結(jié)合認知理論優(yōu)化“電工電子技術(shù)”教學策略

唐圣學，陳 麗，毛一之

(河北工業(yè)大學電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室，天津 300130)

近年來，對于認知結(jié)構(gòu)理論、認知遷移理論研究不斷深入，尤其是學生認知結(jié)構(gòu)與教學關(guān)系研究的發(fā)展，且在不同年齡層次學生中利用認知結(jié)構(gòu)、認知遷移理論組織和實施教學應用實踐也得到了眾多教師的關(guān)注。從20世紀30年代，心理學家勒溫指出:學習是認知結(jié)構(gòu)的變化，到當前的教育心理學家和構(gòu)建主義學者都重視知識在頭腦中的重構(gòu)，強調(diào)認知結(jié)構(gòu)的重要性。研究者對認知結(jié)構(gòu)理論的認識已有共識，具體是:①學習過程就是認知結(jié)構(gòu)不斷變化和重新組織的過程，存在于人頭腦中的認知結(jié)構(gòu)始終處于變動與建構(gòu)之中，認知結(jié)構(gòu)具有建構(gòu)的性質(zhì);②良好的認知結(jié)構(gòu)在學習中具有重要的作用，是學習的核心，形成良好的認知結(jié)構(gòu)是學習的核心任務，已經(jīng)形成的良好的認知結(jié)構(gòu)是后繼學習的核心條件;③認知結(jié)構(gòu)理論突出了學生中心的思想，認知結(jié)構(gòu)理論明顯由對教師教的研究轉(zhuǎn)向?qū)W生學的研究，把學生作為研究的中心，突出了學生自主建構(gòu)的必要性和意義［1］。

本文結(jié)合認知結(jié)構(gòu)理論，從課堂教學組織和實施層次上，探索優(yōu)化電子電工技術(shù)教學策略和過程，為我?！半姽る娮蛹夹g(shù)”課程改革和省級精品課程的建設提供新理論和新途徑。

1 “電工電子技術(shù)”課程的認知結(jié)構(gòu)

認知學告訴我們，學科課程所呈現(xiàn)的知識結(jié)構(gòu)不同于學生大腦中的認知結(jié)構(gòu)。知識結(jié)構(gòu)是由一門學科的概念、原理和規(guī)律的內(nèi)在的本質(zhì)聯(lián)系所構(gòu)成的，具體表現(xiàn)為教材結(jié)構(gòu)與教師的教學設計結(jié)構(gòu)。教材的知識結(jié)構(gòu)要更好地轉(zhuǎn)化為學生的認知結(jié)構(gòu)，要以教師教學為中介。因此，要有效的實施“電工電子技術(shù)”課程教學，教師首先要建立“電子電工技術(shù)”課程的認知結(jié)構(gòu)體系。按照認識結(jié)構(gòu)理論要求，我們認為教師應著重從整體上把握教學內(nèi)容的內(nèi)在結(jié)構(gòu)、“電工電子技術(shù)”課程呈現(xiàn)的處理問題的原理和方法以及知識結(jié)構(gòu)在不同層次和全局上的內(nèi)在必然聯(lián)系。

1.1 把握內(nèi)在的知識結(jié)構(gòu)

“電工電子技術(shù)”課程教材內(nèi)容雖然繁多，但從整體上看基本知識結(jié)構(gòu)可分電路分析，交流電工，模擬電路和數(shù)字電路4部分，每部分都有相對獨立的結(jié)構(gòu)體系。電路分析主要研究電路的基本原理和分析方法，內(nèi)容包括電阻、電容、電感、電壓源和電流源等基本電路元件，由元件構(gòu)成的電路拓撲結(jié)構(gòu)和拓撲約束的基本原理，以及建立元件理想模型、列寫電路方程等研究分析方法。交流電工部分主要涉及電工技術(shù)應用，包括變壓器、發(fā)電機、電動機、電器和PLC器件等元件構(gòu)成及工作原理，以及正確使用由這些元器件組成的電機控制系統(tǒng)的技術(shù)知識。模擬電路研究對象是系統(tǒng)輸出與輸入信號之間的大小、相位和失真等方面的關(guān)系。基本組成元件為晶體管、場效應管、集成運算放大器，基本模擬電路有信號放大及運算 (信號放大、功率放大)和信號處理(采樣保持、電壓比較、有源濾波)、信號發(fā)生 (正弦波發(fā)生器、三角波發(fā)生器等)及小功率直流穩(wěn)壓電源和電力電子電路，采用的研究方法為建立等效模型、信號分析和近似計算。數(shù)字電路研究對象為系統(tǒng)輸出與輸入信號間的邏輯關(guān)系，基本電路元件為邏輯門電路、觸發(fā)器，基本數(shù)字電路有組合邏輯電路、時序電路(寄存器、計數(shù)器、脈沖發(fā)生器、脈沖整形電路)、A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器，研究方法為真值表和布爾代數(shù)［2，3］。

