基于奧蘇伯爾學習理論和學科競賽的實踐創新能力培養

王藝霖 曲爽 雷淑忠

【摘? ?要】? ?基于奧蘇伯爾學習理論中“有意義學習+發現學習”的理念，對認知結構遷移理論進行了完善，建立了一種實踐創新能力培養的新方式。新方式利用學科競賽來降低認知結構遷移理論的實施成本，并按“意義剖析、環節設計、深度參與、總結反饋”4環節來制定具體措施，完善認知結構遷移理論在實踐教學領域的應用路徑。新方式已在土木工程專業的結構設計競賽中進行了深度應用，結果表明新方式具有理論基礎扎實、可操作性強、實施效果顯著等優勢。

【關鍵詞】? ?有意義學習；發現學習；實踐；創新；結構設計

Research on the Cultivation of Practical Innovation Ability Based

on Ausubel′s Learning Theory and Subject Competition

Wang Yilin， Qu Shuang， Lei Shuzhong

（Shandong Jianzhu University， Jinan 250101， China）

【Abstract】? ? Based on the concept of "meaningful learning + discovery learning" in Ausubel′s learning theory， improvement of the cognitive structure transfer theory has been proposed. A new manner of cultivating practical innovation ability has then been established. This new manner employs academic competition to reduce the implementation cost of cognitive structure transfer theory， and formulates specific measures according to the four links of "meaning analysis， link design， in-depth participation， summary and feedback" to perfect the application path of cognitive structure transfer theory in the field of practical teaching. This new manner has been deeply applied in the structural design competition of civil engineering specialty， and the results show that it has the advantages of solid theoretical foundation， strong operability and significant implementation effect.

【Key words】? ? ?meaningful learning; discovery learning; practice; innovation; structural design

〔中圖分類號〕? G642? ? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻標識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2024）01- 0111 - 05

0? ? ?引言

奧蘇伯爾（David Paul Ausubel）是美國著名的認知教育心理學家，基于認知主義學習理論開創了以行為主義和認知心理學為背景的學習理論。奧蘇伯爾學習理論認為學習是認知結構的組織和再組織，在學習過程中既要強調已有知識經驗的作用，又要強調學習材料本身的內在邏輯結構，通過積極主動的內部信息加工使學習者獲得充足的經驗，進而達到認知水平的新高度?？偟膩砜?，奧蘇伯爾學習理論具有明顯的建構主義特征，其關于學習的逐漸分化原則、整合協調原則以及實現這兩大原則的先行組織者策略，直接推動了當代建構主義教學模式的發展。

實現“有意義學習+發現學習”的核心在于：學習者應跳出“在外在因素影響下產生被動刺激反應”的層次，在接受知識的過程中不斷進行理解與頓悟。為此，奧蘇伯爾又提出了認知結構遷移（學習遷移）理論：“遷移”在此是心理學概念，指的是先前學習對后繼學習的影響作用。認知結構遷移理論認為：凡是利用先前學習來促進后繼學習的地方就存在著遷移；教學應圍繞“遷移”進行；有效教學的實質是塑造學生良好的認知結構。奧蘇伯爾學習理論的概括與優選如圖1所示：

目前，奧蘇伯爾學習理論已在多領域獲得了具體應用［1-3］。但值得注意的是，從現實的角度來看，“發現學習”在時間、空間、技術、人員等方面的成本往往較大，同時還需要學生具備一定的發現需要和經驗，導致使用范圍受限。因此對于一般的課堂學習，奧蘇伯爾仍提倡接受式的“講授式教學”，但強調接受學習應是一個概念同化的過程。對于高校的各類理工科專業來說，不能局限于課堂學習，實踐教學的地位往往不亞于甚至高于理論教學［4］。對于實踐教學，更加適合采用“有意義學習+發現學習”的模式，但現有的相關研究還較為少見。

