ACT-R 理論對“電路原理”在線教學的啟示*

吳世青，汪中厚

（上海理工大學，上海 200093）

0 引言

“電路原理”是機械類與電氣類專業的一門專業基礎課，對學生的思維想象力、創新能力等都有較高的要求。一段時期以來，“電路原理” 課程教學是以課堂教學為主，能夠幫助學生掌握知識，取得了明顯的教學效果。但是，隨著社會對具有創新能力的復合型技術人才的需求大量增加，筆者在教學中發現傳統的課堂教學面臨新的挑戰[1]。 尤其是2020年一場突如其來的新冠疫情，傳統的課堂教學被迫改為在線教學，使“電路原理”的教學實踐又出現了新的問題。

1 “電路原理”教學存在的問題

課堂教學被廣泛采用，其教學效果也得到了教師們的認可。 但是，隨著時代的發展，這種教學方式存在一些問題，主要體現在：

1）教師注重理論知識的講解，忽略了對學生能力的培養。 在課堂教學中，大多數教師都可以熟練講解電路模型、電路定律、求解方法等相關的理論知識，但部分老師忽視了對學生學科素養的培養，導致部分學生只是停留在聽懂，卻沒能內化為掌握技能，自己無法獨立分析電路；部分學生雖然求解出了電路，但無法充分理解所學的知識點，不能夠清晰地表述自己的思維。 所以，這部分學生要么不能根據需求提出解決方案，要么有一些奇思妙想，卻沒有掌握知識點，不能夠結合課堂所學，構建自己的知識結構，理解電路學科本身的思維方式。

2）學生一味地模仿練習，缺乏創新性思維。 依照教師所講授的經典電路、典型例題，學生進行模仿練習，完成課后習題，可以鞏固所學理論知識。 但是部分學生逐漸思維固化，只了解教師講授過的電路，做不到舉一反三。 由于電路經常有等效變形，這些學生對此束手無策。 也有部分學生誤認為只要通過大量做習題就可以掌握知識點，從而陷入題海戰術，為了解題而解題，思維能力與解決問題的能力沒有明顯提高。

2020年一場突如其來的新冠疫情，使全國高校教育教學面臨前所未有的挑戰，各個地方都提出了“開學不返校”“停課不停學”的要求。 在疫情形勢的催化下，以慕課（Massive Open Online Courses，MOOC）、QQ 群課堂、 超星泛雅等平臺為基礎的在線教學模式，由于其開放、便捷、共享等獨特優勢，為廣大高校普遍采用。 與此同時，在線教學實踐過程中，也出現了一些新的問題：

1） 教學過程的單向性。 隔空教學，師生無法有效互動，學生之間的交流也無法實施，導致課堂節奏比較單一，課堂教學容易變為教師的“獨角戲”，即便教師自己感覺講得很好，但是學生是否能跟上教師的節奏，真正掌握理解了多少，教師都無法得到及時反饋，也無法及時調整自己的教學節奏與教學重點。

2） 學生管理難度大。部分學生雖然也能準時打卡，但是一旦遇到困難，會影響到學習的興趣與熱情，難以像課堂教學一樣依然每天堅持學習，努力解決學習難點，反而可能放松對自己的要求，出現“假簽到，實曠課”等問題。

3） 缺乏濃厚的學習氣氛。 長時間的線上教學很容易使學生產生厭煩、浮躁等諸多負面情緒，這些情緒會導致學生的學習積極性不高。 在線教學過程中，學生的注意力很容易被學習以外的東西吸引，例如桌面上隨機蹦出的一個新聞或廣告都可能導致學生分神。

4） 上課形式單一。 教師們都已習慣于課堂教學的形式，采用PPT 進行授課。 如果在授課方式上沒有創新，容易使學生在開始聽課的前十分鐘內就失去興趣，即使是能夠堅持聽課，也不能很好梳理課堂知識，難以分清哪些是重點。

這些問題影響了“電路原理”的教學效果，為了突破瓶頸，下文將結合ACT-R 理論為本課程的教學提出建議。

2 ACT-R 理論

ACT-R（Adaptive Control of Thought, Rational）是美國卡內基梅隆大學的心理學和計算機科學教授約翰·羅伯特·安德森等人提出心理學理論，其基本觀點認為人通過某些方式獲得相對簡單的知識單元，這些知識單元按照復雜的方式組合起來形成復雜的認知行為[2-3]。

