基于奧蘇伯爾學習理論和學科競賽的實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)

王藝霖 曲爽 雷淑忠

【摘? ?要】? ?基于奧蘇伯爾學習理論中“有意義學習+發(fā)現(xiàn)學習”的理念，對認知結(jié)構(gòu)遷移理論進行了完善，建立了一種實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的新方式。新方式利用學科競賽來降低認知結(jié)構(gòu)遷移理論的實施成本，并按“意義剖析、環(huán)節(jié)設計、深度參與、總結(jié)反饋”4環(huán)節(jié)來制定具體措施，完善認知結(jié)構(gòu)遷移理論在實踐教學領域的應用路徑。新方式已在土木工程專業(yè)的結(jié)構(gòu)設計競賽中進行了深度應用，結(jié)果表明新方式具有理論基礎扎實、可操作性強、實施效果顯著等優(yōu)勢。

【關(guān)鍵詞】? ?有意義學習；發(fā)現(xiàn)學習；實踐；創(chuàng)新；結(jié)構(gòu)設計

Research on the Cultivation of Practical Innovation Ability Based

on Ausubel′s Learning Theory and Subject Competition

Wang Yilin， Qu Shuang， Lei Shuzhong

（Shandong Jianzhu University， Jinan 250101， China）

【Abstract】? ? Based on the concept of "meaningful learning + discovery learning" in Ausubel′s learning theory， improvement of the cognitive structure transfer theory has been proposed. A new manner of cultivating practical innovation ability has then been established. This new manner employs academic competition to reduce the implementation cost of cognitive structure transfer theory， and formulates specific measures according to the four links of "meaning analysis， link design， in-depth participation， summary and feedback" to perfect the application path of cognitive structure transfer theory in the field of practical teaching. This new manner has been deeply applied in the structural design competition of civil engineering specialty， and the results show that it has the advantages of solid theoretical foundation， strong operability and significant implementation effect.

【Key words】? ? ?meaningful learning; discovery learning; practice; innovation; structural design

〔中圖分類號〕? G642? ? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻標識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2024）01- 0111 - 05

0? ? ?引言

奧蘇伯爾（David Paul Ausubel）是美國著名的認知教育心理學家，基于認知主義學習理論開創(chuàng)了以行為主義和認知心理學為背景的學習理論。奧蘇伯爾學習理論認為學習是認知結(jié)構(gòu)的組織和再組織，在學習過程中既要強調(diào)已有知識經(jīng)驗的作用，又要強調(diào)學習材料本身的內(nèi)在邏輯結(jié)構(gòu)，通過積極主動的內(nèi)部信息加工使學習者獲得充足的經(jīng)驗，進而達到認知水平的新高度。總的來看，奧蘇伯爾學習理論具有明顯的建構(gòu)主義特征，其關(guān)于學習的逐漸分化原則、整合協(xié)調(diào)原則以及實現(xiàn)這兩大原則的先行組織者策略，直接推動了當代建構(gòu)主義教學模式的發(fā)展。

實現(xiàn)“有意義學習+發(fā)現(xiàn)學習”的核心在于：學習者應跳出“在外在因素影響下產(chǎn)生被動刺激反應”的層次，在接受知識的過程中不斷進行理解與頓悟。為此，奧蘇伯爾又提出了認知結(jié)構(gòu)遷移（學習遷移）理論：“遷移”在此是心理學概念，指的是先前學習對后繼學習的影響作用。認知結(jié)構(gòu)遷移理論認為：凡是利用先前學習來促進后繼學習的地方就存在著遷移；教學應圍繞“遷移”進行；有效教學的實質(zhì)是塑造學生良好的認知結(jié)構(gòu)。奧蘇伯爾學習理論的概括與優(yōu)選如圖1所示：

