基于現代認知學習理論的“道路勘測設計”課程群實踐教學改革研究

【摘 要】為有效培養學生的道路工程勘測設計能力，借鑒現代認知學習理論關于知識分類、知識學習階段化理論，對“道路勘測設計”課程群實踐教學進行了系統化的改革實踐。基于知識分類思想提出了“道路勘測設計”課程群理實相濟式教學模式，基于知識學習階段化理論提出了分層遞進、螺旋擴張式實踐教學體系。實施效果表明，“道路勘測設計”課程群實踐教學改革提高了學生在解決具體問題中的實踐能力和動手能力，加深了學生對道路工程專業基礎知識的理解，有力地支撐了本專業適應工程教育認證的要求。

【關鍵詞】道路勘測設計； 實踐教學； 認知心理學； 理實相濟； 分層遞進

【中圖分類號】G642.0【文獻標志碼】A

0 引言

為了促進我國從工程教育大國走向工程教育強國，教育部、工業和信息化部及中國工程院于2018 年提出《關于加快建設發展新工科，實施卓越工程師教育培養計劃2.0 的意見》，要求20%以上的工科專業按照《華盛頓協議》通過工程教育認證［1］。工程教育專業認證強調“以學生為中心”“以產出為導向”“持續改進”的理念，注重畢業生的自主創新能力和工程實踐能力的培養，讓畢業生具備解決復雜工程問題的能力［2］。為適應新一輪科技革命和產業變革的新趨勢，按照工程教育認證標準進行專業建設是我國工程教育發展的必然趨勢。

“道路勘測設計”作為道橋專業核心專業課之一，是一門實踐性很強的課程，即在講授道路勘測與設計理論知識的同時，更注重學生勘測設計實踐能力的培養［3-4］。另一方面，其與后續開設的“道路勘測設計”課程設計、“道路設計軟件應用”“道路勘測設計”畢業設計等實踐課程（環節）組成 “道路勘測設計”課程群，形成了培養學生道路勘測與設計應用能力完整的實踐教學課程體系。對道橋專業學生而言，道路勘測設計實踐技能培養目標能否全面實現，直接影響整個專業認證的畢業要求達成度評價。

然而，目前國內大多數院校在“道路勘測設計”課程教學中，存在理論教學和實踐教學相分離、實踐教學安排欠系統化和科學化等多方面的問題，導致對學生工程勘測設計能力的培養效果并不理想［5］。為改變這種狀況，本文運用現代認知學習理論相關原理，對道路勘測設計課程的實踐教學體系進行重新構建，以期科學、高效地培養學生的工程勘測設計實踐能力。

1 認知心理學研究中現代認知學習理論相關原理

1.1 知識分類思想

知識是認知心理學（亦稱信息加工心理學）研究領域的一個中心概念，以安德森（J.R.Anderson）為代表的認知心理學家認為，通過信息加工，個體可獲得兩類知識——陳述性知識（declarative knowledge）和程序性知識（procedural knowledge）［6-7］。陳述性知識是關于事物及其關系的知識，或者說是關于“是什么、為什么”的知識，主要用來描述一個事實或陳述一種觀點。程序性知識則主要反映活動的具體過程和操作步驟，是說明“如何做”的知識，是一種實踐性知識，主要用于指導實踐操作。從二者的概念不難看出，陳述性知識和程序性知識的獲取過程實質上互為前提、互相融合。一方面，程序性知識的獲得需要以陳述性知識為基礎，即只有清楚了“是什么和為什么”才能掌握“如何做”。另一方面，陳述性知識的獲得也需要程序性知識的保證，因為陳述性知識的獲得離不開對已有知識的分析運用，而分析運用的過程中就要依靠程序性知識［8］。

1.2 知識學習的階段化理論

認知心理學相關研究表明，任何學習都必須在一定量的學習準備條件下進行，這種先期的準備可有效保證后期學習的成功，并使得學習效率提高。這就是說，人在早期已掌握的低級知識、智力與技能是后期高級知識、智力與技能學習重要的前提條件，即人的認知學習呈現出明顯的等級型和累積型規律。

