钻探设备系列课程研究性教学模式教学问题设置研究

赵大军 赵研 韩君鹏

摘    要：基于教学问题和教学研究项目的研究性教学模式，以其有利于创新型人才培养的优势在国际高等教育中广为流行，而研究性教学模式的关键是教学问题和教学项目的设置。文章根据课程内容，结合学生知识结构，考虑学生认知特点，对钻探设备系列课程研究性教学模式的教学问题进行了深入的研究和合理的设置。

关键词：钻探设备系列课程；课程改革；研究性教学模式；问题设置

中图分类号：G642.0          文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2023）08-0039-03

研究性教学模式是一种能够较好贴近课程要求，完成课程认知目标及情感目标的教学模式。课程认知目标要求学生掌握学科知识概念，知晓基本原理，具备实操应用能力；情感目标主要要求学生具备正确的思想感情与道德品质。该教学模式的核心特征是“自主、探究、合作”，即在教学过程中，以教师指导为前提，学习自主学习教学内容要点，以小组为单位合作交流，共同探究发掘知识内在原理。

研究性教学模式的核心优势在于以其对知识内容的深化理解与技能的掌握，强化学生创新思维的培育与创新能力的锻炼，符合新时代创新性人才的培养要求。研究性教学模式的应用需要贯彻执行“主导—主体相结合”的基本路线，即充分发挥教师对教学内容的主

导，及坚定将学生作为课程学习的主体。明确学生与教师属性定位，做好分工，是研究性教学的模式顺利实施的基本要求。

我国古代著名教育家孔子创立的启发式教学思想及古希腊著名思想家、教育家苏格拉底提出的“产婆

术”被认为是研究性教学模式的起源[1]。近现代教育家赫尔巴特、蔡元培、杜威、布鲁纳、皮亚杰以及苏霍姆林斯基、施瓦布等人相继探索了研究性教学模式并提出的相关教育教学观点，研究性教学思想得以逐渐丰富和完善[2]。

德国著名教育家洪堡于19世纪初首次创立并推广的“教学与研究相统一”教学原则被普遍认为是国外研究性教学思想的起源，这一思想在长达几十年的应用后促使德国拥有了全世界较为先进的大学制度。1876年于美国成立的约翰·霍普金斯大学是有史以来第一所研究型大学，但真正将研究性教学作为首要教学模式是在122年后，由博耶委员会将本科教学体系改革为以研究为基础[3]。日本和韓国的大学已开始构建以研究为基础的本科教学模式，形成了各种不同的本科研究性教学模式[4]。近年来，我国《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》《关于全面提高高等教育质量的若干意见》《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》等文件相继出台，一致倡导以培育创新型人才为目标，对教育教学方式实施改革，形成“以学生为中心”的研究性教学模式，助力学生创新能力的培养[5]。研究性教学在国内中学教学中应用较多，而在高校的应用相对较为欠缺，但也逐步受到关注并推广应用，此方面的研究成果也与日俱增。

研究性教学模式主要包括五个教学环节：创设情境、启发思考、自主（或小组）探究、协作交流、总结提高。其中创设情境，即教学问题及教学研究项目的设置是研究性教学模式教学效果的关键。我国学者对研究性教学问题的设置也有了一定的研究，杨华针对大学以问题引领的思想政治理论课课堂教学的问题类型和问题设置原则进行了深入地分析，将问题类型划分为：理论困惑问题、现实疑难问题、社会热点及难点问题、非马克思主义及社会思潮问题、教材中的重点和难点问题5种类型，将教材原则、简明扼要原则、适度原则、关联性原则、理论联系实际原则作为问题设置的基本准则。[6]王建强提出课堂问题的设置是课堂教学师生双边活动最基本的也是最重要的形式之一，为提高课堂“问题链”教学法的教学效果，课堂“问题链”的设计应具有层次性、趣味性、聚焦性、开放性、深入性。[7]张盛周、陆卫针对细胞生物学课程探讨了启发讨论式教学中问题设置的7种基本方式：围绕经典实验设置研究性问题、围绕有争议的学术观点设置评价性问题、围绕相近和相对的知识点设置比较性问题、围绕知识体系的内在逻辑联系设置推理性问题、通过与宏观世界对比设置类比性问题、根据重要知识原理设置归纳或演绎性问题、挖掘知识的思想性设置哲学性问题，并提出了问题设置时应难易适当、有一定的激发性、答案的不确定性、紧扣教学内容的重点和难点。[8]郭华在电磁学探究式教学实践中，从激趣式、启发式、探究式、主动式四个方面设置问题，提升了师生互动对话的层次和水平。[9]

