关键词：桥梁工程 概念设计 产品概念化
中图分类号：U442 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）06（a）-0059-01
为满足人类之间的实践交流、跨越空间障碍的需求，政府部门投资建设了多数桥梁，随着社会的发展，桥梁也需要不断的地更新、改造。基于桥梁工程在社会经济发展中的重要地位，作为桥梁建造开端的桥梁设计显得尤为重要。而桥梁的概念设计是具体设计的先导，是对桥梁设计的总体把握与构思，其思想贯穿桥梁设计的全过程，并随着项目的进行而不断完善。在桥梁建造工程中，高达70%以上的生产成本取决于概念设计，做好桥梁工程的概念设计才能造出“精品”桥梁，才能从根源上节约工程的建造价值，提升美学内涵。
1 桥梁工程概念设计综述
1.1 桥梁概念设计的过程
桥梁的概念设计主要是在一定经济条件下，提出满足结构造型要求、耐久性和使用功能要求、满足形变与受力要求的合理设计方案。现行的桥梁建设主要以结构设计与桥梁施工为核心，按照时间进行相关组织与实施，设计人员的主要职责是依照必要规范产生经济安全的桥梁结构设计方案。桥梁的概念设计活动除包含上述功能外，还要综合考虑影响设计初步阶段的环境、人文、美学等要素，完善了传统设计的表现手法与设计理念。
1.2 桥梁的产品化概念设计
桥梁是一种特殊产品，它具备土木工程结构的基本特征，也具备产品的一般属性。桥梁产品的建设规模大、投资巨大；桥梁的建造一般由政府根据社会、经济、交通需求确立实施，与市场关系较小；桥梁的使用年限长，达到寿命后将成为废弃物，在其长寿命周期内需具备抵御环境侵害的能力。鉴于产品概念设计的思想和桥梁概念设计的重要指导，将现有的桥梁概念设计内容从桥梁设计各步骤里提炼归纳出来，形成如下的桥梁概念设计新思路。
（1）设计定位阶段主要包含环境总体分析、使用方式分析、用户群体分析和寿命期成本分析这四个层次[2]。只有充分分析影响桥梁设计的主客观因素，才能合理定位设计走向。环境分析主要是对拟建桥区的水文、地形、气象、地质等条件的分析，这将决定了桥梁设计的抗震、抗风设计需要；桥梁的用户群体主要是社会、业主和生态环境，设计中要注重桥梁的生态性、安全性、景观美学性、经济性等；使用方式决定了线性布置、建设规模的大小、上下部结构设计、断面布置等；寿命期成本主要包含间接成本、直接成本和灾害事故成本。桥梁概念设计的主体由设计、施工、运营、管养等多单位与部门构成，在其寿命期内的所有部门被称作利益共同体。
（2）方案初拟阶段是在对桥梁概念设计精准定位后，从结构体系、桥位、景观、桥梁造型、施工方案等方面拟定桥梁建造的初步方案。桥位选择将决定工程造价、施工和运营的安全性、施工操作的难易程度；结构体系的选择要注意结构的可达到性和可维护性，为今后的桥梁检修提供便利条件，整体节约桥梁寿命期的总成本；桥梁的造型与景观设计要以工程师为主导，同时邀请建筑师及其他专业人员加入，形成合理的设计模式；施工方案直接影响着桥梁工程的质量、安全、工期，在考虑结构、线性、桥位条件之后形成了初步的施工方案。经反复对比分析，筛选出两三个可行的推荐方案。
（3）方案比选阶段的主要工作是依据项目的相关规定和工程师的相关经验，从若干推荐方案中择优选取最终设计方案。经济指标是大多数桥梁最终方案决定的关键性要素，但在一些景区桥梁或标志性大桥的设计方案比选中，景观美学价值也是不容忽视的重要因素。
1.3 桥梁概念设计的阶段划分
桥梁的概念设计工作主要集中在工程的可行性分析、初步设计、施工图设计三个阶段。这三个阶段设计桥梁工程的技术层面的具体细部与结构设计，具体每阶段的概念设计内容如表1所示。
2 桥梁设计的前沿设计理念
这里主要介绍三类较具代表性的设计理念，即桥梁的耐久性设计理念、桥梁的生态性设计理念和桥梁的全寿命周期设计理念。
（1）耐久性设计理念是指在桥梁的设计使用期限内，保证桥梁的安全性、使用性及外观功能的设计理念。耐久性的设计需要在明确设计中可能的侵蚀类型和不同状况下的耐久性要求；评估特定条件下的侵蚀严重程度；明确桥梁的各个构件对侵蚀作用的防护水平与防护方法；提出设计、养护、维修等后续方案。
（2）桥梁的生态设计理念是充分利用生态学的设计思想，综合考虑桥梁相关的生态环境，在桥梁的设计规划中，提出满足人们需求且与生态环境和谐共存的设计方案。生态设计中要坚持生态保护的原则，尽可能选取对周围植被、水文、气候破坏程度最小的施工方法，严格控制施工范围；施工坚持使用清洁能源，选取无毒无害的装饰与建造材料，从而利于桥梁报废后的物料回收；桥梁建造需保证施工工艺先进、材料先进、设计和施工组织合理。
（3）桥梁的全寿命周期设计包含桥位的规划、方案的设计、性能的分析、详图的设计、建造的施工、管理的养护和拆除这几个阶段的全面规划和系统考虑，从而达到最优目标。桥梁的全寿命周期设计将使用、资金、文化、生态等需求细化成具体指标，并采用恰当的方式实现桥梁寿命周期的各类指标要求。
3 结语
本文介绍了桥梁概念设计的具体定义、相关特点、设计的步骤和流程，并从定性分析、经验积累、合理估算的基础上总体把握桥梁设计构思。借鉴产品设计的成熟经验，将桥梁作为产品，尝试桥梁的产品化概念设计，进而深入探讨工程的可行性研究、初步设计、施工图设计三个阶段的技术层面的桥梁概念设计。最后，介绍了现今的一些前沿桥梁概念设计理念，如生态设计理念、耐久性设计理念、全寿命周期设计理念等，对以后的桥梁概念设计发展有一定的启迪意义。
参考文献
本文论述了信息技术与数学教学整合的教学模式研究的现状及其重要性，分析了构建信息技术与数学教学整合的教学模式的原则，并探讨了在主导——主体教学理论的指导下构建的5种概念、规律和几何整合教学模式的目标、操作程序、适用条件以及评价方法。 关键词：信息技术数学教学整合教学模式 1引言 现代教育技术广泛应用于教育领域，不仅从手段上，而且从观念上、教学模式上都引起教学的深层次变革，信息技术与课程整合成了教学改革的一个突破口。然而，目前信息技术在中小学理科教学的应用水平仍然非常低，大多是作为教学内容的展示工具。中小学理科教师对于如何将信息技术与理科教学整合感到非常困惑，他们心中也产生了许多问题，如“什么时候用信息技术比较合适？怎么用？”、“怎么做才能体现‘主导——主体’教学思想？”、“怎么做才算是信息技术与课程整合？”，要回答这些问题，除了让中小学教师掌握先进的教育教学理论、信息技术以外，更为重要的是进行基于信息技术与课程整合思想的教学模式的研究，为中小学教师的教学实践提供一个可参考的范式。教学模式是在一定的教育思想、教学理论和学习理论指导下的，为完成特定的教学目标和内容而形成的比较稳定且简明的教学结构理论框架及其具体可操作的教学活动方式。教学模式是教学理论与教学实践的桥梁，既是教学理论的应用，对教学实践起直接指导作用，又是教学实践的理论化、简约化概括，可以丰富和发展教学理论。研究“主导——主体”教学思想指导下信息技术与理科教学整合的教学模式，为中小学教师提供一些可用于指导教学实践并借以改造的教学模式，对于推进信息技术与课程整合就显得非常重要而迫切。 2信息技术与数学教学整合的教学模式研究现状 有关信息技术与学科教学整合的教学模式方面的研究，语文学科走在其他学科的前面。由北京师范大学现代教育技术研究所主持的全国学科“四结合”（原为全国语文“四结合”）课题组和试验学校的教师们结合长达7年之久试验研究的实践，提出了几十种信息技术与语文教学整合的教学模式。与信息技术与数学教学整合相关的研究，基本上形成三足鼎立的局面：一是数学教学模式的研究，二是信息技术与课程整合模式的研究，三是计算机应用于数学教学的作用和方式的研究。关于信息技术与数学教学整合模式的研究却很少，有的也只是零星的、个别的。 自从20世纪70年代美国的乔伊斯和韦尔等开创性地提出将教学模式作为教学研究领域的一个独立研究方向以来，教学模式的研究一直是教学研究领域一个重要的课题。数学教学模式的研究近些年来呈现欣欣向荣的景象。贝尔在其著作《中学数学的教与学》中提出先行组织者、发现法、证明定理、解决问题、利用计算机等许多数学教学模式。由冯克诚、田晓娜主编的《最新教学模式全书》中也提出了数十种数学教学模式，还有《数学教育学报》、《中学数学教学参考》《教法与学法》、《数学通报》等期刊上名目繁多的数学教学模式，真可谓是百家争鸣、百花齐放。研究数学教学模式的学者和教师从数学学科教学的视角研究教学模式，对数学教学实践具有较好的指导作用，然而以计算机为核心的信息技术在这些教学模式中最多只是起一种教学手段或教学媒体的作用，贝尔提到的利用计算机教学也仅仅是众多教学模式中的一种，对于当前如何有效地将信息技术与数学教学全面整合起来的问题缺乏直接的指导作用。 