基于学习科学的高效教与学方法
在我以往的教学活动过程中，也会运用各种思路清晰、画面简洁的图表为学生讲解复杂的知识内容，利用课堂提问的方式检查学生的学习效果，利用工程实例吸引学生的学习兴趣，但采用这些教学方法能够取得较好的教学效果的原理是什么？采用这些教学方法的关键点和注意事项有哪些？所有这些问题在我听了王珏老师的讲座后都有了答案，思路豁然开朗，对我今后开展高效的教学工作具有重要的指导意义。
王老师的讲座主要讲了三个问题：（1）如何实现高效地“教”？（2）怎样做到高效地“学”？（3）如何让学生觉得学习知识是件非常有意义的事？
一、如何实现高效地“教”——从大脑学习知识的原理讲起
1.1 学习的第一性原理——学习即连接
从大脑对新知识的学习过程来看，新知识的学成即为脑神经细胞激活和建立新连接的过程。因此，学习的过程就是建立新的连接的过程。那我们不禁要问：连接的两端是什么？其实，学习连接的两端分别是我们已经掌握的内部经验和外部信息。
那么，如何才能更加高效地使新的外部信息与我们已掌握的内部经验建立连接？如何才能高效地把新知识交给学生？这取决于两个问题的解决：① 如何高效地激活学生已有经验？② 如何高效地让新知识与学生的内部经验建立连接？
1.2 如何高效地激活学生的已有经验
（1）为何要激活学生的已有经验？
因为学生要想理解新知识，通常都需要借助于大脑中的已有经验，要么与已有经验进行“比喻”，要么与已有经验进行“类比”，这样都可以高效地理解新知识所蕴含的意义。这在学习全新知识时效果尤为突出。例如：对于新的概念、原理的学习，如果不能有效地激活学生已有经验，则很难让学生快速理解和掌握。
但有些情况下，要学习的新知识与学生已有经验之间毫无联系，既无法“比喻”也无法“类比”，即在学生大脑中没有任何可用的已有经验，此时为了让学生能够快速理解新知识，在教学过程中就必须立刻为学生创造一个相关的“经验”，或者一个相关的“情境”，以便让学生能够将新知识与这个新创造出来的“经验”间建立起连接来，即学会新知识。由此可见，创建“情境”效率与质量的高低直接会影响到学生对新知识的学习效果。那么如何高效、高质量地创建学习“情境”呢？
（2）创建学习情境的方法
常用的创建学习情境的方法有以下5种。
① 语言情境
采用语言进行学习情境的创建是老师们最常使用的方法，但若使用不当则无法达到创建学习情境的目的。这是因为采用语言描述的方式建立学习情境有一个问题：语义（言）方式创建出来的学习情境是无法进入人脑的“长时记忆”的，因此无法有效地形成“经验”，也就无法使新知识与既有经验形成连接，即无法使“学习”真正发生。
为了解决这一问题，当采用语言创建学习情境时，一定要谈与学生的生活有关的事情，因为这是唯一能用语言唤起或激活的学生的既有经验。例如：采用学生具有的“恋爱经验”来帮助学生理解高等数学中的“偏导数”的概念，就是成功地通过语言描述的方式、利用学生已有的生活经验来创造学习情境的例子。
② 视觉情境
视觉情境具有可视化，最为直观。在对一些高度抽象的问题进行介绍或描述时，恰当地引入图片、视频等创建视觉情境，能够快速、有效地帮助学生创建学习情境。例如：采用动画的形式展示水分子的结构，这种方式通过直观地视觉效果，让水分子中的原子大小、原子间连接的键角直接展示出来，所见即所得，效率极高。而且这种视觉化的情境能够直接进入人脑的“长时记忆”，不但记忆深刻，而且马上就可变为已有经验，供随时调取。
③ 故事情境
在采用语义方式创建学习情境时会遇到一个问题：因为语义无法直接进入人脑的“长时记忆”，因此语义情境无法直接变为已有经验，进而也就无法快速、有效地将新知识与已有经验建立连接，亦即“学习”无法发生。
但如果通过讲故事的方式创建学习情境，让学生从关注故事人物命运的过程中，结合自己的生活经验，经过分析，抽取出故事中所蕴含的道理，此时得到的这个道理因为是与自己已有经验建立了有效的连接，所以可以作为已有经验使用，也就实现了学习情境的创建。
④ 体验式情境
在对某种复杂的结构或系统进行介绍的时候，如果采用前面几种情境创设方法都可能无法达到理想的效果，这主要是因为前面几种情境创建方法更多地适用于对概念、定义等的解释或说明，但如果要对利用多个全新的概念或定义来描述的某个复杂的结构或系统进行解释和说明则存在困难。而在对这种知识的学习中，不仅要掌握各个定义和概念，更关键的是要理解由这些定义、概念所描述的结构或系统。对于这类知识，最好能让学生先对结构或系统的工作原理建立起既有经验，在此基础上再使用各种定义或概念进行该结构或系统的描述，则学生易于接受。体验式情境创建就可以很好地完成这项工作。体验式情境创建是通过学生亲身参与某个与要学的系统或结构的工作原理相似的教学活动，这个活动包括了该系统或结构的全部功能或过程，学生通过这一教学活动的参与和体验过程，能够快速有效地领会该系统的功能，因为这一体验活动能够直接进入到学生的“长时记忆”，并立刻成为可调用的“既有经验”，这时再与新知识建立连接则会非常容易。
