程师中的教学应用探索

第38卷　第3期大庆师范学院学报Vol.38　No.3 2018年5月JOURNAL OF DAQING NORMAL UNIVERSITY May,2018
DOI10.13356/ki.jdnu.2095-0063.2018.03.031
问题式学习法(PBL)在卓越工程师中的教学应用探索
冯子明,姜民政,任永良,崔　巍
(东北石油大学机械科学与工程学院,黑龙江大庆163318)
摘　要:为了提高我校卓越工程师班级学生的自主学习能力和创新能力,将PBL教学法引入到过程装备与动力工程专业教学环节中㊂首先概述了PBL在国内外的应用现状以及PBL教学法概念和执行流程,然后以卓越工程师计划中过程装备与控制工程专业为例,运用PBL教学法,推进卓越工程师计划㊂在石化公司帮助下,完成了多种类型的压力容器创新设计㊂应用PBL教学法情况下,PBL团队获得了更高分数和更高评价㊂
关键词:PBL;创新能力;卓越工程师;终身学习
作者简介:冯子明(1973-),男,黑龙江宁安人,副教授,博士,从事采油机械节能技术与高等工程教育研究㊂
基金项目:黑龙江省学位与研究生教育教学改革研究重点项目(JGXM_HLJ_2016043㊁SJGY20170048)㊂
中图分类号:G642　文献标识码:A　文章编号:2095-0063(2018)03-0121-04　收稿日期:2018-01-12
0　引　言
我国是在2010年6月启动的 卓越工程师教育培养计划”(简称卓越计划),东北石油大学于2011年加入卓越工程师人才培养计划项目,经过两年教学改革与实践,取得良好效果㊂PBL(Problem Based Learning)教学法在国际上获得了认可,为培养创新型人才提供了可行的培养模式㊂PBL教学法在工程学科中应用越来越多,但是PBL教学法目前在工程学科中应用还是处于初级阶段,其应用机制㊁层次及理论都处于待开发状态㊂因此笔者将PBL教学法融合到卓越工程师教育培养中,进行方法及内容创新,并加强提升卓越工程师创新创业能力,进一步完善了东北石油大学工程类专业卓越工程师人才培养体系,对其他院校的现代工程类专业教育起到指导作用㊂
1969年,PBL教学法出现在McMaster大学,应用于医学㊁哲学及心理学等教育教学㊂迄今为止,PBL 教学法广泛应用于经济㊁商业㊁工程㊁科学㊁法律㊁心理学和哲学等多个教育领域㊂国内PBL教学法起步较晚,最先应用于医学课程教育中,随后延伸到工科教育领域㊂2001年,王清㊁肖烈虹等对PBL教学法在计算机基础教学中进行了应用探索[1]㊂2011年,赵华将PBL教学模式引入到测试技术课程中[2]㊂2012年杨晓占认为物理专业引入PBL教学方法应该注意层次性及选择性[3]㊂随着PBL教学法效果被认可,PBL 在工程科技和基础学科领域应用越来越多,尤其是近三年工科大学课程PBL教学法渐渐被推广㊂但是, PBL在工程领域应用范围㊁深度和广度都还不够㊂因此,笔者对PBL教学法进行了深入研究,构建PBL教学模式评估体系和实施方法,解决了PBL应用阶段出现的难题㊂
1　PBL研究方法
Bound和Feletti[4]将PBL描述为 一种面对学生提出的问题,并以此激励学生在解决问题过程中学习相关课程的方法”㊂PBL特点是学习者关注解决问题而自主发起学习㊂
实际问题提供了初步推动力,促使学生用批判性思维去探索问题解决方法㊂通过小组工作,学生收集有关问题信息,并相互分享实验,发起协作流程来识别个人信息和学习知识㊂PBL教学法执行流程如下[5]:121
步骤1:指导老师提出问题,并阐释清楚背景和相关课程㊂
步骤2:学生讨论分析问题,确定关键任务㊂
步骤3:收集所有可能的问题解决方案并确定优先顺序㊂
步骤4:删除所有不相关的信息,记录所有可能的解决方案㊂
步骤5:团队讨论选择合理的解决方案,并依靠自身知识规划详细过程㊂
步骤6:学生们从书籍,期刊和网站上获取有关问题的相关信息和知识㊂
步骤7:在团队中进行综合㊁辩论和讨论所收获相关知识,商讨后重新启动步骤2㊂步骤8:学生梳理总结所有相关课程研究成果和学习效果㊂
步骤9:学生应将学习结果和研究结论呈报给指导老师,以评估和标记本次PBL学习效果
㊂
图1　BPL教学流程
卓越工程师计划是使用PBL教学法针对过程装备与控制工程专业学生进行教育教学,学生在PBL教学法熏陶下学习了许多课程(如机械原理㊁机械制图㊁流体动力学㊁弹性和塑性力学㊁化工机械设计等)㊂
PBL教学法是适合工程专业特点的教育教学方法㊂许多教育工作者都强调理论课程与实践相结合,但是许多研究文献都表明很多学生没有获得很好逻辑思维能力培养㊂实际上,本科生也必须要具有逻辑思维能力,才能解决现实生活中的问题㊂
2　PBL应用
卓越工程师计划目标是通过PBL教学方法来完成所有相关专业课程教学实践工作㊂辅导员按照教学大纲提供了一些可选择设计主题(如压力容器设计㊁热交换器设计㊁流体机械设计等)㊂高年级过程装备与控制工程专业班级约有30名学生,分成六个小组,每组五名学生㊂每个小组都将由一名教师指导,每个小组选择一个设计主题,最后要求绘制一套装配图和所有相关零件图,并完成了包括几何结构设计过程和CFD辅助模拟等单元论文㊂
2.1　设计内容
(1)换热器总体㊁壳体㊁管程及相关焊接连接件等结构设计㊂
(2)零部件设计㊁强度计算及校核㊂
(3)详细绘制换热器总装配图及相关零部件图㊂
(4)进行换热器管程和壳程流体动力学CFD计算㊂