教学问题应具有时代性、针对性以及合适难易度，要将学生引入主动解决教学问题的情境中。但研究性教学在我国高校的应用尚处于摸索阶段，理论尚不完善，实践经验也较少，师生对其的理解和认同也参差不齐，对教学问题及教学项目的设置也缺乏深入的研究。地质工程专业课程的研究性教学模式教、学问题及教学项目设置的研究，还未见报导。吉林大学钻探设备课程虽然实行了基于问题驱动的PBL教学法，提高了学生主动学习意识。但基于PBL教学法，学生只是掌握了课程的碎片化知识，缺乏对课程内容全面系统的理解掌握，还需要结合中国国情、课程特点、学生的知识结构和认知规律，对研究性教学法教学问题及教学项目的设置进行深入探索与思考。

一、钻探设备系列课程特点

吉林大学地质工程专业是国家本科一流专业，作为地质工程专业的主干专业课程，钻探设备、钻探设备课程设计主要介绍地质勘察中应用的钻机、泥浆泵、钻塔、动力机的结构、工作原理及工作特性。学生能够对钻探设备进行正确的分析、评价与选用；能够对设备的结构问题提出合理的改造方案；能够根据施工条件对设备提出合理的技术要求，为钻探设备的设计提供技术参数；具有钻探机械领域的分析问题能力、科学研究思维、工程意识和实践能力。课程的理论基础为材料力学、理论力学、机械设计基础、液压传动、流体力学、电工学基础等。课程中的机械与液压装配图较多，课程内容与生产实际密不可分，在学习过程中对于学生的三维空间想象能力要求较高，对于实践动手能力依赖较强。

二、大学生知识结构和认知特点

（一）大学生知识结构

入学后，钻探设备系列课程学习前，学生已经学习了数学、物理、计算机基础等公共基础课及地质学原

理、工程力学、流体力学、液压传動、机械制图、机械设计基础、钻探工艺学、基础工程施工等专业基础课及部分专业课，同时学习了思想道德修养与法律基础、中国近现代史纲要、马克思主义基本原理概论、形势与政策等思想政治教育课程，完成了地质认识实习与专业认识实习的实践训练。大学生的公共基础及学科基础知识扎实，政治思想素质过硬，为进一步的专业课程学习打下坚实的基础。但由于课程学时的限制及我国高等院校普遍存在的“重理论、轻实践”现象，使得吉林大学地质工程专业大学生缺乏足够的三维空间想象能力和实践动手能力。

（二）大学生认知特点

地质工程专业大学生学习能力强、创新意识强、自我独立意识强、内心情感丰富、网络依赖性强，但实践能力弱、团队意识和沟通能力差。在传统课堂灌输式教学模式下，较大的盲目性充斥在知识获取过程中，因而大学生的学习形式较为被动，科学的学习动机较为匮乏，教师设定的学习目标成为学生完成学习计划的主要依赖。实践教学环节薄弱，影响对所学知识的消化吸收和深入探索及拓展创新，影响解决实际问题的动手能力。我国大学生长期处于集中课堂传授的教学模式，强调接受教育而忽略自我表达，产生了课上互动无兴趣，课后交流不积极的现象。

我国的教学形式主要由教师选定教材后，学生以教材为首要学习范本对知识点进行识记，相对于欧美由学生自行查阅资料的开放教育模式而言，我国大学生阅读量低，缺乏对所学知识的全方位深入了解，认知层面较为狭窄。互联网技术普及后，大学生更习惯于网络短时间（10—15分钟）的碎片化学习[10]。

三、研究性教学法教学问题的设置

依据钻探设备系列课程的特点，考虑地质工程专业本科生的知识结构和认知特点，采用基础性、问题

性、课题研究性（项目研究类）模块化教学内容，实施启发式、探究式的教学方法，构建夯实基础、注重综合、面向科研实践的全程式钻探设备系列课程研究性教学新模式。教学问题的设置遵循了如下原则：（1）诱发性原则。通过创设特殊情景制造认知冲突，诱发学生积极思考。（2）真实性原则。情境接近钻探工程实际，从客观事物出发，在“眼见为实”的基础上，深入探究钻探设备相关问题，实现对主旨内容的意义建构。（3）接近性原则。情境创设符合维果茨基的“最近发展区”理论。问题的深度稍高于学生的知识经验水平，需要经过努力思考来解决问题。（4）合作性原则。充分利用学习小组合作学习优势，通过交流、协作，共同克服教学问题中的困难。（5）层次性原则。考虑地质工程专业本科生不同的实际经验和认知水平，有层次、有梯度设置问题，并使问题可衔接与过渡。（6）多解原则。考虑学生思维活跃、创新意识强的特点，不固定问题的答案。

基础性、问题性、课题研究性教学问题设置的主要内容如下。

1.从钻探设备、钻探设备课程设计教学目的和教学内容出发，注重引出钻探设备相关的概念原理，明确学生亟待掌握的知识点，定位学生需要获得的基本概念和原理，结合地质工程学科特点，遵循课程的教学目