本文主要研究實踐教學改革問題，這里主要介紹程序性知識學習階段的相關理論?；谌说膶W習發展的次序性與階段性規律，現代認知心理學家認為程序性知識的學習一般分為三個階段。其中第一階段是針對待完成任務相關規則的學習，即第一階段是陳述性知識的學習，這與上述中關于程序性知識與陳述性知識相關關系的論述是一致的。第二階段為轉化階段，即通過應用規則的變式練習，使規則的陳述性形式向程序性形式轉化。此時相應的規則已經開始支配學生的行為，規則開始向完成任務的技能轉化。第三階段為自動化階段，是程序性知識發展的最高階段，規則完全支配人的行為，技能達到相對自動化的程度［9］。

2 現代認知學習理論視角的“道路勘測設計”課程群實踐教學改革

2.1 基于知識分類思想的“道路勘測設計”課程群理實相濟式教學模式研究

根據知識分類思想，個體可獲得的知識為陳述性知識和程序性知識兩類。對于工程類專業的核心專業課程，一般需要傳授的主要知識也大致可歸類為陳述性知識和程序性知識兩種類型。表1中對“道路勘測設計”課程各主要模塊需要講授的主要內容按知識分類思想進行了細分，其中陳述性知識主要是該模塊需要講授的基本概念、規范規定的基本指標以及設計相關的基本原則和規定；程序性知識主要是該模塊需要講授的道路設計流程和方法、設計指標選用的思路以及設計方案合理性判斷的思路。表1中還列出了各模塊需要學生掌握的實踐技能，比如平面設計模塊，在學習道路平面設計基本方法和設計流程后，學生需要學習運用計算機軟件，進行道路平面設計實際操作的技能。

知識分類思想表明，陳述性知識和程序性知識的獲取過程互為前提、互相融合。借鑒這一思想，教學改革過程中，積極探索理論知識講授和技能實踐訓練相輔相濟，即理論指導實踐操作、實踐反哺理論知識的教學模式，讓學生既能更深刻地掌握專業理論知識，同時也能具備國際工程師標準所要求的工程實踐與開發能力。

“道路勘測設計”課程群理實相濟式教學模式設計如圖1所示，其總體思路包含幾個方面：

（1）理論課程講授中穿插安排實踐環節訓練。如在“道路勘測設計”理論課程講授完道路平面設計、縱斷面設計和橫斷面設計部分基本知識后，隨即講授運用EICAD軟件設計道路平面、縱斷面和橫斷面的基本方法，并設置簡單的道路設計項目安排學生實踐。

（2）實踐環節中安排相關理論知識的講解。如在課程設計、畢業設計環節，都會講解一些道路設計過程中應該注意的要點，講解道路設計應該考慮的環境、社會、健康、安全、法律以及文化等方面的因素，講解道路工程制圖、出圖方面的知識，在軟件應用課中，會補充講解道路設計軟件的開發原理和運行機制，講解工程與環境、工程職業規范方面的知識等。

（3）注重理論和實踐之間的相輔相濟。一方面，注重道路設計理論對道路設計實踐操作的指導，即在設計過程中，要時刻回顧設計方法、設計指標的運用等理論知識；另一方面，注重實踐對理論的反哺作用。即通過實踐，加深對道路設計理論的理解。比如在設計“S”型曲線的時候，通過實踐操作，能進一步理解“S”型曲線的特點和技術要點。

2.2 基于知識學習階段化理論的分層遞進、螺旋擴張式實踐教學體系設計

根據知識學習的階段化理論，程序性知識的學習和實踐技能的培養一般都要經歷三個循序漸進的階段。在“道路勘測設計”課程群教學設計中，將學生道路工程勘測設計實踐能力的培養也劃分成三個階段：

（1）第一階段：陳述性知識學習階段（認知階段）。該階段安排的課程是“道路勘測設計”理論課教學，主要講授公路與城市道路設計的基本概念、基本原理和基本原則，這部分陳述性知識的學習是培養學生道路勘測設計實踐技能的基礎。這一階段也是道路工程勘測設計技能培養的起始階段，學生通過觀察教師示范道路平面、縱斷面和橫斷面設計的操作過程，形成一個內部的操作印象，以作為實際執行設計操作時的參照。