1.2 把握處理問題的原理和方法

學習過程就是認知結(jié)構(gòu)不斷變化、重構(gòu)和遷移過程。為了有效促進認知結(jié)構(gòu)遷移，教師應該突出把握住較高概括性、包容性和強有力解釋效應的基本概念和原理和方法。授課進程中要盡可能優(yōu)先傳授具有這些特點的科學知識，以便學生能對學習內(nèi)容加以組織和綜合。“電工電子技術(shù)”是處理與電相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)技術(shù)課程，以電路分析為例，應著重強調(diào)的基本概念和原理有:元件約束原理(歐姆定理)、電路拓撲原理(基爾霍夫定理)和換路定則;應著重強調(diào)的基本分析方法有:回路法、節(jié)點電壓法，置換法、疊加原理、置換原理、戴維南定理和諾頓定理;應著重強調(diào)的處理技術(shù)有:器件建模技術(shù)、等效替代技術(shù)和疊加技術(shù)等。

除了把握住基本原理、方法和技術(shù)外，還應該根據(jù)“電工電子技術(shù)”自身特點，從工程應用層次上突出提升學生的認知結(jié)構(gòu)，建立聯(lián)系理論與實際的過渡認知結(jié)構(gòu)。例如，還要重點強調(diào)器件建模問題，定理適用范圍問題、近似計算問題和工程優(yōu)化問題。

1.3 把握知識結(jié)構(gòu)不同層次上的內(nèi)在聯(lián)系

認知結(jié)構(gòu)理論要求，只有把握知識結(jié)構(gòu)的不同層次、部分的、整體上的內(nèi)在必然聯(lián)系，才能有效促進學生形成認知結(jié)構(gòu)的構(gòu)建和遷移?！半姽る娮蛹夹g(shù)”知識同其他學科知識一樣，知識的不同部分，不同層次和整體上存在著內(nèi)在邏輯關(guān)系，知識間相互聯(lián)系和相互作用使知識各成分有機聯(lián)系在一起。元器件是構(gòu)成電路的基礎(chǔ)，元器件的外部特性是其本身所固有的約束關(guān)系，決定器件輸人輸出之間的內(nèi)在聯(lián)系;器件拓撲連接形成電路和電路形成系統(tǒng)，其拓撲約束是基爾霍夫定律，是分析電路的基礎(chǔ);結(jié)合回路法和戴維南定理等方法便形成了解決復雜電路系統(tǒng)問題的內(nèi)在知識體系。

把握知識的內(nèi)在聯(lián)系，以及讓學生構(gòu)建知識的內(nèi)在聯(lián)系，教師可以從2方面入手:① 對原有知識結(jié)構(gòu)重新整合，從中找到內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律;②通過知識間的類比，把握其本質(zhì)聯(lián)系。例如:類比電阻和阻抗兩個概念時，學生會發(fā)現(xiàn)，阻抗的概念是與電阻的概念相對應，共同點是都對電流有阻礙作用，不同點是阻抗除了表示大小的幅值，還有表示電壓電流間超前滯后時間關(guān)系的相角;進而進一步類比，就會找到處理直流電流與交流電流的歐姆定律的異同，掌握他們的內(nèi)在聯(lián)系。

2 運用認知結(jié)構(gòu)理論優(yōu)化教學策略

2.1 重視利用沖突理論加深認知結(jié)構(gòu)

日常生活中的前概念對學科科學概念的學習有著舉足輕重的影響，把前概念轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W概念，認知結(jié)構(gòu)和建構(gòu)主義理論對此提供了強有力的理論支持，認為認知沖突的強烈程度與認知結(jié)構(gòu)形成關(guān)系密切，高級別沖突有利于概念的正確轉(zhuǎn)變，有利于科學概念的認知結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，低沖突下發(fā)生的概念轉(zhuǎn)變穩(wěn)定性相對較差［4］。把握學生原有的認知結(jié)構(gòu)，合理運用認知沖突教學模式引導學生掌握科學概念，我們認為應遵循三個步驟:①提煉引起前概念。善于總結(jié)、分析、歸類和借鑒存在的前概念，以及對科學概念的影響;要善于科學合理的引起前概念，讓學生主動暴露出前概念;②制造沖突。盡量制造高級別沖突，促進概念的正確轉(zhuǎn)變和加強認知結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。要讓每位學生參與進來，使得每位學生都有概念沖突;③建立和鞏固新的認知結(jié)構(gòu)。教師要做好概念沖突的組織工作，要在沖突最尖銳，學生最希望新知識來解決沖突的時候，將新的概念擺出來，因勢利導自然轉(zhuǎn)變概念。這是認知沖突教學的一個關(guān)鍵點。進而還需要根據(jù)認知特點，要加深鞏固新的科學概念，防止前概念卷土重來。

2.2 發(fā)揮學生主觀能動性，促進學生主動建構(gòu)