标，考虑学生自学能力个体差异较大的特征，设置了19个基础性教学问题。主要包括钻探设备技术发展取决的因素，从钻探设备的结构和性能上分析如何提高钻探效率，如何理解钻机性能参数，钻机部件的结构原理和类型特点分析，钻探用泵的结构原理和工作特性分析等。

2.将学习内容设计成可衔接的链式问题，通过促使学生自主解决问题来实现观念性理解的获取。采用链式教学问题，通过教师引导学生分析问题、寻找问题的解决途径，引发与鼓励学生对于复杂、深层次问题的发现与解决，提高解决实际问题过程中对理论知识的灵活应用能力。该类问题设置了21个。如在讲授“XY-4型钻机机械传动系统工作原理”时，依次提出：钻机超载时易发生损坏钻机零部件、损伤动力机、折断钻杆等事故，钻机在结构上如何防止负载的超载？钻机动力机输出的转速和扭矩基本不变，而升降机和回转器需要不同的转速和扭矩，钻机如何实现分别驱动升降机和回转器？机械传动系统中，动力传送距离较长时，常常因无法保证轴的对中效果而影响正常的运转，XY-4型钻机如何解决这一问题？钻机或汽车变速箱换档时时常发生打齿、挂档不到位，分析其原因并说明如何解

决？打捞孔内钻杆、套取孔内岩心时，如何操作才能有效、可靠？孔内钻具突然遇阻，不能正常回转或提拉，在钻机机械传动系统中如何保证动力机及钻机各部件不受损坏？

3.为提高学生综合分析问题与解决问题的能力，将课程内容设置成课题研究性教学问题，学生需要结合多个知识点通过研究来解决的问题。此类问题共设置了6个，是对不同钻探设备的综合评价与改进。如：

“DPP100-5F1钻机的评价”，主要内容包括：（1）说明钻机的机械传动系统的工作原理。（2）说明钻机的传动

箱、减速箱、转盘（包括给进装置、柱卡装置）、主卷扬、变速箱的结构及工作原理。（3）分析钻机的结构、性能特点。（4）该钻机的缺点是给进行程较短、操作不方便，结合该钻机的结构，试给出1～2种改进方案，并绘制改进结构示意图。需综合运用机械设计原理、液压传动、钻机给进系统、钻机控制系统的原理综合分析解决该问题。

四、研究性教学法的教学应用

根据钻探设备系列课程的教学进度，分批给学生布置研究性问题，为保证学生能够很好地自主解决问题，我们为学生准备了充分的教学资源。制作了105个线上教学视频（MOOCS）；使用3ds MAX、Unity3D仿真软件对钻探设备中的18个展示部件制作了三维动画，详细解释了回转器、升降机、卡盘等部件的结构和工作原理；基于3ds MAX研制了XY-4钻机结构与工作原理的虚拟现实（VR）实验平台；配置了课程教学多媒体课件、新型设备施工视频等线上教学资源。研制了多功能液压钻机实验教学平台、升降机冲击钻进实验教学平台、9套设备部件实物、5套实验教学模型、6种参考书、10余种钻探设备使用说明书等。

具体应用过程如下。

1.根据教学进度每周给学生布置3～4个研究性问

题，学生利用线上线下教学资源自主学习，探索整理研究性问题的答案。

2.将学生分成学习小组，每组约10人。在教师的引导下，学习小组在自主学习的基础上，经讨论形成小组答案。小组的答案往往是多解的，且答案内容时常超出课本知识，说明设置的问题激发了学生的创造性思维。

3.每两周组织一次课堂讨论，对基础性、问题性教学问题进行总结。课题研究性（项目研究类）教学问题则进行答辩。各组长作为代表发言，汇报各组讨论得出的观点和见解，其他学生可针对汇报内容进行提问及辩论，最后由教師点评汇报过程，归纳总结学习内容。学生在课堂讨论中培养了团队合作意识，增强了沟通协调能力，汇报展示提高了归纳总结能力，答辩过程中的论据博弈加深了学生对课程内容的理解。

五、结语

几年来，笔者在钻探设备、钻探设备课程设计等课程的教学中，对课程内容实施研究式教学，把握住了研究式问题教学法问题设置的这一关键环节，通过基础性、问题性、课题研究性三个方面问题设置的教学实

践，激发了学生的学习热情，提高了学习主动性、团队意识与创新意识，拓展了综合思维能力。但也应注意，在刚实施研究式教学时，学生不适应这种教学方式，主动学习意识不强，课堂发言不踊跃。因此在教学之初，要注重研究性问题对现实生活的实用性，注重营造问题教学的氛围，逐渐引导学生从被动学习转变到主动学习。

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[5]  张薇，陈静漪.“互联网+”背景下本科研究性教学模式研

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[9]  郭华.电磁学探究式教学中的问题设置研究[J].毕节学院

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[10]  赵洱   .如何设计、建设和应用在线开放课程——以国

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