基于学习科学的高校教与学方法—提高教师教学能力-王珏

By王珏困惑困惑•学生不爱听？•听也听不懂？•学了不会用？人是如何学习的脑科学神经科学认知心理学人工智能课程教学论教育技术学……学习科学LearningScience人是如何学习的1.学习是脑神经细胞激活和建立连接的过程大脑神经元细胞有个每个神经元有个突触１千亿每个神经元有个突触1万1.学习是脑神经细胞激活和建立连接的过程Firetogether,Worktogether巴甫洛夫狗看到食物流口水狗听到铃声流口水巴甫洛夫的狗——条件反射的内在作用机理重复放电→自动化放电神经通路形成，即学会1.学习是脑神经细胞激活和建立连接的过程推论1：学习不可能一蹴而就，需要提供持续支持会爬吗？如何建立新的神经通路？知道方向吗？通路A（分泌唾液）通路C（听到铃声）通路B（看到食物）如何建立新连接（学会新知识）通路A（分泌唾液）通路C（听到铃声）通路B（看到食物）固有的连接（强）增加新刺激（弱）新连接得以建立1.学习是脑神经细胞激活和建立连接的过程推论1：学习不可能一蹴而就，需要提供持续支持推论2：激活原有神经通路(经验)，是学习的关键学习者原有经验学习者感官通路—学习的第一性原理—学习即联接“鱼牛”的故事解释信息必须依靠原有经验“风吹草低见牛羊”草高？牛羊高？解释信息，必须依靠原有经验高速公路边的报警电话110解释信息，必须依靠原有经验学习者只有借助原有经验才能走到原有经验的对立面学习的本质，就是在信息之间创建联接内部经验—外部信息的联接外部信息之间的联接内部经验之间的联接当学生脑内产生联接时学习就发生了！蒙内铁路是个什么鬼脑会在自动在外部信息间寻找关联性你能看出几张人脸？你看到什么形状？学习者的已知美国认知心理学家奥苏贝尔在已知—未知之间建立联接老师教的不是知识，而是联系或者说，应该用联系的方式来教知识积分中值定理如何给小学生讲微积分如何给小学生讲微积分关键：如何在微积分和小学生的经验之间建立联系微积分原有经验求曲线面积求矩形面积细分矩形再累加圆面积计算方法面积盈亏抵消法平行四边形面积学术创新的本源我一眼就看出：这两幅图似乎互补性！疟原虫流行的地方，癌症发病率都很低。抗癌的疟原虫疗法创新即在信息之间创建全新的关系陈小平教授梦中的创造（2）化学家凯库勒梦见苯环结构需要创造全新的信息组合形式需借助形式相似事物启发灵感创新的本质，是在事物之间创建全新的关系信息形式或结构相似性社会创新的本质飞机头等舱汽车+头等舱沙发+头等舱信息形式或结构相似性社会创新的本质果汁啤酒果啤果汁醋果醋信息形式或结构相似性学习者的已知找到未知与已知在形式、结构上的相似性美国认知心理学家奥苏贝尔在已知—未知之间创建联接新知识原有经验形式/结构相似性借助理解创造了信息之间的全新关系组合学习即联结，学习即创造一道残阳铺水中半江瑟瑟半江红完全没有经验=无法理解经验生涩=理解生涩学习的本质，就是在信息之间创建联接内部经验—外部信息的联接外部信息之间的联接内部经验之间的联接没有经验怎么办？马上“创造”一个！语义情境化语义理解基本原理创建情境常用方法语义与情境先后顺序语义学习两种路径语义理解基本原理什么是“语义”？语义学科语义语义是客观事物在人们头脑中的反映的语言表现（比如“人”），它是一种概括性的认知，是对逻辑形式系统中各种符号的解释。指学科概念或术语。由于学科知识是成体系的，因而它必然是由一系列互相关联的语义共同组成的一个大的语义体系（语义网络）语义系统表象系统信息加工双重编码理论语义+情境方能有效编码表象情境经验老师创建的学生脑中的简单概念理解依赖于表象复杂语义理解依赖于经验文字情境记得住是因为感受深刻内核塑造什么人物表达什么观点说明什么思想揭示什么道理语言虽然听得见/看得到但记不住教师表达的学生理解的教学不是信息传递过程概念理解依赖于情境！