基于奥苏伯尔学习理论和学科竞赛的实践创新能力培养

王艺霖 曲爽 雷淑忠

【摘   要】   基于奥苏伯尔学习理论中“有意义学习+发现学习”的理念，对认知结构迁移理论进行了完善，建立了一种实践创新能力培养的新方式。新方式利用学科竞赛来降低认知结构迁移理论的实施成本，并按“意义剖析、环节设计、深度参与、总结反馈”4环节来制定具体措施，完善认知结构迁移理论在实践教学领域的应用路径。新方式已在土木工程专业的结构设计竞赛中进行了深度应用，结果表明新方式具有理论基础扎实、可操作性强、实施效果显著等优势。

【关键词】   有意义学习；发现学习；实践；创新；结构设计

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

〔中圖分类号〕  G642                 〔文献标识码〕  A              〔文章编号〕 1674 - 3229（2024）01- 0111 - 05

0     引言

奥苏伯尔（David Paul Ausubel）是美国著名的认知教育心理学家，基于认知主义学习理论开创了以行为主义和认知心理学为背景的学习理论。奥苏伯尔学习理论认为学习是认知结构的组织和再组织，在学习过程中既要强调已有知识经验的作用，又要强调学习材料本身的内在逻辑结构，通过积极主动的内部信息加工使学习者获得充足的经验，进而达到认知水平的新高度。总的来看，奥苏伯尔学习理论具有明显的建构主义特征，其关于学习的逐渐分化原则、整合协调原则以及实现这两大原则的先行组织者策略，直接推动了当代建构主义教学模式的发展。

实现“有意义学习+发现学习”的核心在于：学习者应跳出“在外在因素影响下产生被动刺激反应”的层次，在接受知识的过程中不断进行理解与顿悟。为此，奥苏伯尔又提出了认知结构迁移（学习迁移）理论：“迁移”在此是心理学概念，指的是先前学习对后继学习的影响作用。认知结构迁移理论认为：凡是利用先前学习来促进后继学习的地方就存在着迁移；教学应围绕“迁移”进行；有效教学的实质是塑造学生良好的认知结构。奥苏伯尔学习理论的概括与优选如图1所示：

目前，奥苏伯尔学习理论已在多领域获得了具体应用［1-3］。但值得注意的是，从现实的角度来看，“发现学习”在时间、空间、技术、人员等方面的成本往往较大，同时还需要学生具备一定的发现需要和经验，导致使用范围受限。因此对于一般的课堂学习，奥苏伯尔仍提倡接受式的“讲授式教学”，但强调接受学习应是一个概念同化的过程。对于高校的各类理工科专业来说，不能局限于课堂学习，实践教学的地位往往不亚于甚至高于理论教学［4］。对于实践教学，更加适合采用“有意义学习+发现学习”的模式，但现有的相关研究还较为少见。

因此，本文将面向理工科专业的实践教学，基于“有意义学习+发现学习”理念，对认知结构迁移理论进行有针对性的完善，结合一线教学的探索与经验总结，提供一种基于奥苏伯尔学习理论和学科竞赛的学生实践创新能力培养新方式。

1     面向实践教学的认知结构迁移理论完善方向

奥苏伯尔时代的认知结构迁移理论主要面向的是课堂教学，具体的迁移促进方式包含教学技术、教材内容、教材呈现三方面。但对于实践教学，尤其是高校理工科专业的深度实践性教学，传统的认知结构迁移理论具有一定的时代局限性，尤其是在以下两个方向具有一定的完善空间。

（1）如何合理地降低实践教学中实现认知结构迁移的成本？

如果实施成本不可控，则各种具体措施难以有效落地，认知结构迁移的真正落地与持久生效也难以得到保证。

（2）如何以实践创新能力培养为核心目标、更加有效地促进实践教学中的认知结构迁移。

目前有关课堂教学中促进认知结构迁移的具体方式较为完备，但有关实践教学的具体方式偏少，經过应用效果检验的具体方式更为稀少。基于以上完善方向，下面将对认知结构迁移理论进行针对性的完善，提出实践创新能力培养的新方式，以更好地落实“有意义学习+发现学习”理念、促进学生实践创新能力的提升。