近年来，信息技术与课程整合模式的研究引起了教育技术界的重视，提出了不少信息技术与课程整合的模式，如何克抗教授提出的讲授、个别辅导、探索、协作等5类网络教学模式，祝智庭教授总结归纳的个别授导、教学模拟、智能导师、问题解决等23种信息化教学模式，李克东教授提出的情境——探究式、小组合作——远程协商式等4种数字化学习模式。这些信息化教学模式对于信息技术与数学教学整合有很好的借鉴作用，但由于其学科的普适性而缺乏数学教学的针对性。 计算机应用于数学教学前期研究的重点在于如何充分发挥计算机辅助教学的工具，近些年来则更加关注计算机认知工具的作用，尤其是校园网、因特网在中小学的广泛普及以及“几何画板”、“mathcad”、“mathematica”、“Excel”等软件的引入与使用，许多数学教学研究人员和数学教师对于将信息技术与数学教学整合进行了有益的探索，并取得了一定的效果，其中运用“几何画板”革新数理化教学（特别是数学教学）的试验研究项目取得了尤为显著的影响和效果，如运用“几何画板”讲授抽象的数学概念、做数学实验都取得了较好的效果。但是这些计算机应用于数学教学的研究大多停留在计算机作用的描述、教学经验描述的层面上，没有对这些经验进行理论化、抽象化、模式化的概括，不利于其他教师的借鉴和运用。 3构建信息技术与数学教学整合的教学模式的原则 教学模式是教学过程的简约化描述，但教学程序却不等于教学模式。教学模式的构建虽然具有一定的主观性，受到构建者对教学规律和原理的理解和具体的教学实践的影响，但是必须在教育教学理论的指导下，符合教学规律，为实现教学目标服务，也就是说我们构建信息技术与数学教学整合的双主教学模式也要遵循一定的原则。 3.1基于主导——主体教学理论的原则 教学模式与教学思想、教育教学理论有天然的联系，没有一定理论的指导，教学模式就没有了灵魂。一个完整的教学模式应该包含主题、目标、条件（或称手段）、程序和评价五个要素（张武升，1988）。主题即教学模式所依据的教学思想或理论，对教学活动作出理论的解释，规定了教学模式的本质，还渗透、影响其他四个要素。影响教学模式的理论基础有现代的教育思想、学习理论、教学理论等。现代教育思想的指导从根本上把握了教学模式培养人的最终目标；学习理论解释学习的内在机制，要求教学符合学生的认知规律，学习是有意义的学习；教学理论是用于指导教学操作程序和方法的系统理论，直接指导教学模式的形成。 “主导——主体”教学理论是构建信息技术与数学教学整合教学模式最主要的理论依据，“主导——主体”教学理论取建构主义学与教理论和奥苏贝尔等以“教为中心”的学与教理论之长，避两者之短，认为在教学的展开进程中，要充分尊重学生的学习主体地位，让学生对教学内容进行自主学习、自主思考，教师则在教学过程中起学习内容的选择、学习过程的组织、帮助和指导等主导性作用，使学与教有机的统一起来，体现了以人的全面发展为最终目标的教育思想。 3.2体现数学教学特点的原则 为数学教学服务所构建的信息技术与数学教学整合的教学模式不可避免地受到数学的特征、数学教学的特点、原则以及数学教学改革的趋势和方向的影响。数学既是基础性学科又是工具性学科，因此数学教学既要重视基本知识、基本概念、数学思维方法的教学，又要重视数学知识的实际应用教学，重视学生实际问题解决能力的培养。针对现在数学只能为越来越少的人所掌握以及学了数学没有用处的情况，国际数学教育界提出“大众数学”、“人人都要学会的数学”的口号，美国数学教师协会（NCTM）在1989年3月制定的《学校数学课程与评价标准》中提出了全美学校数学教学目标：“为估价数学而学习，为数学推理而学习，为数学交流而学习，对于自己从事数学活动的能力有信心，成为数学问题的解决者”。我国新的数学课程标准也提出“通过义务教育阶段的数学学习，学生能够：获得适应未来社会生活和进一步发展所必需的重要数学知识（包括数学事实、数学活动经验）以及基本的数学思想方法和必要的应用技能；初步学会运用数学的思维方式去观察、分析现实社会，去解决日常生活中和其他学科学习中的问题，增强应用数学的意识；体会数学与自然及人类社会的密切联系，了解数学的价值，增进对数学的理解和学好数学的信心；具有初步的创新精神和实践能力，在情感态度和一般能力方面都能得到充分发展”。这些数学教学目标为现代数学教学提供了如下启示： 基于“做”（hand-on）的教学——学习抽象的数学概念之前，让学生做数学实验、动手操作实物或模型，培养数学的意识，强调培养学生动手的能力； 基于思维（mind-on）的教学——关注核心概念、有判断力的思维方法和能力的教学，以使学生重构并形成自己的数学概念和关系，强调思维的培养。 基于事实（reality-on）的教学——使学生学会探索、发现、讨论和有意义建构用于解决现实问题的数学概念和关系，培养学生用数学的方法来解决问题的能力。 3.3基于信息技术与课程整合思想的原则 信息技术与课程整合是指在课程教学过程中把信息技术、信息资源、信息方法、人力资源和课程内容有机结合，共同完成课程教学任务的一种新型的教学方式（李克东，2001）。信息技术与课程整合不是一朝一夕的事，而是经过许多中间过程的，最终将信息技术作为辅助学习的高级认知工具，并带动教育的全面改革。根据信息技术与课程整合的不同程度和深度，将整合的进程大略分为三个阶段（马宁、余胜泉，2001）：封闭式、以知识为中心的整合阶段，信息技术作为演示、交流和个别辅导的工具；开放式的、以资源为中心的整合阶段，信息技术作为资源环境、信息加工工具、协作工具和研发工具；全方位的课程整合阶段，信息技术与课程整合引起了课程内容、教学目标和教学组织架构的全面变革。构建基于课程整合的数学教学模式要充分利用教育技术的优秀成果，并根据教学内容的特点选择适当的整合方式，强调将信息技术认知工具的作用，加强整合的深度，而不是仅仅将信息技术作为演示的工具。 3.4最优化教学效果的原则 教学模式是教学理论在教学实践中的运用和具体化，来自于教学实践。教学实践是教学模式的基石，教学模式必须用于教学实践才有其存在的必要，也只有通过教学实践的检验才能不断完善。因此，在研究教学模式的同时，还要将之用于实实在在的教学活动中，研究教学模式是否有利于提高数学教学的效率和效果，这是我们研究和构建模式的根本所在，也是验证模式是否有效、是否值得推广的基本途径。 4几种信息技术与数学教学整合的双主教学模式 教学模式的研究是理论与实践的“中介”研究，其“中介”性质决定了教学模式的研究有演绎法和归纳法两种方法。演绎法采用实证研究的方法，“从一种思想和理论假设出发，设计一种教学模式，用实验检验证明其有效后，确立这一教学模式”（张武升，1988）。归纳法是在大量教学实践基础上总结、概括形成教学模式。随着教学理论和教育科学研究方法的发展和变革，尤其是现在对教师教育科研能力的重视以及运动研究方法再度受到关注，教学模式的研究更强调运用演绎法和归纳法相结合的方法。 我们运用演绎法和归纳法结合的方法就数学的概念、规律、几何教学构建了5种信息技术环境下的双主教学模式，下面就对这5种模式的操作程序、适用条件、评价等进行阐述。 4.1概念的归纳——获得教学模式 “概念的归纳——获得教学模式”是在参考乔伊斯（B.Joyce）和韦尔（M.Well）的“概念获得模式”和塔巴（HildaTaba）的“概念发展教学模式”的基础上提出的，其目标是让学生形成正确的概念、了解概念的含义以及通过参与和反思概念化的过程，提高分析和概括的思维能力。概念的归纳——获得教学模式包括七个步骤。 （1）情景导入，明确教学目的 情景导入的目的是激发学生的学习兴趣，建立学习的心理倾向。所创设的情景一定要与要讲授的概念有关，可以是与概念相关的生活实例、资料，可以是一些例子，也可以是用以明示该概念与其他概念关系（上位、下位、并列组合）的先行组织者等。在概念学习之前，教师要向学生阐明本课的目的是通过寻找其本质属性界定某一概念。 （2）呈现例子，分类归纳 教师选择一些肯定性例子（具备概念所有属性的例子）和否定性例子（不具备或不完全具备概念属性的例子），然后呈现给学生，让他们把相似的归为一类，并找出其共同属性（即归类理由）。如果低年级学生的分析能力不够强，则可以先呈现肯定性例子，让学生提取其中的共同属性，再呈现否定性例子，剔除非本质属性，引起学生对本质属性的注意，加强对本质属性的认识。 （3）提出概念假设 当学生把所有的属性都罗列出来后，要求学生给这组例子取一个名称，思考如何用这些属性来表述这个名称，此时教师不要对任何学生的观点进行评价，要鼓励他们多思考、多说。 （4）呈现例子，检验假设 同样呈现一些肯定性和否定性的例子，让学生用自己提出的假设判断是否所有的肯定性例子都能归到概念组中、概念是否已包含了所有的本质属性，必要时可以将一些属性添加到概念中。 （5）概括总结，形成概念 教师展示全体学生提出的概念属性和概念假设，要求学生共同提取该概念所包含的所有本质属性，用简练的语言概括出概念，然后再现概念的规范表述。 （6）应用概念，巩固理解 可以呈现一些比较复杂的例子，让学生应用概念进行分类，也可以让学生自己举出一些符合该概念的例子，加深他们对概念的理解。 （7）反思概念化过程 教师可以用问题来激励学生回忆、反思、讨论自己概念化的过程，如“请回忆一下你们得出这一定义的过程，你们是怎么确定其主要特征的”，从而提高其思维能力。 在上述过程中信息技术的作用以及教师和学生在过程中的活动可用表1来概括。 表1概念的归纳——获得教学模式中信息技术的作用和师生活动 模式程序信息技术的作用（理想状态）教师活动学生活动 情景导入，明确教学目的情景创设工具创设情景，说明教学目的明确目的，建立心理倾向 呈现例子，分类归纳例子展示、操练、表征观点（提取的概念属性）工具选择例子，确定呈现方式，收集概念属性例子分类，归纳概念属性 提出概念假设表征观点、交流讨论工具鼓励学生思考、发言，收集学生提出的假设提出属性和名称，讨论 呈现例子，检验假设展示例子、操练、表征观点、交流讨论工具选择例子，阐明阶段目的，参与讨论，收集概念属性假设例子判断，归纳属性，讨论 概括总结，形成概念呈现假设、表征观点、交流讨论工具展示概念属性和假设，参与讨论，评价学生概括的概念概括概念，讨论互评 应用概念，巩固理解呈现例子、操练工具选择例子，评价效果判断，举例 反思概念化过程交流讨论工具提问引发讨论反思，讨论 这种教学模式适合于讲授那些具有明确属性的概念，如有（无）理数、方程、等式等，也可以用于教授代数运算法则，如合并多项式、合并同类项等，对信息技术的要求不高，有大屏幕投影设备和一台计算机的教室基本满足教学条件（讨论口头进行，分类、提出假设可用纸代替），但是在教学前，教师必须选择准备好肯定性和否定性例子以及一些复杂的、似是而非的例子。教学的效果可以用判断、举例的方法来评价学生是否已理解、获得了该概念。 4.2规律的应用——探究教学模式 学习规律的目的是为了应用规律，此模式的目标是使学生通过应用概念和规律加深对概念和规律的理解，培养数学方法的应用能力和实际问题的解决能力，包括六个阶段。 （1）情景导入，明确问题 利用多媒体计算机创设现实问题情景，激发学生解决问题的兴趣，明确要解决的问题。 （2）分析问题，明确应用的概念或规律 让学生思考分析问题，提取问题中的已知条件、未知条件和要求的结果，引导学生讨论解决该问题需要用到的数学概念和规律，确定解决问题的概念和规律。 （3）分组讨论，提出假设 先将学生分成若干个小组，以小组为单位猜想、讨论解决问题的可能方案。这个阶段要鼓励学生多思考、多猜想，而不要求计算、证明，但是要给学生一定的时间限制，时间的长短则根据问题的难易程度而设定。 （4）共享方案，评价筛选 当学生已提出足够多的方案时，让小组成员汇报小组提出的方案。教师收集、汇总学生的方案，并把全部方案展示给全体学生，选出其中不同的方案后，让学生用逻辑推理的方法淘汰不可能的方案，进一步筛选出可能方案。 （5）计算证明，验证假设 让学生对剩下来的可能方案用严密的计算和证明的方法来验证其有效性。如果学生的信息能力较强，也可以要求学生用信息技术来表征最后的方案。 （6）汇报总结，反思 学生汇报验证的结果，总结问题的解决方案。如果方案比较复杂，教师可以用多媒体计算机来演示该方案解决问题的过程。最后要求反思解决问题的过程，讨论问题解决过程中所用的数学方法。 模式中信息技术的作用以及教师与学生的可能见表2。 表2规律的应用——探究教学模式中信息技术的作用和师生活动 模式程序信息技术的作用（理想状态）教师活动学生活动 情景导入，明确问题情景创设、问题呈现工具创设情景建立心理倾向，明确问题 分析问题，明确应用的概念或规律交流讨论工具引导，总结讨论，分析，确定应用的概念或规律 分组讨论，提出假设交流讨论、表征假设工具分组，设定讨论时间，鼓励学生，关注小组内所有成员的发言情况讨论，提出假设
共享方案，评价筛选展示方案、交流讨论工具收集、呈现方案，参与学生讨论汇报，讨论评价 计算证明，验证假设计算工具，实验环境，交流讨论工具提供工具，工具使用方法指导，提供帮助计算、证明，交流讨论 汇报总结，反思表征方案、交流讨论工具评价，总结，引发反思汇报，讨论总结，反思 此模式适用于与生活有关的计算公式、规则的复杂应用教学，如相遇问题、解方程问题等，对信息技术的理想要求是具有多媒体投影设备、网络环境、计算器、几何画板等数学探索工具等，要求教师和学生熟练使用Word、计算机、几何画板、网络交流讨论工具等。如果不具备网络教学环境，则学生的交流讨论可以口头进行。教学效果可以用解决类似问题来进行评价。 4.3几何概念、规律的“数学实验”教学模式 运用几何画板的“几何概念、定理的数学实验教学模式”的目标是通过“做”的教学，让学生正确理解几何中的概念、规律，了解概念、规律的形成原理，培养发现问题、转换问题的能力，培养用数学模型来解决问题的能力。该模式的步骤为： （1）情景导入，明确目的 情景导入的目的是激发学生探究的兴趣，明确数学实验的重点（要学习的概念/规律），如用与教学内容相关的例子引入课题，如用飞机或飞机模型引入角平分线教学、用飞翔的蝴蝶引入轴对称概念的教学、演示离心率变化引起曲线变化的动画引入离心率概念的教学等。 （2）做“数学实验”，自主探索 学生明确了本课的目的后，让学生用几何画板做数学实验，利用教师编好的课件独立探索，发现数学概念包含的本质特征、规律形成的原理。如果学生能熟练使用几何画板，也可以让学生自己制作简单的课件。 （3）讨论总结，形成概念/提出规律 学生将探索获得的概念属性或规律与学习伙伴进行讨论，在教师的帮助、引导下提出正确的概念或规律。 （4）概念/规律应用 将所获得的概念或规律应用于解决一些问题，可以是进行一些练习，也可以是解决一些实际问题，如用轴对称概念解决“在河边建一个水电站，使之到两个供水站的距离之和最短”等。此时还可能用几何画板进行数学实验。 （5）反思 用提问的方法引起学生回忆、反思自己的学习过程，讨论如何获得概念、发现规律的，在应用规律的时候是如何应用规律的，用“数学实验”进行学习对自己解决问题有什么启示等。 表3说明了信息技术在此模式中的作用以及模式程序中教师和学生的活动。 表3几何概念、规律的数学实验教学模式中信息技术的作用与师生活动 模式程序信息技术的作用（理想状态）教师活动学生活动 情景导入，明确目的情景创设工具创设情景建立心理倾向，明确学习目的 做“数学实验”，自主探索实验环境，表征概念或规律工具提供工具，监控、帮助、引导做数学实验，探索，记录探索的心得 讨论总结，形成概念/提出规律交流讨论、表征概念或规律工具总结，评价讨论，提出概念，互评 概念/规律应用呈现问题工具，练习工具，实验环境提出问题，提供工具，监控、引导、帮助练习，做“实验” 反思交流讨论工具引发思考，参与讨论讨论，总结 这种模式适用于抽象的几何概念、几何定理、复杂概念的研究和利用几何知识解决问题教学，如轴对称概念、多边形的内角之和、离心率概念、复杂曲线的形成、空间几何等，也可以用于物理、化学的教学中。要求师生都熟练使用几何画板和Word、记事本等记录工具，可用需要转换的复杂问题来评价教学效果。 4.4基于Internet的数学计算应用——合作探索教学模式 现代数学教学强调数学与现实生活的联系，要求数学教学要从身边的生活问题出发、用于解决生活中的实际问题，Internet提供的丰富资源又为此提供了更广阔的空间。“基于Internet的数学计算应用——合作探索教学模式”就是为实现使学生将学到的数学计算知识用于解决生活问题、从而培养其联系实际、解决问题能力的目标而设计的，其步聚包括七个环节： （1）情景导入，提出问题 情景创设的目的是激发学生探索、解决问题的兴趣，创设的情景要与学生的日常生活密切相关，而且要利用视频、音频、图片等多媒体信息来呈现问题，如深圳南山实验学校的易伟湘老师用悉尼奥运会的资料、用图片展示活动城市的情况[17]来调动学生的积极性取得了比较好的效果。 （2）分析问题，明确方向 要求学生分析解决问题需要确定哪些条件，这些条件与哪些数学知识有关系，最后确定解决问题涉及的数学概念，复习概念间的数量关系。 （3）小组学习，查找信息 教师按照学生的兴趣或位置关系将学生分成若干小组，确定每个小组成员都有相应的任务后，提供给学生信息记录表、相关的资源、网址或搜索引擎，传授学生使用这些资源的方法，让学生开始查信息。要求每个学生都独立自主地查找信息，他们所查找的信息都是为了解决共同的任务，是小组任务的一部分，培养他们协作的意识。