應(yīng)用心理學(xué)知識(shí)改善本科課堂教學(xué)質(zhì)量

隨陽(yáng)軼

（吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春）

一 引言

近年來(lái)世界科技水平發(fā)展日新月異，人民的生產(chǎn)生活方式發(fā)生了巨大的變化。習(xí)近平總書記在《創(chuàng)新增長(zhǎng)路徑，共享發(fā)展成果》的報(bào)告中指出，新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命正在創(chuàng)造歷史性機(jī)遇[1]。然而國(guó)際形勢(shì)變化深刻復(fù)雜，機(jī)遇與風(fēng)險(xiǎn)并存，如何改進(jìn)教學(xué)方法、更快更好的為國(guó)家培養(yǎng)高水平的科研人才成為高等教育亟需解決的問(wèn)題[2,3]。

二 目前高等教育存在的一些問(wèn)題

高等教育目前遇到的一個(gè)重要問(wèn)題可以總結(jié)為無(wú)限的知識(shí)和有限的時(shí)間的矛盾，想要利用大學(xué)四年時(shí)間將學(xué)生培養(yǎng)成既具有扎實(shí)學(xué)科理論基礎(chǔ)又不與社會(huì)實(shí)踐脫節(jié)的創(chuàng)新型人才，除了需要精心挑選教學(xué)內(nèi)容，也需要不斷改革教學(xué)模式[4]。在目前的教學(xué)模式下，高等教育往往會(huì)出現(xiàn)如下問(wèn)題。

（一） 學(xué)生抓不住課程重點(diǎn)，對(duì)課程掌握程度欠佳

隨著科技的不斷發(fā)展，前人累積的知識(shí)量越來(lái)越大，學(xué)科的交叉融合成為一種新趨勢(shì)，不可避免地導(dǎo)致學(xué)生在高等階段需要掌握了解的知識(shí)更多更廣，因此高等教育中往往存在課時(shí)少、教學(xué)進(jìn)度快等問(wèn)題，同時(shí)其課程難度又遠(yuǎn)高于中等教育[5]。面對(duì)巨大的知識(shí)量，學(xué)生往往抓不住重點(diǎn)，不知道從何學(xué)起。可以說(shuō)高等教育對(duì)學(xué)生的理解能力、記憶能力和總結(jié)歸納能力等都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)[6]，這會(huì)導(dǎo)致很多習(xí)慣中小學(xué)“車輪戰(zhàn)”式教育模式的學(xué)生出現(xiàn)掉隊(duì)，繼而影響學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)的積極性。這就敦促高等教育改進(jìn)課堂授課方法，讓同學(xué)盡可能在課堂上掌握更多重點(diǎn)內(nèi)容。

（二） 教學(xué)與科研脫節(jié)，學(xué)生科研信心和興趣較弱

在我國(guó)的教育體制里，科研經(jīng)常被認(rèn)為是極為艱深復(fù)雜的工作，連許多大學(xué)生都認(rèn)為科研離自己太過(guò)遙遠(yuǎn)。這種情況實(shí)際上反映了現(xiàn)在的教育體制，特別是中小學(xué)，只是滿足于傳授知識(shí)，很少對(duì)學(xué)生進(jìn)行科研素質(zhì)的培養(yǎng)，這樣學(xué)生從小就認(rèn)為科研是科學(xué)家的事情，和自己不相關(guān)。大學(xué)是學(xué)生進(jìn)入社會(huì)的最后一關(guān)，故應(yīng)該大力提倡科研內(nèi)容進(jìn)課堂，從而彌補(bǔ)中小學(xué)教育的缺憾。

解決上述問(wèn)題需要教育工作者從多方面入手，作者認(rèn)為將心理學(xué)知識(shí)引入高等教育可以改善目前的教育模式，它不僅可以通過(guò)較低的成本改善教學(xué)模式，而且其收益也相當(dāng)巨大。心理科學(xué)涉及到腦科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、醫(yī)學(xué)等，它在一定程度上揭示了人腦在生產(chǎn)生活中的作用機(jī)理，從而幫助人們了解自己的行為，在教育方面，它可以用來(lái)激發(fā)同學(xué)的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)習(xí)效率等。歐美教學(xué)體系中已廣泛地將冥想等心理學(xué)干預(yù)手段納入教育體系中，在中國(guó)，采用心理學(xué)知識(shí)來(lái)指導(dǎo)教學(xué)模式的改革在中小學(xué)教育也取得了顯著成果。以下將通過(guò)具體案例展示如何將心理學(xué)知識(shí)運(yùn)用到高等教育的實(shí)際教學(xué)中。

