建构主义在高等工程教育教学中的应用

胡 榕

(桂林电子科技大学 建筑与交通工程学院，广西 桂林 541000)

1 背景问题

高等教育的首要任务是培养高素质的专门人才。而在当今信息社会中，大学里传统的课堂教学面临非常严峻的挑战。课堂上经常存在学生心不在焉，玩手机等现象。麦肯锡的数据调查表明，我国高校70%的学生认为课堂教学吸引力不足；众多学者认为当前影响我国高等教育质量的根本原因是教学方法[1]。建构主义源自儿童认知发展的理论，是阐明人类学习过程的规律，对当今信息社会中的高等工程教育有着积极的指导意义。

2 建构主义理论基础

瑞士皮亚杰(J.Piaget)是建构主义最早的提出者。他通过观察儿童认知行为，发现并证明儿童在与周围环境互动的过程中，发现自身和环境的联系，逐步建构对外部环境的认知，从而使自身知识结构得到发展[2]。他认为，科学知识的发生不是公理的演绎或经验的归纳，而是认识主体与客体之间互动建构的结果[3]。知识和思维是发生在学习者内部的过程，分别是“知识产生”的状态和过程，因此“知识”和学习者的思维过程密切相关[4]。皮亚杰认为目前任何一门科学都不是完善的，仍处于建构过程[5]。或者说，现有的“知识”是对客观世界的假说，或是对一定范围客观世界的普遍认同，是暂存的平衡状态，并没有完整、准确地解释世界规律；随着客体环境的变化，人类的探索研究，经平衡—去平衡—再平衡的认知和思维过程，知识或将得以重新构建。

根据皮亚杰的发生建构论，学习的本质应该是学习者的知识结构经一定的逻辑思维后从低层级向高层级的迁跃过程。学习不应该是单纯被动地接受单点信息，而是根据学习者自身经验，对外部信息进行选择、加工、处理，积极建立信息或概念间的关联，构建更为复杂的结构，从而生成具有抽象性、普适性的知识层级。建构主义学习理论认为，知识是学习者在一定的情境下，通过其他人(包括教师和学习伙伴)的协助，利用必要的信息资源，经一定逻辑思维后建构而得。其学习过程中主要包含了 “情境”“协作”“会话”和“意义建构”四大要素，其中意义建构是整个学习的目标[6]。学习者是整个学习过程的主体和中心。教师不是传统意义上的“传道”“授业”者，而应根据学习者的基础，以学习者“第一人称视角”设立“情境”，通过“协作”“会话”引导学习者建立知识概念间的联系，尊重学习者自我构建过程，鼓励学习者用现有知识发现新问题、解决新问题，最终获得新的知识经验。在此过程中，教师本人不再代表知识的权威，而是在学生知识构建的过程中成为学生的引导者、支持者，甚至合作者。

3 建构主义在高等工程教育中的意义

(1)有利于创新型人才的培养。高等教育作为从基础教育到社会工作之间的一个关键阶段，肩负着培养创新型人才的重要责任。创新型人才的培养不仅限于知识的传递，更应注重学习模式、思维方式的培养。参与高等教育的大学生已具有一定的知识概念，并有较强的观察力、记忆力，以逻辑辩证思维为主。在专业学习过程中，假以特定教学活动的引导，完全有可能通过已有的知识经验发现新问题或新思路。以学习者为中心的建构主义理论为培养学生建立知识体系，独立解决问题，甚至创造性地解决问题的能力有积极的指导意义。

(2)有利于大学生自我意识的培养。进入到大学学习阶段，大学生不再有高考升学压力，自我意识逐渐出现分化、矛盾和自我整合的特点。结合专业教育，教师适时引导大学生发现问题，激发其好奇心。在协助大学生解决问题，建构新知识的过程中，培养他们不怕挫折，克服困难，独立思考的能力，同时建构自己与自己，自己与他人，自己与环境的认知，为日后的学习及工作培养良好的品格。

4 建构主义在工程教学中的应用

(1)支架式模式。支架式教学应为学习者建构概念性框架以方便对知识的理解。支架式模式由几个环节构成：①建立概念框架；②教师引入问题情境；③学生独立探索；④协作学习；⑤学习效果评价。首先，教师建构概念性框架以方便学习者思考知识概念间的逻辑关系，深化专业知识。然后，教师设立相关问题情境，学生在教师的引导下将问题任务进行分解，形成子问题或子任务。该问题情境可以来自生活中常见的情境。其后的第三环节和第四环节是完成教学任务的关键。在独立探索阶段，学生需要通过已有知识经验或收集相关资料分析，寻求各个问题解决的方法。通过反复的讨论及对比分析，促进学生对知识概念有较为全面的理解，能够正确应用相关的知识解决情境中的问题。最后，学生通过学习效果的评价和比较进行反思、归纳、总结，最终完成对知识意义的建构。

