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摘要:针对工科专业课教学特点,研究了在工科教学中实施案例教学法的核心要素和面临的难题,提出了解决的思路和具体办法,并在电气工程及其自动化专业的教学中进行了案例教学的实践,取得了良好效果。
关键词:案例教学法;微机继电保护;教学改革
作者简介:郝一川(1962-),男,山西太原人,山西大学工程学院电力工程系,讲师,工学硕士,主要研究方向:电力系统及其自动化;苏小林(1963-),男,四川乐山人, 山西大学工程学院电力工程系,教授,工学博士,主要研究方向:电力系统及其自动化。(山西 太原 030013)
基金项目:本文系2009年山西大学工程学院教学改革与研究项目的研究成果。
大学工科教育属于高等工程教育,它以培养工程师为主要目标。工程师面对的工程问题通常都具有高度的综合性,涉及多个学科知识。要成为适应未来社会需求的合格工程师,不仅要掌握必要的专业知识,还需要具备综合应用专业知识来处理工程问题的能力,需要积累一定的工作经验。然而,传统的工科专业课程教学侧重于讲解基本概念、基本原理,提供在该学科领域认识事物和解决问题的一般原则与通用方法,在学生对工程背景缺乏了解的情况下,其结果是学生虽掌握了单科知识,但却不能进行综合应用。
加强工程实践环节的关键在于给学生创造联系实际、亲自动手的机会,以提高学生综合应用知识能力,引入案例教学法是一条有效的途径。[1]然而,工科专业课教学有其特点,当引入案例教学法时,需要针对各专业学科的特点,做出必要调整。本文研究了实施案例教学所面临的难题,提出了对实际生产设备或系统采用集成定义(IDEFO)法[2]进行“功能建模”、由浅入深“分段研究”、讨论交流过程中“看图说话”、资料素材缺失时进行“功能填空”等办法,在电气工程及其自动化专业的教学中成功引入案例教学法,取得了良好效果。
一、案例教学法在工科教学中需要把握的核心要素和面临的难题
案例教学法是教师组织学生通过对案例的调查、阅读、思考、分析、讨论和交流等活动,提高学生分析问题和解决问题能力的一种教学方法。案例教学法以研究“问题”为中心,引导学生针对某一具体问题及其背景,学习、研究如何综合地运用多学科的知识和经验去分析和解决问题。同样的问题由于关注的侧重不同,可能有完全不同的合理解决方案,因此答案也可以多种多样。案例教学法考察的重点不在于是否能给出标准答案,而在于探寻正确结论的思考模式和思考过程,其宗旨是搭建起理论与实践的桥梁。
工程实践面临的实际问题均为涉及多学科知识的综合性问题,选择案例时总会涉及超出学生知识范围的内容。工科专业课所学内容多为结论明确的内容,组织学生讨论时鲜有观点争论。因此,照搬套用“案例教学法”的常规做法并不适合,需要针对各专业学科的特点,做出必要的调整,而调整的原则是在保持“案例教学法”的核心要素不变的前提下,引入适合本专业特点的技术性手段,达到提高学生能力的目的。
1.在工科教学中实施案例教学需要把握的核心要素
(1)提供事实素材,建立实际情境。案例的选择应该尽可能以真实或近乎真实的场景给学生提供真实的工作感受。
(2)提出实际问题,引导思考交流。以明确的目标来驱动学生开展学习、思考和交流,以适当的措施引导学生逐步增加学习、思考和交流的深度和广度。
(3)激发学生潜能,体验成功过程。在教师引导或辅助下,完整地经历对实际工作问题的了解、研究和解决的过程,从中体验所学过的各门课程中的知识的价值和作用,形成成功经验。
2.在引入案例教学法的实践中,面临的难题
