認知彈性理論在電工學教學中的應用

伍云霞+武曉華

摘要：為解決電工學課程教學中學生基礎薄弱、教學學時少而教學內容多問題，實現電工學課程教學目標，電工學教學以彈性認理論為指導，在教學中采用了超文本結構呈現教學知識及相聯關系，以多維度、非線性方式表征概念和相關案例，提高了學生多元表征知識、遷移知識的能力，使學生向復合型人才方向發展。

關鍵詞：電工學；彈性認知理論；十字交叉形

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）46-0149-03

一、引言

電工學課程是高等工科本科教育非電類專業的一門重要的技術基礎課程，是直接服務于各專業的核心課程。在“高等工程教育要向強國邁進，要面向社會培養具有創造力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類工程技術人才，要為國家走新型化工業化發展道路、建設創新型國家和人才強國戰略服務”綱領下[1-2]，我校對電工學課程教學的目標是：（1）電工學課程的教學重點從重視理論的學術性與系統性、結構與邏輯的嚴密性轉向“培養學生將電工與電子技術的基本知識應用于各自專業，繼而創造性地發展各自專業能力”；（2）消減教學時數，精練教學內容；（3）教學內容涵蓋電路理論、模擬電子技術、數字電子技術、電動機及傳動控制、電工測量、安全用電、EDA（Electronic Design Automation，電子設計自動化）技術。非電類專業電工學課程通常是多個專業同一課堂，各個專業對電類知識需要求的側重點有很大不同，另外非電類專業學生普遍對課程不重視，電類知識基礎一般也較薄弱，如何選取教學內容、教學內容如何呈現、采用什么的教學手段等才能在有限的學時內獲得好的教學效果，滿足各不相同的教學需求，適合基礎與能力參差不齊的學生的學習是電工學課程教學需要解決的問題。

認知彈性理論是1990年美國伊利諾斯大學的斯皮羅等人針對結構不良領域知識（復雜知識）習得和遷移而提出的一種學習理論，基于對認知彈性理論提出的知識觀、教學觀、教學策略和教學技術的分析以及對電工學課程的研究，在電工學課程教學中以認知彈性理論為教學指導，有利于解決電工學教學中的問題和達到電工教學的目的。

二、認知彈性學習理論[3，4]

認知彈性學習理論是一種折中的建構主義學習與教學理論，是美國伊利諾斯大學的斯皮羅等人于1990年提出的。認知彈性是指人在認知活動中的靈活變通能力，是其在面對新問題時如何有效組織知識從而做出正確回應的能力，一個人若具有較強的認知彈性，他對復雜情境中包含的整體和部分的關系、主次關系、因果關系等做出正確認知的可能性就越大。這種能力只有掌握結構不良領域知識才能具有，并且只有通過高級學習才能獲得，高級學習能使學生掌握概念的復雜性及變化性，并能在新的情境中靈活運用。

學習的知識分為良構與非良構2種，良構知識是以一定的層次結構良好地組織在一起，與具體問題有直接的對應關系；非良構性知識呈現方式通常比較隱含、晦澀，具有概念的復雜性和變化的不規則性等特點，與具體問題之間幾乎沒有直接對應關系。對這種知識學習有2條基本準則：一是多元認知表征，學習這種知識的最佳方式是多個角度、多視點，這既增強對該概念自身的理解，同時也能增強將這一理解遷移到其他領域的能力；二是展現知識和相關知識間的聯系以及知識與問題的依存關系，用概念和案例構成多維度與非線性的十字交叉型。

使學生掌握結構不良知識，隨機通達教學方法是行之有效的方法，該方法的基本內容是：對于同一教學內容，要在不同時間、在重新安排的情境下，帶著不同的目的，從不同的角度多次進行學習。教學中應努力使學生形成對概念的多視角理解，并要與具體的情境聯系在一起，形成背景性的知識，而不是去情境化，通過以不同的方式交叉瀏覽結構不良知識領域，使學習者認識到知識應用的多樣性，并且揭示知識的多種關聯性以及對情境的依賴性。