(2)抛锚式模型。抛锚式教学模式要求建立在真实事件或真实问题的基础上，被称为“实例式教学”或 “情境性教学”。主要包括以下几个环节：①教师创设情境；②教师确定问题；③学生自主学习；④协作学习；⑤学习效果评价。由于实际情境问题情况较为复杂，教师需要帮助学生发现问题并确定。第三、第四环节是教学质量的关键。在自主学习阶段，教师不直接向学生提供问题解决的方法，而仅提供解决问题的线索，引导学生通过线索搜集查找资料，经过分析研究获取合理方法并解决问题。培养学生的“自主学习”能力。在协作学习中，学生之间或师生之间交流，通过对问题的分析，对不同观点的讨论、修正，加深学生对问题的理解，提高知识的应用能力。

(3)随机进入模式。随机进入模式是学习者可以随时随地通过不同途径、不同方式进入相同或相似教学内容的学习模式，学习者从多个方面获得对同一事物或同一问题的认识与理解。该模式更是依赖于学习者本人的个人素养。在日积月累的学习中，学习者思维模式得到提升之后，可随时随地自觉或不自觉地进入随机模式，达到主动思考、自我培养的境界。

在我国高等工程教育中，支架式和抛锚式的教学模式已经被自觉或不自觉地运用在课程设计或课程论文的教学中。马莹莹[7]将建构主义思想和翻转课堂相结合进行课程“交通设计”的教学。课前教师根据课程内容设计问题背景，提供基本要求和线索，学生需通过搜集资料和网络课堂学习相关知识，并通过小组讨论给出问题解决的方案。课堂上，学生展示其成果并进行汇报；教师通过对作品的点评引导学生总结相关知识要点。学生的知识能力经自主思考，小组讨论，并在教师协助下获得一定程度的提高。张磊和张馨木[8]将建构主义用于城乡规划专业设计教学中，通过真实情境的设计、交互讨论、角色互换和多元评价四个主要步骤开展教学活动，完成专业知识的构建。呼家源等人[9]基于建构主义理论，采用“做、学、问”的方法开展了高等数学教学活动，要求学生填写一张《做学问学习能力发展记录表》。课堂教学之后，学生通过多做题熟悉所学习的知识，然后通过对题目的分析及知识点的梳理主动发现自身学习存在的问题，再通过发问和同学、老师讨论。经实践，该方法加强了学生的动手能力，促进学生善于思考勤于提问。以上的应用侧重于描述具体的教学手段及教学活动，没有充分说明建构主义理念和教学活动结合的机理。现“以暖通空调综合课程设计”为例，参考已有的教学模式，说明建构主义学习理论及模式在教学过程中的应用及学生的反馈。

“暖通空调综合课程设计”是土木类建筑环境与能源应用工程专业的一门实践课程，独立于相关理论课程“空调与制冷”和“供热与锅炉”。要求学生综合运用和深化课程理论知识。通过查阅各种文献资料、技术手册、行业规范，学习相关设计工具，完成图纸设计及计算说明书的撰写。培养学生独立分析和解决一般工程实际问题的能力，使学生初步掌握工程设计的一般方法，了解工程设计的原则和步骤。因此，学生通过该课程设计应获得“知道怎样做”的知识。根据课程要求及学生知识经验特点，教学活动中融入了支架式和抛锚式两种模式，主要有6个步骤，如图1所示。

