應用心理學知識改善本科課堂教學質量

隨陽軼

（吉林大學 儀器科學與電氣工程學院，吉林 長春）

一 引言

近年來世界科技水平發展日新月異，人民的生產生活方式發生了巨大的變化。習近平總書記在《創新增長路徑，共享發展成果》的報告中指出，新一輪科技和產業革命正在創造歷史性機遇[1]。然而國際形勢變化深刻復雜，機遇與風險并存，如何改進教學方法、更快更好的為國家培養高水平的科研人才成為高等教育亟需解決的問題[2,3]。

二 目前高等教育存在的一些問題

高等教育目前遇到的一個重要問題可以總結為無限的知識和有限的時間的矛盾，想要利用大學四年時間將學生培養成既具有扎實學科理論基礎又不與社會實踐脫節的創新型人才，除了需要精心挑選教學內容，也需要不斷改革教學模式[4]。在目前的教學模式下，高等教育往往會出現如下問題。

（一） 學生抓不住課程重點，對課程掌握程度欠佳

隨著科技的不斷發展，前人累積的知識量越來越大，學科的交叉融合成為一種新趨勢，不可避免地導致學生在高等階段需要掌握了解的知識更多更廣，因此高等教育中往往存在課時少、教學進度快等問題，同時其課程難度又遠高于中等教育[5]。面對巨大的知識量，學生往往抓不住重點，不知道從何學起。可以說高等教育對學生的理解能力、記憶能力和總結歸納能力等都是一個巨大的挑戰[6]，這會導致很多習慣中小學“車輪戰”式教育模式的學生出現掉隊，繼而影響學生后續學習的積極性。這就敦促高等教育改進課堂授課方法，讓同學盡可能在課堂上掌握更多重點內容。

（二） 教學與科研脫節，學生科研信心和興趣較弱

在我國的教育體制里，科研經常被認為是極為艱深復雜的工作，連許多大學生都認為科研離自己太過遙遠。這種情況實際上反映了現在的教育體制，特別是中小學，只是滿足于傳授知識，很少對學生進行科研素質的培養，這樣學生從小就認為科研是科學家的事情，和自己不相關。大學是學生進入社會的最后一關，故應該大力提倡科研內容進課堂，從而彌補中小學教育的缺憾。

解決上述問題需要教育工作者從多方面入手，作者認為將心理學知識引入高等教育可以改善目前的教育模式，它不僅可以通過較低的成本改善教學模式，而且其收益也相當巨大。心理科學涉及到腦科學、神經科學、醫學等，它在一定程度上揭示了人腦在生產生活中的作用機理，從而幫助人們了解自己的行為，在教育方面，它可以用來激發同學的學習興趣、提高學習效率等。歐美教學體系中已廣泛地將冥想等心理學干預手段納入教育體系中，在中國，采用心理學知識來指導教學模式的改革在中小學教育也取得了顯著成果。以下將通過具體案例展示如何將心理學知識運用到高等教育的實際教學中。

三 心理學知識在高等教育中的應用

作者在大三年級秋季學期講授課程《連續與離散控制系統》時，探索將心理學的知識應用于教學中，實踐效果證明同學們切實感受到所學理論知識與實際情況的結合，不再認為學和用是分離的，提高了學生學以致用的信心，具體做法如下。

（一） 多種教學手段相結合，提高學生課堂學習效率

心理學研究表明，大腦皮層的不同區域都與學習和記憶有關，如果在學習過程中能夠盡可能多用不同區域，就會形成更強大的記憶網絡。比如，閱讀可以形成語言記憶；記筆記可以添加運動記憶；瀏覽圖片增加視覺記憶；積極聽講并參與討論，留下聽覺和其它記憶；花時間思考也會讓額葉上的區域參與到學習的過程中。總之，學習過程中采用的方式越多，會留下各種不同種類的記憶，當回憶時，會有更多的路徑[7]。

同時每個人對特定學習方式的大腦皮層活躍程度是不同的，使用適合的學習方式學習，可以增強對大腦的刺激，促進負責長期記憶的大腦突觸形成。在課堂上教學時采用多種手段，有助于滿足不同學生的學習習慣，幫助學生理解，使更多學生的大腦處于活躍狀態。

《連續與離散控制系統》課程在近百年的發展中積累了大量的實例，可以精選后在課堂上通過多種教學手段展現給學生。具體教學設計思想是：通過制作心理地圖、常用軟件中的經典案例演示、紀錄片視頻演示、不穩定系統實物演示等多種教學手段生動展現相應知識點，幫助同學更好理解知識，增強記憶，提升興趣。