超文本是體現、應用這些原理與方法的具體技術，具有非線性特征的超文本有助于學習者從多種觀點的角度接近概念并建構知識表征，真正改善對復雜概念的掌握，超文本力求將內容鑲在相關的上下文或背景中，以克服知識的抽象性，并有助于復雜性的理解與掌握。該技術開發了情境敏感的知識集群加工方法（Situation-sensitive knowledge assembly）。可使學習者在隨機訪問文檔時根據需要可對原有鏈接進行動態編輯，以便更深刻地揭示概念的本質并使其更好地與相關主題聯系。

三、認知彈性學習理論對電工學課程教學的指導性

電工學教學內容是結構不良領域的知識，電工學是一門關于如何將數學、物理等科學知識應用到電工程的應用學科，工程實際問題往往都比較復雜，常有多因素同時起作用，存在著多種物理過程，直接處理工程問題往往很困難，有時甚至是不可能，通常需要根據具體情況對問題通過假設進行簡化，對同一實際問題可以有多種假設，有多種解決方法，最終都能得到相同的結論；另一方面，電工學所解決的問題與實際應用環境高度相關，從一種應用問題中提煉出來的方法往往難以有效地直接套用于其他實際問題的解決，通常需要深入分析應用問題、精心挖掘與選擇其所蘊含的各種信息與方法，需要多種方法的綜合運用。

解決問題的方法應應用問題緊密相聯，決定了學生對電工學課程的學習應與實際問題聯系并在其應用中掌握，這就要求采取高級學習的學習方式，深層理解與把握器件的建模、等效電路的本質，器件多樣性特性及應用，定理、定律的適用性，并能將其靈活地運用到設計、分析及制造上，而不能僅僅只記住一些器件模型、定理、定律的表述。

電工學教學的目的是要使非電類專業的學生能用電類知識解決本專業內所涉及的有關電的問題，同時拓展本專業，要求學生能具有一定的問題建模能力、正確地應用定律、定理等解決所遇到的電類問題，這就要求電工學教學應注重培養學生的認知彈性，從而克服“難以致用”的現象，增強電工學教學的實效。

綜上所述，認知彈性理論對電工學教學內容的組織、呈現方式和學習方法都具有指導意義，有利于培養目標的達成，增強學生素質。

四、認知彈性理論在電工學教學中的應用

認知彈性理論建議用超文本結構呈現知識，超文本結構是知識的一種層次結構，著重表達知識間的相互關系。這種結構能表示出知識與知識間關聯的強弱程度，知識與知識間關聯的復雜程度，其層次結構本身也反映了引導學習者瀏覽信息目標的能力，如何設計和優化知識超文本結構表征，直接關系到超文本的質量，也關系到學習者學習效率。

電工學課程教學中超文本結構表征實例如圖1所示，圖1是疊加定理學習的超文本結構表征。

在迭加定理的學習中，迭加定理、迭加定理應用方法（正用、反用、近似）、獨立電源、實際電壓源模型、實際電流源模型、互等效、戴維南定理、諾頓定理等相關定理與定理的應用方法鏈接在一起，學習者可以多維度獲取概念與相關概念、理解公式、原理和定律等，有助于學習者進一步理解復雜概念。

圖1中的疊加定理正用、反用、近似使用的相關案例，增加了對疊加定理含義的理解及對定理靈活應用的掌握，在案例中體現概念，使學生切實體會了包裝概念的共性與差異性，不同條件下、不同問題概念所包含的具體內涵，多維度考察增強了對復雜概念的理解。

超文本能夠從靜態表征向動態表征過渡，擴展原先設定的內容和路徑，將多個知識點鏈接在一起，可促使學習者對知識意義進行積極的探索與建構，思索概念應用的復雜性。例如學習者在學習全狀態響應案例時，發現全響應是零輸入響應、零狀態響應的迭加，則有可能引發對迭加定理的興趣，相應地，從全狀態響應案例節點添加鏈接到疊加定理的路徑，這樣學習者可以按照已有的思維需求來重新建構一階暫態響應的學習內容與路徑。[5-7]

五、結語

認知彈性理論是學習高級知識的教學理論，適合電工學課程的指導教學，成功應用該理論的關鍵在于知識超文本結構表征自由度、線性力和導航力的合理設計。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.教育部關于批準第一批“卓越工程師教育培養計劃”高校的通知[Z].教高函2010]7號，2010.

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[4]李振明，龐坤，宋乃慶.認知彈性理論指導下的高師數學建模教學[J].數學教育學報，2007，16（1）96-99.

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