(1)许多生产单位基于保密和市场竞争的考虑,不愿意提供相关案例的完整的具体资料,提供给学生的案例资料不能覆盖所要讨论的问题范围,导致部分技术内容缺失“开天窗”。
(2)工程项目中的许多具体技术问题,不仅牵扯到许多其他专业的知识,有些还牵扯到管理体制、法律法规的要求,学生对其中有些内容无法看懂,难以自学。
(3)目前我国大学工科教育的对象,都是从未离开校门的没有工业生产运行经验的学生。十多年应试教育的“磨练”,习惯于从课本中提取“标准答案”,面对案例提供的大量的技术资料,多数学生茫茫然没有思路、不知如何下手。
(4)我国工科学生的语言表达能力、深度沟通能力不足。同时由于对专业方面的问题掌握的知识不足,缺乏个人观点和见解,导致难于营造现场辩论的环境气氛。
二、开展案例教学所采用的具体办法
针对在工科专业教学活动中引入案例教学法时面临的难题,经过两年多的摸索,我们总结出了五条具体办法,实践证明行之有效。
1.真枪实弹
结合实验室建设,购进现役运行设备。笔者所在院校(以下简称“我校”)利用中央财政支持资金购进“PRC02-30微机线路保护屏”,通过对相关资料进行搜集、整理,形成教学案例的基本材料(包括设备技术说明书、设计图纸、使用手册等)。搜集同类型设备在电力生产运行单位的实际工作环境资料,设计典型应用场景,作为教学案例的辅助材料,通过分析案例材料,拟定适当的题目,供学生分析研讨,从而为学生建立了一个类似于实际工作环境的案例学习研究环境。
2.分段研究
案例教学法虽然要求以学生为主体,要求学生通过自主地阅读、思考案例,自主地讨论、交流、研究案例,从而获得认识、分析、解决问题的思路、方法与能力,教师在其中仅起组织和引导作用。但考虑到学生的特点和实际认知水平,我们对整个案例任务按照由浅入深的次序进行预先分段,整个案例教学分段进行。对学生不了解的内容,以教师讲解为主,弥补学生相关知识的不足。对学生学过的内容,则以学生自学分析讨论为主,要求学生通过学习研讨,能举一反三,逐步了解设备在系统中的应用知识,掌握分析、解决工程问题的方法。通过教师讲解与学生自学讨论相结合,让学生逐步消化案例所反映的特定工程背景和有关技术内容。
3.功能建模
强调首先让学生了解总的任务目标、功能要求和解决方案等总体信息,通过引入信息工程中进行结构化系统分析的集成定义IDEF0法,引导学生从功能分解、输入输出、约束控制因素、实现机制等多方面有序地思考和分析案例资料,要求学生将所学过的基本概念、基础理论知识和分析方法,与教学案例中的实际应用联系起来进行思考、分析和研究。逐层分解、逐渐深化、逐个研究、逐步细化,直到具体的硬件电路、软件算法和流程。使学生的学习目标明确、思考过程有序、分析方法有据、研讨成果可见,减小讨论过程中的随意性,避免讨论的话题浮于表层。
4.功能填空
对于案例的技术资料中,部分技术内容缺失的情况,采用功能描述的方式以框图替代,以便学生理解整个案例。如果缺失的部分属于学生在课程里学过的内容,则要求学生提出“替代性”设计方案,从而,将案例教学与创新设计相结合。
5.看图说话
强调学生在分析思考后形成的认识,须以概念模型、功能模型、硬件框图、电路接线图、软件流程图、功能逻辑图等工科学生应掌握的“工程语言”来表达,即用图示的方法先画出来,然后在现场讲解、讨论和辩论过程中,“看图说话”、“改图辩论”。
