考虑行为主义实践元素的新工科实践教学方案研究

李志勇，万辉

（中南大学 自动化学院，长沙 410083）

行为主义学派即刺激-反应理论主张：（1）心理学本质上是行为科学，研究目的是寻求预测与控制行为的途径。（2）研究对象是人的行为，即“客观观察所能获得的并对所有人都清楚的东西”。行为主义特色鲜明地强调实验操作的客观性，把所处环境看成刺激，把有机体相关行为看作反应，认为所有行为都是习得的。斯金纳在行为主义学习理论的发展中进一步指出：刺激和反应之间的联结叫做强化，把强化的组合按所需行为的方向逐次改变，可通过塑造过程的一些连续阶段得到极复杂的行为。

行为主义学习理论已被广泛运用于教育实践，提倡为学生创造恰当的学习环境，在教学模式上追求最大程度地强化学生的合适行为，消除不合适行为，即教师要在教学中尽可能提供充足的正强化物并减少负强化物。行为主义学习理论旺盛的生命力使其延续不竭，在诸多教育教学领域产生过重大的影响，通过设置刺激（提问）—反应（回答）—强化（确认）等教学环节，在英语单词记忆、古诗词学习等方面均已取得了良好的教学效果。

针对未来新兴产业和新经济对新工科人才的培养需求，必须强化实践教学的改革与创新，才能通过对各种专业实践认知，改善学生对理论知识的理解深度，提高学生的动手能力和创新能力，提升投身社会发展、国家建设创造价值的学以致用的综合素质。为了达成知识-能力-素质三位一体的培养目标，扭转传统实践教学重建设、轻教育的局面，应以学生为中心，让大学生在实践教学中自觉地“习得”知识、能力和素质，使国家、社会和学校等投入大量资金所建设的实践基地发挥最大的作用。本文借鉴行为主义学习理论及其实践元素，对新工科高校的实践教学提出一个简单易行、可考量的实践教学解决方案。

一、行为主义学习理论及其实践元素的思考

行为主义秉承了实证主义的哲学观点。首先描述一切可能观察到的事实，然后根据事实发生的频度和概率，演绎出反映事实中刺激-反应因果关系的规则，最终用于达到预测和控制自然的目的。可见，行为主义对学生学习行为有较好的合理性阐释，在一定条件下对教育实践改革有积极的指导作用。

在教学实践中，不能简单地对行为主义学习理论进行教条应用。行为主义理论本身也是一个不断发展的过程，如斯金纳所提的操作条件性刺激就是对简单的应答性行为的发展，使之更加适合复杂的教学过程。斯金纳还认为，学习是一门科学，学习过程是循序渐进的过程；教学则是一门艺术，是把学生与教学大纲结合起来的艺术，是安排可能强化的事件来促进学习，教师起着监督者或中间人的作用。在新工科背景形势下，须大力提升对大学生创新创业能力和科学家精神的培养。大学生的实践教学学习行为不是单纯的刺激与反应的简单联结、也不是一种被动的知识接受过程、更不是重复性实践操作行为的强化。

本文重点考虑以下三个行为主义实践元素——教学对象分析、教学内容设计和实验性测试，如图1 所示，使其在“教”与“学”中相向而行碰撞产生“创造力”，实现1+1 大于2 的突破。教学对象分析就是对当今时代背景下新工科大学生在学习上的特点的调研与分析，如学习方法、学习习惯和兴趣动机等；教学内容的组合设计就是按既定的知识-能力-素质培养目标和方向，将实践教学内容划分为符合合理顺序的连续阶段，经过大学生人脑的加工，对实践感知内容予以条理化和概括化，形成对客观世界本质的认识，落实到极复杂的新工科知识技能的习得行为；实验性测试是在最大程度上强化大学生在实践教学中的合适行为，消除不合适行为，也就要求教师因地制宜及时提供充足的正强化物。

图1 行为主义实践元素之间的关联关系

（一）教学对象分析

在从大二升大三、从大三升大四的节点上，新工科大学生必须完成认知实习、生产实习和专业工程训练等实践环节。从新工科高校培养方案的布局上来看，大二主要开展相关工科专业基础课的学习，而大三则全面开展各门专业课的学习，到了大四，在补充深化特色专业课的同时，还要开展毕业设计的研究工作。从大学生学习内容知识的角度来看，一方面前、后知识之间具有较强的递阶关联性，另一方面不同阶段的知识类型也存在着较大差异。从能力和素质要求角度来看，大三大四阶段是运用所掌握的专业知识，锻炼创新创业、学科竞赛等动手、创新能力的关键时期。

