应用心理学知识改善本科课堂教学质量

随阳轶

（吉林大学 仪器科学与电气工程学院，吉林 长春）

一 引言

近年来世界科技水平发展日新月异，人民的生产生活方式发生了巨大的变化。习近平总书记在《创新增长路径，共享发展成果》的报告中指出，新一轮科技和产业革命正在创造历史性机遇[1]。然而国际形势变化深刻复杂，机遇与风险并存，如何改进教学方法、更快更好的为国家培养高水平的科研人才成为高等教育亟需解决的问题[2,3]。

二 目前高等教育存在的一些问题

高等教育目前遇到的一个重要问题可以总结为无限的知识和有限的时间的矛盾，想要利用大学四年时间将学生培养成既具有扎实学科理论基础又不与社会实践脱节的创新型人才，除了需要精心挑选教学内容，也需要不断改革教学模式[4]。在目前的教学模式下，高等教育往往会出现如下问题。

（一） 学生抓不住课程重点，对课程掌握程度欠佳

随着科技的不断发展，前人累积的知识量越来越大，学科的交叉融合成为一种新趋势，不可避免地导致学生在高等阶段需要掌握了解的知识更多更广，因此高等教育中往往存在课时少、教学进度快等问题，同时其课程难度又远高于中等教育[5]。面对巨大的知识量，学生往往抓不住重点，不知道从何学起。可以说高等教育对学生的理解能力、记忆能力和总结归纳能力等都是一个巨大的挑战[6]，这会导致很多习惯中小学“车轮战”式教育模式的学生出现掉队，继而影响学生后续学习的积极性。这就敦促高等教育改进课堂授课方法，让同学尽可能在课堂上掌握更多重点内容。

（二） 教学与科研脱节，学生科研信心和兴趣较弱

在我国的教育体制里，科研经常被认为是极为艰深复杂的工作，连许多大学生都认为科研离自己太过遥远。这种情况实际上反映了现在的教育体制，特别是中小学，只是满足于传授知识，很少对学生进行科研素质的培养，这样学生从小就认为科研是科学家的事情，和自己不相关。大学是学生进入社会的最后一关，故应该大力提倡科研内容进课堂，从而弥补中小学教育的缺憾。

解决上述问题需要教育工作者从多方面入手，作者认为将心理学知识引入高等教育可以改善目前的教育模式，它不仅可以通过较低的成本改善教学模式，而且其收益也相当巨大。心理科学涉及到脑科学、神经科学、医学等，它在一定程度上揭示了人脑在生产生活中的作用机理，从而帮助人们了解自己的行为，在教育方面，它可以用来激发同学的学习兴趣、提高学习效率等。欧美教学体系中已广泛地将冥想等心理学干预手段纳入教育体系中，在中国，采用心理学知识来指导教学模式的改革在中小学教育也取得了显著成果。以下将通过具体案例展示如何将心理学知识运用到高等教育的实际教学中。

三 心理学知识在高等教育中的应用

作者在大三年级秋季学期讲授课程《连续与离散控制系统》时，探索将心理学的知识应用于教学中，实践效果证明同学们切实感受到所学理论知识与实际情况的结合，不再认为学和用是分离的，提高了学生学以致用的信心，具体做法如下。

（一） 多种教学手段相结合，提高学生课堂学习效率

心理学研究表明，大脑皮层的不同区域都与学习和记忆有关，如果在学习过程中能够尽可能多用不同区域，就会形成更强大的记忆网络。比如，阅读可以形成语言记忆；记笔记可以添加运动记忆；浏览图片增加视觉记忆；积极听讲并参与讨论，留下听觉和其它记忆；花时间思考也会让额叶上的区域参与到学习的过程中。总之，学习过程中采用的方式越多，会留下各种不同种类的记忆，当回忆时，会有更多的路径[7]。

同时每个人对特定学习方式的大脑皮层活跃程度是不同的，使用适合的学习方式学习，可以增强对大脑的刺激，促进负责长期记忆的大脑突触形成。在课堂上教学时采用多种手段，有助于满足不同学生的学习习惯，帮助学生理解，使更多学生的大脑处于活跃状态。

《连续与离散控制系统》课程在近百年的发展中积累了大量的实例，可以精选后在课堂上通过多种教学手段展现给学生。具体教学设计思想是：通过制作心理地图、常用软件中的经典案例演示、纪录片视频演示、不稳定系统实物演示等多种教学手段生动展现相应知识点，帮助同学更好理解知识，增强记忆，提升兴趣。