这一阶段要给学生足够的时间和资源，使他们能进行充分的探索，学生还要及时记录所找到的信息。 （4）交流协作，解难释疑 当小组成员找到所需的信息后，让他们回到小组中，交流他们所查的信息以及为什么选择这些的理由，讨论其中分歧的意见以达成共识。对于一些学生容易忽视的因素，教师要及时引导。 （5）计算数据，问题解决 学生计算经过讨论的数据，比较、分析计算结果，讨论、选择恰当的解决方案。这里学生提出的解决方案可能不是惟一的，教师要鼓励学生多角度考虑解决方案，以培养他们的发散思维。 （6）成果汇报，讨论评价 学生在小组交流达成共识后，由小组成员向全班同学汇报学习的结果以及提出方案的理由，教师和其他组的学生可以就他们的方案提出适当的建议。 （7）反思 要求学生回忆探索、协作的过程，反思如何从问题中提取数学知识、怎样才能找到需要的信息、如何选择有用信息、解决该问题用了哪些数量关系、与小组成员协作是否愉快、学习伙伴有哪些值得自己学习的地方、打算以后怎么用这些数学知识和学习方法等等。 模式中信息技术的作用及教师与学生的活动如表4所示。 表4基于Internet的数学计算应用——合作探索教学模式中信息技术的作用及师生活动 模式程序信息技术的作用（理想状态）教师活动学生活动 情景导入，提出问题情景创设工具创设情景，阐明目的明确目的，建立心理倾向 分析问题，明确方向讨论工具，展示数量关系工具帮助学生提取、复习数学概念、数量关系分析、讨论，提出、复习数量关系 小组学习，查找信息信息探索、记录工具提供记录表、资源和工具，监控、帮助查找、记录数据 交流协作，解难释疑交流工具监控、引导，启发讨论，选择有用信息 计算数据，问题解决计算工具、表征方案工具提供工具，监控、引导计算、讨论，提出方案 成果汇报，讨论评价展示成果工具，讨论工具参与讨论，提出建议汇报，讨论、互评 反思讨论工具引发思考，参与讨论反思，讨论 这种模式适用于一些与日常生活有关的计算知识的教学，如行程问题、利息问题等。运用此模式进行教学的前提是具备并师生熟练使用Internet教学环境、Excel等电子表格工具、Word等文字处理工具软件。教学效果的评价可延续到课后进行，可让学生写学习体会、学生互评协作意识与协作能力。 4.5基于Internet的综合性应用问题的合作研究学习模式 这是一种多学科、多纬度的综合性教学模式，将知识、计算、规律的学习与解决实际问题等目标综合在一起。应用这种模式的教学一般不能在一节课中完成，根据项目的难易程度确定所需的时间。此模式的实施分为八个阶段： （1）设置问题情境，提出问题 问题可以由教师口头提出或用展示某一事件引出，也可以由学生自己提出。问题的情景应该是真实的，能够引起学生探索的热情。 （2）分析问题，明确评价方法 要求学生分析问题情景中所隐含的数学知识，列出已掌握和未掌握数学概念的清单。教师向学生说明研究的成果形式以及评价的方法。 （3）组织小组，确定研究计划 教师按照一定的分组策略将学生分成若干个小组，或者由学生自行分组，小组人数以4-5人为佳。小组成员一起讨论研究的方法、进度以及小组成员的分工，制定研究计划表和数据记录表。 （4）自主探索，学习概念，查找信息 每个小组成员根据自己的任务分工，学习自己未掌握的数学知识，并开始收集与解决问题相关的信息。学生通过学习新的数学知识、查找所需的信息，逐步建构起关于该领域知识结构原形，并形成自主思维的能力与习惯。教师帮助学生判断所查信息的有效性。 （5）交流协作，完成数据表 学生搜索到所需的信息后，回到小组，与其他小组成员一起交流所找到的信息以及该领域的相关知识以及自己关于解决问题的见解，并用查到的信息完成数据表。如果交流发现有不恰当的数据或数据不充分，则需要重新查找数据。 （6）计算数据，提出假设 将所查的数据进行必要的单位转换、中间计算，计算出最终数据，形成各种可能的解决方案。 （7）讨论假设，问题解决 对提出的可能解决方案进行组内讨论，决定最佳解决方案。 （8）汇报，评价，反思 由小组成员向全体同学作出口头汇报，如果可能还需提交书面报告。教师和其他小组根据评价的方法对他们的研究进行评价。要求学生对研究的过程进行反思，思考自己又学到哪些新的知识、是怎么解决这个问题的、自己在小组中的贡献有多大等等。 在这个模式中，信息技术的作用以及教师和学生的可能活动见表5。 表5基于Internet的综合性应用问题的合作研究学习模式中信息技术的作用及师生活动 模式程序信息技术的作用（理想状态）教师活动学生活动 设置问题情境，提出问题情景创设工具创设情景，提出问题明确问题 分析问题，明确评价方法讨论工具，展示成果形式和评价方法的工具帮助引导，说明成果形式和评价方法分析问题，提取数学知识，了解成果形式和评价方法 组织小组，确定研究计划制定研究计划和数据电子表工具确定分组，提供工具和工具使用帮助分工，制定计划表和数据表 自主探索，学习概念，查找信息资源、查找工具，探索工具提供资源，监控、引导学习概念，查找信息 交流协作，完成数据表讨论工具，数据记录工具监控、帮助、引导讨论，输入数据 计算数据，提出假设计算工具，方案表征工具监控、帮助、引导计算数据，记录结果 讨论假设，问题解决讨论工具监控、帮助、引导讨论，提出方案，准备口头汇报，撰写研究报告 汇报，评价，反思汇报撰写工具、讨论工具总结、评价，引发思考口头汇报、互评，反思 此模式适用于研究一些用数学知识解决社会性问题，如分期付款问题、投资回报问题、问题等等，模式的运用要求在Internet教学环境中，师生熟练使用浏览器、搜索引擎、Excel等表格工具、Word等文字处理工具、PowerPoint等演示工具，学生具备一定的协作技巧和进行口头、书面汇报的能力。教学效果的评价可以从问题解决、汇报、协作等方面进行。 以上是我们在这个领域所作的一点探索，所提的模式并不能包含所有内容的教学，还有许多内容的模式尚待研究，相信随着信息技术与数学教学整合研究的深入，这些模式会得到不断的修正、完善，更多的模式也会出现。 参考文献 [1]北京师范大学现代教育技术研究所.深圳市南山实验学校.信息技术与课程整优秀案例论文集.高等教育出版社，2001.11. 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调度问题多为复杂的优化组合问题，应用于多个领域，主要包括制造、电力、通信、交通、水利、港口等领域。生产过程调度是研究最为深入的领域之一。为适应运筹管理、优化、自动化及计算机技术发展，生产过程调度是整个先进生产制造系统的核心。有效的调度及优化方法研究及应用对缩短产品生产周期、确保产品交货期、降低生产成本等均具有重要的意义；它是实现先进制造和提高生产效益的基础和关键。
生产过程调度方法研究是生产过程调度问题研究的核心内容，主要包括生产过程调度问题的建模方法及其优化方法。生产过程调度问题的传统建模方法主要包括数学规划方法、排队网络、Markov链、Petri网和仿真方法等[1]。当实际生产过程环境过于复杂，生产过程调度问题通常表现为多约束、多目标的优化问题。基于上述传统建模方法建立的生产过程调度模型的规模一般比较大。随着模型的规模增长，求解的工作量呈指数级增长，调度时间的要求难以满足。因此，传统建模方法均难以得到有效应用。
目前，生产过程调度建模还存在以下诸多问题。（1）调度问题的复杂性和系统求解思想往往为研究者所忽视[2]。（2）现有建模方法难以同时处理数据和语言两方面的信息，并且缺少统一的系统模型，而且调度研究的分类经常是模糊不清的，某些调度研究是在很具体的层次上，通用价值很小[3]；（3）重复编码现象严重、开发效率低是生产调度管理软件开发面临的一大难题[4]。因此，迫切需要进一步研究适应于复杂生产过程调度需求的调度问题建模与优化方法。
针对上述问题，提出基于本体的生产过程调度的建模思想。目前，本体在机械制造行业的应用主要集中在企业本体、工程设计本体、产品本体、产品设计资源本体和（分布式）工作流程本体等。下面研究生产调度问题的本质、描述、概念，确定本体的领域和范围，抽出领域中重要概念术语，规范概念及概念之间在领域中的关系，然后建立本体模型。为构建一个调度问题的统一语义模型，生产调度模型的构建采用本体思想，建立本体的效率得到提高，大规模调度对模型的共享和重用的需求得到有效满足，进而提高集成过程中的自动化程度[5]。
一、关于本体的概述
本体原本是哲学理论上的一个术语。它是以体系化的形式说明万事万物及其关系的学说。通过收集相关领域信息，提炼出领域知识的共同内涵，确定共同概念，最后把这些共同概念和概念之间的关系表达在形式化模式的不同层次上是建立领域本体的目标。从内涵上来看，本体作为领域内不同主体（人、、机器等）之间达成的共识，是其进行交流的语义基础。领域内公认的实体概念的有限集合是本体模型的核心，通过概念实体间的关联关系来表达领域内公认的语义信息。蒋易强：基于本体的生产调度建模及XML描述析十堰职业技术学院学报 2012年第4期 第25卷第4期