2     基于奥苏伯尔学习理论进行实践创新能力培养的新方式

对应认知结构迁移理论待完善的两个方向，新方式具备两方面的内涵。

（1）将学科竞赛视为专业实践的重要组成部分，充分利用学科竞赛来降低实践教学中实现认知结构迁移的成本。一般来说，理工科的专业实践均需要付出较大的人力物力成本，导致实施的范围和深度常常受限。但随着主管部门层面的支持力度不断加大，各学科的竞赛活动日益丰富，企业赞助的专业竞赛活动也日益活跃。因此，可强调将认知结构迁移理论的实施与学科竞赛活动深度绑定，借助高水平学科竞赛的多方资源（一般包括主办方、承办方、赞助方等）来实现实践教学中认知结构迁移成本的“微新增”或“不新增”。

（2）结合学科竞赛因事制宜地确定具体方式，进一步促进实践教学中的认知结构迁移。对于实践教学中的认知结构迁移，不能像一般课堂教学那样从教学技术、教材内容、教材呈现等方面入手来落实，需要回归实现认知结构迁移的基本原理，进而在实操层面进行一些变通。具体来说，为了更好地促进学生认知结构的迁移，可结合学科竞赛，按“实践意义剖析、实践环节设计、实践深度参与、实践总结反馈”4环节来确定具体方式。

实践意义剖析：在此环节向学生深入讲解学科竞赛的具体意义，激发学生的参与兴趣，提升参与热情，为认知结构迁移提供主观能动性基础。

实践环节设计：在此环节精心进行学科竞赛的参赛组织和指导方案合理化设计，尤其是竞赛题目与专业知识的对应、相关基础知识的巩固、师生互动的合理模式确立等。

实践深度参与：此环节应让学生深度参与竞赛活动、保质保量地完成各项竞赛要求，确保专业实践不流于形式。同时，指导教师也应深度参与，在合适的环节或节点进行深入有效的师生互动，共同提升参赛作品的理论高度及细节水平，并对计算书等书面材料进行质量把关、确保其概念准确、计算完备、逻辑清晰。

实践总结反馈：在此环节要求学生依据参赛真实感悟来提供内容详实、角度全面、思考深入的实践总结报告，给指导教师以切实有效的反馈。同时，指导教师给出认真的点评，完成最后一次师生互动为本次专业实践画上圆满的句号。通过高质量的总结与反馈可使学生实现一定程度的思维升华，提升理论层面的收获层次。

实践创新能力培养新方式的两点内涵是有机结合的，首先应积极参与各类学科竞赛，然后在竞赛的组织与指导过程中按“意义剖析、环节设计、深度参与、总结反馈”4环节全面落实具体方式，实现认知结构的有效迁移，如图2所示。

3     应用实例

结构设计竞赛对学生的力学基础、专业知识掌握程度、创新思维和动手能力等都有一定的要求，在帮助学生树立创新思维模式的同时可有效提升

学习兴趣与热情，提高学生分析问题、运用所学专业知识解决问题的综合能力［5-6］，因此受到了学界的广泛关注［7-12］。

作为土木工程专业的省一流学科，山东建筑大学积极组织学生参与结构设计竞赛，并在参赛过程中对基于奥苏伯尔学习理论的实践创新能力培养新方式进行了详细探讨与完善，实现了理论分析与实践应用的深度结合，及时检验了理论成果，丰富并完善了“有意义学习+发现学习”的模式在土木工程专业实践创新能力培养方面的应用范式。

3.1   第四届北京市大学生建筑结构设计竞赛

本次竞赛旨在设计并制作一个缩小版的风力发电塔架结构，要求以尽可能轻的重量来经受三项加载试验（竖向、水平、竖向与水平同时加载），同时应力求美观。结构外轮廓尺寸高度为1000 mm（误差±5 mm），平面尺寸不大于100 mm×100 mm，塔架顶部支撑的尺寸为200 mm×100 mm×100 mm，所有结构的组成部分必须由竹皮制成。

在积极组建参赛队伍的基础上，基于“有意义学习+发现学习”的理念，以“认知结构迁移”为核心，按“实践意义剖析、实践环节设计、实践深度参与、实践总结反馈”4环节进行了深入有效的组织与指导。