采用先画图,再讲图的方法,以看图说话的形式开展讨论,既形象易懂又严谨准确。看图说话既能弥补我国工科学生的语言表达能力不足的缺陷,避免词不达意导致的误解和混乱,又便于学生就具体问题表达见解,形成讨论和辩论的气氛。通过逐层讲解和讨论,有引导地将案例的讨论引向深入,从而使学生由表及里、由浅入深、由概况到细节,逐步加深对所研究案例的认识。既提高了交流的效率,也减少了讨论过程中的随意性。
三、在“电气工程及其自动化”专业中的实践和效果
“微机继电保护”是“电气工程及其自动化”专业的一门专业课,而在电力生产运行单位中,继电保护专业的实际工作涉及“继电保护”、“二次接线”、“电气设备”、“电力系统”等不同专业课提供的知识,而阅读理解现役设备技术资料、掌握系统构成和作用是进行调试、校验和故障查找的基础。因此,我们选择“PRC02-30继电保护屏”作为案例的主要的研究讨论对象,以“PRC02-30继电保护屏的硬件构成分析及应用设计”作为案例任务目标,分6个步骤进行案例教学的实践。
第1步:教师介绍本案例的任务书内容,并提供案例材料(图纸、相关设备技术说明书、典型解决方案、虚拟应用场景等),由学生分别熟悉资料,了解本案例方案及设计要点,并对方案进行评价。
第2步:学生按照集成定义(IDEF0)功能建模方法,根据所学的继电保护原理和实际案例的总体解决方案,建立微机线路保护的IDEF0功能模型A0图,使学生对保护功能的分解与保护屏的构成建立对应关系。
第3步:在对保护屏的功能和构成有一定认识的基础上,指导学生详细阅读研究本案例相关装置的技术说明书,了解各装置的功能特点和硬件构成,要求学生对微机线路保护的IDEF0功能模型的A0图进一步分解,画出功能模型的A1、A2、A3…图,然后教师组织学生进行讨论:“如果设备软硬件的总体设计中实现机制改变,功能模型的功能分解该如何变化?”
第4步:指导学生对照实际设备详细阅读二次接线图纸,结合IDEF0功能模型中的输入输出,研究数据的采集、变换和处理过程,画出模拟量输入回路电路图、开关量输入回路电路图、保护/断路器跳合闸输出回路电路图以及光纤收发信回路图。对于在图纸和技术说明书中没有说明的部分电路,鼓励学生进行“功能填空”,即由学生根据“电子技术基础”、“微机原理”等课程中学过的知识,提出自己的电路设计方案来实现案例中的所需功能,并对设计的电路进行比较和讨论。
第5步:教师介绍保护屏验收、调试和校验的项目、常见的问题及解决思路,演示保护装置的保护定值的设置方法,讲解利用“继电保护测试仪”对保护功能进行校验的注意事项。学生根据虚拟应用场景的运行要求,选择配置保护功能、计算保护定值,设计保护功能校验试验电路图,最后,利用“继电保护测试仪”对保护功能进行校验,使学生掌握设备调试、校验的基本方法和技能。
第6步:讨论本案例学习过程中的心路历程和心得体会,总结出分析研究设备技术资料的方法和步骤,撰写本案例研究的相关论文。
在我校电气工程及其自动化专业以“PRC02-30继电保护屏的硬件构成分析及应用设计”作为案例任务进行的两轮次案例教学,均取得了较好的效果。
四、结论
在工科教学中引入“案例教学法”时,需要在把握核心要素的前提下,做出必要的调整。通过教师讲解与学生研究讨论相结合,采用教师指导下的由浅入深“分段研究”,对实际生产设备或系统采用集成定义(IDEFO)法进行“功能建模”、在讨论交流过程中“看图说话”、资料素材缺失时进行“功能填空”等办法,使学生真正理解并消化吸收案例教学所反映的有关技术内容,提高了学生应对实际工作问题的能力,取得了良好效果。为此,我们认为案例教学法有必要在工科专业课程教学中推广使用。
参考文献:
[1]谢志江,等.案例教学法在工科教学中的应用[J].高等工程教育研究,2003,(5).