目前，奧蘇伯爾學習理論已在多領域獲得了具體應用［1-3］。但值得注意的是，從現(xiàn)實的角度來看，“發(fā)現(xiàn)學習”在時間、空間、技術(shù)、人員等方面的成本往往較大，同時還需要學生具備一定的發(fā)現(xiàn)需要和經(jīng)驗，導致使用范圍受限。因此對于一般的課堂學習，奧蘇伯爾仍提倡接受式的“講授式教學”，但強調(diào)接受學習應是一個概念同化的過程。對于高校的各類理工科專業(yè)來說，不能局限于課堂學習，實踐教學的地位往往不亞于甚至高于理論教學［4］。對于實踐教學，更加適合采用“有意義學習+發(fā)現(xiàn)學習”的模式，但現(xiàn)有的相關(guān)研究還較為少見。

因此，本文將面向理工科專業(yè)的實踐教學，基于“有意義學習+發(fā)現(xiàn)學習”理念，對認知結(jié)構(gòu)遷移理論進行有針對性的完善，結(jié)合一線教學的探索與經(jīng)驗總結(jié)，提供一種基于奧蘇伯爾學習理論和學科競賽的學生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)新方式。

1? ? ?面向?qū)嵺`教學的認知結(jié)構(gòu)遷移理論完善方向

奧蘇伯爾時代的認知結(jié)構(gòu)遷移理論主要面向的是課堂教學，具體的遷移促進方式包含教學技術(shù)、教材內(nèi)容、教材呈現(xiàn)三方面。但對于實踐教學，尤其是高校理工科專業(yè)的深度實踐性教學，傳統(tǒng)的認知結(jié)構(gòu)遷移理論具有一定的時代局限性，尤其是在以下兩個方向具有一定的完善空間。

（1）如何合理地降低實踐教學中實現(xiàn)認知結(jié)構(gòu)遷移的成本？

如果實施成本不可控，則各種具體措施難以有效落地，認知結(jié)構(gòu)遷移的真正落地與持久生效也難以得到保證。

（2）如何以實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心目標、更加有效地促進實踐教學中的認知結(jié)構(gòu)遷移。

目前有關(guān)課堂教學中促進認知結(jié)構(gòu)遷移的具體方式較為完備，但有關(guān)實踐教學的具體方式偏少，經(jīng)過應用效果檢驗的具體方式更為稀少。基于以上完善方向，下面將對認知結(jié)構(gòu)遷移理論進行針對性的完善，提出實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的新方式，以更好地落實“有意義學習+發(fā)現(xiàn)學習”理念、促進學生實踐創(chuàng)新能力的提升。

2? ? ?基于奧蘇伯爾學習理論進行實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的新方式

對應認知結(jié)構(gòu)遷移理論待完善的兩個方向，新方式具備兩方面的內(nèi)涵。

（1）將學科競賽視為專業(yè)實踐的重要組成部分，充分利用學科競賽來降低實踐教學中實現(xiàn)認知結(jié)構(gòu)遷移的成本。一般來說，理工科的專業(yè)實踐均需要付出較大的人力物力成本，導致實施的范圍和深度常常受限。但隨著主管部門層面的支持力度不斷加大，各學科的競賽活動日益豐富，企業(yè)贊助的專業(yè)競賽活動也日益活躍。因此，可強調(diào)將認知結(jié)構(gòu)遷移理論的實施與學科競賽活動深度綁定，借助高水平學科競賽的多方資源（一般包括主辦方、承辦方、贊助方等）來實現(xiàn)實踐教學中認知結(jié)構(gòu)遷移成本的“微新增”或“不新增”。

（2）結(jié)合學科競賽因事制宜地確定具體方式，進一步促進實踐教學中的認知結(jié)構(gòu)遷移。對于實踐教學中的認知結(jié)構(gòu)遷移，不能像一般課堂教學那樣從教學技術(shù)、教材內(nèi)容、教材呈現(xiàn)等方面入手來落實，需要回歸實現(xiàn)認知結(jié)構(gòu)遷移的基本原理，進而在實操層面進行一些變通。具體來說，為了更好地促進學生認知結(jié)構(gòu)的遷移，可結(jié)合學科競賽，按“實踐意義剖析、實踐環(huán)節(jié)設計、實踐深度參與、實踐總結(jié)反饋”4環(huán)節(jié)來確定具體方式。