因此，本文將面向理工科專業的實踐教學，基于“有意義學習+發現學習”理念，對認知結構遷移理論進行有針對性的完善，結合一線教學的探索與經驗總結，提供一種基于奧蘇伯爾學習理論和學科競賽的學生實踐創新能力培養新方式。

1? ? ?面向實踐教學的認知結構遷移理論完善方向

奧蘇伯爾時代的認知結構遷移理論主要面向的是課堂教學，具體的遷移促進方式包含教學技術、教材內容、教材呈現三方面。但對于實踐教學，尤其是高校理工科專業的深度實踐性教學，傳統的認知結構遷移理論具有一定的時代局限性，尤其是在以下兩個方向具有一定的完善空間。

（1）如何合理地降低實踐教學中實現認知結構遷移的成本？

如果實施成本不可控，則各種具體措施難以有效落地，認知結構遷移的真正落地與持久生效也難以得到保證。

（2）如何以實踐創新能力培養為核心目標、更加有效地促進實踐教學中的認知結構遷移。

目前有關課堂教學中促進認知結構遷移的具體方式較為完備，但有關實踐教學的具體方式偏少，經過應用效果檢驗的具體方式更為稀少?；谝陨贤晟品较?，下面將對認知結構遷移理論進行針對性的完善，提出實踐創新能力培養的新方式，以更好地落實“有意義學習+發現學習”理念、促進學生實踐創新能力的提升。

2? ? ?基于奧蘇伯爾學習理論進行實踐創新能力培養的新方式

對應認知結構遷移理論待完善的兩個方向，新方式具備兩方面的內涵。

（1）將學科競賽視為專業實踐的重要組成部分，充分利用學科競賽來降低實踐教學中實現認知結構遷移的成本。一般來說，理工科的專業實踐均需要付出較大的人力物力成本，導致實施的范圍和深度常常受限。但隨著主管部門層面的支持力度不斷加大，各學科的競賽活動日益豐富，企業贊助的專業競賽活動也日益活躍。因此，可強調將認知結構遷移理論的實施與學科競賽活動深度綁定，借助高水平學科競賽的多方資源（一般包括主辦方、承辦方、贊助方等）來實現實踐教學中認知結構遷移成本的“微新增”或“不新增”。

（2）結合學科競賽因事制宜地確定具體方式，進一步促進實踐教學中的認知結構遷移。對于實踐教學中的認知結構遷移，不能像一般課堂教學那樣從教學技術、教材內容、教材呈現等方面入手來落實，需要回歸實現認知結構遷移的基本原理，進而在實操層面進行一些變通。具體來說，為了更好地促進學生認知結構的遷移，可結合學科競賽，按“實踐意義剖析、實踐環節設計、實踐深度參與、實踐總結反饋”4環節來確定具體方式。

實踐意義剖析：在此環節向學生深入講解學科競賽的具體意義，激發學生的參與興趣，提升參與熱情，為認知結構遷移提供主觀能動性基礎。

實踐環節設計：在此環節精心進行學科競賽的參賽組織和指導方案合理化設計，尤其是競賽題目與專業知識的對應、相關基礎知識的鞏固、師生互動的合理模式確立等。

實踐深度參與：此環節應讓學生深度參與競賽活動、保質保量地完成各項競賽要求，確保專業實踐不流于形式。同時，指導教師也應深度參與，在合適的環節或節點進行深入有效的師生互動，共同提升參賽作品的理論高度及細節水平，并對計算書等書面材料進行質量把關、確保其概念準確、計算完備、邏輯清晰。

實踐總結反饋：在此環節要求學生依據參賽真實感悟來提供內容詳實、角度全面、思考深入的實踐總結報告，給指導教師以切實有效的反饋。同時，指導教師給出認真的點評，完成最后一次師生互動為本次專業實踐畫上圓滿的句號。通過高質量的總結與反饋可使學生實現一定程度的思維升華，提升理論層面的收獲層次。