⑤ 案例情境
为什么智力几乎为0的婴幼儿能够在短短2~3的时间里将非常复杂的语法很好地掌握？对于抽象且逻辑性很强的知识，如解决复杂问题的工作流程，该如何高效地进行讲解？再或者，对于内容虽不复杂，但概念抽象的知识，该如何让学生快速掌握？
其实在对上述类型知识进行讲解时，可以利用“案例”进行学习情境的创造。即通过案例的讲解或通过案例的示范效果为学习者建立起所学知识的学习情境。婴幼儿就是在对周围人们各种语境下使用不同话语的模仿学习过程中逐渐掌握了语言背后复杂的语法知识的；在对计算机算法的实例讲解过程中，学习者对算法的具体实施步骤有了清晰的了解；在采用实例展示的方法讲解“复式记账”的记录方式时，让学习者能够直观地将各种概念与实例中的格式联系起来，所见即所得，学习效果立竿见影。
1.3 如何高效地让新知识进入学生的“长时记忆”
通过上述5种常用的学习情境创造方法虽然能够让学生将新出现的概念、词语这类碎片化的信息快速转变为“已有经验”而进入“长时记忆”，但新知识往往是采用这些概念、词语所描述的更复杂的语义。要理解新知识，不仅需要理解相关概念、词语，更重要的是要能够理解由这些概念、词语组合在一起后所表达出的语义，即：知识之间的关系是理解知识的关键。已有研究表明只有在碎片化的信息之间建立联系、形成结构并与学习者大脑“长时记忆”中的已有结构形成更大的整体之后，才更有利于将新知识纳入到学习者的“长时记忆”，从而使“学习”真正发生。采用什么方法才能高效地将知识之间的关系展现在学习者面前？
（1）关系的可视化
采用语义表达的知识之间的关系是不能直接进入人的“长时记忆”，因为对于语义表达的知识之间的关系，必须先利用人的“工作记忆”对输入的语义信息进行解构，然后在对解构后的信息进行结构化，即由学习者自己建立起各信息之间的关系并形成结构，在此之后，这种结构化的信息才能进入人的“长时记忆”，进而与已有的知识结构进行组合，最终实现学习者对新知识的学习。但人的“工作记忆”非常有限，无法对复杂的语义信息进行解构并重构，因此，利用语义信息描述知识之间的结构化关系是不利于学习者学习的。
因为知识之间结构化的关系是理解知识最重要的线索，因此，能够表达知识间内在结构化关系的“图”就成为知识内在关系可视化最有力的工具。图可以直观地展现知识的内在关系，且图中不需要大量文字，因此降低了大脑的认知负荷，所以利用图来实现知识内在关系的显性化是最合适的。
（2）相关认知负荷
通常由于讲课内容呈现方式不当会带来很多额外的认知负荷，例如：PPT上的文字字体太小、文字颜色与背景颜色接近等导致内容看不清，或者采用大量文字来呈现陌生事物造成大脑无法快速解构与重建信息及其之间的关系，这些额外认知负荷的增加都大大降低了学习者的学习效率和学习效果。
但相关认知负荷则可以大幅降低人脑的认知负荷，有利于提高学习者的学习效率。例如：利用π这一个相关认知负荷就可以记住“31415926”这一连串的数字，从而大大提高学习者的学习效率，且这种记忆是结构化的信息，因此可以进入人的“长时记忆”，有利于人对知识的记忆和随时调用。
我们可以采取“信息打包”、“信息关联”和“样例教学”等方法来引入相关认知负荷，从而提高学习者对知识的学习效率。
1.4 如何高效地调用“长时记忆”中的知识——图式理论
为什么专家能够比较轻松地解决非常复杂的问题？他们是如何调用存储在“长时记忆”中的各类知识的？这主要与知识在他们大脑中是以“图式”的形式进行存储有直接关系。“图式”化的信息具有以下两个特征：①信息存储的结构化；②信息调用的执行脚本化。前者使得专家头脑中的信息不但具有清晰的层次结构，而且因为是体系化的，所以在调用知识解决复杂问题时，往往不是调用孤立的知识，而是调用整体性知识进行问题的处理和解决，因此能够更全面地分析和处理问题，因此能够给出更加全面、合理的解决方案。后者使得信息具有模块化和可自动执行的特征，这使得专家能够以较少的大脑工作记忆对相关知识进行快速且准确地调用，这都为解决复杂问题创造了条件。
对于教学而言，促成“图式”（信息存储结构、工作执行脚本）的生成即为高效地教与学的内在机理和关键所在。
二、怎样做到高效地“学”——输出式学习
在教学过程中，很多老师都有这样的困惑：明明学生学会了，为什么考试、做题的时候学生总出错？
