用行動研究法探究工科理論模型的有效教學

［摘 要］ 工科專業(yè)課程中存在部分基于數學建模思維的理論模型，不易理解。重點探討如何在有限課時內實施有效教學。在教學實踐中通過觀察現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)了問題，基于相關教育學和心理學研究進展，采用行動研究法得到了解決工科專業(yè)課理論模型教學難點的改進方案，并采用課堂教學視頻切片分析方法定量評價了改進效果，為相似課程的教學提供了可行的參考方案。結果表明公式推導、思維導圖、注意力干預、情緒干預和學生主體參與性能夠改進教學效果，從而提高教學質量。

［關鍵詞］ 行動研究法；數學建模；理論模型；工科專業(yè)；教學方案

［基金項目］ 2022年度北京石油化工學院教育教學改革和研究項目“以學生為中心的混合教學模式在油氣儲運裝備腐蝕與防護課程中的探索與實踐”（ZDXSZX202202002）；2024年度北京石油化工學院研究生課程思政示范課程建設項目“氣液兩相流流動與沸騰傳熱”（YK24-02）

［作者簡介］ 侯 燕（1988—），女，山西忻州人，博士，北京石油化工學院機械工程學院講師，碩士生導師，主要從事新能源科學與工程研究；張 偉（1979—），男，山東泰安人，博士，北京石油化工學院機械工程學院教授，碩士生導師，主要從事新能源科學與工程研究；雷俊勇（1975—），男，山東東營人，博士，北京石油化工學院機械工程學院講師，碩士生導師，主要從事新能源科學與工程研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）39-0113-04 ［收稿日期］ 2023-10-18

一、研究背景

（一）問題提出

在教學實踐過程中，線下課堂教學的師生互動是保證課堂活躍度的重要方法。課堂互動中教師對學生表情的捕捉和分析是掌握課堂實時教學效果的重要途徑。本文要討論的問題正是線下實踐教學中多次出現(xiàn)的問題，也是多數相似課程教學中的共性問題。具體而言，筆者目前為本科生主講“儲運裝備腐蝕與防護”這門課，該課程的知識屬于實驗科學的范疇，即該課程的知識范疇既包含物理現(xiàn)象的客觀描述，也包含數學化的演繹推理理論模型［1］。這些理論模型是基于實際工程問題，采用數學建模的思路進行問題簡化后推導得出的。這部分理論模型因涉及微分方程和公式推導的過程，學生在聽課時出現(xiàn)了眼神呆滯的現(xiàn)象，因此這部分教學成為本課程的教學難點，也是類似課程教學中的共性問題。由于工科專業(yè)的大學生是工程師的后備人選，要想實現(xiàn)培養(yǎng)解決復雜工程問題能力的目標，這樣的理論模型和數學建模能力的掌握有助于學生知識體系的融合和創(chuàng)新思維的拓展，具有重要的實際價值，因此這部分教學內容是不可或缺的。因此，尋找工科專業(yè)課理論模型教學的有效實施方法有其必要性。具體而言，在課時有限的情況下，教師如何實施教學？學生如何學習？教學效果如何評價？這三個問題是我們所關心的。

（二）文獻綜述

在教育學和心理學領域，目前關于學習的定義尚未統(tǒng)一，但也有相通之處。教育心理學家尚克綜合各家觀點后歸納出：“學習是指行為或以某種形式采取行動的能力的持久改變，這種變化來自實踐或其他形式的經驗?！睂W習是依賴固定的能力量表在縱向水平的積累，還是不同文化背景、不同能力標準之間的橫向運動、交換和融合；是生產實證性知識還是理論性知識的過程尚無統(tǒng)一定論。在學習這個概念的基礎上，“人是如何學習的？”這個問題是學習科學的核心問題，也是教學實踐工作中解決各種難題的有力突破口。恩格斯托姆指出學習科學研究的兩個局限性：（1）學習內容存在僵硬的邊界，即教師預設了學習結果來開展教學活動，忽略了學習者的內在活力；（2）人類學習行為發(fā)生的過程性理論尚停留在因果邏輯的研究范疇，缺少機制探究。因此“人是如何學習的”這一問題尚無準確的答案［2］?；谝陨侠碚撗芯楷F(xiàn)狀，工科專業(yè)課理論模型教學的有效實施方法無法從學習科學理論上逐步推理出解決方法。行動研究法是一種反思性探究方法，通過變革追求更快的改變而不是找原因。那么是否可以采用行動研究法，同時借助自然科學的方法尋找工科專業(yè)課理論模型教學的有效實施方法是本文的研究重點。