實踐創新能力培養新方式的兩點內涵是有機結合的，首先應積極參與各類學科競賽，然后在競賽的組織與指導過程中按“意義剖析、環節設計、深度參與、總結反饋”4環節全面落實具體方式，實現認知結構的有效遷移，如圖2所示。

3? ? ?應用實例

結構設計競賽對學生的力學基礎、專業知識掌握程度、創新思維和動手能力等都有一定的要求，在幫助學生樹立創新思維模式的同時可有效提升

學習興趣與熱情，提高學生分析問題、運用所學專業知識解決問題的綜合能力［5-6］，因此受到了學界的廣泛關注［7-12］。

作為土木工程專業的省一流學科，山東建筑大學積極組織學生參與結構設計競賽，并在參賽過程中對基于奧蘇伯爾學習理論的實踐創新能力培養新方式進行了詳細探討與完善，實現了理論分析與實踐應用的深度結合，及時檢驗了理論成果，豐富并完善了“有意義學習+發現學習”的模式在土木工程專業實踐創新能力培養方面的應用范式。

3.1? ?第四屆北京市大學生建筑結構設計競賽

本次競賽旨在設計并制作一個縮小版的風力發電塔架結構，要求以盡可能輕的重量來經受三項加載試驗（豎向、水平、豎向與水平同時加載），同時應力求美觀。結構外輪廓尺寸高度為1000 mm（誤差±5 mm），平面尺寸不大于100 mm×100 mm，塔架頂部支撐的尺寸為200 mm×100 mm×100 mm，所有結構的組成部分必須由竹皮制成。

在積極組建參賽隊伍的基礎上，基于“有意義學習+發現學習”的理念，以“認知結構遷移”為核心，按“實踐意義剖析、實踐環節設計、實踐深度參與、實踐總結反饋”4環節進行了深入有效的組織與指導。

（1）實踐意義剖析

向參賽隊員全面深入地闡述題目的實際意義和工程價值，充分激發學生的興趣，深刻理解賽題的意義，引導學生將參賽過程視為一個“有意義學習”的過程。

（2）實踐環節設計

帶領學生快速回顧需要用到的相關專業知識（材料力學、結構力學、荷載與結構設計方法等），一方面可以繼續強化參賽的意義（實操和鞏固專業知識），另一方面可以使學生充分認識到實際應用與所學知識之間的遞進關系（專業知識是設計作品的基礎，但并不能直接從現有知識中找出作品方案），從而深刻體驗到“發現學習”。

（3）實踐深度參與

發揮團隊的力量，基于對專業知識的深刻領會與靈活運用，在“靈感”的加持下進行合理設計方案的“發現”，并通過反復的優化設計和動手操作使其達到理想的實際效果，經得起實際加載的檢驗，更加充分地體會對專業知識進行學習與實踐的意義。

值得強調的是，“靈感”的獲取離不開參賽熱情的激發、扎實的專業知識基礎以及對身邊/網絡相關實際工程案例的深入觀察。通過前期工作，基本促成了認知結構的遷移，建立起了書本知識與實際模型或結構的“強聯系”，從而可有力地激發學生去主動觀察和了解相關的類似工程結構，更好地激發“靈感”。在“有意義學習+發現學習”理念的有效引領下，參賽團隊達成了認知結構的良好遷移，最終得到了圖3所示的參賽作品。

本作品綜合運用了材料力學與結構力學的基本原理和知識，充分合理地發揮了材料的力學性能，結合風荷載的專業知識，在桁架式的范圍內優選了承重骨架的布置形式，實現了材料強度的充分利用和穩定性的合理控制，最終以較高的“荷載/自重”比值和高質量的計算說明書取得了高分，獲得了一等獎。

（4）實踐總結反饋

最后，進行充分的賽后總結，參賽隊員寫出詳細的參賽總結與體會，指導教師根據反饋信息進行適當的點評和升華，形成邏輯清晰、完整充實的總結報告，再次加深學生的實踐感悟、拓展實踐收獲。

