ACT-R 理论对“电路原理”在线教学的启示*

吴世青，汪中厚

（上海理工大学，上海 200093）

0 引言

“电路原理”是机械类与电气类专业的一门专业基础课，对学生的思维想象力、创新能力等都有较高的要求。一段时期以来，“电路原理” 课程教学是以课堂教学为主，能够帮助学生掌握知识，取得了明显的教学效果。但是，随着社会对具有创新能力的复合型技术人才的需求大量增加，笔者在教学中发现传统的课堂教学面临新的挑战[1]。 尤其是2020年一场突如其来的新冠疫情，传统的课堂教学被迫改为在线教学，使“电路原理”的教学实践又出现了新的问题。

1 “电路原理”教学存在的问题

课堂教学被广泛采用，其教学效果也得到了教师们的认可。 但是，随着时代的发展，这种教学方式存在一些问题，主要体现在：

1）教师注重理论知识的讲解，忽略了对学生能力的培养。 在课堂教学中，大多数教师都可以熟练讲解电路模型、电路定律、求解方法等相关的理论知识，但部分老师忽视了对学生学科素养的培养，导致部分学生只是停留在听懂，却没能内化为掌握技能，自己无法独立分析电路；部分学生虽然求解出了电路，但无法充分理解所学的知识点，不能够清晰地表述自己的思维。 所以，这部分学生要么不能根据需求提出解决方案，要么有一些奇思妙想，却没有掌握知识点，不能够结合课堂所学，构建自己的知识结构，理解电路学科本身的思维方式。

2）学生一味地模仿练习，缺乏创新性思维。 依照教师所讲授的经典电路、典型例题，学生进行模仿练习，完成课后习题，可以巩固所学理论知识。 但是部分学生逐渐思维固化，只了解教师讲授过的电路，做不到举一反三。 由于电路经常有等效变形，这些学生对此束手无策。 也有部分学生误认为只要通过大量做习题就可以掌握知识点，从而陷入题海战术，为了解题而解题，思维能力与解决问题的能力没有明显提高。

2020年一场突如其来的新冠疫情，使全国高校教育教学面临前所未有的挑战，各个地方都提出了“开学不返校”“停课不停学”的要求。 在疫情形势的催化下，以慕课（Massive Open Online Courses，MOOC）、QQ 群课堂、 超星泛雅等平台为基础的在线教学模式，由于其开放、便捷、共享等独特优势，为广大高校普遍采用。 与此同时，在线教学实践过程中，也出现了一些新的问题：

1） 教学过程的单向性。 隔空教学，师生无法有效互动，学生之间的交流也无法实施，导致课堂节奏比较单一，课堂教学容易变为教师的“独角戏”，即便教师自己感觉讲得很好，但是学生是否能跟上教师的节奏，真正掌握理解了多少，教师都无法得到及时反馈，也无法及时调整自己的教学节奏与教学重点。

2） 学生管理难度大。部分学生虽然也能准时打卡，但是一旦遇到困难，会影响到学习的兴趣与热情，难以像课堂教学一样依然每天坚持学习，努力解决学习难点，反而可能放松对自己的要求，出现“假签到，实旷课”等问题。

3） 缺乏浓厚的学习气氛。 长时间的线上教学很容易使学生产生厌烦、浮躁等诸多负面情绪，这些情绪会导致学生的学习积极性不高。 在线教学过程中，学生的注意力很容易被学习以外的东西吸引，例如桌面上随机蹦出的一个新闻或广告都可能导致学生分神。

4） 上课形式单一。 教师们都已习惯于课堂教学的形式，采用PPT 进行授课。 如果在授课方式上没有创新，容易使学生在开始听课的前十分钟内就失去兴趣，即使是能够坚持听课，也不能很好梳理课堂知识，难以分清哪些是重点。

这些问题影响了“电路原理”的教学效果，为了突破瓶颈，下文将结合ACT-R 理论为本课程的教学提出建议。

2 ACT-R 理论

ACT-R（Adaptive Control of Thought, Rational）是美国卡内基梅隆大学的心理学和计算机科学教授约翰·罗伯特·安德森等人提出心理学理论，其基本观点认为人通过某些方式获得相对简单的知识单元，这些知识单元按照复杂的方式组合起来形成复杂的认知行为[2-3]。