不理解概念需从情境方面找问题语义理解基本原理创建情境常用方法语义与情境先后顺序语义学习两种路径创建情境常用方法创建情境常用方法视觉情境场景可视化，就是情境化化学的可视化——表象的作用视觉解析自动化：可视即理解昼夜现象是怎么产生的？创建情境常用方法语言情境视觉情境场景可视化，就是情境化根据地对于红军，就像人的屁股。马克思主义的全部意义就是充当医治中国这个病人的药物。很多资本家就像放在热水中的大龙虾那样，当温度升高时，不声不响地就变成了红色。生活化+比喻猜猜这是什么课？浙大高数段子手苏德矿一元复合函数的求导生活化+类比就像最近天突然热起来，你要脱衣服。脱到怎样合适呢？一件一件脱，脱到不热了为止。复合函数也一样，一层一层求导，直到内函数的导数有公式，就成了。偏导函数当你喜欢一个人的时候，他的一举一动，一点变动你都看在眼里，别人都变成了常数，他才是惟一的变量，只为他倾倒，如此偏爱称为偏导。既然他把你看成常数，那你也把他看作常数好了，找到对的人互相倾倒才有意义。”生活化+类比程序设计中函数定义的类比•函数，是若干程序代码的集合，它可以根据输入完成特定的功能，并将结果输出，返回给调用它的函数（如主函数）。•函数四要素：•名称：一串英文字符，可被引用即“调用”•输入值：调用时，从外部传入函数的值•功能：一段程序，能对输入值进行处理•返回值：将处理后的值返回给调用者函数的定义生活化的类比•老师请很多人帮忙干活，其中请你来帮忙测试同学们的视力•老师喊：王梓旭，请测试A同学•你做：按照测试视力的规定流程，测量A同学的视力•你反馈给老师：1.5信息形式或结构相似性“摩擦起电”的类比台州学院黄佩崎《电荷与电流》一课的重要概念是：摩擦起电的实质是“电子的转移”而非质子的转移。讲这个知识点时，我会先给学生提供如下情景：两个国家，城堡分别位于两个国家的中心，而卫兵守卫着这座城堡。当两国交战时，是士兵冲锋陷阵，在城堡屹立不动。而质子就如同城堡，位于原子的核心固定不动，而电子就像是卫兵围绕着质子不断运动。OSI数据链路层“冲突检测”广西水电学院邓丽萍工作原理：发送数据前先侦听信道是否空闲,若空闲，则立即发送数据工作步骤载波监听先听后发冲突监测随机延迟黑屋子开会是否有人发言安静时即可发言有人同时发言则停止任意延迟N秒信息形式或结构相似性现代物理学的反讽之处在于：•一方面它试图寻找现实的最基本形式，并用数学来表示，•另一方面我们却对这些超越了数学的基础完全无法理解。认识宇宙的唯一方法是借助类比。爱因斯坦的火车相对论薛定谔的猫量子理论膨胀的气球大爆炸理论橡胶水管弦理论《科学的未来是：艺术》创建情境常用方法语言情境视觉情境生活与具像比喻与类比场景可视化，就是情境化创建情境常用方法语言情境视觉情境故事情境场景可视化，就是情境化生活与具像比喻与类比故事具有启发思考、打动人心的力量在天堂，两个老太太正在聊天，一个来自中国，一个来自美国。中国老太太说：“我攒了30年钱，临死前终于买了一套房子。”美国老太太说：“我30年前贷款买了房子，临死前终于还清了全部贷款。”原房改组组长：孟晓苏故事情境的优势故事，激活经验与兴趣故事，饱含类比和隐喻故事，天然碎片整合器设计感娱乐感意义感著名未来学家凡尼尔●平克故事力交响力共情力三感三力未来人才最需要的6种能力有故事一定要讲，没有故事……德国数学家克莱茵学生在学习中遇到的困难，也是数学家历史上遇到的困难，数学史可作为数学教育的指南多从学科发展史中找故事！创建情境常用方法语言情境视觉情境场景可视化，就是情境化故事情境碎片整合器类比与隐喻经验与兴趣生活与具像比喻与类比创建情境常用方法语言情境视觉情境故事情境体验式情境生活与具像比喻与类比场景可视化，就是情境化碎片整合器类比与隐喻经验与兴趣化学原理的模拟情境经验是具身感知反身抽象是为知识中南大学化工学院金一粟以前的考试结果显示无论我怎么讲这一部分始终是学生很难理解的这次我给每人发了一张闭环控制图，然后让每个人都跟我一起做“手指实验”：伸出左手食指，指向右手用右手食指，对接左手食指再要求大家闭眼，右手转三圈再去对接几乎没有一个同学可以对准，同学们感觉很新奇。