在理論界，“行動研究”的廣義含義并沒有形成非常一致的意見。代表性的意見有：（1）“行動研究”是社會情境的參與者，為提高對所從事的社會或教育實踐的理性認識和加深對實踐活動及其背景的理解進行的反思研究；（2）“行動研究”是指實踐者和研究者在都能接受的道德規(guī)范下的共同協(xié)作。其目的是在研究進行的同時，幫助實際工作者去解決亟待解決的問題；（3）“行動研究”就是在研究者、實際工作者和其他工作人員的共同合作下，在現(xiàn)實環(huán)境中，發(fā)現(xiàn)問題并予以研究解決，從而提高實際工作中的行為質量；（4）所謂“行動研究”是指由實務工作者將實際的工作情景和研究相結合，以改善實務動作為目的，采取批判、自省、質疑的研究精神，改進實務工作，并獲得專業(yè)的成長和提升。教育學領域，“行動研究”的意思是教師將實踐和研究融合在一起，從而達到改善自己教學效果的研究方法。具體來說“行動研究”把提高工作質量作為根本目標，它關注的是研究過程和行動過程的融合，對自身的工作進行研究和反思。選擇有效的教學方式是教師工作的基本任務，而行動研究就是幫助教師檢查其教學理論與教學實踐的關系，目的在于把行動研究融入教學背景中，以至研究可以在實踐的進步中產生有利的影響［3］。行動研究不同于傳統(tǒng)的研究，在行動研究中讓行動者成為研究者，讓研究者成為行動者，行動者就自己在教學中所遇到的問題進行研究，通過研究得到的成果來指導實踐。趙丹［4］指出行動研究是當前提高高校教育教學質量的有效途徑。韓韌等［5］將行動研究法用在了本科生學術創(chuàng)新能力培養(yǎng)途徑探索的研究中，步驟為發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、形成計劃、實施計劃、評價結果五個步驟。勒溫提出的“螺旋循環(huán)程序”是一個典型范例，它的研究步驟包括計劃、實施、觀察、反思四個步驟［6］。呂夢雷［7］采用行動研究法研究了大學英語閱讀教學中的思維導圖的應用，其中計劃部分采用了問卷調查結果作為設計基礎。蘇靜［8］在研究第二外語教學中采用了行動研究法，其中計劃部分也采用了問卷調查的形式。因此，根據以上成功案例，行動研究法的實施步驟中計劃環(huán)節(jié)可以在調查的基礎上進行設計。另外，關于采用行動研究法解決工科專業(yè)課程中理論模型的有效教學方面的文獻尚未找到。

二、研究過程

（一）總體方案

行動研究法的定義是依靠教育專家、學者的幫助，在教育實踐中展開科學研究，并以研究的成果指導自身工作實踐的一種科學研究方法，是一個螺旋循環(huán)的過程，包括計劃、行動、觀察、反思等環(huán)節(jié)。根據文獻綜述部分計劃環(huán)節(jié)可以在調查的基礎上設計行動計劃，因此行動研究法應用到本課程中的具體流程包含：調查、設計、行動、觀察、反思。并對該流程多次循環(huán)以達到教學效果的改善。下面以“儲運裝備腐蝕與防護”課程中外加電流的陰極保護計算小節(jié)為例，具體解釋各步驟的實施過程。對于外加電流的陰極保護計算小節(jié)，難點是無限長埋地管道保護長度的計算。保護長度的計算需要埋地管道外加電位和電流分布規(guī)律的計算公式，而該公式需要根據埋地管道外加電流的陰極保護方法進行簡化后建立相應的數學模型，再結合邊界條件進行多次推導后獲得。整個推導過程涉及14步微分方程的推導過程。

