在大学理科教学中应用思维导图的实践研究——以“激光技术概论”课程为例

李洪玉，许林鑫，侯 丹

(1. 天津师范大学 物理与材料科学学院，天津 300387；2. 兰州市第五十三中学，甘肃 兰州 730030)

思维导图是把个人的思路反映在一张图纸上，从一个中心点发散出去，通过曲线、颜色、图片、符号、关键词等，形成一个完整的图像[1,2].思维导图的绘制主观性强，能够在短时间内帮助绘制人整理汇总知识、梳理知识脉络. 近年来，在我国无论在教师教学还是学生学习方面，思维导图的应用程度都大幅度增加[3-7]，各类专家学者也纷纷将自己的工作与思维导图结合起来，以达到更好的效果和更高的工作效率. 在中国知网上通过搜索“思维导图”来检索2016年1月1日至2020年8月31日的相关文献，共搜索到11024条结果，其中与教学应用相关的共8268篇，占75%，且发表文献数量逐年升高.这些数据表明思维导图对教学研究很具潜力. 在这8268条结果中，再分别添加关键词“初中物理”和“高中物理”，有164和67条结果，但添加关键词“大学物理”，仅有7条结果[8-14]. 由此可见，关于思维导图在大学物理学习方面的应用研究仍是有限的.

因此，在教学中引导学生使用思维导图对课程知识点进行梳理，使学生对本门课程有一个全面立体的认识和掌握，提高学生学习兴趣和质量的尝试势在必行. 本课题旨在帮助学生使用思维导图掌握“激光技术概论”的课程内容，提高学生的学习效率；同时，探究思维导图在大学物理课程中应用是否具有实践意义等问题.

1 关于思维导图的研究

思维导图是通过曲线连接各级关键词，并结合色彩、图像等元素，体系化整理知识脉络的一种方法. 它与传统提纲式笔记的优缺点对比如表1所示. 可以看出思维导图笔记法是对传统方法的精进和优化，同时也各有利弊.

思维导图规定每个分支只使用一个关键词. 然而对于有许多限定条件的定义或概念，只用一个关键词是无法概括的，因此完全符合定义和要求的思维导图并不适合在初步教学中做随堂笔记时使用，而是适合在一章知识点都学完之后，引导学生反思自己的掌握程度并梳理整体脉络时使用. 因此，结合“激光技术概论”这门课程的知识特点，在对学生制作思维导图的指导过程中，主要是通过布置总结每章知识点这种作业的方式使学生练习思维导图的使用.

表1 两种笔记记录方法优缺点对比

2 思维导图教学实践思路研究

“激光技术概论”是本学院物理专业大学二年级下学期开设的专业选修课. 该课程是在阐明激光基本原理的基础上，介绍最新的激光技术及其在加工、精密测量、通讯、医学、军事和科学技术研究等领域的应用[15-17]. 此前学生已学习过“高等数学”、“光学”等预修课程，有一定的知识基础，同时学生该学期正在学习“原子物理学”课程，所以在课程内容连接方面是恰如其分的，并可以对在大三下学期学习的“量子力学”课程提供知识铺垫. 该课程本身理论性、前沿性和实践性都很强，知识点繁多、理解难度大，对学生的数理基础要求高，学生往往望而生畏.

尽管本门选修课程的教学大纲中并不要求学生掌握诸多推导过程，但学生也会在学习过程中兴趣大减，从而影响学生的学习感受和学习效果. 由于“激光技术概论”课程的大部分概念不可能仅使用一个关键词概括，如果学生硬性地按照“关键词个数少”的要求，又对知识点的凝练度掌握不好，那么在期末复习时就会无法完全理解原先总结的关键词到底代表什么意义，也就丧失了应用思维导图的初衷. 因此在布置作业时提示学生，可以将思维导图对每个分支只有“一个关键词”调整为每个分支“1～2个词组”或“添加备注”的方式. 而对于输入公式的问题，可以通过插入图片的方式解决.

