认知结构迁移理论在“电工学”教学中的应用
摘要:将认知结构迁移理论用于“电工学”教学中,在“电工学”教学中帮助学生建立层次分明的全课程认知结构网络,突出电工学思维方法,激发学生学习心向,有助于提高教学质量和开拓学生的智能,提高学生解决问题的能力。
作者简介:伍云霞(1967—),女,湖北天门人,中国矿业大学(北京)机电学院,讲师,工学博士,主要研究方向:煤矿监控与通信;王振翀(1958—)男,安徽合肥人,中国矿业大学(北京)机电学院,教授,主要研究方向:检测技术与自动化装置。(北京 100083)。
基金项目:本文系中国矿业大学(北京)电工电子技术教学团队建设项目的研究成果。
教学的目的就是为了提高学生的学习能力,培养学生好的思维方式,进而提高学生创造性地解决问题的能力。奥苏贝尔认知结构迁移理论为我们的教学提供了理论指导——塑造学生良好的认知结构,本文探讨了“电工学”课程塑造学生良好认知结构的教学策略。
美国教育心理学家奥苏贝尔认为认知结构是学生头脑中的知识结构。具体到电工学就是学生关于电工学的观念的内容和组织。有利于新的学习的认知结构有3个特征:[1](1)学习者头脑中有与新学习相关的概念或原理以及这些概念或原理的概括程度,已有的相关概念或原理概括程度越高,包容范围越大,越有利于新的学习;(2)新学习的知识与同化它的相关知识的可分辩度,两者的可分辨程度越高,越有助于新的学习,并避免因混淆而带来的干扰;(3)是同化新知识的原有知识巩固程度,原有知识巩固程度越高,则越有利于新的学习。
奥苏贝尔认知结构迁移理论的教学含义非常明显——塑造学生良好的认知结构。
“电工学”课程的内容包括电路分析、模拟电路、数字电路等,内容十分丰富,应用性强,知识更新快。新材料、新工艺、新技术不断出现,要求学生具有很强的新知识学习能力。
“电工学”授课对象是非电类专业学生,“电工学”课程是他们学习电的基础理论和技术的主要窗口和途径,要想达到良好的教学效果,并为学生今后将电的技术很好地应用于本专业,必须使之建立良好的认知结构。
1.建立本课程的认知结构。
认知心理学认为,当人们在接触一个完全不熟悉的知识领域时,从已知的较一般的整体中分化细节,要比从已知的细节中概括整体容易一些。层次分明的观念网络结构是正确稳定的认知结构特征之一。[2]“电工学”包含了电路分析、模拟电路和数字电路三个方面的内容,我们从课程的研究对象、研究方法和电路构成等角度,首先让学生建立本课程的认知结构。
(1)电路分析:研究电路拓扑结构。1)基本电路元件:电阻、电容、电感、电压源、电流源、变压器等。2)电路构成:由上述基本元件构成的各种各样的电路拓扑。3)研究方法:建立元件理想模型,精确计算。
(2)模拟电路:研究输出与输入信号之间的大小、相位、失真等方面的关系。1)基本电路元件:晶体管、场效应管、集成运算放大器。2)基本模拟电路:信号放大及运算(信号放大、功率放大)、信号处理(采样保持、电压比较、有源滤波)、信号发生(正弦波发生器、三角波发生器等)。3)研究方法:建立等效模型,近似计算。
(3)数字电路:研究输出与输入间的逻辑关系。1)基本电路元件:逻辑门电路、触发器。2)基本数字电路:组合逻辑电路、时序电路(寄存器、计数器、脉冲发生器、脉冲整形电路)、A/D转换器、D/A转换器。3)研究方法:静态准则,布尔代数。
2.突出电工学思想方法。
奥苏贝尔认知结构迁移理论告诉我们在教学内容上要突出较高概括性、包容性和强有力解释效应的基本概念和原理。“电工学”是研究有关电工程的技术基础课程,除了一些基本的概念和定律外,更应有工程的观念。“电工学”课程的思想方法包括:1)元器件定律:欧姆定律。2)电路拓扑定律:基尔霍夫定律。3)基本分析方法:基尔霍夫定律,组合方法,节点电压法、叠加原理、置换原理、戴维南定理和诺顿定理。4)工程的观念:工程建模、近似处理、适用性、优化与折衷等。
欧姆定律应从物理意义来理解,不应只是停留在常规的表达式,这样才能在问题情景中识别出欧姆定律。
强调电路分析方法的适用性,如基尔霍夫定律只适用集总参数元件,叠加原理、置换原理、戴维南和诺顿定理只适用于线性电路。分析方法的适用性是由元器件特性来决定的,只要元器件特性满足要求,不论是模拟电路还是数字电路,这些分析方法都适用。
除了这些基本的定律与分析方法外,更重要的是突出工程上处理问题的思想和方法,以建立理论到实践,实践到理论的过渡认知。
(1)理解模型含义。工程实际问题往往都比较复杂,常有多种因素同时起作用,存在着多种物理过程,直接处理工程问题常常很困难,有时甚至是不可能。因此,模型往往体现的是物理本质因素,忽略了非本质因素。如物理电容器,建模时只考虑电容特性,忽略了漏电阻,又如,两根平行导线,建模时我们把它们看成是无电阻的两根导线,事实上物理导线存在电阻,两线间存在耦合电容,并且距离越近,耦合电容越大。这些因素有时会使理论分析在实际中得不到预期效果,因此,构建实际电路时要考虑这些因素。
