基于问题引导教学模式的机械振动课程教学改革与实践
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摘要：与传统的教学模式比，问题引导教学是在老师主导下的围绕问题学生开展自主学习的一种教学模式，可以扩大学生的参与度和激发其学习潜能，受到了教育界的广泛关注。机械振动是一门机械工程本科专业的学科平台课程，如何在课程教学中运用“问题引导教学”模式，提高学生参与度和教学效果是非常有意义的研究课题。本文结合機械振动特点，探索了问题引导教学在学科教育中的步骤和原则，并进行了教学改革实践。
关键词：教学模式；数学建模；案例
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）27-0109-02
为了适应新工科发展和工程教育认证的要求，大学纷纷大刀阔斧地对专业培养大纲进行重构，实施骨干课程主讲人负责制并根据课程特点探索新型的教学模式代替传统的“满堂灌”教学，以达到“学生为中心、教育产出（Outcomes-based Education，缩写为OBE）为导向”的培养目的。而于20世纪70年代教育科学博士马赫穆托夫提出的问题教学（Problem-Based Learning，简写成PBL）模式，是一种以学生为主体、以各类专业问题为教学源头，以问题为核心规划教学内容，教师引导学生针对问题寻找解决方案的一种教学模式，不像传统“满堂灌教”学模式那样，教师在此过程中的角色是问题的设计者、课题教学的组织者以及教学达成度的评定者。“机械振动”课程是一门机械类本科专业的平台选修课程，课程总共32学时，持续8周，每周4学时。问题引导教学能够提高学生的学习主动性，提高学生在教学过程中的参与度，容易激起学生的求知欲，活跃其思维。如何在机械振动教学中运用问题教学模式，激发学生的学习兴趣和提高教学效果，是当前国内高等教育中非常有意义的研究课题。
一、问题引导教学的探索
1.步骤。问题引导教学不同于传统的教学模式，无论是学生还是教师都要转变思维，尤其是对教师的要求较高，要求具备较强的课堂掌控能力和引导能力，实践中遵循以下步骤：（1）教学准备。每次上课前，授课教师根据教学计划围绕本次课的培养目标，要在课前准备好教学素材（譬如现象、事件的动画、视频或文档）。这一步骤需要授课教师熟悉教学计划、教学内容、教学目标和授课对象。这些是成功实施问题引导教学法的前提。（2）教学实施。围绕分析现象、提出问题和解决问题展开。分析现象，这一阶段组织学生集体观看某一现象视频或动画，引导学生自主查阅教材等文献并思考，进而全班同学分组进行讨论和交流，让每位学生均要提出自己的认知，能透过现象看本质；提出问题，爱因斯坦曾经说过“提出问题比解决问题更重要”，学生进行自由讨论，教师起引导作用，当讨论发生焦灼状态或偏离本课程领域时，要给予及时的提醒和引导；解决问题，在现象和问题的基础上，学生要能从感性认识上升到理性认识，抓住关键因素进行抽象简化成物理模型，进而建立系统数学模型，对数学模型进行分析，分析总结各因素的影响规律。给相关参数赋值进行案例定量分析，形成系统的学习报告。（3）评价与反思。评价包括自评、互评及教师评价等，譬如设定各比重分别为10%、20%和70%；评价内容为平时表现、现象分析的本质性、问题提出的逻辑性及问题解决的科学性等。在课堂上学生面向全体同学进行汇报学习报告，同学和教师进行评价。反思就是分析教学过程中存在薄弱环节及改进对策，譬如教学目标达成度，同学受益度和满意度，如何改进。
2.问题设计原则。问题的设计是问题引导教学的基础，问题设计的恰当与否直接关系到教学的成败。一般地说，遵循以下几个原则：（1）紧扣教学目标。教学目标分为思想教育目标、知识传授目标和能力形成目标。教学目标是问题设计的依据，专业特色和学生情况既是问题设计的出发点，又是问题设计的归结点；（2）层次递进。设计问题时，要给学生以清晰的层次感。由现象出发、提出问题、分析问题和解决问题层层推进。问题激发学生的好奇心，促进学生积极思考，解决问题能增强学生的自信心和成就感；（3）难度适当。问题太难或过于简单都不适合教学。过于简单的问题没有挑战性，难以激发学生的兴趣；太难的问题，难以下手就会望而生畏，应从简单逐步过渡到复杂，循序渐进；（4）全体受益。现象是本课程专业领域常见的，能使学生个个看明白，每位学生均有提出、分析和解决问题的机会，做到人人参与、人人受益。
二、教学案例
以机械振动课程为例，为了适应教学模式的转变，教学团队将问题引导教学模式、OBE等先进理念融入课程设计及教学实践中，经过多年探索，逐渐形成了以问题引导教学为特色的教学模式。
本课程主要涉及机械振动专业理论及其应用，教学内容分为基础篇和问题引导篇。其中，基础篇包含了为建立物理和数学模型及分析求解所必须具备的机械振动知识；而问题引导篇是以6个工程问题为引导，学习如何运用机械振动方法研究和解决这些问题，这是本课程的核心内容。教学模式上，基础篇以教师讲授为主，以使学生尽快掌握基本理论基础；而问题引导篇以学生团队学习为主、教师辅导为辅，以培养学生的自主学习能力。问题引导教学的教学流程设计如下：
1.现象与观察。选择机械振动现象的教学视频或动画，在课堂上进行播放并引导学生科学观察。譬如选择桥梁振动倒塌视频并播放。可以培养学生善于观察和辨识自然现象的能力。
2.提出问题。激励学生探究现象背后的原因。譬如桥梁共振为什么会发生倒塌？可以培养学生凝练科学问题的能力。
3.数学建模。简化物理模型，进行受力分析，应用牛顿法或拉格朗日法建立动力学微分方程。可以培养学生应用数学、自然科学知识进行工程建模的能力。
4.求解与分析。应用数学理论知识对动力学微分方程进行求解。分析质量、刚度、激励力及阻尼等参数对振动响应的影响规律。可以培养学生应用数学、自然科学知识分析问题的能力。
5.实验验证。基于动力学模型应用MATLAB/Simulink软件搭建仿真模型或实验设备验证所学理论。培养学生的动手和研究问题的能力。
6.应用案例。通过文献检索或调查，列举出工程实践中的相关应用案例。譬如动力减振器章节教学中，可以列举上海金融中心和台北101大厦等高层建筑应用动力减振器可以减小大楼在风作用下的摆动的案例。
成绩评定：提交纸质文档；课程最终成绩由平时成绩和文档质量成绩构成，前者主要考察学习表现、态度、语言表达、逻辑思维能力；后者主要考查内容的正确性、深度和格式的规范性。
三、教学体会
在本课程教学过程中发现存在的主要问题有：难以建立有效监督学生的课外学习投入机制，小组讨论不够主动和活跃，从仿真或实验结果提炼结论的能力锻炼效果不够明显，教学工作量大，在同一时间选用此教学模式的开设课程最好不能超过2门。
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