認知結(jié)構(gòu)理論突出了學生為中心的思想，認為學生認知結(jié)構(gòu)的形成過程，也就是主觀能動性發(fā)揮的過程。且認知論者提出了創(chuàng)設與生活情境密切聯(lián)系的教學環(huán)境至關(guān)重要的觀點。因此，教師要善于設置情景和提出問題，找到學生所熟悉環(huán)境和生產(chǎn)實際，創(chuàng)建有意義的學習條件，盡量激發(fā)學生對知識的渴望，滿足學生的好奇心、探究傾向，甚至可以創(chuàng)設自主學習的教學環(huán)境，幫助學生自己能動的完成認知結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。例如:在介紹數(shù)字電路前，為了讓學生主動構(gòu)建新的數(shù)字電路認知結(jié)構(gòu)，設置手機鍵盤應用情境，提出電路是怎么處理按鍵這種斷續(xù)信息的，采用什么器件來實現(xiàn)，能否用三極管來實現(xiàn)。然后，讓學生回憶繪制三極管的特性曲線，畫成后接著提問，在模擬電路中三極管工作于線性放大區(qū)時信號連續(xù)和沒有躍變，那么如果三極管工作于截止區(qū)和飽和區(qū)信號時信號怎樣，是否連續(xù)?最后，引入三極管的開關(guān)特性及在數(shù)字電路中的應用。

此外，教學設計要為學生的自主活動留有余地，以學生的現(xiàn)有認知結(jié)構(gòu)為起點，以學生自主建構(gòu)的良好認知結(jié)構(gòu)為終點。從課堂教學模式來看，構(gòu)建主義者強調(diào)學生發(fā)現(xiàn)和探究式模式。選擇學生與教師平等對話、互動生成的教學模式，如支架式教學、師徒式教學和互惠式教學，尤其是由布朗創(chuàng)建的互惠式教學，能有效的促進學生認知結(jié)構(gòu)遷移、構(gòu)建。

2.3 準確把握學生原有認知結(jié)構(gòu)

認知心理學家奧蘇伯爾有句名言:“如果我不得不把全部教育心理學還原為一條原理的話，我將會說，影響學習的唯一的最重要的因素是學習者已經(jīng)知道了什么”。他還指出，要“根據(jù)學生原有知識進行教學”。

然而，了解學生原有的認知結(jié)構(gòu)并不容易?！半姽る娮蛹夹g(shù)”作為非電專業(yè)工科類學生基礎(chǔ)課程，不同專業(yè)原先所修課程不同、不同的課程授課順序等因素都會造成授課對象原有認知方式、學習興趣和個性特征的差異，使學生建構(gòu)的認知結(jié)構(gòu)具有多樣性或特異性。因此，教學時還必須充分考慮到學生原有認知結(jié)構(gòu)的個體差異性，采取靈活多樣的教學方法和教學策略，促使不同個性的學生都順利地完成認知遷移。

此外，通過教學設計，搭建新知識與原有認知結(jié)構(gòu)的橋梁，建立有助于學生認知信息之間的實質(zhì)性聯(lián)系，對促進認知遷移也非常重要?！半姽る娮蛹夹g(shù)”課程內(nèi)容中許多概念、基本原理都可以由普通物理學認知結(jié)構(gòu)中遷移過來，形成電工學中的基本概念和定理。例如，基爾霍夫電路定律是由電荷守恒和電流連續(xù)規(guī)律舊認知遷移、重構(gòu)的新知識，只有抓住電荷在電路中運行特點作為橋梁，才能有效的促進基爾霍夫電流定律認知結(jié)構(gòu)的形成。

3 結(jié)語

“為遷移而教［5］”，是認知學的核心認識，實際上是塑造學生良好的認知結(jié)構(gòu)問題。本文從構(gòu)建“電工電子技術(shù)”課程認知結(jié)構(gòu)的角度，重新組織本課程的基本概念和規(guī)律、解決問題的方法以及知識內(nèi)在聯(lián)系，探討了優(yōu)化學生認知結(jié)構(gòu)的課堂教學策略和方法。通過我們教學試驗發(fā)現(xiàn)，利用認知學理論能有效提升“電工電子技術(shù)”課程的教學效果，加強學生電工電子技術(shù)知識實踐應用能力，同時為我校電工電子教學改革、學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供了一條新途徑和新理論。

［1］ 曲苒.優(yōu)化學生認知結(jié)構(gòu)的課堂教學策略，陜西教育學院學報，2011，27(1):10-12

［2］ 伍云霞，王振翀，武曉華，王瑛.認知結(jié)構(gòu)遷移理論在“電工學”教學中的應用.中國電力教育，2010，(9):64-65

［3］ 徐月華.在教學中促進學生認知結(jié)構(gòu)的形成—“電工學”教學中的一點體會.廣東輕工職業(yè)技術(shù)學院學報，2002，1(2):39-41

［4］ 陳文鑫.認知沖突教學策略實現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變.浙江萬里學院學報，2007，20(5):149-151

［5］ 祁小梅.奧蘇貝爾認知結(jié)構(gòu)與遷移理論及教學.黑龍江高教研究，2004(5):99-100