（2）第二階段：轉化階段（聯系形成階段）。該階段安排的課程是“道路勘測設計”課程設計和“道路設計軟件應用”實踐課程，在學生熟悉道路工程設計基本知識的基礎上，講授公路和城市道路設計的主要流程、主要方法，并安排學生進行常規公路和城市道路工程設計的實操訓練，實現道路勘測設計規則開始向完成任務的勘測設計技能轉化。作為技能培養的關鍵階段，學生在對道路勘測設計方法初步認知的基礎上，在此階段逐漸轉向勘測設計操作方面，并通過練習逐漸形成整體的協調操作。

（3）第三階段：自動化階段。該階段安排的課程是“道路勘測設計”畢業設計環節，學生對一般的公路和城市道路工程項目的勘測設計過程已經達到相當熟練的程度，因此該階段主要安排學生進行大型公路或城市道路設計項目的綜合訓練，達到進一步鞏固提升的目的。

3 實施效果分析

本文所述教改方案在2014～2018級道橋專業“道路勘測設計”課程群實踐教學中得到了應用和驗證。五屆接近400 多名道橋專業學生均能在系列課程結束后掌握了道路工程設計的基本方法，并能動手自主完成較為復雜的公路或城市道路項目的設計任務。從學生的反饋信息來看，“道路勘測設計”課程群實踐教學改革使學生獲得了堅實和廣泛的知識面，提高了學生在解決具體問題中的實踐能力和動手能力，加深了學生對道路工程專業基礎知識的理解，為將來的工作奠定了良好的專業基礎。從對“道路勘測設計”課程群所支撐的畢業要求的達成情況進行分析可知，五屆學生達成度評價結果均高于0.85，反映出課程群實踐教學改革提高了學生的基本工程素質能力， 有力地支撐了本專業工程教育認證。

4 結束語

在工程教育認證背景下，客觀要求工程教育改革更注重畢業生的自主創新能力和工程實踐能力的培養。本文借鑒現代認知學習理論相關思想，對道橋專業“道路勘測設計”課程群實踐教學進行了系統化的改革探索，基于知識分類思想提出了“道路勘測設計”課程群理實相濟式教學模式，基于知識學習階段化理論提出了分層遞進、螺旋擴張式實踐教學體系。實施效果表明，“道路勘測設計”課程群實踐教學改革提高了學生在解決具體問題中的實踐能力和動手能力，加深了學生對道路工程專業基礎知識的理解，有力地提升了本專業學生適應工程教育認證的水平。

參考文獻

［1］ 朱正偉，李茂國.實施卓越工程師教育培養計劃2.0的思考［J］.高等工程教育研究，2018（1）：46-53.

［2］ 李秋鋒，宋凱，盧超，等.面向工程教育專業認證的無損檢測工藝實驗教學探索與實踐［J］.實驗室研究與探索，2021，40（6）：201-205+250.

［3］ 楊永紅，劉細梅，黃蘭，等.面向工程教育的道路勘測設計課程研究性教學設計［J］.實驗技術與管理，2018，35（7）：206-208+212.

［4］ 程建川，陳飛，劉洪波，等.“道路勘測設計”課程設計改革及野外實習基地建設［J］.東南大學學報（哲學社會科學版），2015，17（S1）：174-176.

［5］ 涂圣文，趙振華，鄧夢雪，等.道路CAD系列軟件在道路勘測設計課程中的教學實踐［J］.大學教育，2020（3）：46-48.

［6］ 袁書卷.教育心理學［M］.北京：北京師范大學出版社，2015.

［7］ 馮忠良，伍新春，姚梅林，等. 教育心理學［M］.第三版.北京：人民教育出版社，2015.

［8］ 孔令偉.基于現代認知學習理論研究的高等院校環境設計專業實踐教學體系構建［J］.藝術教育，2016（12）：264-265.

［9］ 曹殿波.學與教的基本理論［M］.銀川：寧夏人民出版社，2014.

［基金項目］2021年度貴州省高等學校教學內容和課程體系改革項目（項目編號：2021043）；2022年度貴州省高等學校教學內容和課程體系改革項目（項目編號：2022048）；教育部第二批新工科研究與實踐項目（項目編號：E-XTYR20200662）

［作者簡介］涂圣文（1975—），男，博士，教授，研究方向為道橋工程；趙振華（1981—），男，碩士，副教授，研究方向為巖土工程；裴偉（1986—），男，碩士，講師，研究方向為結構工程；洪倪（1984—），女，碩士，講師，研究方向為巖土工程。