一整套的4環節指導模式實現了學生認知結構在專業實踐領域的有效遷移，完成了高質量的專業實踐教學，使參賽學生的收獲很飽滿，也為后續比賽積累了寶貴的、系統化的經驗。

3.2? ?第五屆北京市大學生建筑結構設計競賽

賽題與第四屆類似，也是設計一種抗風的塔架式結構。在充分吸收已有經驗的基礎上，對“有意義學習+發現學習”下的認知結構遷移模式進行了更深層次的優化，引導學生進一步提升“方案發現”的質量，同時在美觀方面也有所側重，強調力學與美學的統一，強化“綜合性學習”的意義，更好地傳遞真實工程結構的功能要求，使學生更能感受參賽帶來的深度學習意義，拓展“發現”的靈感源泉。最終作品采用了三角形桁架結構，并在三根豎向弦桿中采用了三角形截面，各弦桿和腹桿通過結點連接形成了一個個三角形，使作品達到了強度、剛度、穩定性與美觀的高度統一。

3.3? ?第六屆北京市大學生建筑結構設計競賽

同樣基于已有的指導模式，圍繞賽題要求，更充分地激發參賽團隊的“靈感”來源，借鑒超高層結構中的“筒中筒”類別，繼續發揮桁架結構的諸多技術優勢，設計了桁架式的雙筒型結構體系。同時，在方案成熟化的基礎上，強調了手工質量，引導學生“精細拼接、精致手工”。尤其是在結構結點位置的桿端處理、桿桿之間咬合的處理方面，對處理方式、膠水的用量與施用方式進行了“精益求精”式的指導與訓練，不僅可使作品更加精致，更能提高作品的實際承載能力，讓學生更直接地感受“工程施工質量”的重要性，培養工程責任感和工匠精神。

3.4? ?第七屆北京市大學生建筑結構設計競賽

本次的賽題為“承受多荷載工況的大跨度空間結構模型設計與制作”，雖然與以往賽題在形式上差別較大，但完全可以沿用已成型的指導模式。很快，參賽團隊也完成了認知結構的有效遷移，從施威德勒型空間殼體獲得了靈感，確定了結構設計方案，最終作品如圖4所示。

本作品既發揮了“拱結構”突出優勢，又充分承襲了“三角形穩定性”的概念，使整體結構受力均勻合理。同時采用了對稱式的正八邊形底面，實現了受力合理與外形美觀的共贏。對于桿件層面，采用了竹皮粘成的箱形斷面（局部添加加勁肋），在保證其承載能力和穩定性的基礎上最大限度地提高了抗彎強度。此外，采納了“強節點、弱構件”的整體性設計理念，在節點處使用少量竹粉填縫、再用薄竹皮粘貼，使節點具有很強的軸心受力能力和抗彎能力。

4? ? ?結論

對于理工科專業來說，大學生實踐創新能力的培養至關重要。為促進“學以致用”的落實，激發創新潛力，同時帶動基礎知識的強化，本文面向理工科專業，基于奧蘇伯爾學習理論中“有意義學習+發現學習”的指導理念，對認知結構遷移理論進行了有針對性的完善，結合山東建筑大學在課外科技實踐活動領域的多年探索與總結，提出了一種培養實踐創新能力的新方式。本方式首先結合學科專業賽事來降低認知結構遷移理論的實施成本，然后按“意義剖析、環節設計、深度參與、總結反饋”4環節來確定具體實施方式，給出了對應于學科競賽的具體實施措施，完善了認知結構遷移理論在實踐教學領域的應用路徑。

新方式在土木工程專業的結構設計競賽中已進行了深度應用，并形成了具體的指導模式。應用效果表明，本方式能使認知結構遷移理論在高校理工科專業的實踐教學方面獲得更大的應用空間，達到顯著的實施效果，可為理工科專業實踐創新能力的培養提供新動能，對創新教育和實踐教學改革、推動學科創新活動起到一定的積極示范作用，促進創新型人才培養質量的切實提升。

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