二、生产调度问题核心概念
一个领域内公认的本体概念集是本体模型的核心，通过该集合中的概念本体之间的关联关系来表达领域内公认的语义信息。概念提炼过程包括对生产调度领域内的信息的收集、挖掘、整理，以及重要信息和概念的确定、整合等步骤，形成领域本体的核心概念集；然后用精确的图表或术语表示重要概念之间的基本关系，从而使得抽取的概念能被生产调度有关人员所共同理解。概念本体构建是本体模型的基础，整个模型是否具有共享性和重用性将由其是否成功构建决定。
关于调度问题的典型概念描述：生产过程调度问题是指在满足工艺和资源等相关约束条件下，通过确定各工件的加工机器和在相应机器上的加工顺序、加工开始时间、工件组批方式和投料策略及其他关键资源的使用计划等调度策略，使某个或多个调度性能指标达到最优[1]。
关于生产调度的本质问题的表述如下：涉及任务、资源和时间等三维空间的多目标决策是单元制造任务调度问题的本质。工件在其关联设备上的加工顺序和时间在制造单元有限资源的约束下被确定，以实现调度目标（如最短完工时间、最小成本等）的最优是其目标[6]。
在形式化描述方面，调度就是在满足约束条件下，在各机器上合理地安排加工工序，并合理地安排加工时间和次序，同时优化性能指标。因此，可以作如下形式化描述：调度问题及其扩展问题可用三元组α/β/γ的形式进行描述，其中α代表机器工作的环境，工件的加工特性用β表示，加工性能指标用γ表示[7]。
生产调度本体模型的构建主要体现在对相关领域本体概念的抽取和关系的继承，抽取概念时，要在尽量简化本体的同时使得本体尽量包含足够多的信息。从生产调度问题的本质、描述、概念中抽象出以下核心概念类：任务（Task）、指标（Index）、规则（Rule）、方案（Schedule）和资源（Resource）。本体的存在是依赖于生产调度过程而存在的。本体的内容、概念、联系也会随着调度和用户需求的变化而变化，因此本体需要根据调度和用户需求变化进行自适应评价和修订，以保证调度的有效共享。
三、生产调度本体关系模型
根据前文分析，从生产调度问题中抽象出以下核心概念类：任务、指标、规则、方案、资源。核心概念类及相互关系为：以所需完成生产任务为导向，将任务分解为各类指标，这些指标必须满足约束规则，在规则的约束下优化组合成方案，根据方案分配资源，最后资源执行方案，完成生产任务。调度概念本体模型的框架如图1。
四、概念集的XML表达
[关键词]概念图：协作知识建构；评价工具
[中图分类号]G40―057
[文献标识码]A
[论文编号]1009―8097(2009)13―0232―04
引言
随着新一轮基础教育课程改革的兴起，协作知识建构作为一种实现教学革新的方式越来越受到广大研究者和教学工作者的关注，协作知识建构不仅符合基础教育课程改革的目标。而且与当前我国中小学提倡的自主、探究和合作学习等多种学习方式相一致。但是，如何有效评价学生的协作知识建构能力还是一个亟待解决的问题。
学生评价是教育评价领域中最基本的一个评价环节，也是教育工作者最关心的一项工作。评价学生学习能力和知识建构效果的传统方法是考试，考试形式一般都是通过试卷进行出题，试题类型一般分为客观题和主观题。客观题通常仅能考查学习者对零散知识的理解和掌握程度，却无法检测出学习者对知识结构、知识间相互关系的掌握水平；而主观题又常常造成学生只需要考前突击一下，死记硬背些知识就能得高分，但考完就忘记的弊端。针对这样的考试弊端，不少学者试图找到一种切实有效的评价方法或者评价工具。
自概念图提出以来，概念图在各个领域得到了广泛的应用。近几年，概念图在我国也引起了研究者的广泛重视，一些一线教师也积极地将概念图应用于教学过程中，并进行了一些有意义的探索。笔者在探讨概念图教学作用的过程中发现概念图在20多年的发展中，作为教学评价和测量学习者学习水平的功能越来越引起人们的瞩目，概念图能够反映学生已有知识的组织状态、联系和产出新知的能力，从学生所画的概念图的概念节点上可获知学生对概念意义理解的深度和广度，从而可以评价学生有意义学习的效果，而且针对概念图评价也有了一些量化的评分体系，正是有了这些优势，概念图在一定程度上弥补了传统考试的一些不足，可以成为有效地评价学生对某一领域知识建构水平的工具。因此本文试图将概念图评价和协作知识建构联系起来，进行一些探讨：运用概念图来评价学生在协作知识建构各个环节中的能力。
一 概念圈的评价功能
1 概念图
概念图(Concept Map)是康乃尔大学的诺瓦克博士(Novak，J.D.)根据奥苏贝尔(David P.Ausubel)的有意义学习理论提出的一种教学技术。诺瓦克博士认为：“概念图是用来组织和表征知识的工具。它通常将某一主题的有关概念置于圆圈或方框之中，然后用连线将相关的概念和命题连接，最后用连线标明两个概念之间的意义关系”。
Novak所定义的概念是指事件或对象所具有的共通规则性；命题是两个概念之间通过某个连接词而形成的意义关系；交叉连接是从概念图中不同群集的概念间，找出具有相关联者，用连接线将其连接，并用连接词说明不同概念间的关系；层级结构是概念的展现方式，每一个附属概念应比其上层概念更具特殊性、更不一般化，不同群集的概念图可就某一概念实现超链接。故而，概念图被看作是一种以科学命题的形式显示概念之间的意义联系，并用具体事例加以说明，从而把所有的基本概念有机地联系起来的空间网络结构图。
2 概念图评价功能的相关研究
概念图作为一种视觉表征，能清晰地描述概念及概念问的关系，并能真实地反映学习者对知识的组织状态和意义建构的效果以及学生产出新知的能力，因此可作为一种重要的评价工具。诺瓦克等人的相关研究也充分证实了这一点。
诺瓦克曾对两所中学7、8年级学生做的概念图进行研究，研究发现，在学生所做的概念图中，各环节都能达到基本要求，但是大部分图中缺少概念间的横向联系，这与教学时习惯把知识进行孤立、割裂等有密切关系，从而反应出用概念图进行评价能更好地反映教学效果。另外，诺瓦克把学生的概念图成绩和他们的标准化考试成绩进行比较之后发现，传统的标准化考试成绩和概念图成绩之间的相关系数较低，这表明概念图所测查的能力正是传统测试或标准化考试所无法测出的，因此，这一评价工具可以扩大原有评价工具的选择范围。
马克汉姆等人用概念图来评价生物学专业的学生与非生物学专业的学生的认知差异。结果发现，生物学专业学生的概念图成绩明显优于非生物学专业学生的成绩；而在生物学专业中，高年级学生的概念图成绩优于低年级学生的概念图成绩。在此基础上，他们认为，概念图是有着厚实的理论基础的，是能在心理学视角下经得起考验的一种评价工具，可以用来评价学习者的知识结构和概念变化过程。
Ruiz Primo和Shavelson(1996)对于概念图在科学教育评价中的应用做了深入研究，提出概念图的评价是“评价任务”、“反应方式”和“评分体系”的综合体。根据这一观点，作为评价工具的概念图是由以下三个部分组成：(1)要求学生提供表明他们某一领域知识结构的任务(task)：(2)学生的反应方式(response format)；(3)将学生所绘的概念图进行准确、稳定地评定的计分体系(scoring system)。
3 概念图评价工具的优势
把概念图技术引入到教学评价设计中，可以从以下几个方面来有效弥补传统评价手段的不足：
(1)评价学习者创造性思维水平
概念图用于教学评价有两大优点：第一，概念图的网络结构可以反应出学习者联系已有概念、产生新知的能力：第二，从概念图中所举的具体实例上可获知学习者对概念意义理解的清晰度和广度。正是有了这两大优点，概念图可以成为有效评价学习者创造性思维水平的工具。
(2)评价学习者知识结构的组织状态
新课程的评价注重过程，强调终结性评价与形成性评价相结合，实现评价重心的转移。传统的评价方法主要考察学习者的离散知识，而概念图却可以检测出学习者的知识结构及对知识问相互关系的理解。所以可以通过洞察学习者前后建构的概念图结构变化，推断出学习者知识建构的过程，实现对学习者认知结构的诊断和评价，从而为进一步的教学提供一定的参考依据。
(3)评价学习者态度情感和价值观
学生在绘制概念图时，会自然地流露出认知的情感，会以各种各样的结构或连接词表达出来，因此概念图不仅可用以评价学习者对知识理性认识的清晰性，同时也可评价其态度情感和价值观。
另外，作为评价工具，概念图可应用于教学活动的不同阶段。一方面，概念图可用于形成性评价中。通过观察概念图的建构过程，可了解学习者的学习进展情况及其内在的思维动态，同时也可以知晓学习者在学习上的元认知水平，如在构图中命题不准确说明学生对概念的理解尚未透彻：构图