[2]Federal Information Processing Standards Publication 183:INTEGRATION DEFINITION FOR FUNCTION MODELING (IDEF0)[M].1993.
(责任编辑:赵赟)
关键词:案例教学法;微机继电保护;教学改革
作者简介:郝一川(1962-),男,山西太原人,山西大学工程学院电力工程系,讲师,工学硕士,主要研究方向:电力系统及其自动化;苏小林(1963-),男,四川乐山人, 山西大学工程学院电力工程系,教授,工学博士,主要研究方向:电力系统及其自动化。(山西 太原 030013)
基金项目:本文系2009年山西大学工程学院教学改革与研究项目的研究成果。
大学工科教育属于高等工程教育,它以培养工程师为主要目标。工程师面对的工程问题通常都具有高度的综合性,涉及多个学科知识。要成为适应未来社会需求的合格工程师,不仅要掌握必要的专业知识,还需要具备综合应用专业知识来处理工程问题的能力,需要积累一定的工作经验。然而,传统的工科专业课程教学侧重于讲解基本概念、基本原理,提供在该学科领域认识事物和解决问题的一般原则与通用方法,在学生对工程背景缺乏了解的情况下,其结果是学生虽掌握了单科知识,但却不能进行综合应用。
加强工程实践环节的关键在于给学生创造联系实际、亲自动手的机会,以提高学生综合应用知识能力,引入案例教学法是一条有效的途径。[1]然而,工科专业课教学有其特点,当引入案例教学法时,需要针对各专业学科的特点,做出必要调整。本文研究了实施案例教学所面临的难题,提出了对实际生产设备或系统采用集成定义(IDEFO)法[2]进行“功能建模”、由浅入深“分段研究”、讨论交流过程中“看图说话”、资料素材缺失时进行“功能填空”等办法,在电气工程及其自动化专业的教学中成功引入案例教学法,取得了良好效果。
一、案例教学法在工科教学中需要把握的核心要素和面临的难题
案例教学法是教师组织学生通过对案例的调查、阅读、思考、分析、讨论和交流等活动,提高学生分析问题和解决问题能力的一种教学方法。案例教学法以研究“问题”为中心,引导学生针对某一具体问题及其背景,学习、研究如何综合地运用多学科的知识和经验去分析和解决问题。同样的问题由于关注的侧重不同,可能有完全不同的合理解决方案,因此答案也可以多种多样。案例教学法考察的重点不在于是否能给出标准答案,而在于探寻正确结论的思考模式和思考过程,其宗旨是搭建起理论与实践的桥梁。
工程实践面临的实际问题均为涉及多学科知识的综合性问题,选择案例时总会涉及超出学生知识范围的内容。工科专业课所学内容多为结论明确的内容,组织学生讨论时鲜有观点争论。因此,照搬套用“案例教学法”的常规做法并不适合,需要针对各专业学科的特点,做出必要的调整,而调整的原则是在保持“案例教学法”的核心要素不变的前提下,引入适合本专业特点的技术性手段,达到提高学生能力的目的。
1.在工科教学中实施案例教学需要把握的核心要素
(1)提供事实素材,建立实际情境。案例的选择应该尽可能以真实或近乎真实的场景给学生提供真实的工作感受。
(2)提出实际问题,引导思考交流。以明确的目标来驱动学生开展学习、思考和交流,以适当的措施引导学生逐步增加学习、思考和交流的深度和广度。
(3)激发学生潜能,体验成功过程。在教师引导或辅助下,完整地经历对实际工作问题的了解、研究和解决的过程,从中体验所学过的各门课程中的知识的价值和作用,形成成功经验。
2.在引入案例教学法的实践中,面临的难题
(1)许多生产单位基于保密和市场竞争的考虑,不愿意提供相关案例的完整的具体资料,提供给学生的案例资料不能覆盖所要讨论的问题范围,导致部分技术内容缺失“开天窗”。