三 心理學(xué)知識(shí)在高等教育中的應(yīng)用

作者在大三年級(jí)秋季學(xué)期講授課程《連續(xù)與離散控制系統(tǒng)》時(shí)，探索將心理學(xué)的知識(shí)應(yīng)用于教學(xué)中，實(shí)踐效果證明同學(xué)們切實(shí)感受到所學(xué)理論知識(shí)與實(shí)際情況的結(jié)合，不再認(rèn)為學(xué)和用是分離的，提高了學(xué)生學(xué)以致用的信心，具體做法如下。

（一） 多種教學(xué)手段相結(jié)合，提高學(xué)生課堂學(xué)習(xí)效率

心理學(xué)研究表明，大腦皮層的不同區(qū)域都與學(xué)習(xí)和記憶有關(guān)，如果在學(xué)習(xí)過(guò)程中能夠盡可能多用不同區(qū)域，就會(huì)形成更強(qiáng)大的記憶網(wǎng)絡(luò)。比如，閱讀可以形成語(yǔ)言記憶；記筆記可以添加運(yùn)動(dòng)記憶；瀏覽圖片增加視覺(jué)記憶；積極聽(tīng)講并參與討論，留下聽(tīng)覺(jué)和其它記憶；花時(shí)間思考也會(huì)讓額葉上的區(qū)域參與到學(xué)習(xí)的過(guò)程中。總之，學(xué)習(xí)過(guò)程中采用的方式越多，會(huì)留下各種不同種類的記憶，當(dāng)回憶時(shí)，會(huì)有更多的路徑[7]。

同時(shí)每個(gè)人對(duì)特定學(xué)習(xí)方式的大腦皮層活躍程度是不同的，使用適合的學(xué)習(xí)方式學(xué)習(xí)，可以增強(qiáng)對(duì)大腦的刺激，促進(jìn)負(fù)責(zé)長(zhǎng)期記憶的大腦突觸形成。在課堂上教學(xué)時(shí)采用多種手段，有助于滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣，幫助學(xué)生理解，使更多學(xué)生的大腦處于活躍狀態(tài)。

《連續(xù)與離散控制系統(tǒng)》課程在近百年的發(fā)展中積累了大量的實(shí)例，可以精選后在課堂上通過(guò)多種教學(xué)手段展現(xiàn)給學(xué)生。具體教學(xué)設(shè)計(jì)思想是：通過(guò)制作心理地圖、常用軟件中的經(jīng)典案例演示、紀(jì)錄片視頻演示、不穩(wěn)定系統(tǒng)實(shí)物演示等多種教學(xué)手段生動(dòng)展現(xiàn)相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)，幫助同學(xué)更好理解知識(shí)，增強(qiáng)記憶，提升興趣。

1.常用軟件中的經(jīng)典案例演示。最新版的LabVIEW推出許多控制相關(guān)的實(shí)例，比如：

（1） 在 "Control and SimulationCase StudiesElectric Circuits"中的"CDEx RLC Circuit II.vi"。運(yùn)行此實(shí)例，可以展示電阻、電容、電感如何構(gòu)建模型，以及如何通過(guò)頻率響應(yīng)來(lái)分析其系統(tǒng)特性。此實(shí)例可以很好地聯(lián)系《電路分析基礎(chǔ)》和本課程，讓同學(xué)更加清楚地認(rèn)識(shí)到以前課程所學(xué)的RLC電路就是本課程所介紹的典型二階系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例。

（2） 在" Case StudiesAerospace"中 的"Quadcopter Dynamics and Control.vi"。運(yùn)行此實(shí)例，可以展示同學(xué)們非常感興趣的四旋翼無(wú)人機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)仿真、基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的控制器，以及達(dá)到控制飛行器位置和高度的結(jié)果。

