基于建構主義教學理論的光電成像原理課程教學改革研究

摘" 要：光電成像原理課程作為無人裝備工程本科專業的核心主干課，為更好地完善學員知識體系，實現“學以致用”的教學目標，課程組從“光電成像系統-器件-原理-性能”的角度逆向重構教學內容、提出基于知識圖譜的建構主義教學模式、改革教學評價方式，幫助學員構建完善知識體系，有效實現知識“外化”。

關鍵詞：建構主義教學理論;知識圖譜;課堂教學創新;教學模式改革;光電成像原理

中圖分類號：G642" " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2025）04-0147-04

Abstract： In order to better improve the students' knowledge system and practical ability， the course team of The Principle of Photoelectric Imaging reconstructs the teaching content from the perspective of \"Optoelectronic Imaging Systems-Devices-Principles-Performance\"， proposes a constructivism teaching mode based on knowledge graphs and reforms teaching evaluation methods. The above measures aim to assist students in building a sound knowledge system and effectively achieve the \"externalization\" of knowledge.

Keywords： constructivism education theory; knowledge graph; innovation in class-teaching; teaching mode reform; The Principle of Photoelectric Imaging

光電成像原理課程是無人裝備工程本科專業的基礎必修課，共52學時。教學內容主要涵蓋光電成像器件的成像原理、主要性能參數，以及典型光電成像系統的結構及應用。目的是幫助學員理解光電成像器件的工作過程，掌握光電成像系統的組成、功能及工作原理，具備分析解決光電成像系統典型問題的能力。

本課程經過多年教學模式改革與探索實踐，在解決課程概念抽象、理論公式繁多、推導過程復雜等教學難題方面，形成了一套行之有效的解決方案。然而，學員對于光電成像原理知識外化程度明顯不足。從知識“學到了、講明白、做出來”的三個階段來看，大部分學員僅停留于“學到了”的初級階段，能夠達到課程考試的基本要求，但很少有學員能夠向其他人“講明白”光電成像原理的整個知識體系，更別談將理論知識運用到光電成像系統的使用問題中，達到“做出來”的水平。反思課程的教學過程，有以下兩個痛難點：

一是僅強調知識的理解掌握，忽略了知識體系的形成與反饋。盡管運用了很多信息化、智能化課堂教學方法，但出發點還是停留在學員對單個知識點/知識模塊的理解掌握，使得學員面對本課程多而散的知識點，無法在自身頭腦中進行深度連接、結構重整，沒有形成系統性知識體系、生成自己新的認知，導致大部分學員在大腦的自然遺忘規律下，很快忘記所學知識，真正需要用的時候卻想不起來。

二是缺少知識運用訓練，“理論會考不會用”問題突出。對于成像問題的分析往往需要從現象到本質的逆向推導，這不僅需要學員能夠融會貫通數電模電、工程光學等多門課程的相關知識，還能夠靈活地從多個角度來進行分析，對學員的逆向邏輯思維提出了非常高的要求。而學員在過去的學習中，大多數是基于順向思維引導，缺乏對逆向思維的實踐和訓練，導致出現 “理論會考不會用”的尷尬局面。

針對上述教學痛難點問題，課程組從“系統-器件-原理-性能”的角度逆向重構教學內容、提出基于知識圖譜的建構主義教學模式、改革教學評價方式，幫助學員構建完整知識體系，有效實現知識外化。具體舉措如下。

一" 課程內容重構

為了實現課程教學目標，學員需學習像管、CCD等6種光電成像器件，夜視儀、紅外熱像儀等5種光電成像系統，100余個基礎知識與基本概念。為有效實現“學到了”“講明白”“做出來”的目標。課程組從兩個方面重構課程內容體系。

（一）" 以知識為導向，自底向上構建知識學習體系

按照“基礎理論—成像器件—成像系統”的順序組織內容，體現的是一種典型的自底向上、從簡單到復雜的順向思維。

（二）" 以能力為導向，自頂向下構建知識運用體系

依據專業技術人員能力養成的邏輯規律，通過自頂向下的逆向重構，以“成像系統—成像器件—工作原理—性能指標”為邏輯主線（如圖1所示），首先從系統出發，講授其功能應用，然后再剖解到局部器件，講授其地位作用并分析性能指標，最后再對器件剖解并闡釋內在的工作原理，強化學員逆向思維能力。優化后的教學內容可以實現：