(2)工程项目中的许多具体技术问题,不仅牵扯到许多其他专业的知识,有些还牵扯到管理体制、法律法规的要求,学生对其中有些内容无法看懂,难以自学。
(3)目前我国大学工科教育的对象,都是从未离开校门的没有工业生产运行经验的学生。十多年应试教育的“磨练”,习惯于从课本中提取“标准答案”,面对案例提供的大量的技术资料,多数学生茫茫然没有思路、不知如何下手。
(4)我国工科学生的语言表达能力、深度沟通能力不足。同时由于对专业方面的问题掌握的知识不足,缺乏个人观点和见解,导致难于营造现场辩论的环境气氛。
二、开展案例教学所采用的具体办法
针对在工科专业教学活动中引入案例教学法时面临的难题,经过两年多的摸索,我们总结出了五条具体办法,实践证明行之有效。
1.真枪实弹
结合实验室建设,购进现役运行设备。笔者所在院校(以下简称“我校”)利用中央财政支持资金购进“PRC02-30微机线路保护屏”,通过对相关资料进行搜集、整理,形成教学案例的基本材料(包括设备技术说明书、设计图纸、使用手册等)。搜集同类型设备在电力生产运行单位的实际工作环境资料,设计典型应用场景,作为教学案例的辅助材料,通过分析案例材料,拟定适当的题目,供学生分析研讨,从而为学生建立了一个类似于实际工作环境的案例学习研究环境。
2.分段研究
案例教学法虽然要求以学生为主体,要求学生通过自主地阅读、思考案例,自主地讨论、交流、研究案例,从而获得认识、分析、解决问题的思路、方法与能力,教师在其中仅起组织和引导作用。但考虑到学生的特点和实际认知水平,我们对整个案例任务按照由浅入深的次序进行预先分段,整个案例教学分段进行。对学生不了解的内容,以教师讲解为主,弥补学生相关知识的不足。对学生学过的内容,则以学生自学分析讨论为主,要求学生通过学习研讨,能举一反三,逐步了解设备在系统中的应用知识,掌握分析、解决工程问题的方法。通过教师讲解与学生自学讨论相结合,让学生逐步消化案例所反映的特定工程背景和有关技术内容。
3.功能建模
强调首先让学生了解总的任务目标、功能要求和解决方案等总体信息,通过引入信息工程中进行结构化系统分析的集成定义IDEF0法,引导学生从功能分解、输入输出、约束控制因素、实现机制等多方面有序地思考和分析案例资料,要求学生将所学过的基本概念、基础理论知识和分析方法,与教学案例中的实际应用联系起来进行思考、分析和研究。逐层分解、逐渐深化、逐个研究、逐步细化,直到具体的硬件电路、软件算法和流程。使学生的学习目标明确、思考过程有序、分析方法有据、研讨成果可见,减小讨论过程中的随意性,避免讨论的话题浮于表层。
4.功能填空
对于案例的技术资料中,部分技术内容缺失的情况,采用功能描述的方式以框图替代,以便学生理解整个案例。如果缺失的部分属于学生在课程里学过的内容,则要求学生提出“替代性”设计方案,从而,将案例教学与创新设计相结合。
5.看图说话
强调学生在分析思考后形成的认识,须以概念模型、功能模型、硬件框图、电路接线图、软件流程图、功能逻辑图等工科学生应掌握的“工程语言”来表达,即用图示的方法先画出来,然后在现场讲解、讨论和辩论过程中,“看图说话”、“改图辩论”。
采用先画图,再讲图的方法,以看图说话的形式开展讨论,既形象易懂又严谨准确。看图说话既能弥补我国工科学生的语言表达能力不足的缺陷,避免词不达意导致的误解和混乱,又便于学生就具体问题表达见解,形成讨论和辩论的气氛。通过逐层讲解和讨论,有引导地将案例的讨论引向深入,从而使学生由表及里、由浅入深、由概况到细节,逐步加深对所研究案例的认识。既提高了交流的效率,也减少了讨论过程中的随意性。