不完整说明他们的知识储备不够；概念的层次不清说明其对这部分知识整体把握不透：构图中横向联系不够说明其对知识的学习是孤立的，缺乏知识间的横向联系。所有这些信息为教师提供了及时诊断、改进教学的根本依据。另一方面，概念图也可应用到总结性评价中，概念图提供的学习结果是一个知识网络结构，从中可以推断出学习者的学习状况、检验学生的诸多能力，如检验学生的理解、掌握和运用概念的能力，评价其检索概念、把握知识、归纳总结、联系和创新等能力。
二 概念图评价在协作知识建构各环节中的应用
1 协作知识建构
协作知识建构是个体在某特定组织中互相协作、共同参与某种有目的的活动，最终形成某种观点、思想等智慧产品的过程。(谢幼如，2007)
2 协作知识建构的过程模型：
(1)共享：学习者通过陈述个人观点达到知识共享的目的。这些观点包括对讨论主题的描述、提出问题、个人看法等。
(2)论证：学习者通过比较信息，分析观点之间的不一致和矛盾之处，识别有争论的地方，提出并回答问题从而对观点进行论证。同时学习者可以进一步阐述自己原有的观点，在讨论中纠正、完善个人观点。
(3)协商：学习者在论证过程中加深了对问题的认识、修正完善了个人观点，在这个基础上学习者进行协商，形成更为完善的小组观点，也就是协作知识。
(4)创作：学习者在协作知识的基础上选取适当的形式把知识表现出来，创作出作品。
(5)反思：教师和学生要对协作知识建构过程和结果进行反思，发现存在的问题及时纠正。如在论证的过程中注意讨论的主题是否偏离，一旦出现偏离就要及时引导。
知识建构具有如下特点：(1)知识建构是特定学习小组的一项集体活动；(2)学习小组围绕某一特定的问题，进行持续的深度探究：(3)理解和解决问题是学习小组的共同目标；(4)小组成员公开交流自己的理解；(5)通过协作，讨论，形成小组的共同理解n
学习本质上是一个协作知识建构的社会过程，是学习者通过一系列活动建构自己的知识过程，包括个人知识建构和社会知识建构。
3 概念图评价在协作知识建构各环节中的应用
根据概念图评价的这些功能特征，笔者设计出如图1所示的在协作知识建构的各个环节运用概念图来具体评价学生能力的流程图：
(1)创造概念图知识共享
学习者在教师提出问题后，根据自己的理解和原有认知结构，重新审视问题内容，进入相关问题情景，独立探索，搜集相关资料，找出与该问题有关的核心要素以及相关要素，并用概念图工具将这些要素按照一定的层次结构通过一定的连接语表征出来，从而达到知识共享的目的。
当学习者向他人呈现自己所绘制的概念图时，不仅要陈述自己绘制概念图的过程，还要说出其中关键地方连接语的选择原因以及交叉连接的形成依据。概念图中一定要包含连接语，以避免节点之间的关系是偶然的联系，而且交叉连接也是学习者创造性的反应。另外，学习者也需要简要陈述自己绘制概念图过程中遇到的一些问题或者提出一些有意义的新问题供大家探讨。学习者向他人陈述的过程也就是学习者把自己的思想转化为语言的过程，这个过程有三个好处：与同伴分享自己的探索成果；帮助学习者自己理清问题解决的思路，以及发现理解中的一些误区：使教师更清楚地知道学生在思考什么以及学生遇到的问题。
在这个过程中，主要是根据学生所绘制概念图的节点个数、层级深度、连接语表达以及命题有效性来评价学生搜集信息和整理信息以及知识建构的能力。采用Novak和Kimberly等(1994)对概念图测试成绩的计分方法，将学生所做的层级式概念图分为四种成分：命题、层级、横向联系、例子。每个概念图中正确的成分赋予一定的分数。其中每一个有效的命题被赋予1分，每一个有效的层级被赋予5分，每一个有效且关键的横向联系被赋予10分，第一级的分支每个正确的给1分，更次级的分支每个3分。此外，教师还可以参考以下两点评分标准：第一，如果学生考虑了两个概念之间的“双向”联系，也就是说学生在两节点之间用双箭头连线来连接，那么，教师可以根据情况给每个双向连接额外增加分数。第二，学生的概念连接有效性可以分为：有用的、不完全的、错误的。有用的连接可解释为能指导学生正确解决问题的连接：不完全的连接是指学生的意思是正确的，但描述时丢失了一些重要信息，从而不能准确界定问题概念群：错误的连接指的是学生阐述的知识与正确的解决方案相差甚远。因此，在考虑Novak和Kimberly等的评分标准的基础上，教师可以酌情给学生的不完全连接赋予一定的分数，以鼓励学生继续探索的积极性。
但是在实际应用中，并非所有的评分标准都会被采用，可以根据实际情况酌情考虑几种标准的组合。总分越高表示对该领域的认知水平越高，不同要素项的分数也可以反映学生不同方面的能力水平。
(2)修改概念图有效论证
学习者通过比较各自绘制出的概念图，分析各种观点之间的不一致和矛盾之处，识别有争论的地方，提出自己的疑问并通过查找资料回答问题从而对自己的观点和假设进行论证，在此基础上，对自己原有的概念图进行修改完善。也可以在小组中进一步阐述自己的观点，小组成员对其观点进行交流讨论，指出其观点的不足之处并帮助其补充完善，从而使学习者个人的假设得到进一步的论证，加深其对该问题和相关要素的理解。
学习者陈述完自己的观点后，他人可以提出疑问，并就某个方面提出他自己的观点。这个时候，学习者之间就发生了认知上的冲突。经历这种认知上的冲突，小组中的其他学习者都会调动自己的思维和已有的知识背景，积极参与到辩论中来，贡献自己的思想和智慧，从而也更进一步地推动质疑辩论过程的展开。
在这个过程中，主要评价学生的处理、论证信息的能力。教师可以要求学生用不同的颜色标记出自己所修改的概念图部分，具体评分仍然借鉴Novak和Kimberly等(1994)对概念图测试成绩的计分方法：每修改一个正确的命题被赋予1分，每修改一个有效的层级被赋予5分，每修改一个有效且关键的横向联系被赋予10分，每增加一个正确的分支赋予3分等。如果在此过程中。学生的得分较高，说明学生虽然由于原有知识结构不牢固而没有搜集到充分的正确信息，但是学生能够在后面的学习探索中积极地和同学交流，纠正自己的原有误区，深化自己的理解，说明学生的处理、论证信息的能力以及积极进取的精神还是很高的。
(3)分析概念图小组协商
学习者对论证后的概念图进行分析，确定问题的关键所在，这些问题关键将指导他们在分析概念图的过程中选择恰当、有效的信息。同一小组同学或者其他小组的同学相互讨论共享的概念图，并提出自己的看法或者解答绘图者所提出的问题。小组成员或者其他同学的释疑质疑过程也有利于进一步促进绘图者对自己所绘制的概念图的理解和进一步完善，从而为小组共同绘制概念图打下基础。由于同一小组各
个成员绘制的是相同内容的概念图，通过成员之间的相互交流和讨论，可以进一步丰富概念图，也逐渐加深了学习者对某一主题的理解。
在这个过程中，主要评价学生的分析能力和小组协作能力，可以从学生在小组内的发言积极性，有效性、以及对构建理想概念图的贡献性等发面来进行评价。为了有效地控制学生积极参加讨论协商，教师可以借鉴汤普森的“发言筹码”(卡根，1989)的方法：每个学生必须把手里的筹码使用完，所以每个学生就必须用足够的时间来进行讨论。他们的筹码使用完了以后，就不能再进行发言了。如此一来，这个策略可以用来避免个别学生占用大部分讨论时间的情况。
(4)确定概念图作品创作
在这一环节里，小组成员面对整理、加工好的信息提出问题解决方案并用概念图进行层次化表征，将隐性的知识显性化，最终确定该小组的解决方案概念图。问题解决的方案未必是唯一的，每个小组可以根据自己的调查、推理、研究等过程相互交流、讨论、权衡，提出符合科学逻辑的、富有创意的、有实践意义的问题解决方案。
在确定概念图的过程中，概念图的正确性和有效性是要在小组之内讨论确定的，因此在这个过程中主要是通过比较小组之间概念图的命题数、层级数、分支数等，来判定各个小组概念图的复杂性，从而确定不同小组之间的协作能力和知识建构的能力。概念图越复杂，交叉连接越多，在一定程度上说明该小组的搜集、整理信息的能力、协作学习能力以及知识建构能力越强。
(5)评价概念图自我反思
在整个问题解决过程中，学生自身要不断地反思，确定自己认知能力、知识结构等方面是否提高，是否进步，哪些知识已经掌握，哪些技能已经具备，哪些是自己欠缺的需要更进一步学习的，自己是否能解决问题，是否在面对新问题时能将所获得的技能、方法进行迁移。在自我反思过程中，可以看到自己的优势，发现自己的不足，以激发自己不断地探索、不断地改进。
在问题解决之后，每个学生要写反思日志，记录自己独立探索、搜索资料、提炼概念进行构图的体会以及在讨论过程中的收获。教师也要对自己在学生的整个问题解决过程中是否在恰当的时机提供了合适的问题支架、是否有效地激励学生朝着共同的学习目标前进等进行反思，这对培养反思能力是关键的一步。
