认知策略在“工程流体力学”教学中的应用
摘要:作为专业基础课的“工程流体力学”承前启后,对相关专业后续课程的教学非常重要。该课程的教学效果与授课教师的授课方法密切相关,而教师的讲课方式的发展有赖于认知策略教学的有效指导。本文简要介绍了认知策略方法论,分析了该课程内容的特点,以认知策略中的典型策略为例,通过示例阐述了如何将其应用于授课之中,并提出使用的原则,对提高本门课程教与学的质量起到积极的作用和良好的效果。
关键词:认知策略;教学原则;工程流体力学
作者简介:高红斌(1980-),男,山西襄汾人,山西大学工程学院,讲师,工学硕士,主要研究方向:流体力学及流体机械;张汝琦(1955-),女,安徽桐城人,山西大学工程学院,教授,主要研究方向:流体机械润滑。(山西 太原 030013)
基金项目:本文系2009年山西大学工程学院科教基金项目(项目编号:J12009130018)的研究成果。
“工程流体力学”是热能与动力、建筑环境与设备、机电一体化、供热工程等专业的必修课程。它上接“高等数学”、“下连液压传动”、“流体机械”、“汽轮机”等专业课,对相关专业的教学、人才培养起着重要的衔接作用。因此,如何能使“工程流体力学”的基础理论知识及实际工程应用被学生更好地掌握,是授课教师面临的教学方法中非常有意义的问题。
一、认知策略的方法论
知识有广义与狭义之分,狭义的知识是指从课本、教材、媒体中获得的直接的信息,广义的知识即个体通过与环境相互作用后获得的信息及其组织。心理学家安德森(J.R.Anderson)认为广义的知识可以分为两类:[1]个体有意识地提取线索,进行总结、概括,因此能够被直接的陈述,这被称为描述性知识(declarative knowledge);个体不是有意识地去提取信息中的规律,只能借助于某种作业形式间接地推测其存在的知识,被称为程序性知识(procedural knowledge)。心理学家加涅(R.M.Gagne)又把程序性知识分为两小类:[1]运用概念和规则解决外来问题的程序性知识,称为智慧技能;运用概念和规则解决内在问题的程序性知识,称为认知策略。它们之间的关系可以用图1来说明。
可见,策略就是学习者用以支配自己的心智加工过程的内部组织起来的程序性知识,通俗地说,就是学习者如何来处理自己学习的能力,体现了学习者的自我控制与调节的能力。学习者在获取知识、存储知识、编码知识中所采用的策略则可以认为是学习策略,它是学习者为提高学习和记忆效率所采用的一切活动。因此,认识策略与学习策略有因果关系:认识策略的改进是学习策略改进的原因,认识策略所包含的范围比学习策略更广。
二、“工程流体力学”的内容与教学特点
“工程流体力学”作为一门专业基础课,是研究流体处于平衡和运动时的规律及其在工程中的应用的一门学科,属于力学范畴。它的主要内容包括:[2]流体静力学、流体动力学基础、管内流动和管路水力计算、气体动力学、粘性流体的绕流流动及理想流体的有旋和无旋流动等。在每部分内容中都有复杂的数学公式和以物理学公式为基础的力学方程,在部分章节中直接涉及理论力学的结论,有的章节又需要有一定的材料力学知识为铺垫,有的内容还牵扯到工程热力学定律,由此可见,该课程需要学生有良好的、扎实的基础知识。文献[3]中经过问卷调查已经得出结论:教师的讲授方法、恰当的举例、考试的方式对学生接受该内容的影响非常大。
三、认知策略在“工程流体力学”教学中的选择与应用
认知策略就是为了用陈述性知识去学习、记忆和解决问题的,笔者将从以下几种常用的认知策略出发来阐述“工程流体力学”的教学活动。
1.对学生提问的时机
“工程流体力学”的一大特点就是公式居多,以圆管层流一节为例,其中涉及的公式多达15个,而在后续课程中用到最多的公式是关于沿程阻力系数计算的公式。以往的教学总是让学生们带着问题去学习,如在课前就告之学生:今天我们课堂内容公式很多,你们看沿程阻力系数是如何来进行求解的。课堂结束时的小测验表明学生们对计算圆管层流的沿程阻力系数的方法了解得比较清楚,但相关的其他内容掌握甚少。另外,问题的提出时机,是在课程教学活动结束后,不问问题而直接测验,在相同测验试题下,学生们在阻力系数方面得分偏少然而总分却明显高于前一种情况。从学习本身的意义而言,后者的效果要明显优于前者。此例属于注意策略的范畴。
试验表明,教学活动中宜采用外部手段来控制学生的注意力,采用适当的注意策略,以促进学生的学习与保持。另外,要注意并非任何时候让学生“带着问题”去学习都是有益于学习的。
2.信息的编码与组织
在现行的“工程流体力学”教学中,特别是面向本科生与研究生的教学中,学生普遍反映难以深入理解、难以与现实结合,而在面向高等职业教育的教学中则是到现场时不知如何下手解决。[4]编码与组织策略是将分散的、孤立的知识集合成一个整体并表示出它们之间的关系的方法。知识结构的网络化教学对于信息的编码和组织是一种非常有效的手段,它既保证了知识的完整性又保持了知识的准确性。[5]我们可以先从图2所示的流动中寻找本门课程的完备性。