三、在“电气工程及其自动化”专业中的实践和效果
“微机继电保护”是“电气工程及其自动化”专业的一门专业课,而在电力生产运行单位中,继电保护专业的实际工作涉及“继电保护”、“二次接线”、“电气设备”、“电力系统”等不同专业课提供的知识,而阅读理解现役设备技术资料、掌握系统构成和作用是进行调试、校验和故障查找的基础。因此,我们选择“PRC02-30继电保护屏”作为案例的主要的研究讨论对象,以“PRC02-30继电保护屏的硬件构成分析及应用设计”作为案例任务目标,分6个步骤进行案例教学的实践。
第1步:教师介绍本案例的任务书内容,并提供案例材料(图纸、相关设备技术说明书、典型解决方案、虚拟应用场景等),由学生分别熟悉资料,了解本案例方案及设计要点,并对方案进行评价。
第2步:学生按照集成定义(IDEF0)功能建模方法,根据所学的继电保护原理和实际案例的总体解决方案,建立微机线路保护的IDEF0功能模型A0图,使学生对保护功能的分解与保护屏的构成建立对应关系。
第3步:在对保护屏的功能和构成有一定认识的基础上,指导学生详细阅读研究本案例相关装置的技术说明书,了解各装置的功能特点和硬件构成,要求学生对微机线路保护的IDEF0功能模型的A0图进一步分解,画出功能模型的A1、A2、A3…图,然后教师组织学生进行讨论:“如果设备软硬件的总体设计中实现机制改变,功能模型的功能分解该如何变化?”
第4步:指导学生对照实际设备详细阅读二次接线图纸,结合IDEF0功能模型中的输入输出,研究数据的采集、变换和处理过程,画出模拟量输入回路电路图、开关量输入回路电路图、保护/断路器跳合闸输出回路电路图以及光纤收发信回路图。对于在图纸和技术说明书中没有说明的部分电路,鼓励学生进行“功能填空”,即由学生根据“电子技术基础”、“微机原理”等课程中学过的知识,提出自己的电路设计方案来实现案例中的所需功能,并对设计的电路进行比较和讨论。
第5步:教师介绍保护屏验收、调试和校验的项目、常见的问题及解决思路,演示保护装置的保护定值的设置方法,讲解利用“继电保护测试仪”对保护功能进行校验的注意事项。学生根据虚拟应用场景的运行要求,选择配置保护功能、计算保护定值,设计保护功能校验试验电路图,最后,利用“继电保护测试仪”对保护功能进行校验,使学生掌握设备调试、校验的基本方法和技能。
第6步:讨论本案例学习过程中的心路历程和心得体会,总结出分析研究设备技术资料的方法和步骤,撰写本案例研究的相关论文。
在我校电气工程及其自动化专业以“PRC02-30继电保护屏的硬件构成分析及应用设计”作为案例任务进行的两轮次案例教学,均取得了较好的效果。
四、结论
在工科教学中引入“案例教学法”时,需要在把握核心要素的前提下,做出必要的调整。通过教师讲解与学生研究讨论相结合,采用教师指导下的由浅入深“分段研究”,对实际生产设备或系统采用集成定义(IDEFO)法进行“功能建模”、在讨论交流过程中“看图说话”、资料素材缺失时进行“功能填空”等办法,使学生真正理解并消化吸收案例教学所反映的有关技术内容,提高了学生应对实际工作问题的能力,取得了良好效果。为此,我们认为案例教学法有必要在工科专业课程教学中推广使用。
参考文献:
[1]谢志江,等.案例教学法在工科教学中的应用[J].高等工程教育研究,2003,(5).
[2]Federal Information Processing Standards Publication 183:INTEGRATION DEFINITION FOR FUNCTION MODELING (IDEF0)[M].1993.
(责任编辑:赵赟)