概念图正确与否以及其有效程度如何最后还是要和专家概念图进行比较来确定。在确定概念图后，教师应提供一些老师或者学科专家事先制作好的标准概念图，让学生加以对照、比较，以检查、反思、纠正自己存在的一些错误理解。另外，还可以提供一些教师没有完成的概念图，让学生来补充，从而加深学生对问题的理解。如果条件允许的话，可以将完善好的概念图上传到班级论坛的评价测试模块之中，让同学们对已经上传的对各部分内容理解的概念图进行点评和讨论，从而可以将对学习过程的评价和学习结果的评价结合起来。
关键词：土木工程专业;结构概念;创新设计;课程教学
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）06-0199-02
一直以来，我国土木工程专业本科培养的学生具有一定的理论水平，但应用实际工程的能力较差，独立和创新的工程意识较低。原因是以往的教学中，教师单纯地讲授理论知识，学生实践能力训练不足，缺乏理论与实际工程相结合的锻炼，教学与实践无法有效衔接。目前，土木行业越来越多的地方用到了概念设计，这种理念在很多实际的建筑方案中得以应用，对土木工程影响巨大[1]。因此，概念设计在土木建筑工程专业教学环节中应当加以体现、反映。针对这样的现状，土木工程专业进行《结构概念与创新设计》课程教学研究就十分有意义。这对改革工程教育的教学模式有利，又能检验学生对所学理论知识的掌握，并且锻炼他们提出问题、分析问题、解决问题的能力，激发其建立工程意识和培养创新能力[2]。
一、《结构概念与创新设计》课程教学内涵和意义
土木工程结构概念设计是工程当中结构设计的灵魂，是利用设计概念并以自身为主线贯穿全部设计过程的一种设计方法。概念设计是完整和全面的设计过程，它将设计者繁复的感性和瞬间思维上升到统一的理性思维从而完成整个设计[3]。社会经济的飞速发展，人们的生活水平日益提高，对建筑结构设计也有了一个更高的要求。如何打破土木工程结构设计过于墨守成规，能将结构工程师的创新能力充分发挥出来，对于现代社会是迫切需要的。因为他们才是结构设计革命的推动者和执行者[4]。
《结构概念与创新设计》课程是在原《结构创新设计》课、《结构概念与体系》课及《事故分析与结构原理》等土木工程专业课程基础之上，发展整合及改造后新设立的课程。该课主要是以学生创新性设计制作实验为主线，训练学生工程意识、动手能力、创新能力、实践能力等。它体现了工程教育的特色，以结构设计制作实验项目为载体，探索在干中学、理论与实践紧密结合的教学模式。把工程培养所必要的基础知识、工程设计思想和方法、自学和终身自学的能力和兴趣的培养等内容放在第一位。《结构概念与创新设计》课提出建筑结构概念设计的概念和原则，并结合学生的创新性设计制作实验案例进行点评分析。概念与体系部分介绍结构概念设计的背景、思路、基本做法、设计过程中经常用到的结构概念。
该研究的理论意义和实际意义在于探索通过该课程的教学设计，教学内容和教学方法的改革研究，适应新的教育理念和人才培养模式。培养学生的创新和实践能力，掌握善于主动学习的方法，形成良好的学习和工作习惯。
二、我校的教学改革研究的基础和环境
1.专业建设基础好。河北工程大学土木工程学院以开设创新性结构设计大赛10年。完成了校教研项目《土木工程专业创新性结构实验探索研究》和《结构创新设计等系列课程的教学研究》两项。学院已开设《结构创新设计》、《结构概念与体系》、《事故分析与结构原理》、《混凝土结构设计》、《结构抗震设计》等课程。
2.师资力量强。上述这些课程由多位建筑工程系的老师担任，职称结构合理，形成了相对稳定的老中青队伍结构。因此，对于结构概念与创新设计教学改革研究的可持续性提供了保证。
3.实验室基地条件良好。本专业下设的结构实验室是河北省结构实验教学示范中心，为学生建立模型实验提供了科学的、可靠的硬件条件。
三、《结构概念与创新设计》课程教学方案设计
1.教学目标。初步形成《结构概念与创新设计》课的教学理念和教学思想，完成《结构概念与创新设计》课的教学大纲制定，确定教学内容，初步形成教学方法和教学模式，为指导其他工程设计课程教学改革探索经验。
2.教学内容。《结构概念与创新设计》课程教学内容包括教学设计、教学内容和教学方法研究。
教学内容：创新性设计制作实验项目的设计，项目要包含若干个结构和力学的概念的运用，如拉、压、弯、剪、扭、稳定、倾覆等，使用材料应宜于制作，实验的方法要直观。项目的要求应是概括性的，应用较少的约束，以使学生开阔思路。给出的条件应尽量少，要学生自己寻找所需的条件。布置结构设计制作实验项目，首先让学生以小组形式讨论分析项目，提出问题。学生分析问题并寻找解决问题的方法，通过自学、讨论、查阅相关资料等方法解决问题。学生应经过结构方案设计、一定的计算分析、绘制施工图、施工制作结构模型、进行结构实验、实验分析、总结等过程。
教学方法：本课程的教学手段主要以讲课、学生设计、模型制作和模型实验相结合的方式，从不同的角度和理念启发学生将所掌握的基本结构概念有机地结合起来，培养学生的创造力。在模型实验之前教师上课以引导为主，主要由学生自学、讨论和分析计算设计制作出结构模型。教师引导学生将自己的设计与所学内容联系起来，甚至产生出学生还未学到的问题，让学生自己思考分析。
教师的教学主要以指导为主，如结构概念设计的原则、路线、方法，基本思路、基本做法以及设计中常用到的结构概念等，并结合学生的创新性设计制作实验案例进行点评分析。
基本教学过程：布置题目――学生以小组讨论学习――提出问题――教师指导学生分析问题解决问题（教师重点要起到启发、督促、指导、控制进度的作用）――学生形成方案――教师根据方案指导学生改进方案――学生制作模型――学生实验――教师点评总结（重点是设计思路和设计方法及学生学习方法的总结）――学生总结（学习过程总结）
3.存在的问题。（1）如何将“培养学生提出问题、分析问题、解决问题的能力，培养学生自学和终身学习的能力等”教学理念落实到教学实践中，是本教学课程首要解决的关键问题。（2）研究创新性设计制作实验题目。研究题目的内涵、题目的难易程度、题目的适用性、题目的趣味性、题目对学生学习的引导性等。（3）研究课程的教学内容和教学方法，形成即稳定又灵活的教学内容和方法。稳定是要教学理念要坚持不懈，总结提高，教学模式要稳定形成套路和程序，便于教师掌握和控制教学进度。灵活是具体的教学内容，比如涉及的结构概念很多不可能在课堂上全讲，需教师具有灵活性和启发性的教学方法指导学生学习。（4）初步形成课程所需的教学文件。如教学大纲、教学设计、教学教案、教学讲义、题目库、教学录像等内容。
四、《结构概念与创新设计》课程的实施
我校土木工程专业开设《创新性结构设计》等一系列课程以来，我们在不断探究和改进教学方法，对于启发式教学、案例教学、项目教学法均有了一定程度的研究，并取得了阶段性成果。我们已经完成了《土木工程专业创新性结构实验探索研究》和《结构创新设计等系列课程的教学研究》两项校级的研究，并开设了相应的课程。相关教师在工程教育方面有长期的思考和教学实践探索，并且已成功组织土木工程结构大赛10年。已开设《结构创新设计》、《结构概念与体系》、《事故分析与结构原理》、《混凝土结构设计》、《结构抗震设计》等课程，相关教师教学水平高，有丰富的教学经验。具体实施如下：
1.修订《结构概念与创新设计》课程教学大纲，包括课程目标、内容安排及学时安排。
2.选择土木工程专业和工程力学专业大学三年级学生的第二学期开始该课程教学。
3.自土木工程专业和工程力学专业大学三年级学生的第一学期期末，研究确定题目及相应的教学安排。
4.将大学三年级专业学生按班级分给不同的教师，教师则分头实施教学，定期讨论交流改进教学。在教学实践中，将教师授课、学生设计、模型制作和模型实验相结合，启发学生将理论知识与工程实际相结合，培养学生工程概念设计与创新能力、自学能力。
5.在大学三年级专业学生的第二学期期末，教师对课程实践进行总结，提出改进措施和方法。
五、总结和探讨
本文方案结合新的科研成果开设出新的课程以及课程标准化建设。探索建立新课程的教学理念、教学内容和教学方法。本方案突出土木工程专业特色，加强了实践教学环节的创新研究与实践。将工程项目、创新能力培养融入课程体系建设中，进行课程计划和实践内容的一体化设计，培养学生的工程创新意识。本方案突出启发式教学和指导式教学，培养学生的学习兴趣、善问求知和动手实践能力。
参考文献：
[1]张海峰，乔安宇.论建筑结构设计中的概念设计及其措施[J].黑龙江科技信息，2012，（12）：36-39.
[2]刘彦艳.浅谈建筑结构概念设计[J].科技风，2009，（13）：52-55.