(2)近似处理。对工程问题的处理,我们允许结果在误差允许的范围内。因此往往只考虑主要影响因素,而忽略次要影响因素。例如,在计算晶体管的静态工作点时可忽略基极到发射极的压降和基极电流。近似处理、近似计算是工程上很重要的思想和方法,要转变精确计算的观点。
(3)适用性。解决工程问题所用的定律、定理、计算公式、等效电路、数学模型都是有一定的前提条件的,离开了条件会引起较大的误差或根本不适用。例如,我们电路分析所依据的基尔霍夫定律成立的前提是集总参数元件,在电路的几何尺寸可以和其中电磁波的波长可比时,即失去有效性。叠加定理、戴维南定理和诺顿定理只适用线性电路的电流、电压的计算,晶体管的交流微变等效电路只适用于小信号,在交流大信号的情况下会有较大误差,在开关状态下完全失效。
(4)优化折衷处理。工程问题中一些技术指标是相互矛盾的,要学会全面的辩证的看问题,兼顾各方,整体优化处理问题,同时工程强调可靠性,技术指标要留有足够的余量。
3.激发学习心向。
有意义的学习条件之一是学习者必须具有有意义学习的心向,即学习者积极主动地把符号所代表的新知识与他的认知结构中原有的适当观念加以联系,建构主义学习理论认为学习心向是学生当前所处的情境引起的,而不是学生自发完成的。教师是教学过程的组织者,是学生建构知识的帮助者和引导者,因此教师要通过创设符合教学内容要求的情景和提示新旧知识之间联系的线索,帮助学生建构当前所学知识的意义。
问题情景应来源于学生所熟悉的情境和生产实际,保证学生有相关的观念来理解问题,这样才有可能使学生主动积极地建构他们的认知结构。
问题情境让学生明白将要学到什么或将要具备什么能力,这是学生自觉参与学习的最好诱惑。如在讲解电路暂态过程时,教师拿着一闪一闪的便携式电棒问学生,你们想不想自己做一个这样的闪光电棒玩具送给你喜欢的小朋友呢?于是给出图示的电路原理图(如图1所示),假定电源电压是15V,当电容两端电压达到10V时,开关K闭合,当电容两端电压降到5V时,开关K断开。分析电路的工作状态,当接通电源后,电容器开始充电,当电容电压达到10V时,开关K闭合,这时电容开始放电,当电容电压降到5V时,开关K又断开,电容又开始充电,这样周而复始,则开关是周期性地断开与闭合。假定某种灯具有这样的特性,当它两端的电压达到10V就能点亮,点亮后的等效电阻为R2,相当于开关闭合的情况,当它两端的电压降到5V时,它熄灭,相当于开关断开时的情况,这样灯就会周期性的亮灭,一个闪光灯就构成了。这样学生会觉得学习还是很有意义的。进一步可提问闪光灯亮灭的周期是多少呢?引导学生进一步思考。
或者造成了认知冲突,这样可以打破学生心理平衡,激发学生弥补心理缺口的动力。例如,在分析放大电路性能时,观察电路组成有两个电源,一个直流电源,一个小信号交流电源。教师提问能不能采用叠加原理来进行分析呢?学生根据已有的知识,叠加定理只适用于线性电路,而放大电路是非线性电路,回答不能,但教师说我们对小信号放大电路性能的分析方法就是采用了叠加定理,为什么仍然可用叠加定理呢?这样学生已产生了心理缺口,就要深究为什么,于是在教师用Taylor展开式说明非线性电路的小信号作用可看作是线性的过程中就会积极地参与进来,主动构建它们的认知。
孤立的知识教学不可能建立层次分明和联系紧密的观念系统,应把新知识纳入原有的观念系统中进行整体考虑,使新知识与原有的知识相关联。例如,讲戴维南定理时,从一道已讲过的例题出发,这道例题利用多次电源等效变换把一个含源线性端口网络简化成了一个电压源与电阻串联的支路。这时,先向学生指出:这样处理比较繁琐,能否有一种更简便的方法来求出这个等效电路呢?于是讲解戴维南定理的解法,得出了与先前相同的结果,而过程却简捷得多,这样学生不仅认识到了戴维南定理的价值,而且将它归为化简电路的认知模块中。
有意义的学习条件还表明,要使学生有效地接纳新知识,学习者认知结构中必须具备适当的观念,发展学生良好的认知结构,教师首先要熟悉学生原有的认知结构,才能知道选择教什么,怎么教。
三、结束语。
良好的认知结构有利于学习的保持、稳定和清晰性,可以简化知识,可以产生新知识,有利于创造性地解决新问题,因此在课堂教学中要力求引导学生能动地建立良好的认知结构。
参考文献:。
[1]祁小梅.奥苏贝尔认知结构与迁移理论及教学[J].黑龙江高教研究,2004,(4):99—100.
[2]何小亚.建构良好的数学认知结构的教学策略[J].数学教育学报,2002,(1):24—27.
[3]焦永功,常青.技术基础课教学中对学生工程观念和方法的培养问题[J].电气电子教学学报,2003,(1):17—20.
(责任编辑:苏宇嵬)。