图1 建构主义学习理论在“暖通空调综合课程设计”中的应用

首先，参考支架模式的教学方法，建立概念框架。由于该课程设计不仅涉及相关专业课程知识，还包含了专业基础知识和基础数理知识的应用，初涉系统设计的学生容易混淆概念，无从下手。课程前期有必要帮助学生梳理相关知识脉络，建立概念框架。一般学生根据知识经验能较容易地明确暖通空调系统设计的目的——维持室内环境舒适水平，以及相关参数。在此基础上通过联系生活案例回顾室内外设计参数的要求及建筑的相关参数的影响，从而引出负荷的定义和空调系统的主要任务。同时引导学生回顾主要空调系统形式、相关设备及工作原理。以其中的空气处理设备为节点，引出空气输配系统的作用和组成，以及风口布置和室内气流组织的相关概念。另外根据空气处理设备的工作原理引出冷热源系统及其管道系统的相关设备。为学生初步建立主要系统及设备相关知识的逻辑联系。其次，参考抛锚式模型，教师基于给定建筑信息创设真实情境，确定主要问题任务。此次课程设计学生的主要任务是为给定建筑设计合理的空调系统，要解决“做什么”和“怎样做”的问题，相应的任务为系统方案论证和系统设计。其中系统方案论证是课程设计的重点，是学生综合运用知识，培养工程思维能力的关键。第三，结合支架模式的教学思路，学生在教师指导下进行小组讨论，根据问题情境和概念框架拆解问题任务。比如在任务1方案论证中，在了解空调系统与房间负荷关系的基础上，可将任务1拆解为负荷计算、空调系统分区及空调和冷热源三个基础任务；另考虑到建筑地理环境及布局、系统经济性、管井大小及设备机房位置和体量对系统方案的影响，列出相应的辅助性任务(图1)，共形成了6个子任务。类似，任务2系统设计和任务3深化设计可分别拆解为4～5个子任务。同时，根据各项任务及概念框架，收集并初步熟悉相关文献资料。然后学生通过小组讨论将各项任务按逻辑顺序进行先后排列，制定具体的设计流程，列出每一步骤可能涉及的参考文献。该设计流程作为阶段性学习成果，是课程考核的重要依据。至此，以问题为导向，大部分学生能够基本完成知识框架和设计思路的建构，初步了解问题与知识的联系，在一定程度上激发学生的求知欲，为后续的设计奠定基础。由于学生尚缺乏工程设计经验，因此任务1方案论证采取小组讨论、协作学习的形式。在此期间，教师不定时参与其中，鼓励学生多参考相关工程案例，并设立不同的常见问题场景激发学生从投资、使用、管理等方面思考系统方案的合理性，培养学生工程思维能力。在接下来的设计阶段中，学生需通过文献资料的学习独立进行系统设计，探索参数选取、设备选型计算及图纸绘制等问题的解决方法。教师根据进度计划鼓励学生说明设计思想，通过阶段性点评，帮助学生把握计算过程的正确性和图纸设计的合理性，并适时提供问题解决的线索。大部分学生在此过程中需反复修改系统方案、计算方法和图纸绘制，容易出现情绪波动，甚至产生挫折感。教师需根据具体情况给予及时肯定，在尊重学生设计思想的基础上，鼓励学生克服困难，协助他们顺利完成课程设计任务。第四，学生的成果评价采用多样化的评价方式，包括自我评价、学生相互评价和教师评价等，让学生在评价活动中相互学习，并对整个设计过程进行归纳总结，进一步深化知识，提高分析及解决工程问题的能力。在整个课程设计过程中，由于学生的知识概念框架及其设计思路是在教师的引导下通过自我建构的结果，学习的主观能动性明显提高。学生更愿意花时间查找资料，和同学、老师进行讨论，看自己的方法是不是比其他同学的更好更有效，自己找的资料是不是更适合当前的项目情况。在一次又一次的肯定与否定中，大多数学生在学习的同时了解了设计本身的意义，即在各项技术方案中权衡利与弊，寻找一个合理的平衡点和问题解决的办法；体会到了项目中设计者、投资者、管理者等不同角色的立场与想法。根据某些学生反馈，课程设计期间所查找的资料数量远多于以往三年的总和。 而有部分学生，平时学习态度较为马虎，看到自己通过努力也可以较好地完成设计任务，自信心得到大大提高。因此，结合工程专业教育教学特点和现有基于建构主义理论的教学方法，“支架模式”和“抛锚模式”可相互融合，灵活运用。在以上的课程设计的教学案例中，采用“支架模式”帮助学习者构建知识框架和设计思路框架，应用“抛锚模式”由教师定义真实问题场景，总体由六大步骤组成：构建知识框架——定义真实问题情境——拆解问题任务，构建解决思路——协作学习——独立探索——成果评价和总结。

经实践表明，基于建构主义理论的教学活动有助于激发学生学习积极性，但因学生知识经验水平存在较大差异，易导致设计计算结果多样性甚至错误，偏离教学要求。在教学过程中，教师需关注学生学习的异质性，了解学生知识概念和工程设计思路建构过程，并通过研究讨论等活动鼓励学生自己发现问题，解决问题。因此，与其说教师是课程教学活动的组织者和辅助者，不如说是学生知识构建过程的“导演者”。