1.常用軟件中的經典案例演示。最新版的LabVIEW推出許多控制相關的實例，比如：

（1） 在 "Control and SimulationCase StudiesElectric Circuits"中的"CDEx RLC Circuit II.vi"。運行此實例，可以展示電阻、電容、電感如何構建模型，以及如何通過頻率響應來分析其系統特性。此實例可以很好地聯系《電路分析基礎》和本課程，讓同學更加清楚地認識到以前課程所學的RLC電路就是本課程所介紹的典型二階系統的一個實例。

（2） 在" Case StudiesAerospace"中 的"Quadcopter Dynamics and Control.vi"。運行此實例，可以展示同學們非常感興趣的四旋翼無人機的空氣動力學仿真、基于擴展卡爾曼濾波的控制器，以及達到控制飛行器位置和高度的結果。

2.紀錄片視頻演示。觀看“塔克馬峽谷大橋事故”視頻，要求學生仔細觀察并思考一些要點，得出穩定性的定義，在觀看視頻的時候，同時介紹視頻拍攝的背景及相關內容。以下是學生的要思考的要點：

（1）外界的作用是什么？此要點是引導學生觀察出現了什么樣的外界作用。

（2）橋的狀態是如何變化的？和什么相比？可逆嗎？此要點是引導學生思考外界作用是如何改變橋的狀態。

（3）時間扮演什么角色？此要點是引導學生思考誤差的積累效應，為后面介紹開環和穩定性關系打下基礎。

3.不穩定系統實物演示。旋轉倒立擺是一種復雜的、快速的、不穩定性的系統。該類模型的控制方法，可以應用于航天、機械制造等多種精密控制的領域。在課堂上請研究生來介紹旋轉倒立擺系統的設計原理、制作過程和實驗結論，并在課堂上利用倒立擺的實物進行演示。同學們參與互動環節，比如同學用手突然給已經保持倒立狀態的擺施加一個干擾力，觀察倒立擺如何重新恢復到穩定狀態。

在實際教學中，通過常用軟件給出的控制實例，引導學生去挖掘現有的技術資源，加深了課堂上理論知識的理解，也同時提高了大家進一步掌握常用軟件的樂趣。從“塔克馬峽谷大橋事故”這個典型的失穩實例出發，鼓勵學生仔細觀察現象，自己通過以前所學的知識和經驗來得到穩定性的定義，從而培養了學生從感性去理解自然到理性去分析描述自然的科學素養。同樣的，不穩定系統的實物演示也很大程度地提高大家對理論知識應用到實際問題中的信心和學習本課程的熱情。

（二） 制作心理地圖，牢記課程重點

在一門課程的學習過程中，關鍵問題與核心概念串聯起課程的主要邏輯，是課程的精髓。核心概念由關鍵問題引出，通常是關鍵問題的簡要回答，強調了每一節的中心思想，由核心概念可以推導出其他相關知識。只有牢牢抓住關鍵問題與核心概念，才能抓住課程的本質，深入理解課程。因此關鍵問題與核心概念是學生們始終應給予關注的焦點。

心理地圖（也稱認知地圖或概念地圖）的框架就是由關鍵問題與核心概念搭建出來的，盡管它不能完整描述一門課程的所有內容，但是它是課程的中心思想，保證學生在學習過程中始終沿著課程的主線，做到“書越學越薄”。

在《連續與離散控制系統》期末復習時，讓學生在課堂上繪制全書的心理地圖。首先找出關鍵問題，每一個小節的標題就是關鍵問題，例如：

第三章總問題：閉環控制系統設計的核心是什么？

1.關鍵問題：控制系統穩定性的定義是什么？

2.關鍵問題：閉環極點和穩定性的關系是什么？

3.關鍵問題：如何利用代數的方法判斷系統穩定性？

4.關鍵問題：如何利用圖形的方法判斷穩定性？

5.關鍵問題：如何改善控制系統的穩定性？

接下來學生們利用每個小節的核心概念來簡要回答關鍵問題，構成心理地圖輪廓，這就是本課程的宏觀總結。之后再將一些重要的概念方法等細節補充到心理地圖輪廓中，最終繪成完整的心理地圖如圖1所示。