2.紀(jì)錄片視頻演示。觀看“塔克馬峽谷大橋事故”視頻，要求學(xué)生仔細(xì)觀察并思考一些要點(diǎn)，得出穩(wěn)定性的定義，在觀看視頻的時(shí)候，同時(shí)介紹視頻拍攝的背景及相關(guān)內(nèi)容。以下是學(xué)生的要思考的要點(diǎn)：

（1）外界的作用是什么？此要點(diǎn)是引導(dǎo)學(xué)生觀察出現(xiàn)了什么樣的外界作用。

（2）橋的狀態(tài)是如何變化的？和什么相比？可逆嗎？此要點(diǎn)是引導(dǎo)學(xué)生思考外界作用是如何改變橋的狀態(tài)。

（3）時(shí)間扮演什么角色？此要點(diǎn)是引導(dǎo)學(xué)生思考誤差的積累效應(yīng)，為后面介紹開(kāi)環(huán)和穩(wěn)定性關(guān)系打下基礎(chǔ)。

3.不穩(wěn)定系統(tǒng)實(shí)物演示。旋轉(zhuǎn)倒立擺是一種復(fù)雜的、快速的、不穩(wěn)定性的系統(tǒng)。該類模型的控制方法，可以應(yīng)用于航天、機(jī)械制造等多種精密控制的領(lǐng)域。在課堂上請(qǐng)研究生來(lái)介紹旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、制作過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并在課堂上利用倒立擺的實(shí)物進(jìn)行演示。同學(xué)們參與互動(dòng)環(huán)節(jié)，比如同學(xué)用手突然給已經(jīng)保持倒立狀態(tài)的擺施加一個(gè)干擾力，觀察倒立擺如何重新恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

在實(shí)際教學(xué)中，通過(guò)常用軟件給出的控制實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生去挖掘現(xiàn)有的技術(shù)資源，加深了課堂上理論知識(shí)的理解，也同時(shí)提高了大家進(jìn)一步掌握常用軟件的樂(lè)趣。從“塔克馬峽谷大橋事故”這個(gè)典型的失穩(wěn)實(shí)例出發(fā)，鼓勵(lì)學(xué)生仔細(xì)觀察現(xiàn)象，自己通過(guò)以前所學(xué)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)得到穩(wěn)定性的定義，從而培養(yǎng)了學(xué)生從感性去理解自然到理性去分析描述自然的科學(xué)素養(yǎng)。同樣的，不穩(wěn)定系統(tǒng)的實(shí)物演示也很大程度地提高大家對(duì)理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際問(wèn)題中的信心和學(xué)習(xí)本課程的熱情。

（二） 制作心理地圖，牢記課程重點(diǎn)

在一門課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中，關(guān)鍵問(wèn)題與核心概念串聯(lián)起課程的主要邏輯，是課程的精髓。核心概念由關(guān)鍵問(wèn)題引出，通常是關(guān)鍵問(wèn)題的簡(jiǎn)要回答，強(qiáng)調(diào)了每一節(jié)的中心思想，由核心概念可以推導(dǎo)出其他相關(guān)知識(shí)。只有牢牢抓住關(guān)鍵問(wèn)題與核心概念，才能抓住課程的本質(zhì)，深入理解課程。因此關(guān)鍵問(wèn)題與核心概念是學(xué)生們始終應(yīng)給予關(guān)注的焦點(diǎn)。

心理地圖（也稱認(rèn)知地圖或概念地圖）的框架就是由關(guān)鍵問(wèn)題與核心概念搭建出來(lái)的，盡管它不能完整描述一門課程的所有內(nèi)容，但是它是課程的中心思想，保證學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中始終沿著課程的主線，做到“書越學(xué)越薄”。

在《連續(xù)與離散控制系統(tǒng)》期末復(fù)習(xí)時(shí)，讓學(xué)生在課堂上繪制全書的心理地圖。首先找出關(guān)鍵問(wèn)題，每一個(gè)小節(jié)的標(biāo)題就是關(guān)鍵問(wèn)題，例如：