(5)写出各构件与零件的设计计算书(WPS排版),答辩提纲一份㊂
(6)要求同学从设计计算到结构设计都应符合相应的规章规范,准确无误㊂
(7)在PBL学习过程中,要求所有学生将压力容器设计课程㊁CAD图纸㊁弹塑性力学㊁流体动力学和有限元等课程融会贯通到设计过程中,提高学生解决问题的能力㊂
2.2　评价标准
表1　评价标准
评审项目评价标准分数占比实际分数文献综述要求说明当前的研究现状和研究方法5%
解决问题能力设计解决问题路径㊁数据采集与分析㊁知识总结㊁计算机应用㊁信息调查㊁经济性评估
等实际问题的解决能力㊂10%
设计质量内容符合撰写要求规范,图纸标准整洁㊂
理论与分析正确㊁论述条理清晰㊁文理通顺㊁数据详实㊁结论严谨㊂
摘要及结论能确切地体现主要内容及成果㊂
有实用价值的创新点㊂
5%
10%
10%
10%
221
表1(续)
评审项目评价标准分数占比实际分数
答辩报告提纲整洁清楚㊁时间安排得当㊁技术用语准确㊁概念正确
方案设计合理㊁计算分析正确㊁论据充分,成果有应用价值及指导意义㊂
10%
15%
回答问题能准确回答问题㊁条理清楚㊁有理有据㊂25%总分
成绩及评语成绩=指导教师评分×30%+评阅教师评分×30%+答辩总分×40%
评语:指出设计是否完成目标,设计过程与所学课程的结合程度,目前还存在那些问题需要提高㊂
2.3　应用实例分析
经过15个星期设计,所有设计小组都提供相关的图纸和论文,选择A小组的成果来分析学习效果,任务来自石化公司,要求设计一套130万吨汽油脱硫设备所用的换热器,表2给出了换热器的基本设计参数㊂
表2　设计参数
项目壳程管程壳程数目1
设计压力 2.28/-0.1MPa 2.85/-0.1MPa管程数目2
设计温度225/20℃450/20℃管壳间连接类型强度焊+强度胀
工作压力0.85MPa 1.9MPa风压550N/m2工作温度(进口/出口)195/205℃430/210℃换热面积426.7m2流程介质HC HC+H2+H2S设计年限15年
腐蚀裕度3mm0mm容器类型Ⅱ-型
　图2　换热器的设计过程 图3　CFD模拟过程
A小组成员查阅了相关换热器研究文献,经过讨论,决定按照图2和图3设计流程,进行换热器结构设计和CFD流动仿真计算㊂经过三个月学习和设计,小组设计了一个新的换热器,如图4所示,进行了壳程内介质流动过程的CFD模拟如图6-图8所示㊂该换热器结构功能完全达到了石化公司要求㊂
图4　换热器总装图
图5　壳体几何模型 图6　壳程内极限流线
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图7　速度矢量图 图8　壳体表明总压分布
图5-图8表示壳程内的流程介质的三维流动(用CFX软件模拟)㊂在流体动力学课程中有三个重要概念(速度矢量场㊁极限流线和压力分布场),大多数学生很难区分这三个概念,现在使用CFD技术可以清楚地区分开㊂通过CFD仿真求解过程,可以同时形成速度场和速度矢量概念㊂图6生动地描绘了速度轨迹是粒子运动过程中运动曲线,图7描绘了壳程内部速度矢量分布,清楚地表明了壳程内部所有位置处速度方向和大小㊂图8描述了壳程表面总压力变化规律,表明了从入口到出口流动能量变化规律,因此学生们很容易理解壳程中流体流动过程和热能交换规律㊂
2.4　应用效果
经过PBL教学法实践,小组成员中已经取得了12项中国专利,部分PBL小组学生参加了中国高校大学生过程装备设计大赛,获得多项一等奖和二等奖㊂PBL教学法在卓越工程师班级应用效果显著,将PBL 教学法融合在高校工程教育中,将会改善卓越工程师计划的培养体系,易于实现卓越工程师培养目标㊂3　结　论
PBL教学法可以有效地推进卓越工程师计划,显著提升学生发现问题和解决问题能力㊂PBL教学法可以培养学生创新能力及学习能力㊂PBL教学法可以将理论课程与实践问题联系起来,加强学生对机械设计㊁流体动力学及弹性力学等课程理解㊂经过PBL教学法教育培养后,这些高年级学生与传统教育方法下学生相比,能够获得更高分数和更多良好评价㊂笔者将PBL教学法引入到卓越工程师计划中,完善了卓越工程师培养体系,同时也为其他工科院校培养优秀工科生提供了有效指导㊂
[参考文献]
[1]王清,肖烈虹,莫小红,等. PBL教学法”在计算机基础教学中的应用[J].第一军医大学分校学报,2001,24(2):107-108.
[2]赵华,吕德永. 基于问题”的测试技术课程教学方法探索与实践[J].高教论坛,2011(3):82-84.
[3]杨晓占,冯文林,李锐锋.PBL教学法在物理专业教学中合理应用的探索[J].中国科技信息,2012(2):123-124.
[4]BOUD D,FELETTI G.Part1:what is problem-based learning?[M].The Challenge of Problem-Based Learning,Kogan Page,London,1997: 15–16.
[5]RILRY J,MATHESON R.Enhancing students’creativity through problem-based learning:a challenge for curriculum design[C].International Conference on Problem-Based Learning,Lahti,Finland,2005.
[责任编辑:崔海瑛] 421。