在图2的实例中,左侧的容器中液体处于静止状态,在不同深度处的液体特性反映的是流体静力学的章节部分;右侧的管道中流体在流动,反映的是流体动力学基础的知识;管道的直径不同,装有阀门,设计的是管中流动和管路计算章节的内容;流体从管道一端进入另一端流出,流动的“无回性”可以使我们联想到理想流体有旋与无旋的章节内容;管道中水流最终喷向大气,大气将如何应对对流的“来袭”,则是与绕流运动的内容紧密相关的。可见,“网络状”的“工程流体力学”零散知识和信息,被一道很现实的例子给“连”了起来。此例是在本门课程中自动罗织起来的体系,它对于我们学习这个内容的知识体系非常有益。
联系对于编码和组织也有非常重要的意义。死记硬背对于编码和组织是不利的,合理的联想会对我们保持知识有着很好的帮助作用。例如,在沿程损失的计算中,与表达式相关的参数有:沿程阻力系数、管道长度、流动速度、管道直径,我们可以这样去“编码和组织”——与一个人运动时的能量消耗(沿程损失)有关的方面有:路面状况(沿程阻力系数)、路程的远近(管道长度)、跑的快慢(流动速度)、路面的宽窄(管道直径)。通过联想,把我们的新知识“网制”到已有的知识上,以使我们能够更好地回忆起该课程的知识信息。
3.新知识的精加工策略
精加工是指对学习材料进行深入的加工活动,即通过对要学习的新材料增加相关的信息来达到理解和记忆的目的。在精加工策略中,又有很多中细的方法,我们简单叙述如下。
采用记忆术对简单概念的精加工。我们可以为层流和紊流概念进行记忆性加工:一层一层的楼房,每层之间互不干扰,自己有自己的空间,所以层流就是一层一层互不掺混的流动;紊乱的流动,“大家都乱跑”,所以不规则的、互相“乱窜”的流动就是紊流。
对于公式、方程的精加工一般最有效的方法是举例说明,也就是通常所说的多做例题,然而也并非做得越多越好。当然,对例题的选取也是至关重要的。
4.复述策略
复述策略是指为了信息的保持而对信息进行多次重复的过程。一遍一遍的背是记忆的有效方法,然而从图3所示的艾宾浩斯遗忘曲线中,可以看到在学习结束半个小时左右遗忘将达到40%以上,一天以后达到60%以上,所以抓住良好的时机是复述策略中的一个重要技巧。“眼过千遍,不如手过一遍”,目前,笔者要求学生在上完课的当天把所学的主要知识进行回忆、书写,以此取得良好的学习效果。
四、认识策略在“工程流体力学”教学中的教学原则
在“工程流体力学”教学中,使用认识策略时,应该遵循以下原则。
1.在讲授过程中讲授元认知
从文献[6]中可知,元认知与动机有着密切关系,能让学习者对流体力学产生兴趣,使喜欢成为其动机,这对于成功、完满地完成这门课的教学任务非常关键。
2.在保持流体力学整个知识框架体系不变的前提下进行认知策略教学,不能脱离我们的基本理论知识
在众多章节中高等数学公式很多,但有一个原则要把握好——我们是在讲流体力学,而不是在讲高等数学的公式推导。
3.教材离不得靠不得
课本中讲述的原理性东西很多,然而在现实中用到的流体直接能够解决的问题也很多,所以必须通过具体的学科内容迂回于教学,因为策略的应用离不开具体的学科情景。比如讲授边界层时,我们将直升飞机的飞翔原理嵌入到边界层的定义中就会更加生动、形象。
4.为迁移而教
学生学习流体力学最基本的目的应该是能够解决今后所遇到的相关技术难题,教师不能为了教而教。“工程流体力学“课程结束了,意味着学生自己真正解决问题的机会才真正开始,所以我们应该更加注重对其迁移能力的培养。
五、结束语
“工程流体力学“作为热动类专业的一门专业基础课,上承基础课下衔专业课,是链条中的关键环节,要圆满完成教学任务,是需要从多方面去积极努力完成的,不是单独在某一方面下工夫就能实现“优秀”。本文仅从认知策略方面入手进行分析和阐述,也是笔者从事该课程的一个体会总结,供读者参考。
参考文献:
[1]伍新春.高等教育心理学[M].北京:高等教育出版社,1999.
[2]孔珑.工程流体力学[M].北京:中国电力出版社,2007.
[3]吴怡.“工程流体力学”教学调查研究[J].中国电力教育,2009,(12).
[4]王洪旗.在“工程流体力学”教学中如何培养高职学生的职业素质[J].中国电力教育,2009,(4).
[5]田惠琴.知识结构网络化教学法在可编程控制器教学中的应用[J].太原理工大学学报,2006,(3).
[6]谢安邦.高等教育学[M].北京:高等教育出版社,1999.
[7]黄俐.元认知策略对学习动机的影响研究[J].长沙铁道学院学报,2009,(2).
(责任编辑:刘辉)