根据ACT-R 基本观点，可以进一步将知识分为陈述性知识和程序性知识[4-5]。 其中，陈述性知识是一些小的原始知识单元组成的信息块，反映的是人们知道并且可以表达的、静态的事实信息，其实质是命题和命题网络，它通过对先前经验的记忆和对环境信息的编码获得。 显然，陈述性知识与经验有关，但理解一个概念不仅需要经验，还需要可以灵活地解决相关问题，所以需要程序性知识。程序性知识指的是大量解决各种具体问题、 采取具体认知活动的规则单元。 陈述性知识和程序性知识之间可以互相转化，所有知识最初都是以陈述性知识的方式进入陈述性记忆，然后形成程序性知识。

由此可知，ACT-R 理论描述是人类的认知过程，该理论说明了解决问题技能的形成过程，阐述了陈述性知识与程序性知识之间的相互转化关系，强调陈述性知识是程序性知识获得前提条件，主要体现在两点：1）学习者通过课堂学习与课后练习在记忆系统中储存大量样例，形成陈述性知识；2） 学习者遇到问题时可以直接从记忆中提取对应样例，通过将当前问题与样例进行类比，粗象出产生规则，形成程序性知识。

3 在线教学的启示

ACT-R 理论解释了认知技能的获得过程，把人类的认知过程这一个复杂的问题简单化，从认知过程的本质出发更加合理有效安排学习。 因此，这一理论对于开展“电路原理”在线教学方法有一定的启发性意义[6-8]，具体阐述如下：

3.1 对于不同的知识应采取不同的教学策略

ACT-R 理论将知识分为陈述性知识和程序性知识，陈述性知识反映的是概念，一般通过经验或教师的讲授获得；程序性知识反映的是认知技能程序，首先以陈述性形式呈现，逐渐转化成程序性知识。

在教学过程中，对于陈述性知识和程序性知识在获得方式上的差异应该有清醒认识，针对陈述性知识和程序性知识在获得方式上的差异，应该采取差异化的教学策略，主要体现在：首先要明确某一知识的类型。 对于概念一类的知识，确定其为陈述性知识，对其教学可以通过设置情境将当前的知识与经验相联系，帮助学生更直观地学习概念，使学生更容易地理解概念的定义。 对程序性知识的教学要注重类比，即将当前知识与已有的经验知识做比较，有利于形成对陈述性知识的编码，最终演变成程序性知识。 因此，在“电路原理”课程教学的过程中，教师应该重视类比知识的运用，培养学生主动进行类比的能力。 学生将样例与已有的经验知识进行类比，形成产生式规则，领会解决问题的过程。

3.2 应该有充分的教学互动

根据ACT-R 理论，熟练的解决基本问题是解决复杂问题以及创新性思维的基础。 但是，需要注意的是仅靠大量的练习并不能确保学生获取足够多的信息块和足够激活水平以及强度的产生。 特别是如果学生练习的是错误的技能，其建立起的是错误的基础认知，那么将影响其对后续课程的学习和理解，所以师生之间的教学互动十分关键。 通过教学互动，教师可以了解到学生的学习误区，及时进行指导并纠正，帮助学生建立起正确的基本认知，为其进一步建立创新型思维打好基础，通常会出现三种情况：如果多数学生对教学内容的学习没有达到教学目标甚至出现偏离时，教师必须调整教学策略；如果多数学生对教学内容的学习达到了教学目标时，对于这些学生应该进行肯定，鼓励其进一步运用所掌握的技能进行创新；而对于尚未达到学习目标或者出现偏离的学生，教师应该与学生一起分析所学的知识，帮助学生找到薄弱点与偏差点，使学生可以克服困难，跟上学习进度。

3.3 需要有效练习

根据ACT-R 理论，有效练习有助于学生掌握所学的知识。 有效练习需要满足两个条件：1）教师根据教学进度与学生的实际情况灵活布置任务，练习只有符合学生现有的认知水平，才能够促进学习与提高；2）练习应该是由浅入深，难度呈现梯度式增加，太简单的题目对学生没有太大启发作用，太难的题目对学生来说找不到解决思路，打击自信心。 布置由易到难得题目，简单题为难题做铺垫，不断形成阶梯，为学生解决下一个难度的题目提供基础和自信。

4 结语

ACT-R 的基本理论认为人通过某些方式获得相对简单的知识单元，这些知识单元按照复杂的方式组合起来形成复杂的认知行为。依据这一理论，提出将知识进行分类，并且对不同种类的知识采取不同的教学策略。 通过教学互动确保学生获得正确的基本认知，为创新型思维奠定基础。 这些启示有利于开展“电路原理”在线教学，在实践中还需要进一步结合具体的教学方法。