第三章總問(wèn)題：閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心是什么？

1.關(guān)鍵問(wèn)題：控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義是什么？

2.關(guān)鍵問(wèn)題：閉環(huán)極點(diǎn)和穩(wěn)定性的關(guān)系是什么？

3.關(guān)鍵問(wèn)題：如何利用代數(shù)的方法判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性？

4.關(guān)鍵問(wèn)題：如何利用圖形的方法判斷穩(wěn)定性？

5.關(guān)鍵問(wèn)題：如何改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性？

接下來(lái)學(xué)生們利用每個(gè)小節(jié)的核心概念來(lái)簡(jiǎn)要回答關(guān)鍵問(wèn)題，構(gòu)成心理地圖輪廓，這就是本課程的宏觀總結(jié)。之后再將一些重要的概念方法等細(xì)節(jié)補(bǔ)充到心理地圖輪廓中，最終繪成完整的心理地圖如圖1所示。

在繪制心理地圖的過(guò)程中，學(xué)生們將全書的所有章節(jié)做了邏輯關(guān)系梳理，從心理地圖上直觀的感受到了章節(jié)與章節(jié)間的聯(lián)系，有助于學(xué)生理清課程思路；學(xué)生們始終關(guān)注著本書的主干，不會(huì)“因小失大”，因過(guò)于關(guān)注細(xì)節(jié)知識(shí)點(diǎn)而偏離《連續(xù)離散與控制系統(tǒng)》課程的主旨；學(xué)生們手腦結(jié)合，邊思考回憶邊繪制，使學(xué)生在強(qiáng)化記憶的同時(shí)發(fā)現(xiàn)自己掌握不牢固的知識(shí)點(diǎn)；學(xué)生通過(guò)心理地圖同時(shí)記憶課程的邏輯和重點(diǎn)內(nèi)容，提高復(fù)習(xí)效率。

圖1 《連續(xù)與離散控制系統(tǒng)》心理地圖

（三） 教研結(jié)合，指導(dǎo)學(xué)生找到內(nèi)源性動(dòng)機(jī)

當(dāng)人們被一些問(wèn)題、爭(zhēng)議、未解之謎或者實(shí)踐活動(dòng)吸引，并且這些活動(dòng)讓他們忘記了時(shí)間，無(wú)視周圍的事物的時(shí)候，他們便達(dá)到了一種心理狀態(tài)，稱為心流狀態(tài)。如果學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己缺乏動(dòng)力去學(xué)習(xí)某類材料的時(shí)候，最終取得好成績(jī)的希望可能并不足以成為學(xué)生高效學(xué)習(xí)的動(dòng)力[7]。心理學(xué)研究表明，內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力比外在驅(qū)動(dòng)力更有助于人類真正調(diào)動(dòng)起自身的積極性。對(duì)于科研人員，內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力往往是對(duì)未知事物的探索欲和求知欲。高等教育工作者可以引導(dǎo)學(xué)生問(wèn)自己這個(gè)問(wèn)題：是什么讓這個(gè)領(lǐng)域的專家感到這些東西很有趣？一旦發(fā)現(xiàn)了這樣的問(wèn)題，要試圖去站在專家的角度尋找解決方法，用這個(gè)方法你將會(huì)分享那些專家的心態(tài)和想法，體會(huì)科研的過(guò)程，從而誘導(dǎo)自己獲得由內(nèi)源性動(dòng)機(jī)激發(fā)的動(dòng)力，并沉浸其中[8]。因此作為專業(yè)主干課的教師更應(yīng)該不斷進(jìn)行教學(xué)和科研的深度融合，并將科研中的相應(yīng)成果經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)牟眉?，形成可以教學(xué)的內(nèi)容。

本人在教學(xué)中通過(guò)教研結(jié)合，幫助學(xué)生體驗(yàn)在課堂上講解的知識(shí)是如何在實(shí)際科研中進(jìn)行應(yīng)用的。教學(xué)設(shè)計(jì)思想是：以目前從事的科研工作——航空磁梯度張量探測(cè)儀為基礎(chǔ)，將與本課程直接相關(guān)的磁場(chǎng)反饋部分提取出來(lái)，單獨(dú)形成一個(gè)從問(wèn)題提出到分析問(wèn)題、最后解決問(wèn)題的完整過(guò)程。在課堂上逐步展示整個(gè)過(guò)程，幫助學(xué)生體會(huì)理論知識(shí)到實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用，以及實(shí)際科研工作的場(chǎng)景。具體做法是：