然后我让他们对照控制图，思考在这个游戏过程中，设定值、干扰、检测装置、被控变量、调节变量等等分别是什么。这样一分析，大家都明白了！再回到化工生产中，绝大部分同学都弄懂了化工过程自动化控制方案经验是具身感知反身抽象是为知识经验是具身感知反身抽象是为知识北部湾大学王明娟：往年都是在理论课上讲PPT，最后给大家看效果图，或用仿真软件模拟这次去到实验室开展理论教学。我为每个组同学分配了自动夜灯的元器件，带领大家一起搭建电路。同时引导大家想象神奇的结果会是什么？同学们都非常好奇，最终大家都主动完成了电路搭建。工程专业的理论课如何创建情境？理实一体化理实一体化教学做一体化创建情境常用方法语言情境视觉情境故事情境体验式情境感知—思考—探索—互动大脑参与度极高场景可视化，就是情境化生活与具像比喻与类比碎片整合器类比与隐喻经验与兴趣创建情境常用方法语言情境视觉情境故事情境体验式情境案例情境感知—思考—探索—互动大脑参与度极高知识应用的具体场景生活与具像比喻与类比场景可视化，就是情境化碎片整合器类比与隐喻经验与兴趣哈佛商学院：案例教学法概念获得有两种基本形式：1.通过定义性特征2.通过样例或原型对一个连续信号x(t)进行采样，采样频率fs已知，该如何写出采样后所得到的离散序列x(n)的公式。一人骑自行车，车的轨迹就是连续线条，即连续信号x(t)。每隔十秒记录一下车的位置（这就是采样周期，那采样频率就是0.1HZ）一分钟后，就会有6个位置点，这6个点就组成了x(n)。这些点都在原来的连续轨迹上，只是单独取出来而已。问题样例教学就是把x(t)公式中的t换成采样周期的整数倍，即nT。T和fs又是倒数，所以只需要把t换成n/fs。做法很简单，也讲了好几次。这次再问，还是一群懵的脸。语义教学通过学习解决问题的样例，获得解决问题的规则、图式或方法的一种教学方式需要时间少认知负荷轻迁移效果好样例效应教学优势概念的具像化案例儿童是如何掌握语法的？从语言样例中学习语法规则冒泡排序法的案例情境1.比较相邻的元素，如果前一个比后一个大，就把它们调换位置。2.对后续每一对相邻的元素，重复上述步骤。这样，当第一轮循环结束后，最大的数会被交换到末尾（该数排序已完成）。3.针对剩余元素重复以上步骤。这样，每当一轮循环结束后，都会将该队列中最大的数交换到队列末尾（该数排序完成）。4.重复上述步骤，直至最后一个数，此时排序全部完成。案例：{5，9，8，3}第一轮第1次第2次第3次{5，9，8，3}{5，8，9，3}{5，8，3，9}第二轮{5，8，3，9}{5，3，8，9}第三轮{3，5，8，9}最后一个就位倒数第二个就位倒数第三个就位由定义习得规则由样例习得规则难易抽象具体具体抽象知识表征体系知识教学体系自顶向下严谨性自底向上易懂性语义情境新知经验定义样例创建情境常用方法语言情境视觉情境故事情境体验式情境案例情境感知—思考—探索—互动大脑参与度最深知识应用的具体场景生活与具像场景可视化，就是情境化比喻与类比碎片整合器类比与隐喻经验与兴趣语义与情境先后顺序无情境不语义先后语义学习两种路径语义语义情境化语义结构化是否易懂是否深刻动物鸟鱼金丝鸟鲨鱼三文鱼有皮肤会运动会觅食会呼吸有翅膀卵生会飞有鳍用腮呼吸水里游叫声好听金黄色吃其它鱼凶猛粉红色可生吃哺乳动物胎生用肺呼吸幼时吃奶层次语义网络模型猫头鹰夜里飞像人脸吃老鼠语义理解基本原理创建情境常用方法语义与情境先后顺序语义学习两种路径第二单元总结与回顾知识可视化3.场景可视化过程可视化关系可视化哪个感觉通道最高效？83%11%一颗“小”行星，比洛杉矶城还要大数百倍！视觉帮助高效记忆场景可视化过程可视化关系可视化初级视觉皮层•对物体颜色、大小、形状、亮度、运动等视觉信息，并初步分析次级视觉皮层•将视觉初级皮质所获信息，综合、转换为知觉信息高级视觉皮层•与听觉信息、语言、其它感觉信息全面整合，构成对事物综合信息的认知人类最强大的神经通路：视觉神经通路布