本学期共有149位学生选修了“激光技术概论”课程. 因2020年新冠肺炎疫情的影响，大部分课程都改为网络授课，本课程采用的网课资源来自中国MOOC网站. 教师通过班级微信群发布预习要点、线上答疑、课后布置作业及总结. 期末考试采取开卷方式.为了帮助学生更好地理清课程知识脉络以便制作思维导图，在学生学习网课资源之前，教师对教学内容做了结构梳理，并以提问的形式总结了重点问题，汇总后发布给学生，使学生带着问题去观看教学视频. 学生可以在课后参考教师发布的预习要点，完成作业，而下次课教师会将相关问题的详细答案总结公布，并推荐做得好导图，请大家借鉴，方便其他学生完善自己的导图，因此学生的整个学习环节是“闭合”的. 本课题的实践研究步骤如图1所示.

为了使学生更好地结合思维导图完成作业，笔者还邀请了一位在思维导图制作方面比较有经验的大四学生作为助教. 该助教在微信群中分享了她总结的思维导图基本知识，并附加制作的课程第一章“激光基本知识简介”的思维导图作为范例，帮助学生提前了解思维导图的定义、制作步骤及要求. 整个教学期间，学生有关思维导图的问题也可以通过微信向助教求助答疑，问答方式更为灵活自由.

图1 研究步骤示意图

3 思维导图教学实践

本课程一共布置了7次作业，分别针对每一章内容，涵盖了绝大部分知识点. 而这些知识点已经在课前以预习要点的方式发布给学生，因此学生做作业时参考教师发布的预习要点，完成符合基本要求的思维导图是比较容易的. 其中前2次作业的完成方式都限定为思维导图(可以电脑制图或手绘)，鉴于部分学生反馈并不适应思维导图的方式，在进行了作业完成方式选择的投票后，后5次作业改为由学生在直线型笔记、思维导图、思维导图+备注三种方式中自由选择其中一种来完成. 在第1次和第7次作业后分别发放了调查问卷对学生使用思维导图的情况进行调研.

3.1 第1次作业情况分析

第一次作业为总结课程第二章“激光的基本原理”的内容. 共收到147份作业，整体情况一般. 较优秀的学生作业做到了关键词个数、使用彩色和曲线连接等要求，大部分学生制作的导图都存在颜色单一、没有图像、知识点散乱、分支上使用长句等问题.也有同学并未使用思维导图的方式，仍旧采用传统笔记法完成作业.

3.2 针对第1次作业的问卷结果统计及分析

针对上述作业中出现的问题，在班级微信群中通过问卷星小程序向全体学生发布了第1份问卷进行调查. 本次问卷共收回141份有效答卷，问卷中涉及的几个突出问题及分析列举如下.

3.2.1 调查学生以往的笔记整理方法

由表2可以看出，77.3%的同学通常将老师所讲内容记在笔记本上，69.5%的学生会选择在书本或PPT上画出重点，只有9.22%的同学在学习过程中使用过思维导图. 这说明在大学生学习过程中对思维导图的使用是非常缺失的，因此在第一次作业中出现了对导图绘制不熟悉的状况. 因此，如果通过本课程可以引导学生学习思维导图的制作方法，并鼓励他们多加练习和使用，相信对他们的学习生活都会产生积极的帮助.

表2-1 笔记整理方法调查结果

表2-2 笔记整理方法调查结果部分选项详情

3.2.2 调查学生制作思维导图的工具或方式

表3显示使用电脑绘图的学生(78.72%)比手绘的(21.28%)多了2.7倍，大部分同学选择了在电脑上利用MindMaster、Xmind等软件制作思维导图，其原因可能是无彩色工具进行手绘，另外学生平时学习更倾向于使用电脑也是原因之一.

表3-1 思维导图制作方式调查结果

表3-2 思维导图制作方式调查结果部分选项详情

3.2.3 调查学生制作思维导图过程中出现的问题

根据表4可以看出，大部分学生(93人，占电脑绘图学生总数的83%)认为公式不太方便输入. 针对这个问题，建议学生通过输入法中特殊符号的帮助，或使用添加图片的方式解决. 超过一半同学都认为概念无法缩减为短语，这是客观存在的问题，因为物理概念的描述需要非常精确，本身可能确实无法缩减，而且物理概念需要充分理解后才可以概括.

因此，思维导图相对而言并不适合初步学习时使用，而更加适合复习时进行梳理知识脉络使用. 在“软件操作太繁杂繁琐”和“其他”的一些回答中可以看出，大部分学生是第一次制作思维导图，在软件摸索使用方面出现了一些问题，并且有学生对于并列的关系在软件绘制中如何体现有一些疑问，这些问题笔者及助教都已进行了相应的解答.