（1）实践意义剖析

向参赛队员全面深入地阐述题目的实际意义和工程价值，充分激发学生的兴趣，深刻理解赛题的意义，引导学生将参赛过程视为一个“有意义学习”的过程。

（2）实践环节设计

带领学生快速回顾需要用到的相关专业知识（材料力学、结构力学、荷载与结构设计方法等），一方面可以继续强化参赛的意义（实操和巩固专业知识），另一方面可以使学生充分认识到实际应用与所学知识之间的递进关系（专业知识是设计作品的基础，但并不能直接从现有知识中找出作品方案），从而深刻体验到“发现学习”。

（3）实践深度参与

发挥团队的力量，基于对专业知识的深刻领会与灵活运用，在“灵感”的加持下进行合理设计方案的“发现”，并通过反复的优化设计和动手操作使其达到理想的实际效果，经得起实际加载的检验，更加充分地体会对专业知识进行学习与实践的意义。

值得强调的是，“灵感”的获取离不开参赛热情的激发、扎实的专业知识基础以及对身边/网络相关实际工程案例的深入观察。通过前期工作，基本促成了认知结构的迁移，建立起了书本知识与实际模型或结构的“强联系”，从而可有力地激发学生去主动观察和了解相关的类似工程结构，更好地激发“灵感”。在“有意义学习+发现学习”理念的有效引领下，参赛团队达成了认知结构的良好迁移，最终得到了图3所示的参赛作品。

本作品综合运用了材料力学与结构力学的基本原理和知识，充分合理地发挥了材料的力学性能，结合风荷载的专业知识，在桁架式的范围内优选了承重骨架的布置形式，实现了材料强度的充分利用和稳定性的合理控制，最终以较高的“荷载/自重”比值和高质量的计算说明书取得了高分，获得了一等奖。

（4）实践总结反馈

最后，进行充分的赛后总结，参赛队员写出详细的参赛总结与体会，指导教师根据反馈信息进行适当的点评和升华，形成逻辑清晰、完整充实的总结报告，再次加深学生的实践感悟、拓展实践收获。

一整套的4环节指导模式实现了学生认知结构在专业实践领域的有效迁移，完成了高质量的专业实践教学，使参赛学生的收获很饱满，也为后续比赛积累了宝贵的、系统化的经验。

3.2   第五届北京市大学生建筑结构设计竞赛

赛题与第四届类似，也是设计一种抗风的塔架式结构。在充分吸收已有经验的基础上，对“有意义学习+发现学习”下的认知结构迁移模式进行了更深层次的优化，引导学生进一步提升“方案发现”的质量，同時在美观方面也有所侧重，强调力学与美学的统一，强化“综合性学习”的意义，更好地传递真实工程结构的功能要求，使学生更能感受参赛带来的深度学习意义，拓展“发现”的灵感源泉。最终作品采用了三角形桁架结构，并在三根竖向弦杆中采用了三角形截面，各弦杆和腹杆通过结点连接形成了一个个三角形，使作品达到了强度、刚度、稳定性与美观的高度统一。

3.3   第六届北京市大学生建筑结构设计竞赛

同样基于已有的指导模式，围绕赛题要求，更充分地激发参赛团队的“灵感”来源，借鉴超高层结构中的“筒中筒”类别，继续发挥桁架结构的诸多技术优势，设计了桁架式的双筒型结构体系。同时，在方案成熟化的基础上，强调了手工质量，引导学生“精细拼接、精致手工”。尤其是在结构结点位置的杆端处理、杆杆之间咬合的处理方面，对处理方式、胶水的用量与施用方式进行了“精益求精”式的指导与训练，不仅可使作品更加精致，更能提高作品的实际承载能力，让学生更直接地感受“工程施工质量”的重要性，培养工程责任感和工匠精神。

3.4   第七届北京市大学生建筑结构设计竞赛

本次的赛题为“承受多荷载工况的大跨度空间结构模型设计与制作”，虽然与以往赛题在形式上差别较大，但完全可以沿用已成型的指导模式。很快，参赛团队也完成了认知结构的有效迁移，从施威德勒型空间壳体获得了灵感，确定了结构设计方案，最终作品如图4所示。