这里所谓的“学生学会了”其实只能代表新知识在学生大脑中形成了“初步图式”，而“初步图式”是不稳定的，在对“初步图式”进行调取时，会出现以下问题：需要时想不起，使用时说不清，常易混淆易犯错。只有形成“稳固的图式”后，学生在调用相关知识时才不会出现上述问题。那么学生如何才能将头脑中关于新知识的“初步图式”变为“稳固的图式”呢？
这就需要利用“输出式学习”的方法将隐性知识显性化，再将显性化了的知识结构化，最后还要经过积极的重复才能完成将“初步图式”变为“稳固的图式”。
2.1 隐性知识显性化
学生经过学习在大脑中已经形成了关于新知识的“初步图示”，但此图式是否已经建成？是否正确？是否完整？因为人的思维是隐性的，因此这些问题均无法通过直接观察而得到答案。
为了对学生对新知识形成的“初步图式”进行判断，必须将学生大脑中的“初步图式”进行提取、输出——将隐性的思维显性化。为此，我们可以借助课堂练习、课堂提问、演讲表达、交流辩论及作品创作等显性化教学方法，而且在进行上述“显性化”的教学活动过程中，还应该注意提高学生的参与率，尽量让每一个学生都能参与其中。
2.2 显性化知识的结构化
对显性化后的知识，学生可以对其进行完善和优化，从而使知识得以更新。但要使更新后的知识进入“长时记忆”，则必须将显性化的知识进行结构化，因为通过结构化处理能够加强知识之间的联系，且只有结构化的知识才能进入“长时记忆”，并便于随时调取。
为了实现显性知识的结构化，学生需要借助关系图表、锚图、思维导图及思考图等图表来进行。这是因为采用图表的形式才能将知识之间的结构关系直观准确地进行表达。
2.3 积极的重复
为了形成“稳固的图式”，在对显性化的知识实现了结构化之后，还需要进行大量积极的重复训练，以促进结构化的知识能够实现自动化的、模块化的调取，即形成“稳定的图式”。
由此可见，输出式的学习是最有效的学习方式，因为这种学习方式最有利于；知识在学生大脑中形成“稳固的图式”。
三、如何让学生觉得学习知识是件非常有意义的事
王老师从人脑的结构及各部分的功能出发，对爬虫脑、哺乳脑和新脑皮层进行了详细的介绍，并总结出爬虫脑对新异性信息敏感，影响生存的信息最易触发其工作；哺乳脑负责控制人的情感与记忆，对能使人产生愉悦感受的信息感兴趣；而新脑皮层负责控制人的理性与逻辑，对幽默的信息感兴趣。
只有当学生有学习意愿、觉得学习是有意义的事情，在这种条件下，教学才能顺利实施。为了能够让学生觉得所学的知识有意义，则需要在知识的讲授及学习过程中，让学生有新异感，而且老师的教学过程能够让学生感到愉悦，老师的讲课还应该适当具有幽默的风格，只有这样学生才愿意学。
四、总结
通过聆听王老师的讲座，让我从学习科学的角度对教与学的本质有了深层次的理解，让我对高效的教与学的方法有了较为全面和清晰的认识，同时也找到了在教学中如何提升学生学习积极性的办法，这些知识必将能够大幅提升我今后教学的效率和质量，使高效的教学成为可能。
教师简介：
张育智，男，1978年11月生，博士，讲师，邮箱：zyzswjtu@126.com。
学习经历：
1997年9月考入西南交通大学土木工程专业， 2001年7月毕业并获工学学士学位；
2001年9月被保送为硕士研究生，就读于西南交通大学桥梁与隧道工程专业，2003年获得硕博连读资格，2007年7月博士毕业并于2008年1月获得工学博士学位。
工作经历：
2007年7月进入西南交通大学桥梁系工作，工作至今。
期间曾于2016年8月至2017年8月以访问学者身份在美国纽约州立大学布法罗分校进行交流访问。
科研及教学经历：
主要研究领域为大跨度桥梁稳定性及施工控制，钢-混组合结构，桥梁结构减隔震。主持交通运输部项目1项，主研国家自然科学基金项目2项，国家科技支撑计划项目各1项，铁道部科技计划项目2项，以第一作者身份在国内外期刊和会议上发表文章10余篇。
曾参与宜宾中坝金沙江大桥、安庆长江大桥、南京长江三桥、苏通长江大桥和嘉绍大桥的施工监控工作，具有较为丰富的大跨度斜拉桥施工监控工程经验。曾参与宜宾中坝金沙江大桥、济南建邦黄河大桥剪力滞模型试验，安庆长江大桥、苏通长江大桥主梁钢锚箱静载及疲劳试验，南京长江三桥钢索塔轴向力传递机理与模型试验研究，具有较为丰富的试验研究经验。作为主要研究人员参与的南京长江四桥锚碇传剪器承载力及滑移量试验研究项目，获得了2012年中国公路学会科学技术奖特等奖。
曾给本科生讲授《混凝土桥》，《桥梁工程概论》，《混凝土结构设计原理》，《钢结构设计原理》，给研究生讲授《桥梁检测评估与加固》等课程。于2015年12月获得西南交通大学青年教师教学竞赛一等奖。