表4-1 思维导图制作问题调查结果

表4-2 思维导图制作问题调查结果部分选项详情

3.2.4 调查学生认为思维导图对知识掌握的帮助

由表5可以看出，77.3%的学生认为思维导图使知识点间脉络更加清晰，从而对整体知识有一个全面的了解. 有46.81%的学生认为思维导图可以帮助掌握具体概念，这是因为思维导图的制作要求每个分支的关键词不能超过两个，这大大提升了学生对物理概念概括提炼的要求，从而加强了学生对概念的深度理解.

表5-1 思维导图对学习帮助调查结果

表5-2 思维导图对学习帮助调查结果部分选项详情

3.3 第2次作业情况分析

第2次作业要求学生结合思维导图完成课程第三章“光学谐振腔”知识点总结. 作业整体情况有了很大改善. 针对上次提出的问题，几乎所有同学都使用了两种以上的颜色，大部分同学的作业都使用关键词概括了主要信息. 但也有部分同学的关键词概括不够熟练，仍使用了长句，条理不够清晰，重要公式并没有表现在思维导图中. 图2和图3是两份导图作业的对比. 可以看出学生甲的作业中未做到添加图片、使用短语概括，重点不突出；而学生乙制作的思维导图在每一模块都使用了不同的颜色，并用图标或图画对各个分支上的内容进行了标记，必要处还使用了指向箭头和文字备注，形成了极具个人特色的知识点思维导图，整体也非常整齐美观. 针对学生反映部分软件(例如Xmind)无法加入图片的问题，建议学生先留好空白，后期再添加公式图片，或选择其他思维导图绘制软件进行操作.

图2 学生甲的作业

图3 学生乙的作业

3.4 作业完成方式的改进

鉴于有部分学生反映用思维导图完成作业不方便、担心后期复习时无法使用，笔者在微信群中面向全体学生针对作业完成方式进行投票. 有效票共137张，其中61.31%的学生更倾向于使用直线型笔记完成课程作业，28.47%的学生表示愿意结合思维导图的方式完成作业，10.22%的学生希望可以使用思维导图+备注笔记的方式完成作业. 针对投票结果，本着充分尊重学生意愿的原则，决定让学生自选作业形式，在直线型笔记、思维导图或思维导图+备注三种形式中选择一种形式即可.

3.5 第3—7次作业情况分析

第3到第7次作业内容分别针对激光模式、高斯光束、典型激光器、激光技术、激光的应用等内容，知识侧重点各有不同. 每次作业提交后，教师和助教都会在班级群中就学生制作思维导图的情况进行针对性点评和鼓励建议. 表6给出了学生完成作业形式的统计结果.

表6 第3—7次作业完成形式统计

由表6可以看出，学生使用思维导图完成作业的人数随作业次数依次增加. 毕竟在表2中显示只有9.22%的同学在之前的学习过程中使用过思维导图，第2次作业后投票选择时仅有38.69%的学生愿意选择思维导图完成作业，而第7次作业中已经有53.38%的学生使用了思维导图，这是可喜的增长. 尤其是更多学生尝试使用思维导图+备注的方式，这是因为学生逐渐体会到思维导图的使用能够使知识点间的脉络更为清晰，而添加备注能够使单个知识点的具体内容体现得更细致，便于日后复习使用. 这说明思维导图+备注的改进方式能够帮助学生应用思维导图提高对课程知识的掌握程度.

其中还有一个值得关注的现象，就是部分学生能够根据作业内容在传统直线型笔记和思维导图之间进行转换选择. 例如，与第3次作业相比，在第4次作业时有30位学生改变了作业完成方式，其中14位学生从思维导图方式转变到传统的直线型笔记，16位学生由直线型笔记改为结合思维导图完成作业，这充分体现了学生学习的灵活性和自主性.