實踐意義剖析：在此環(huán)節(jié)向?qū)W生深入講解學科競賽的具體意義，激發(fā)學生的參與興趣，提升參與熱情，為認知結(jié)構(gòu)遷移提供主觀能動性基礎。

實踐環(huán)節(jié)設計：在此環(huán)節(jié)精心進行學科競賽的參賽組織和指導方案合理化設計，尤其是競賽題目與專業(yè)知識的對應、相關(guān)基礎知識的鞏固、師生互動的合理模式確立等。

實踐深度參與：此環(huán)節(jié)應讓學生深度參與競賽活動、保質(zhì)保量地完成各項競賽要求，確保專業(yè)實踐不流于形式。同時，指導教師也應深度參與，在合適的環(huán)節(jié)或節(jié)點進行深入有效的師生互動，共同提升參賽作品的理論高度及細節(jié)水平，并對計算書等書面材料進行質(zhì)量把關(guān)、確保其概念準確、計算完備、邏輯清晰。

實踐總結(jié)反饋：在此環(huán)節(jié)要求學生依據(jù)參賽真實感悟來提供內(nèi)容詳實、角度全面、思考深入的實踐總結(jié)報告，給指導教師以切實有效的反饋。同時，指導教師給出認真的點評，完成最后一次師生互動為本次專業(yè)實踐畫上圓滿的句號。通過高質(zhì)量的總結(jié)與反饋可使學生實現(xiàn)一定程度的思維升華，提升理論層面的收獲層次。

實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)新方式的兩點內(nèi)涵是有機結(jié)合的，首先應積極參與各類學科競賽，然后在競賽的組織與指導過程中按“意義剖析、環(huán)節(jié)設計、深度參與、總結(jié)反饋”4環(huán)節(jié)全面落實具體方式，實現(xiàn)認知結(jié)構(gòu)的有效遷移，如圖2所示。

3? ? ?應用實例

結(jié)構(gòu)設計競賽對學生的力學基礎、專業(yè)知識掌握程度、創(chuàng)新思維和動手能力等都有一定的要求，在幫助學生樹立創(chuàng)新思維模式的同時可有效提升

學習興趣與熱情，提高學生分析問題、運用所學專業(yè)知識解決問題的綜合能力［5-6］，因此受到了學界的廣泛關(guān)注［7-12］。

作為土木工程專業(yè)的省一流學科，山東建筑大學積極組織學生參與結(jié)構(gòu)設計競賽，并在參賽過程中對基于奧蘇伯爾學習理論的實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)新方式進行了詳細探討與完善，實現(xiàn)了理論分析與實踐應用的深度結(jié)合，及時檢驗了理論成果，豐富并完善了“有意義學習+發(fā)現(xiàn)學習”的模式在土木工程專業(yè)實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面的應用范式。

3.1? ?第四屆北京市大學生建筑結(jié)構(gòu)設計競賽

本次競賽旨在設計并制作一個縮小版的風力發(fā)電塔架結(jié)構(gòu)，要求以盡可能輕的重量來經(jīng)受三項加載試驗（豎向、水平、豎向與水平同時加載），同時應力求美觀。結(jié)構(gòu)外輪廓尺寸高度為1000 mm（誤差±5 mm），平面尺寸不大于100 mm×100 mm，塔架頂部支撐的尺寸為200 mm×100 mm×100 mm，所有結(jié)構(gòu)的組成部分必須由竹皮制成。

在積極組建參賽隊伍的基礎上，基于“有意義學習+發(fā)現(xiàn)學習”的理念，以“認知結(jié)構(gòu)遷移”為核心，按“實踐意義剖析、實踐環(huán)節(jié)設計、實踐深度參與、實踐總結(jié)反饋”4環(huán)節(jié)進行了深入有效的組織與指導。