1.常用软件中的经典案例演示。最新版的LabVIEW推出许多控制相关的实例，比如：

（1） 在 "Control and SimulationCase StudiesElectric Circuits"中的"CDEx RLC Circuit II.vi"。运行此实例，可以展示电阻、电容、电感如何构建模型，以及如何通过频率响应来分析其系统特性。此实例可以很好地联系《电路分析基础》和本课程，让同学更加清楚地认识到以前课程所学的RLC电路就是本课程所介绍的典型二阶系统的一个实例。

（2） 在" Case StudiesAerospace"中 的"Quadcopter Dynamics and Control.vi"。运行此实例，可以展示同学们非常感兴趣的四旋翼无人机的空气动力学仿真、基于扩展卡尔曼滤波的控制器，以及达到控制飞行器位置和高度的结果。

2.纪录片视频演示。观看“塔克马峡谷大桥事故”视频，要求学生仔细观察并思考一些要点，得出稳定性的定义，在观看视频的时候，同时介绍视频拍摄的背景及相关内容。以下是学生的要思考的要点：

（1）外界的作用是什么？此要点是引导学生观察出现了什么样的外界作用。

（2）桥的状态是如何变化的？和什么相比？可逆吗？此要点是引导学生思考外界作用是如何改变桥的状态。

（3）时间扮演什么角色？此要点是引导学生思考误差的积累效应，为后面介绍开环和稳定性关系打下基础。

3.不稳定系统实物演示。旋转倒立摆是一种复杂的、快速的、不稳定性的系统。该类模型的控制方法，可以应用于航天、机械制造等多种精密控制的领域。在课堂上请研究生来介绍旋转倒立摆系统的设计原理、制作过程和实验结论，并在课堂上利用倒立摆的实物进行演示。同学们参与互动环节，比如同学用手突然给已经保持倒立状态的摆施加一个干扰力，观察倒立摆如何重新恢复到稳定状态。

在实际教学中，通过常用软件给出的控制实例，引导学生去挖掘现有的技术资源，加深了课堂上理论知识的理解，也同时提高了大家进一步掌握常用软件的乐趣。从“塔克马峡谷大桥事故”这个典型的失稳实例出发，鼓励学生仔细观察现象，自己通过以前所学的知识和经验来得到稳定性的定义，从而培养了学生从感性去理解自然到理性去分析描述自然的科学素养。同样的，不稳定系统的实物演示也很大程度地提高大家对理论知识应用到实际问题中的信心和学习本课程的热情。

（二） 制作心理地图，牢记课程重点

在一门课程的学习过程中，关键问题与核心概念串联起课程的主要逻辑，是课程的精髓。核心概念由关键问题引出，通常是关键问题的简要回答，强调了每一节的中心思想，由核心概念可以推导出其他相关知识。只有牢牢抓住关键问题与核心概念，才能抓住课程的本质，深入理解课程。因此关键问题与核心概念是学生们始终应给予关注的焦点。

心理地图（也称认知地图或概念地图）的框架就是由关键问题与核心概念搭建出来的，尽管它不能完整描述一门课程的所有内容，但是它是课程的中心思想，保证学生在学习过程中始终沿着课程的主线，做到“书越学越薄”。

在《连续与离散控制系统》期末复习时，让学生在课堂上绘制全书的心理地图。首先找出关键问题，每一个小节的标题就是关键问题，例如：

第三章总问题：闭环控制系统设计的核心是什么？

1.关键问题：控制系统稳定性的定义是什么？

2.关键问题：闭环极点和稳定性的关系是什么？

3.关键问题：如何利用代数的方法判断系统稳定性？

4.关键问题：如何利用图形的方法判断稳定性？

5.关键问题：如何改善控制系统的稳定性？

接下来学生们利用每个小节的核心概念来简要回答关键问题，构成心理地图轮廓，这就是本课程的宏观总结。之后再将一些重要的概念方法等细节补充到心理地图轮廓中，最终绘成完整的心理地图如图1所示。