3.6 针对第3—7次作业的问卷结果统计及分析

在完成第7次作业之后，针对思维导图与课程学习感想制定了第2份调查问卷. 共收回116份有效问卷，约占选修总人数的77.85%. 该问卷主要调查了学生在第3次到第7次作业中选择何种方式完成作业及其原因. 问卷结果反映出25.86%的学生5次作业都使用了思维导图，16.38%的学生全部使用传统笔记法完成作业，剩余57.76%的学生对导图法和传统笔记法都有尝试. 在使用过思维导图的学生中，有68.1%表示选择思维导图的原因是知识点间关系更加清晰，43.1%的学生认为思维导图会使重点更加突出. 而在选择传统笔记法的同学中62.93%的学生都表示记笔记是长期的习惯，会使自己对课程有更具体的认识. 有80位同学表示在后5次作业中改变过作业完成方式，其中44位由传统笔记法改为导图法，他们表示改变的原因是思维导图用电脑打字比手写快、有需要图片描述时思维导图更加方便导入、想尝试新的方式等. 而有28位同学由导图法改为传统笔记法，他们认为传统纸质笔记更便于复习、手写更便于记忆、知识点更加全面等.

学生反映思维导图的缺点主要是公式及推导不方便体现、思维导图只是形式主义的复制粘贴，并不方便记忆等. 除了觉得导图制作麻烦之外，学生不选择思维导图的另一个主要原因是不清楚如何提取关键词更凝炼、如何建立关键词之间的联系. 这说明思维导图在理科课程学习方面的应用还有很多需要改进的环节，包括教师对学生概括能力的培养. 另外，学生表示很高兴可以根据他们自己的习惯选择作业完成形式，有人更喜欢传统笔记法，也有人愿意尝试思维导图并爱上这一辅助工具. 因此，引导学生对完成作业的方式自主选择、不同方法都有所尝试是非常人性化的. 除了8.62%的同学认为思维导图太麻烦、未来不会再使用之外，91.38%的同学都表示在这门课的学习中使用思维导图收获颇丰，以后还会尝试用思维导图辅助其他课程的学习.

根据以上调查问卷的反馈情况，可以看出思维导图在辅助学生整理“激光技术概论”课程内容方面效果较好，学生在完成每章作业的过程中能更加清晰地理清课程内容结构脉络，准确掌握知识重点，这对他们提高学习效率有积极作用. 同时，学生的思维导图制作体验将潜移默化到他们未来的学习方式选择中.

这门选修课程期末考试采用的是开卷形式. 笔者以第7次作业完成方式为标准，统计了使用笔记法和导图法的两部分同学的期末卷面成绩，平均分分别为86.6和86.1. 这说明在短暂的一个学期中，作业完成形式的不同对学生的期末成绩影响不大. 毕竟，思维导图是一种学习方式，它对学生学习效果的影响是长期的.

4 结论与展望

在教授“激光技术概论”课程中，笔者在助教的辅助下引导学生采用思维导图完成课程章节知识点总结，并进行了作业完成方式投票、两次问卷调研，获得了学生制作思维导图过程的各类第一手资料. 结合“激光技术概论”课程内容的特点和学生反映的问题，提出了针对性指导意见，得到了学生的积极反馈，采用思维导图完成作业的学生人数逐次增加，学生对学习效果的反馈也比较乐观.

本次研究还发现，若能不拘泥于思维导图的全部要求，而是做出相应的改变，例如采取思维导图+备注的形式，那么思维导图本身的优势会体现出来，同时添加备注可以弥补思维导图应用于理科课程学习的缺陷，对于完善课程知识脉络和细节会有很大帮助. 可以展望，思维导图+备注的方式在其他多概念、多推导的课程学习中也将发挥出独特的作用. 因此，思维导图与大学理科课程学习的结合是具有可行性的.

需要重申的是，本次研究在充分尊重学生意愿的原则下，并没有强制学生必须用导图的形式完成作业. 毕竟，用传统笔记法总结复习已经是绝大多数学生长期养成的习惯. 传统笔记法可以将知识点记录得更加细致具体，便于细节复习，而且形式自由，不受字数限制，这是用思维导图无法替代的优点. 因此，思维导图在理科课程学习方面的应用还有很多需要探索的环节，包括教师对学生概括能力的培养以及学生学习效果的监测等. 笔者后续仍将推广导图方式，但会寻求更契合理科课程的改进，比如可以将传统笔记与思维导图两种方式相结合、将导图应用于总复习等等. 与此同时，仍然会尊重学生的意愿，让其自由选择学习方式.