根據ACT-R 基本觀點，可以進一步將知識分為陳述性知識和程序性知識[4-5]。 其中，陳述性知識是一些小的原始知識單元組成的信息塊，反映的是人們知道并且可以表達的、靜態的事實信息，其實質是命題和命題網絡，它通過對先前經驗的記憶和對環境信息的編碼獲得。 顯然，陳述性知識與經驗有關，但理解一個概念不僅需要經驗，還需要可以靈活地解決相關問題，所以需要程序性知識。程序性知識指的是大量解決各種具體問題、 采取具體認知活動的規則單元。 陳述性知識和程序性知識之間可以互相轉化，所有知識最初都是以陳述性知識的方式進入陳述性記憶，然后形成程序性知識。

由此可知，ACT-R 理論描述是人類的認知過程，該理論說明了解決問題技能的形成過程，闡述了陳述性知識與程序性知識之間的相互轉化關系，強調陳述性知識是程序性知識獲得前提條件，主要體現在兩點：1）學習者通過課堂學習與課后練習在記憶系統中儲存大量樣例，形成陳述性知識；2） 學習者遇到問題時可以直接從記憶中提取對應樣例，通過將當前問題與樣例進行類比，粗象出產生規則，形成程序性知識。

3 在線教學的啟示

ACT-R 理論解釋了認知技能的獲得過程，把人類的認知過程這一個復雜的問題簡單化，從認知過程的本質出發更加合理有效安排學習。 因此，這一理論對于開展“電路原理”在線教學方法有一定的啟發性意義[6-8]，具體闡述如下：

3.1 對于不同的知識應采取不同的教學策略

ACT-R 理論將知識分為陳述性知識和程序性知識，陳述性知識反映的是概念，一般通過經驗或教師的講授獲得；程序性知識反映的是認知技能程序，首先以陳述性形式呈現，逐漸轉化成程序性知識。

在教學過程中，對于陳述性知識和程序性知識在獲得方式上的差異應該有清醒認識，針對陳述性知識和程序性知識在獲得方式上的差異，應該采取差異化的教學策略，主要體現在：首先要明確某一知識的類型。 對于概念一類的知識，確定其為陳述性知識，對其教學可以通過設置情境將當前的知識與經驗相聯系，幫助學生更直觀地學習概念，使學生更容易地理解概念的定義。 對程序性知識的教學要注重類比，即將當前知識與已有的經驗知識做比較，有利于形成對陳述性知識的編碼，最終演變成程序性知識。 因此，在“電路原理”課程教學的過程中，教師應該重視類比知識的運用，培養學生主動進行類比的能力。 學生將樣例與已有的經驗知識進行類比，形成產生式規則，領會解決問題的過程。

3.2 應該有充分的教學互動

根據ACT-R 理論，熟練的解決基本問題是解決復雜問題以及創新性思維的基礎。 但是，需要注意的是僅靠大量的練習并不能確保學生獲取足夠多的信息塊和足夠激活水平以及強度的產生。 特別是如果學生練習的是錯誤的技能，其建立起的是錯誤的基礎認知，那么將影響其對后續課程的學習和理解，所以師生之間的教學互動十分關鍵。 通過教學互動，教師可以了解到學生的學習誤區，及時進行指導并糾正，幫助學生建立起正確的基本認知，為其進一步建立創新型思維打好基礎，通常會出現三種情況：如果多數學生對教學內容的學習沒有達到教學目標甚至出現偏離時，教師必須調整教學策略；如果多數學生對教學內容的學習達到了教學目標時，對于這些學生應該進行肯定，鼓勵其進一步運用所掌握的技能進行創新；而對于尚未達到學習目標或者出現偏離的學生，教師應該與學生一起分析所學的知識，幫助學生找到薄弱點與偏差點，使學生可以克服困難，跟上學習進度。

3.3 需要有效練習

根據ACT-R 理論，有效練習有助于學生掌握所學的知識。 有效練習需要滿足兩個條件：1）教師根據教學進度與學生的實際情況靈活布置任務，練習只有符合學生現有的認知水平，才能夠促進學習與提高；2）練習應該是由淺入深，難度呈現梯度式增加，太簡單的題目對學生沒有太大啟發作用，太難的題目對學生來說找不到解決思路，打擊自信心。 布置由易到難得題目，簡單題為難題做鋪墊，不斷形成階梯，為學生解決下一個難度的題目提供基礎和自信。

4 結語

ACT-R 的基本理論認為人通過某些方式獲得相對簡單的知識單元，這些知識單元按照復雜的方式組合起來形成復雜的認知行為。依據這一理論，提出將知識進行分類，并且對不同種類的知識采取不同的教學策略。 通過教學互動確保學生獲得正確的基本認知，為創新型思維奠定基礎。 這些啟示有利于開展“電路原理”在線教學，在實踐中還需要進一步結合具體的教學方法。