本作品既发挥了“拱结构”突出优势，又充分承袭了“三角形稳定性”的概念，使整体结构受力均匀合理。同时采用了对称式的正八边形底面，实现了受力合理与外形美观的共赢。对于杆件层面，采用了竹皮粘成的箱形断面（局部添加加劲肋），在保证其承载能力和稳定性的基础上最大限度地提高了抗弯强度。此外，采纳了“强节点、弱构件”的整体性设计理念，在节点处使用少量竹粉填缝、再用薄竹皮粘贴，使节点具有很强的轴心受力能力和抗弯能力。

4     结论

对于理工科专业来说，大学生实践创新能力的培养至关重要。为促进“学以致用”的落实，激发创新潜力，同时带动基础知识的强化，本文面向理工科专业，基于奥苏伯尔学习理论中“有意义学习+发现学习”的指导理念，对认知结构迁移理论进行了有针对性的完善，结合山东建筑大学在课外科技实践活动领域的多年探索与总结，提出了一种培养实践创新能力的新方式。本方式首先结合学科专业赛事来降低认知结构迁移理论的实施成本，然后按“意义剖析、环节设计、深度参与、总结反馈”4环节来确定具体实施方式，给出了对应于学科竞赛的具体实施措施，完善了认知结构迁移理论在实践教学领域的应用路径。

新方式在土木工程专业的结构设计竞赛中已进行了深度应用，并形成了具体的指导模式。应用效果表明，本方式能使认知结构迁移理论在高校理工科专业的实践教学方面获得更大的应用空间，达到显著的实施效果，可为理工科专业实践创新能力的培养提供新动能，对创新教育和实践教学改革、推动学科创新活动起到一定的积极示范作用，促进创新型人才培养质量的切实提升。

［参考文献］

［1］ 陈乃琳.奥苏伯尔有意义接受学习理论在大学英语教学中的应用［J］.江苏教育学院学报（社会科学），2012，28（6）：127-130.

［2］ 刘春艳，韩刚.奥苏伯尔有意义接受学习理论在生药学本科教学中的应用［J］.科教导刊（中旬刊），2013 （4）：93+100.

［3］ 陈洁.奥苏伯尔有意义学习理论对中师幼儿教育学的教学指导［J］，新课程（中旬），2013（2）：173.

［4］ 王艺霖，闫凯，张华英，等.基于“看图学规范”的《砌体结构》课程实践教学新方式［J］.廊坊师范学院学报（自然科学版），2023，23（1）：121-124.

［5］ 周一一，傅睿.大学生结构模型竞赛指导中的力学与创新思维培养研讨［J］.常州工学院学报，2020，33（2）：71-74.

［6］ 胡锦秀，闫丽娟，秘殿霄.单跨无风撑桁架结构竹质桥梁模型的设计与制作——以2021年山东省大学生结构设计竞赛为例［J］.四川建筑科学研究，2021，47（6）：30-36.

［7］ 郭佳，卢雪松，明廷臻.基于结构设计竞赛的土木工程专业教学改革研究——以黄冈师范学院为例［J］.黄冈师范学院学报，2020，40（6）：135-138.

［8］ 谢明志，杨永清，贾宏宇，等.土木工程实践教学创新与大学生结构设计竞赛耦合模式探析［J］.高等建筑教育，2020，29（5）：137-142.

［9］ 刘晓梅.CDIO工程教育模式在结构设计竞赛中的应用——以福建省第十一届结构设计竞赛为例［J］.福建建材，2019 （10）：4-5+27.

［10］ 封焱杰，付旭，刘晓立，等.基于结构设计竞赛的应用型本科院校土木类专业力学课程体系的CDIO教学改革实践［J］.教育现代化，2019，6（A4）：62-65.

［11］ 宋晓冰，吴晓昂，闫斌，等.大学生结构设计竞赛方案设计原则及案例分析［J］.力学与实践，2020，42（3）：388-393.

［12］ 宋晓冰，陈思佳.以第一性思维引导实践创新——以结构设计竞赛为例［J］.高等工程教育研究，2019 （6）：83-86.