（二）參與者與活動流程

1.調查。采用線上和線下相結合的方式，對選課的23名學生進行線上問卷調查，基于信息加工心理學中的信息論設計調查問卷，問卷主要分為輸入、輸出和原因分析三個部分，輸入部分著重調查學生認為自己在課前、課后和課中開展哪些學習活動有助于理論模型的掌握，輸出部分著重調查學生希望教師在課程設計和實施教學過程中做出的改進，原因分析主要調查學生認為導致課程理論模型講解部分難以掌握的內部和外部原因。

2.設計與行動。在第一步的基礎上，采用信息編碼表進行分類分層次的統(tǒng)計分析。具體分為輸入、輸出和原因分析三類，每一類分為認知方法、信息論方法和控制方法三個層次，通過會聚性證明法驗證心理學過程?；诜治鼋Y果設計行動干預方案。同樣以埋地管道外加電流的陰極保護計算小節(jié)為例，問卷調查從學生信息輸入、教師信息輸出和原因分析三個類別進行總結，每個類別再根據先修課程成績優(yōu)、良、中、差四個層次分別統(tǒng)計出現(xiàn)頻率最高的三種答案，作為后續(xù)課程設計的依據。一般而言，大一高等數學成績優(yōu)、良、中、差的學生數比例為1∶9∶8∶5。以“為了促進埋地管道外加電流的陰極保護計算小節(jié)難點的掌握，同學們希望教師在課中教學環(huán)節(jié)進行怎樣的改進？”的調查結果為例，高等數學成績中等的學生出現(xiàn)頻率最高的三種答案分別是：（1）同一個符號在不同的幻燈片中多次出現(xiàn)時需要重復解釋；（2）公式推導的整個過程前后銜接需要強化；（3）希望教師在講解過程中留出更多時間讓學生跟著推導?；谝陨险{查結果，課程設計中增加了公式符號重復講解、公式推導思維導圖和難點部分降低語速三個實施計劃。

3.觀察與反思。在上一步的基礎上對“儲運裝備腐蝕與防護”課程中的理論模型教學過程進行行動干預后，采用課堂視頻切片分析的方法，通過課堂互動指標、學生表情指標、作業(yè)評價指標三個方面推測學生認知過程和成效，并通過線上和線下的座談交流學生心理過程和認知過程，與評價指標的結果相互驗證。其中，課堂互動指標主要指回答問題的正確率，學生表情指標主要指抬頭率和抬頭持續(xù)時間，作業(yè)評價指標主要指課后作業(yè)成績。另外，通過線上線下的座談收集學生在下一個循環(huán)中希望獲得的干預方案，同時教師基于控制論設計和拓寬行動干預策略。

4.多次循環(huán)。以學生表情指標和課堂互動指標為主評價體系，配合課后作業(yè)測評指標為導向，多次行動研究循環(huán)后獲得教學效果的持續(xù)改進。

三、研究結果

將行動研究法應用到“儲運裝備腐蝕與防護”這門課程理論模型教學實踐中，教學效果得到了改進，主要實施方法是從教師如何教、學生如何學和教學效果如何評價三個方面進行總結的。

（一）教師如何教

1.注意力干預。注意力是指人的心理活動指向或集中于某種事物的能力。美國心理學家特瑞奇勒的研究發(fā)現(xiàn)，學習者的學習成果83%來自視覺，11%來自聽覺［9］。根據注意力曲線［10］，注意力集中水平和刺激水平的關系曲線可知刺激水平過高或過低都不利于注意力的集中，因此在理論模型講解過程中需要尋找合適頻率和強度的視覺和聽覺刺激來提高學生注意力的穩(wěn)定性。

2.情緒干預。吸引力是指引導人們沿著一定方向前進的力量。調動學習者的學習熱情和主動性是該部分的核心目標。教師課堂教學過程采用剝洋蔥的思路，通過工程案例和生活案例中的問題引出每小節(jié)的知識點提高學生的學習主動性，每個問題通過1～3個知識點回答，最后通過一個拓展性案例總結本節(jié)課的知識點，層層剝開，環(huán)環(huán)相扣。

3.難點突破。在課時有限的前提下，微分方程推導過程的講解在理論模型講解部分是課程的難點?；诙嗝襟w教學的特點，通過思維導圖引出整個理論模型的推導思路，明確整個公式推導的步驟和思路。通過公式思維導圖明確公式推導過程中的階段性目標，結合公式字符含義的多次重現(xiàn)防止因幻燈片切換導致的理解困難。課后，針對微分方程求解過程設置針對性的課后作業(yè)，教師通過對理論模型推導過程錄制講解視頻輔助學生鞏固課上所學內容。