（1）實踐意義剖析

向參賽隊員全面深入地闡述題目的實際意義和工程價值，充分激發(fā)學生的興趣，深刻理解賽題的意義，引導學生將參賽過程視為一個“有意義學習”的過程。

（2）實踐環(huán)節(jié)設計

帶領學生快速回顧需要用到的相關(guān)專業(yè)知識（材料力學、結(jié)構(gòu)力學、荷載與結(jié)構(gòu)設計方法等），一方面可以繼續(xù)強化參賽的意義（實操和鞏固專業(yè)知識），另一方面可以使學生充分認識到實際應用與所學知識之間的遞進關(guān)系（專業(yè)知識是設計作品的基礎，但并不能直接從現(xiàn)有知識中找出作品方案），從而深刻體驗到“發(fā)現(xiàn)學習”。

（3）實踐深度參與

發(fā)揮團隊的力量，基于對專業(yè)知識的深刻領會與靈活運用，在“靈感”的加持下進行合理設計方案的“發(fā)現(xiàn)”，并通過反復的優(yōu)化設計和動手操作使其達到理想的實際效果，經(jīng)得起實際加載的檢驗，更加充分地體會對專業(yè)知識進行學習與實踐的意義。

值得強調(diào)的是，“靈感”的獲取離不開參賽熱情的激發(fā)、扎實的專業(yè)知識基礎以及對身邊/網(wǎng)絡相關(guān)實際工程案例的深入觀察。通過前期工作，基本促成了認知結(jié)構(gòu)的遷移，建立起了書本知識與實際模型或結(jié)構(gòu)的“強聯(lián)系”，從而可有力地激發(fā)學生去主動觀察和了解相關(guān)的類似工程結(jié)構(gòu)，更好地激發(fā)“靈感”。在“有意義學習+發(fā)現(xiàn)學習”理念的有效引領下，參賽團隊達成了認知結(jié)構(gòu)的良好遷移，最終得到了圖3所示的參賽作品。

本作品綜合運用了材料力學與結(jié)構(gòu)力學的基本原理和知識，充分合理地發(fā)揮了材料的力學性能，結(jié)合風荷載的專業(yè)知識，在桁架式的范圍內(nèi)優(yōu)選了承重骨架的布置形式，實現(xiàn)了材料強度的充分利用和穩(wěn)定性的合理控制，最終以較高的“荷載/自重”比值和高質(zhì)量的計算說明書取得了高分，獲得了一等獎。

（4）實踐總結(jié)反饋

最后，進行充分的賽后總結(jié)，參賽隊員寫出詳細的參賽總結(jié)與體會，指導教師根據(jù)反饋信息進行適當?shù)狞c評和升華，形成邏輯清晰、完整充實的總結(jié)報告，再次加深學生的實踐感悟、拓展實踐收獲。

一整套的4環(huán)節(jié)指導模式實現(xiàn)了學生認知結(jié)構(gòu)在專業(yè)實踐領域的有效遷移，完成了高質(zhì)量的專業(yè)實踐教學，使參賽學生的收獲很飽滿，也為后續(xù)比賽積累了寶貴的、系統(tǒng)化的經(jīng)驗。

3.2? ?第五屆北京市大學生建筑結(jié)構(gòu)設計競賽

賽題與第四屆類似，也是設計一種抗風的塔架式結(jié)構(gòu)。在充分吸收已有經(jīng)驗的基礎上，對“有意義學習+發(fā)現(xiàn)學習”下的認知結(jié)構(gòu)遷移模式進行了更深層次的優(yōu)化，引導學生進一步提升“方案發(fā)現(xiàn)”的質(zhì)量，同時在美觀方面也有所側(cè)重，強調(diào)力學與美學的統(tǒng)一，強化“綜合性學習”的意義，更好地傳遞真實工程結(jié)構(gòu)的功能要求，使學生更能感受參賽帶來的深度學習意義，拓展“發(fā)現(xiàn)”的靈感源泉。最終作品采用了三角形桁架結(jié)構(gòu)，并在三根豎向弦桿中采用了三角形截面，各弦桿和腹桿通過結(jié)點連接形成了一個個三角形，使作品達到了強度、剛度、穩(wěn)定性與美觀的高度統(tǒng)一。