在绘制心理地图的过程中，学生们将全书的所有章节做了逻辑关系梳理，从心理地图上直观的感受到了章节与章节间的联系，有助于学生理清课程思路；学生们始终关注着本书的主干，不会“因小失大”，因过于关注细节知识点而偏离《连续离散与控制系统》课程的主旨；学生们手脑结合，边思考回忆边绘制，使学生在强化记忆的同时发现自己掌握不牢固的知识点；学生通过心理地图同时记忆课程的逻辑和重点内容，提高复习效率。

图1 《连续与离散控制系统》心理地图

（三） 教研结合，指导学生找到内源性动机

当人们被一些问题、争议、未解之谜或者实践活动吸引，并且这些活动让他们忘记了时间，无视周围的事物的时候，他们便达到了一种心理状态，称为心流状态。如果学生发现自己缺乏动力去学习某类材料的时候，最终取得好成绩的希望可能并不足以成为学生高效学习的动力[7]。心理学研究表明，内在驱动力比外在驱动力更有助于人类真正调动起自身的积极性。对于科研人员，内在驱动力往往是对未知事物的探索欲和求知欲。高等教育工作者可以引导学生问自己这个问题：是什么让这个领域的专家感到这些东西很有趣？一旦发现了这样的问题，要试图去站在专家的角度寻找解决方法，用这个方法你将会分享那些专家的心态和想法，体会科研的过程，从而诱导自己获得由内源性动机激发的动力，并沉浸其中[8]。因此作为专业主干课的教师更应该不断进行教学和科研的深度融合，并将科研中的相应成果经过适当的裁剪，形成可以教学的内容。

本人在教学中通过教研结合，帮助学生体验在课堂上讲解的知识是如何在实际科研中进行应用的。教学设计思想是：以目前从事的科研工作——航空磁梯度张量探测仪为基础，将与本课程直接相关的磁场反馈部分提取出来，单独形成一个从问题提出到分析问题、最后解决问题的完整过程。在课堂上逐步展示整个过程，帮助学生体会理论知识到实际系统的应用，以及实际科研工作的场景。具体做法是：

首先裁剪科研内容，满足教学要求。航空磁梯度张量探测仪是一种装载到飞行器测量地下物质磁场梯度的仪器。里面包含传感器设计、采集模块设计、数据存储及融合、噪声压制与抗干扰等多项内容。其中传感器部分为提高精度所进行的磁反馈是与本门课程所授知识紧密相关。因此就此部分内容为基础重新形成提出问题、分析问题和解决问题三个完整的步骤，然后根据这三个完整的步骤进行教学：

（1）提出问题：磁通门传感器具有价格低廉、温度范围广泛等优点，但是由于其本身的缺陷，使得磁场测量的精度较低，主要是系统的漂移严重，误差大。

（2）分析问题：磁通门是利用铁芯的磁饱和特性进行测量的传感器，在零磁场环境中工作时的特性最稳定，温漂、非线性等几乎没有，但是实际的工作环境是地磁场下，大约50000nT。

（3）解决问题：设计三轴的补偿线圈，磁通门中心处产生三个方向的磁场来抵消地磁场，这样磁通门就可以工作在零磁环境。所测量的磁场值只与线圈上的电流有关，与磁通门传感器的具体特性无关，故可大大提高系统的精度。

整个案例的实施是放在临近教学周期快结束的阶段，只有学生对本课程的知识有了较为深入的理解，才能进一步学习此科研实例。通过此实例的学习，学生们站在科研人员的角度思考问题，找到了科研的内源性动机，体会到了科研过程，提高了学生们的学习兴趣，增强了同学们的科研信心。

四 结论

面对高等教育中学生掌握知识程度不佳、科研兴趣寡淡和信心不足的问题，

作者结合心理学知识，运用了如下方法解决以上问题：

（1）增加教学手段来增强学生的大脑兴奋度，以提高课堂学习效率；

（2）让学生动手绘制心理地图，理清章节间的逻辑关系，强化记忆，提高复习效率；

（3）将科研中与课程理论知识相关的部分在课堂上讲授，帮助学生找到内源性动力，让学生有机会体验科研过程。

经过2016级和2017级两年教学实践，学生自评利用心理学改善学习效果平均得分为3.8分和3.9分（非常有效果为5分，完全没有效果为0分）。学生的学习效率有了显著的提升，并有多名学生坚定了继续走科研的道路。人类关于人脑和心理的探索仍在继续，未来将会有更多的学习机理被揭示出来，这些理论可以切实的应用到教学中来，帮助教师改善教学质量，提高学生的学习效果，以培养出更多卓越的人才。