随着知识和能力培养目标的不断深化和提高，学生的学习方法、习惯和主观能动性等需要做适应性改变，以往传统的背公式、刷习题等死记硬背学习方法，根本无法达到预期的学习效果。尤其是在实践学习和创新能力培养方面，本来就没有什么“金科玉律”一般的既定范本，如何激发学生实践学习的兴趣、引领学生主动建立良好的学习方法和习惯，行为主义关于学习的一般规律值得挖掘和借鉴，其将学习划分为四个阶段即习得—条件强化—泛化作用—消退作用。

如果一个操作发生后，接着给予一个刺激，那么其强度会增强。在强化某一反应时，带有相同因素的其他反应也会加强。也就是说，通过实践教学构造合适的场景，能够对前面所学的专业知识进行强化，使对专业基础课程的认知水平得到提升，进而在泛化作用下，提高对后续专业课程的学习效果，也为其创造性思维打下良好的基础。反之，当某种操作性行为形成后，如果没有开展行之有效的实践教学，也就是错失连续强化，那么这种操作性行为就会发生消退，学生的学习效果会陷入眼高手低的怪圈。

依据上述新工科大学生知识能力培养需求的特点，高校实践教学应强调对专业基础课和专业课的具象性与可观察性，除了加强紧扣专业知识的实践仪器、设备和环境等硬件资源条件建设外，更需要依据行为主义的“操作性学习”理论，将实践基地资源变为大学生巩固专业知识激发创造力的强化环境。

（二）教学内容设计

行为主义学习理论提出学习的本质是刺激与反应的联结、条件与动作的联结。对于新工科大学生的学习而言，实践教学是上述的联结刺激和条件。随着行为主义理论不断发展，研究指出复杂技能的知识或知识结构能够分解为简单联结的组合，也就是说实践教学必须强调将复杂行为分解成较简单成分的任务，细化分析和组织大学生的学习行为目标顺序。

新工科是一种卓越工程师教育培养计划，不是死记硬背的专业领域。基于行为主义的学习观，新工科大学生培养过程包括从术语概念认知、公式定理推导、工程问题解决到创新创业素质培养的全链条，实践教学过程可视为其中一段不断试误和探索的培养环节。例如，在高新企业的生产实习中，通过大量、重复的练习，会形成符合前沿技术生产要求的行为习惯，帮助学生减少散乱、无序的反应，逐步形成有组织、确定的反应。再如，学生普遍反映通过实训作业，专业认知效果明显，这就是试误学习律的较好体现。

由于实践教学对学生掌握知识和运用知识起到了必要的串联作用，也就意味着实践教学的内容设计首先要符合课程群的培养目标要求，也就是说是一系列知识点的继承和升华；其次，新工科大学生还十分重视计算、仿真和作图等技能的形成和发展，须在实践教学中，以一定数量的反复训练为基础，设置一定的强化要素，使刺激（代表工程问题的数据信息）与反应（故障诊断与状态评估）之间不断建立稳固的联结；在知识-能力培养的基础上，通过引进时代背景、科技前瞻前沿和实际工程案例，在实践中开设主题研讨互动式教学环节，帮助学生在实践环节中激发创新性思维、萌生创新性好点子、孕育科教兴国的梦想和追求。

（三）实验性测试

实验性测试可以对学生行为产生一个客观的、可观测的反馈结果，行为主义的操作性条件反射概念正是通过实验性测试总结出的学习规律——行为结果能增强操作行为发生概率的情况叫做强化；反之，行为结果使操作行为倾向减弱的情况叫做惩罚和消退。推而广之，大多数人的行为、条件作用或学习都是操作性强化的结果，通过直接控制强化物的适时出现，就能够较为有效地控制人的行为。