3.3? ?第六屆北京市大學生建筑結(jié)構(gòu)設計競賽

同樣基于已有的指導模式，圍繞賽題要求，更充分地激發(fā)參賽團隊的“靈感”來源，借鑒超高層結(jié)構(gòu)中的“筒中筒”類別，繼續(xù)發(fā)揮桁架結(jié)構(gòu)的諸多技術(shù)優(yōu)勢，設計了桁架式的雙筒型結(jié)構(gòu)體系。同時，在方案成熟化的基礎上，強調(diào)了手工質(zhì)量，引導學生“精細拼接、精致手工”。尤其是在結(jié)構(gòu)結(jié)點位置的桿端處理、桿桿之間咬合的處理方面，對處理方式、膠水的用量與施用方式進行了“精益求精”式的指導與訓練，不僅可使作品更加精致，更能提高作品的實際承載能力，讓學生更直接地感受“工程施工質(zhì)量”的重要性，培養(yǎng)工程責任感和工匠精神。

3.4? ?第七屆北京市大學生建筑結(jié)構(gòu)設計競賽

本次的賽題為“承受多荷載工況的大跨度空間結(jié)構(gòu)模型設計與制作”，雖然與以往賽題在形式上差別較大，但完全可以沿用已成型的指導模式。很快，參賽團隊也完成了認知結(jié)構(gòu)的有效遷移，從施威德勒型空間殼體獲得了靈感，確定了結(jié)構(gòu)設計方案，最終作品如圖4所示。

本作品既發(fā)揮了“拱結(jié)構(gòu)”突出優(yōu)勢，又充分承襲了“三角形穩(wěn)定性”的概念，使整體結(jié)構(gòu)受力均勻合理。同時采用了對稱式的正八邊形底面，實現(xiàn)了受力合理與外形美觀的共贏。對于桿件層面，采用了竹皮粘成的箱形斷面（局部添加加勁肋），在保證其承載能力和穩(wěn)定性的基礎上最大限度地提高了抗彎強度。此外，采納了“強節(jié)點、弱構(gòu)件”的整體性設計理念，在節(jié)點處使用少量竹粉填縫、再用薄竹皮粘貼，使節(jié)點具有很強的軸心受力能力和抗彎能力。

4? ? ?結(jié)論

對于理工科專業(yè)來說，大學生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)至關(guān)重要。為促進“學以致用”的落實，激發(fā)創(chuàng)新潛力，同時帶動基礎知識的強化，本文面向理工科專業(yè)，基于奧蘇伯爾學習理論中“有意義學習+發(fā)現(xiàn)學習”的指導理念，對認知結(jié)構(gòu)遷移理論進行了有針對性的完善，結(jié)合山東建筑大學在課外科技實踐活動領域的多年探索與總結(jié)，提出了一種培養(yǎng)實踐創(chuàng)新能力的新方式。本方式首先結(jié)合學科專業(yè)賽事來降低認知結(jié)構(gòu)遷移理論的實施成本，然后按“意義剖析、環(huán)節(jié)設計、深度參與、總結(jié)反饋”4環(huán)節(jié)來確定具體實施方式，給出了對應于學科競賽的具體實施措施，完善了認知結(jié)構(gòu)遷移理論在實踐教學領域的應用路徑。

新方式在土木工程專業(yè)的結(jié)構(gòu)設計競賽中已進行了深度應用，并形成了具體的指導模式。應用效果表明，本方式能使認知結(jié)構(gòu)遷移理論在高校理工科專業(yè)的實踐教學方面獲得更大的應用空間，達到顯著的實施效果，可為理工科專業(yè)實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供新動能，對創(chuàng)新教育和實踐教學改革、推動學科創(chuàng)新活動起到一定的積極示范作用，促進創(chuàng)新型人才培養(yǎng)質(zhì)量的切實提升。

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