（二）學生如何學

心理學上還有一條簡化性原則，即鑒于時間、空間的限制，人在認識新事物時傾向于把握其最簡單的本質結構、最顯著的特征。受到課時和課程教學目標的制約，改進措施主要采用最簡單的方案。課前，學生根據教師列出的預習提綱復習相關基礎課知識點并補齊先修課程中可能存在的短板，在此基礎上完成理論模型公式推導過程的預習，使得學生帶著問題上課。課中通過手寫課堂筆記增加注意力集中的時間。課后通過學生獨立完成公式的推導完成課堂內容的鞏固。而這些簡單方法提高教學效果的關鍵在于有力的監(jiān)督方法，通過線上提交自學視頻的方式監(jiān)督預習實施情況，即不占用課堂時間，又避免了提交純文本時容易出現(xiàn)的抄襲問題。

（三）教學效果如何

教學效果評價是課程持續(xù)改進的重要環(huán)節(jié)。本課程改革前后的教學效果對比的主要指標是采用視頻切片法分析學生抬頭率和抬頭持續(xù)時間，重點評價理論模型講解過程部分學生眼神呆滯現(xiàn)象的解決成效。輔助課中回答問題正確率、課后作業(yè)成績和期末考試成績評價本次教學實踐中教學實施方案對理論模型有效教學的促進作用。通過以上改進方案的實施，學生在45分鐘課堂中的抬頭率和抬頭時間均有所增加，對于本文要解決的學生眼神呆滯的核心問題，學生有所改善。課中回答問題正確率和課后作業(yè)成績均有提高，實施效果較好。

結語

本文采用行動研究法對工科專業(yè)理論模型的有效教學方案進行了研究，研究結果表明，在有限的授課學時內，教師需要從注意力干預、情緒干預、難點突破三個方面采取措施，其中基于數學建模思維的公式推導和思維導圖是難點突破的關鍵；學生作為參與者主體，在課前和課后是主體角色，課中受學時限制，著重于通過課堂筆記提高課堂注意時間；教學效果評價部分表明以上教學改進方案有助于解決工科專業(yè)理論模型講解過程學生眼神呆滯的問題。

參考文獻

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［4］趙丹.以行動研究法促進高校教與學的良性循環(huán)［J］.才智，2014（13）：364.

［5］韓韌，鄔春學，楊暉.基于行動研究的本科生學術創(chuàng)新能力培養(yǎng)［J］.教育現(xiàn)代化，2020，7（34）：25-28+39.

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［7］呂夢雷.思維導圖法在大學英語閱讀教學中的應用：基于華軟軟件學院《大學英語》閱讀教學的行動研究［J］.廣東水利電力職業(yè)技術學院學報，2019，17（1）：48-52.

［8］蘇靜.行動研究模式在第二外語教學中的應用［J］.高教論壇，2015（9）：85-88.

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［10］張瑋，刁統(tǒng)山.大學工科專業(yè)課學生注意力管理初探［J］.高教學刊，2021，7（20）：85-88.

Exploration on the Effective Teaching of the Theoretical Model of Engineering Major

Based on Action Research

HOU Yan， ZHANG Wei， LEI Jun-yong

（School of Mechanical Engineering， Beijing Institute of Petrochemical Technology，

Beijing 102617， China）

Abstract： There are some theoretical models based on mathematical modeling thinking in engineering courses， which are difficult to understand. The argument discussed in this article focuses on how to implement effective teaching within limited class hours. In teaching practice， we found problems by observing phenomena. Based on the progress of relevant pedagogical and psychological research， we adopted the action research method to obtain an improvement plan to solve the difficulties in theoretical model teaching of engineering courses， and used the video slice analysis method of classroom teaching to quantitatively evaluate the improvement effect， providing a feasible reference plan for the teaching of similar courses. The results indicate that the mind map of formula derivation process， attention interventions， emotional interventions， and student participation can improve teaching effectiveness.

Key words： action research method; mathematical modeling; theoretical model; engineering major; teaching plan