在繪制心理地圖的過程中，學生們將全書的所有章節做了邏輯關系梳理，從心理地圖上直觀的感受到了章節與章節間的聯系，有助于學生理清課程思路；學生們始終關注著本書的主干，不會“因小失大”，因過于關注細節知識點而偏離《連續離散與控制系統》課程的主旨；學生們手腦結合，邊思考回憶邊繪制，使學生在強化記憶的同時發現自己掌握不牢固的知識點；學生通過心理地圖同時記憶課程的邏輯和重點內容，提高復習效率。

圖1 《連續與離散控制系統》心理地圖

（三） 教研結合，指導學生找到內源性動機

當人們被一些問題、爭議、未解之謎或者實踐活動吸引，并且這些活動讓他們忘記了時間，無視周圍的事物的時候，他們便達到了一種心理狀態，稱為心流狀態。如果學生發現自己缺乏動力去學習某類材料的時候，最終取得好成績的希望可能并不足以成為學生高效學習的動力[7]。心理學研究表明，內在驅動力比外在驅動力更有助于人類真正調動起自身的積極性。對于科研人員，內在驅動力往往是對未知事物的探索欲和求知欲。高等教育工作者可以引導學生問自己這個問題：是什么讓這個領域的專家感到這些東西很有趣？一旦發現了這樣的問題，要試圖去站在專家的角度尋找解決方法，用這個方法你將會分享那些專家的心態和想法，體會科研的過程，從而誘導自己獲得由內源性動機激發的動力，并沉浸其中[8]。因此作為專業主干課的教師更應該不斷進行教學和科研的深度融合，并將科研中的相應成果經過適當的裁剪，形成可以教學的內容。

本人在教學中通過教研結合，幫助學生體驗在課堂上講解的知識是如何在實際科研中進行應用的。教學設計思想是：以目前從事的科研工作——航空磁梯度張量探測儀為基礎，將與本課程直接相關的磁場反饋部分提取出來，單獨形成一個從問題提出到分析問題、最后解決問題的完整過程。在課堂上逐步展示整個過程，幫助學生體會理論知識到實際系統的應用，以及實際科研工作的場景。具體做法是：

首先裁剪科研內容，滿足教學要求。航空磁梯度張量探測儀是一種裝載到飛行器測量地下物質磁場梯度的儀器。里面包含傳感器設計、采集模塊設計、數據存儲及融合、噪聲壓制與抗干擾等多項內容。其中傳感器部分為提高精度所進行的磁反饋是與本門課程所授知識緊密相關。因此就此部分內容為基礎重新形成提出問題、分析問題和解決問題三個完整的步驟，然后根據這三個完整的步驟進行教學：

（1）提出問題：磁通門傳感器具有價格低廉、溫度范圍廣泛等優點，但是由于其本身的缺陷，使得磁場測量的精度較低，主要是系統的漂移嚴重，誤差大。

（2）分析問題：磁通門是利用鐵芯的磁飽和特性進行測量的傳感器，在零磁場環境中工作時的特性最穩定，溫漂、非線性等幾乎沒有，但是實際的工作環境是地磁場下，大約50000nT。

（3）解決問題：設計三軸的補償線圈，磁通門中心處產生三個方向的磁場來抵消地磁場，這樣磁通門就可以工作在零磁環境。所測量的磁場值只與線圈上的電流有關，與磁通門傳感器的具體特性無關，故可大大提高系統的精度。

整個案例的實施是放在臨近教學周期快結束的階段，只有學生對本課程的知識有了較為深入的理解，才能進一步學習此科研實例。通過此實例的學習，學生們站在科研人員的角度思考問題，找到了科研的內源性動機，體會到了科研過程，提高了學生們的學習興趣，增強了同學們的科研信心。

四 結論

面對高等教育中學生掌握知識程度不佳、科研興趣寡淡和信心不足的問題，

作者結合心理學知識，運用了如下方法解決以上問題：

（1）增加教學手段來增強學生的大腦興奮度，以提高課堂學習效率；

（2）讓學生動手繪制心理地圖，理清章節間的邏輯關系，強化記憶，提高復習效率；

（3）將科研中與課程理論知識相關的部分在課堂上講授，幫助學生找到內源性動力，讓學生有機會體驗科研過程。

經過2016級和2017級兩年教學實踐，學生自評利用心理學改善學習效果平均得分為3.8分和3.9分（非常有效果為5分，完全沒有效果為0分）。學生的學習效率有了顯著的提升，并有多名學生堅定了繼續走科研的道路。人類關于人腦和心理的探索仍在繼續，未來將會有更多的學習機理被揭示出來，這些理論可以切實的應用到教學中來，幫助教師改善教學質量，提高學生的學習效果，以培養出更多卓越的人才。