1）分散知識的體系結構化。以光電成像系統為主體，將教材中原本多而分散的知識點關聯起來，有助于幫助學員構建完整的知識架構。

2）知識運用的能力導向化。通過由外向內、由系統到零部件的逆向順序學習，使其在后期分析光電成像系統問題時，也能按照同樣的思路抽絲剝繭，潛移默化地培養其逆向邏輯思維習慣。

綜上所述，通過對教學內容的重構與優化，學生既能夠基于教材順向梳理由器件到系統的成像過程，也可以基于逆向重構后的教學內容，由外向內地分析系統的成像問題，更好地達成教學目標。

二" 教學方法創新

針對學員“知識體系不完善”“理論會考不會用”的教學痛難點問題，光電成像原理課程組以建構主義學習理論[1-5]為指導，提出了基于知識圖譜的建構主義教學模式。即借助知識圖譜教學軟件，結合情景、協作、會話等學習環境，引導學員將所學的知識按自己的邏輯進行知識圖譜建構、融會貫通，最終實現知識“外化”。在該教學模式下，具體教學內容采用的教學方法如下。

（一）" 基于知識圖譜的支架式教學法

基于知識圖譜的支架式教學法[6-7]適用于理論框架明確、邏輯性強、學員已具備一定基礎的教學內容。步驟如圖2所示，具體包括：

1）搭腳手架。教員按“最近鄰發展區”的要求設置學習主題，搭建腳手架。

2）獨立探索。教員設置問題，發布相關資源，啟發引導學員沿著搭建好的腳手架逐步攀升學習。

3）圖譜構建。學員基于所學知識繪制知識圖譜框架，并挑選知識框架中最有觸動的知識點，按照自己的理解闡釋上傳，教員點評，選出有代表性的進行分享。最后，學員反饋知識框架中難以理解的知識點，教員統計共性難點問題。

4）協作學習。針對框架中的重難點內容以及學員反映的共性問題，通過小組協商、課堂實驗、小組辯論等形式，對知識問題進行辨析、研討，在共享集體思維成果的基礎上達到對建構的知識圖譜框架進行完善與拓展，最終完成對所學知識的意義建構。

5）效果評價。通過小組互評與教員評價，從知識圖譜邏輯正確性、完善性、學員自學能力、協作學習過程中的討論效果等進行評價。

（二）" 基于知識圖譜的拋錨式教學法

基于知識圖譜的拋錨式教學法[6-7]適用于理論與實際結合緊密、案例豐富、具有一定難度的教學內容。步驟如圖3所示，具體包括：

1）創設情境。結合學習主題，教員創設與現實情況基本一致或相似情境。

2）啟發引導。選擇與當前學習主題密切相關的真實性事件或問題作為學習的中心內容，讓學生面臨并需要立即去解決該現實問題。

3）自主探究。教員向學生提供解決該問題的相關線索，發展學員的“自主學習”能力。學員結合自己搜集的資料，分析、加工并思考問題解決方案，初步完成解決該問題所需的知識圖譜建構[8-10]。

4）協作學習。通過小組討論、交流，通過不同觀點的交鋒，加深學員對當前問題的理解，并及時補充、修正已構建完成的知識圖譜，并將問題的分析與解決思路按照各自的理解闡釋上傳。

5）效果評價。結合學員完成的知識圖譜，評價學員確定學習內容表的能力、獲取有關信息與資料的能力、利用評價相關信息及資料的能力。

（三）" 基于知識圖譜的隨機進入式教學法

基于知識圖譜的隨機進入式教學法[6-7]適合于運用場景多樣化，對學員靈活運用能力要求高、課程中與上下文鏈接豐富的教學內容。步驟如圖4所示，具體包括：

1）呈現基本情境。向學員呈現與當前學習主題的基本內容相關的情境。

2）隨機進入學習。學員“隨機進入”學習所選擇的內容，而呈現與當前學習主題的不同側面特性相關聯的情境。

3）思維發展訓練。通過設置有利于學生認知能力發展的問題引導學員思考，結合知識圖譜構建過程，引導學員建立自己的思維模型，同時通過拓展性問題，培養學員的發散性思維，進一步補充完善知識圖譜[8-10]。

4）小組協作學習。圍繞呈現不同側面的情境所獲得的認識展開小組討論，在討論中，每個學員的觀點在和其他學員以及教員一起建立的研討環境中受到考察、評論，同時每個學員也對別人的觀點、看法進行思考并作出反應。