首先裁剪科研內(nèi)容，滿足教學(xué)要求。航空磁梯度張量探測(cè)儀是一種裝載到飛行器測(cè)量地下物質(zhì)磁場(chǎng)梯度的儀器。里面包含傳感器設(shè)計(jì)、采集模塊設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及融合、噪聲壓制與抗干擾等多項(xiàng)內(nèi)容。其中傳感器部分為提高精度所進(jìn)行的磁反饋是與本門課程所授知識(shí)緊密相關(guān)。因此就此部分內(nèi)容為基礎(chǔ)重新形成提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題三個(gè)完整的步驟，然后根據(jù)這三個(gè)完整的步驟進(jìn)行教學(xué)：

（1）提出問(wèn)題：磁通門傳感器具有價(jià)格低廉、溫度范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)，但是由于其本身的缺陷，使得磁場(chǎng)測(cè)量的精度較低，主要是系統(tǒng)的漂移嚴(yán)重，誤差大。

（2）分析問(wèn)題：磁通門是利用鐵芯的磁飽和特性進(jìn)行測(cè)量的傳感器，在零磁場(chǎng)環(huán)境中工作時(shí)的特性最穩(wěn)定，溫漂、非線性等幾乎沒(méi)有，但是實(shí)際的工作環(huán)境是地磁場(chǎng)下，大約50000nT。

（3）解決問(wèn)題：設(shè)計(jì)三軸的補(bǔ)償線圈，磁通門中心處產(chǎn)生三個(gè)方向的磁場(chǎng)來(lái)抵消地磁場(chǎng)，這樣磁通門就可以工作在零磁環(huán)境。所測(cè)量的磁場(chǎng)值只與線圈上的電流有關(guān)，與磁通門傳感器的具體特性無(wú)關(guān)，故可大大提高系統(tǒng)的精度。

整個(gè)案例的實(shí)施是放在臨近教學(xué)周期快結(jié)束的階段，只有學(xué)生對(duì)本課程的知識(shí)有了較為深入的理解，才能進(jìn)一步學(xué)習(xí)此科研實(shí)例。通過(guò)此實(shí)例的學(xué)習(xí)，學(xué)生們站在科研人員的角度思考問(wèn)題，找到了科研的內(nèi)源性動(dòng)機(jī)，體會(huì)到了科研過(guò)程，提高了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了同學(xué)們的科研信心。

四 結(jié)論

面對(duì)高等教育中學(xué)生掌握知識(shí)程度不佳、科研興趣寡淡和信心不足的問(wèn)題，

作者結(jié)合心理學(xué)知識(shí)，運(yùn)用了如下方法解決以上問(wèn)題：

（1）增加教學(xué)手段來(lái)增強(qiáng)學(xué)生的大腦興奮度，以提高課堂學(xué)習(xí)效率；

（2）讓學(xué)生動(dòng)手繪制心理地圖，理清章節(jié)間的邏輯關(guān)系，強(qiáng)化記憶，提高復(fù)習(xí)效率；

（3）將科研中與課程理論知識(shí)相關(guān)的部分在課堂上講授，幫助學(xué)生找到內(nèi)源性動(dòng)力，讓學(xué)生有機(jī)會(huì)體驗(yàn)科研過(guò)程。

經(jīng)過(guò)2016級(jí)和2017級(jí)兩年教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生自評(píng)利用心理學(xué)改善學(xué)習(xí)效果平均得分為3.8分和3.9分（非常有效果為5分，完全沒(méi)有效果為0分）。學(xué)生的學(xué)習(xí)效率有了顯著的提升，并有多名學(xué)生堅(jiān)定了繼續(xù)走科研的道路。人類關(guān)于人腦和心理的探索仍在繼續(xù)，未來(lái)將會(huì)有更多的學(xué)習(xí)機(jī)理被揭示出來(lái)，這些理論可以切實(shí)的應(yīng)用到教學(xué)中來(lái)，幫助教師改善教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，以培養(yǎng)出更多卓越的人才。