从教学的视角看，实验性测试（强化）辩证地反映了行为结果对习惯习得的影响，行为结果直接影响到学生今后行为的加强或减弱，改变学生重复某种行为的频度、概率和反应速度，从而决定了学生行为习惯的形成。结合对教学对象的分析，实践教学中实验性测试（强化）应尽量满足以下四点要求：（1）对正确答案的强化总是即时的。（2）应有足够多的强化，实现对相关知识技能的全方位全程覆盖。（3）围绕一个复杂的目标，把强化环节部署到一系列小步子中，由易到难，循序渐进。（4）对出现的新问题，如紧急故障、安全问题等，应及时提供必要的强化补充。

二、考虑行为主义的教学运用及其效果

本文的实践教学教改的理论研究成果，用于指导和设计某大学电气专业的实践教学工作。该电气专业获批“双万计划”国家级一流本科专业，每届约180 名本科大学生，培养方案倡导知识-能力-素质三位一体综合型人才培养。大学的实践教学基地建设充分融合电力系统、电气化铁道和有色冶金等行业特色，现已拓展建设十余个校内外工程实践基地（国网**电力公司、**动环监测公司、**电厂、**炼钢集团和本校能源中心等），其中能够支撑成班建制开展工程实践现场场景授课的资源有本校能源中心下辖的8 座配电间、17 个高压环网柜、31 个变电间、115 台变压器、220 余个配电间，以及电磁实验中心的电磁干扰（EMI）、电磁敏感度（EMS）实验场所等。硬件条件已满足支撑全员、全过程和全方位的育人要求。另外，在管理体制上，以课程群为链条，制定了覆盖教学全程的课堂考核、实验考核、实践考核和考试考核等评价标准；且已建立课内学生、团队内部、同行和院校督导等多环节评价与反馈机制。

经过上述财力、物力和人力资源的投入，可以说实践教学万事俱备，只剩下“教”与“学”最直接的面对大学生的两个教学环节。通过学情调研、统计和分析发现，本电气专业的学生有半数以上有参加创新创业、学科竞赛和创客空间等的强烈意愿或亲身经历，对实践教学的重要性和必要性有充分认同。与之对应，大学生在电力电子、电磁技术和智慧电力等方面的专业意愿均已有对口的实践教学平台资源，学生普遍反映有序组织现场授课，能够直感认知专业知识，比单纯课堂讲授好，如图2 所示。

图2 课程群实践教学平台现场授课

实践教学中，根据不同知识点的特点和培养目标进行拆分，分别融入互动讨论、案例分析、3D 展示、VR仿真和视频实操演示等方式进行实践教学，将知识性、趣味性与实践性融合，培养学生“乐、勤、好”的学习品质，建立理论实践相结合求真务实的科研精神。

在课程群内安排多时间尺度上的实验性测试，达到滚动强化实践教学的效果。比如实践教学课堂内的及时体验反馈和课程群长时间线追忆式跟踪反馈等方式。如图3 所示，左图是课内即时的触电危害体感测试现场，用于强化学生电气安全意识，突出安全操作规程的重要性和科学性；右图是电磁场课程群跟踪性的实验性测试，即利用创客空间实践平台，指导学生开展的一个无人机无线充电系统的优化设计，已申报了发明专利并发表了高水平科技文章，该成果对参与学生本人及其周边同学均有较好的正向强化作用，激发了更多年轻学生的创新激情。

图3 课内即时的和课程群跟踪的实验性测试

三、结论

本文依据行为主义理论操作性行为的大方向，将强化的组合按所需行为的方向逐次改变，通过塑造过程中一些连续阶段得到极复杂的行为，这一点有利于指导新工科高校实践教学内容设计的合理化；考虑学习的一般规律即习得—条件强化—泛化作用—消退作用，指导教师在实践教学中适时安排实验性测试，向学生及时反馈其实践行为的效果，及时充足正强化物有助于激励学生的学习和创新激情；提前开展学情调研即教学对象分析，突破行为主义把研究对象作为“黑箱”处理的局限性，以学生为中心，充分利用其认知基础和主观能动性，使“教”与“学”相向而行碰撞形成“创造力”。

本文考虑行为主义学习理论及其实践元素的实践教学设计，在某新工科高校电气专业实践教学中的应用表明，能够更加充分地发挥实践教学基地的硬件资源，能够与现有的实践教学管理措施进行有机结合，并且以课程群为链接，教学团队形成接力效应，有利于全员全程全方位培养人才，也因此带来了优异的创新创业和学科竞赛成果。