5）學習效果評價。通過小組互評與教員評價，從學員自學能力、小組學習過程中所作的貢獻以及是否完成對所學知識的意義建構三方面進行評價。

三" 教學評價改革

堅持“以評促學、以評促改、以評促建”的考核理念，設計了形成性考核（滿分100分，占比60%）+終結性考核（滿分100分，占比40%）相結合方式的課程考核方式。其中，終結性考核為閉卷考試，滿分100分，終結性考核不及格，計課程考核成績不及格，最高為59分。

針對形成性考核的評價見表1，由于不同教學內容采用的教學方法不同，因此涉及到的具體環節及評價點不同，具體見表1。

四" 改革實踐效果

（一）" 學員學習效果評價

課程組于2022年秋季學期針對第五章至第十章的教學內容開展教學模式改革，其他內容采用傳統教學方式授課。通過不同的授課模式，對比分析學員在終結性考核（A、B卷閉卷考試）過程中的得分情況發現，A卷平均分79.5分，B卷平均分79分，兩套題目難易程度相當，題型覆蓋全內容。對比A、B卷答題情況，從每題的得分率可以看出：總體上，學員對第五章、第六章、第七章相關內容掌握較好，平均得分率在80%以上。相反，對第一到四章部分題目容易的情況下僅有20%～40%的學員答對。對比可知，采用改革后的教學模式講授的相關內容，平均得分率為85.25%，而采用傳統教學方式授課的相關內容，平均得分率為70.35%。對比可知，采用基于知識圖譜的建構主義教學模式，學員得分率提升了14.9%。

（二）" 教學痛難點改善明顯

2022年由于疫情影響，學員在無時間復習的情況下參加光電成像原理課程考試，基于傳統教學模式教授的相關內容學員得分率為20%～40%，相比之下，教學模式改革后教授的相關內容學員得分率基本在80%以上。專業實習期間，學員知識運用能力明顯提升，解決光電成像系統相關問題2起，受到實習單位好評，實現了課程理論知識向實踐的直接轉換，一定程度上改善了學員“知識體系不完善”“理論會考不會用”的痛難點問題。

五" 結束語

課程組圍繞光電成像原理歷年來教學過程中存在的學員“知識體系不完善”“理論會考不會用”兩大痛難點問題，從學員“體系知識建構、逆向思維培養”兩方面進行突破。通過逆向重構教學內容，使學員學會從頂向下思考剖析光電成像系統，并以建構主義教學理論為指導，引入知識圖譜教學工具，使知識建構過程、關系梳理鏈接等過程得以具象化、可監督可評價，從而激發了學生學習的主動性和創造性，使學生的知識、能力、素養得到了綜合一體化培養，更好地實現了課程教學目標，提升了教學質量。

參考文獻：

[1] 何克抗.建構主義——革新傳統教學的理論基礎（中）[J].電化教育研究，1997（4）：25-27.

[2] 何克抗.建構主義——革新傳統教學的理論基礎（四）[J].教育學報，1998（6）：12-16.

[3] 何克抗.建構主義——革新傳統教學的理論基礎（一）[J].教育學報，1998（3）：29-31.

[4] 何克抗.建構主義——革新傳統教學的理論基礎（三）[J].科學課，2004（2）：48-49.

[5] 何克抗.關于建構主義的教育思想與哲學基礎——對建構主義的再認識[J].現代遠程教育研究，2004（3）：12-16.

[6] 何克抗.對美國《教育傳播與技術研究手冊》（第三版）的學習與思考之一——對“建構主義學習原則”和“建構主義教學設計”認識的深化[J].電化教育研究，2013，34（7）：5-10，52.

[7] 何克抗.建構主義的教學模式、教學方法與教學設計[J].北京師范大學學報：社會科學版，1997（5）：74-81.

[8] 王成，胡瑞鑫.基于可視化系統的知識圖譜教學模式[J].教育現代化，2021（39）：166-169.

[9] 李直旭，何芙珍，劉安.多模態教學知識圖譜的構建與應用[J].福建電腦，2019，35（8）：5-8.

[10] 胡澤文，孫建軍，武夷山.國內知識圖譜應用研究綜述[J].圖書情報工作，2013，57（3）：131-137，84.

基金項目：陜西高等教育教學改革重點攻關項目“基于系統工程思維的多學科交叉類課程教學改革與實踐”（23BG057）

第一作者簡介：趙搏欣（1987-），女，漢族，四川內江人，工學博士，副教授。研究方向為光電成像技術。