作者简介：吴锵(1960―)，男，江苏靖江人，南京理工大学材料学院教授；研究方向：材料学、大学课程理论。
基金项目：本文系南京理工大学教改资助项目“材料专业基础课概念－问题－探究教学模式研究”阶段性成果之一。
摘要：通过对探究式教学目的的反思，以及理工科基础课特点的总结，摸索出适用于理工科基础课的“概念-问题-探究”教学新模式。
关键词：探究式教学；理工科；基础课；核心知识
中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1008-2646（2012）01-0082-05
研究型大学的建设对研究性教学提出了日益迫切的要求。在研究性教学的实践中，源于西方的探究式教学受到广泛重视，这种以讨论课(也称Seminar)为载体的课程模式提倡知识学习的自主性与面对未知的探索性，因此从理论上讲与研究型大学的科学研究精神相契合，故近年来相关的研究文章较多，在教改立项中也成为了热门课题。
但是，当我们在实践中真正落实探究式教学时，当这种模式与具体的课程结合时，就会发现探究式教学从理论研究到实际操作，都存在不小的问题，因此需要进一步的反思，以便清除形形的认识误区，从而把握其精神实质，为实践操作奠定坚实的理论基础。
从方法论的角度看，具体问题具体分析是教育研究不二的法则。因此，我们将探究式教学聚焦在理工科基础课上，也就是高等数学、大学物理、大学化学，以及各工程学科的主干基础课，如化工学科的物理化学、化工原理，材料学科的固体物理、材料科学基础，控制学科的电工学、自动控制原理，等等。这些课程是理工科课程体系的真正精髓，对后续课程从知识结构到认知方法都会产生深远影响。因此，探究式教学的真正落脚点应该放在这些课程上。
一、探究式教学的目的与反思
所谓探究式教学(也称探究式学习，Inquiry Learning)通常指从学科领域或现实生活中选择和确立主题，在教学中创设类似于学术研究的情境，学生通过独立自主地发现问题、操作实验、收集与处理信息、表达与交流等探索活动，获得知识，培养能力，发展情感与态度，特别是发展探索精神与创新能力。它倡导学生的主动参与，是一种积极的学习过程。［1］
不难看出，探究式教学以自主与探索为目的，重视学生能力与素质的培养，从理论上完全符合现代教育理念。但是，理论上的完备不等于实践操作的可行，因为理论往往源于具体对象，一旦对象发生变化，理论(特别是教育理论)通常要做出相应的调整，有时甚至是重大调整。以探究式教学为例，目前国内更多地在基础教育中采用这种形式，而理工科基础课中却很难操作。之所以这样，与理工科基础课的特点(见本文第二部分)有关，其中知识的坚实性、系统性与深奥性对传统意义的探究产生了重大影响。因此，应该在理工科基础课的背景下重新审视探究式教学的目的。从知识的坚实性看，现行探究式教学中对于新知识的诉求是不可行的。面对基础课中的核心知识，主要任务是接受、理解，以及理解基础上的应用，而与新知识发现关系不大。从知识的系统性与深奥性看，也与现行探究式教学的目的格格不入，因为深奥、抽象及知识关系复杂，意味着凭借学生自身的认知能力，是无法理解与掌握这些知识的，故老师的作用相对彰显，而这又与现行探究式教学强调学生自主性的诉求相矛盾。如果进一步考虑到大学生都是高中应试教育的“产品”，则探究式教学更是难上加难。这样一来，似乎根本颠覆了传统意义上的探究式教学，因为探索性与自主性都已落空。正因为如此，探究式教学尽管研究得热火朝天，但在高校中真正操作却很少，在理工科基础课中更是如此。
那么，是不是要根本放弃探究式教学的理念呢？理工科基础课中探究式教学是不是真的没有了空间？结论当然是否定的！而新的探究式教学，主要取决于通过反思达成的观念转化，特别是对一系列相关教育教学理念的重新认识。
首先，什么是新知识？一般来说，新旧是有相对性的，但传统教学观念却把新知识当成绝对的事物，即那些从未被人们认识到的知识才是新知识，而相对于学生而言的新知识却不在其中。以热力学第二定律与熵概念为例，一方面它们已经产生了100多年，是耳熟能详的知识；但另一方面，对学生而言它们又是新事物，是需要学习的新知识。对于具有相对性的“新知识”，客观上不存在探索与发现的问题，因为它们都清清楚楚地展现在教材中。因此，探究必须赋予新的含义，即根据知识对于学生的相对新颖性，以及由此产生的认知过程的不完备性，将发现式的探究转变为澄清式的探索，使学生的知识认识由模糊、理解不深，逐步达到较高的认识水平，并最终获得运用知识于具体问题的能力。以高等数学的极限理论为例，学生不是见过极限的定义、学习了几个例题，就能把握该理论的核心，真正认识与理解需要漫长的探究过程，需要学生自主地提出与极限相关的问题，试探性地运用极限理论到其他领域，如物理学、化学，甚至是生活领域，从而在提问、反思、质疑、具体运用中，逐步加深认识。
其次，探究的方向。传统观点认为，探究式教学总是向外的，向着未知的外部世界，特别是自然界。但是，还有一种向内的探究方向，即面向我们自身，面向人的头脑与思想，去探究其中未知，甚至是构建其中的空白。改革开放30年来，人们已经习惯于对外开放，热衷于面对外部世界，特别是西方发达国家，这一点在教育中尤其明显。但是，30年带来的思维惯性使我们忽视了向内这个重要的方向，忽视了自我改造，特别是自身思想观念深层次问题的解决。2008年爆发的金融危机已经从思想方向(注意：不是思想方法)上给我们敲响了警钟，也进一步启发我们在教学中眼睛向内，在探究式教学中努力解决自身的问题，而不是一味地眼睛向外。
最后，探索的自主性。事实上，自主也是一个相对的概念，因此不能绝对化。在传统的探究式教学中，过于强调学生的自主性，老师似乎已经失去了基本地位而变得可有可无。我们认为，至少在理工科基础课中，老师的地位绝不能动摇，知识的基本传承不能因为强调自主探究而丧失。当然，这不是说回归到满堂灌的老路上，而是根据理工科基础课知识深奥、系统等特点，充分发挥老师的作用，特别是在新式探究下的作用，以便调动学生的探究积极性，引领探究的方向，把握探究的尺度(因为过度探究容易钻牛角尖)，使探究式教学真正落实到理工科基础课中。
不难看出，观念转换后的探究式教学获得了新的意义，探究式教学的自主性与探索性诉求有了新的生存空间，这为它的实践操作奠定了基础。
二、理工科基础课教学的特点分析
如果要在理工科基础课中真正实践探究式教学，必须对其特点有深入的认识。尽管理工科基础课的重要性不言而喻，但它们的特点，特别是面向探究式教学时表现出的特点，却并不清楚。根据经典的课程理论，课程是由教材、教师与学生构成的，故分析课程特点也要从这三个维度展开。
1. 理工科基础课教材
教材是学科知识体系的代名词。对于理工科基础课，知识体系往往有以下特征：
(1)核心知识的坚实性
每一门理工科基础课中，都有一批核心知识。它们经历了长期的实践检验，得到了反复的证实，因此不可动摇。例如，高等数学中的极限理论、函数理论，大学物理中的牛顿定律、电学基本公式，物理化学中的热力学定律与动力学理论，材料科学中的结构与缺陷理论、相变理论等等。这些核心知识的坚实性特点对探究式教学会产生重要影响。
(2)知识的系统性
理工科基础课的另一个特点是，其知识经过长期的发展与演化，已经形成了逻辑关系复杂的较为庞大的体系。知识系统性的显性含义是知识庞杂，知识点众多；其隐性含义是，知识结构复杂，具体就是知识点之间的关系众多，而“关系众多”相比于“知识点众多”会带来更大的教学难度。
(3)知识的深奥性
大学知识有着固有的深奥性，而理工科基础课中，知识深奥性表现得更加突出。相对论、量子力学、极限理论、热力学原理、控制理论等一系列理论，量子化、相对性、极限、函数、内能、熵等一系列概念，无一不显示出深奥的品性，它们中的绝大多数远离人们的日常感知，具有极为抽象的特征。
2. 基础课教师
从教师的角度考察理工科基础课的特点是新概念，这方面很少有人涉及。但是，教师毕竟是课程三要素之一，有着举足轻重的作用，因此全面考察教师是很有必要的。
由于基础课在理工科课程体系中的重要地位，基础课教师通常是一个学校教师队伍的中坚力量。他们常年从事教学工作，理论水平较高，教学经验丰富，作风严谨，责任心强。因此，作为传承式的教学，这些教师是完全胜任的。但是，从探究式教学的要求看，基础课教师又存在一些不足。首先，经验丰富与作风严谨使得易于墨守成规，而不敢积极探索教学中的新事物；其次，由于基础课教学任务重，工作量大，这部分教师的科研项目较少，与生产实际的接触远不如专业课教师，加之基础课教师教育理论水平不高，使得基础课中大胆改革的精神不足，教学改革的活力不够。在探究式教学中，必须注意到教师的上述特点，有针对性地做好教师的工作，特别是思想观念的转化工作。
3. 基础课学生
在教学三要素中，最容易忽略的恰恰是学生！从某种意义上讲，学生是三要素中最重要的。尽管学生的作用至关重要，但遗憾的是，学生很可能是探究式教学实际操作中的主要障碍。
理工科基础课通常在第一、二个学年开设，此时学生刚刚从高中考入大学，他们的学习目的、认知习惯、知识结构主要来源于中学，而且以应试教育为主要特点，造成大一、大二学生在面对探究式教学时全方位的不适应。首先，从知识传承的角度看，学生不知道知识以概念为核心，理工科学生往往热衷于公式与计算，因为公式记忆与计算娴熟是应试之本，但这恰恰从根本上偏离了知识的核心；其次，学生普遍缺乏主动意识，且这种缺乏贯穿于学习的全过程，如知识寻找、问题生成、探究讨论，而这些都是探究式教学不可或缺的；最后，学生普遍惧怕不确定，惧怕改变现状，习惯于固守以往的模式。根据我们多年的观察，一些好学生反而在变革时表现得相对保守。
学生状况的不如人意恰恰反衬出教学改革的必要性，以及在理工科基础课中实施探究式教学的迫切性。
三、探究式教学的操作之道
综合以上分析不难看出，在理工科基础课中实践探究式教学，将面临巨大的困难与挑战。从另一方面讲，困难与挑战也意味着其中蕴涵着巨大的价值。正是由于这种巨大的价值牵引，我们通过多年的实践，逐步摸索出一套基础课中探究式教学的操作方法，其核心就是：概念问题探究。
1. 概念
教学中强调概念是老生常谈。但将概念置于理工科基础课的背景下，特别结合探究式教学的要求，则概念的教育意义与教学操作就需要重新认识。前已述及，基础课知识体系具有坚实性，这一特性反映在概念上就是基础性，即这些课程中有一批基本概念。概念的基础性意味着其内涵小而外延大，因此意义深奥，影响深远。从探究式教学的角度看，概念的基础性为新式探究提供了巨大的空间，因为深奥意味着学生不可能马上领悟，他们必须通过不断的思考(即探究)才能逐渐明白概念的深刻内涵；而影响深远意味着基础概念可以与许多事物相结合，从而为概念的反复认知提供大量机会。以物理化学中的系统概念为例，它不仅仅属于物理化学课程，也是控制原理、信号与系统，甚至是高等数学等课程的核心概念。同时，系统也广泛存在于社会科学领域，如经济系统、社会系统、教育系统等。通过系统概念在各个学科领域的广泛应用，学生会逐渐明白系统的层次性，明白系统的物质属性是最为重要的(即唯物主义的基础)，明白系统与环境的相互作用决定了系统发展的外在方向性，等等。这样，对系统概念的认识得到不断深化，属于学生的系统概念的外延逐渐扩大，最终形成一个关于系统的概念体系，从而基本完成对系统概念的认识。
上述概念认知过程启示我们在探究式教学中注意概念建立之初的简洁与形象化。基础课中概念的基础性与深奥性，及这些特性衍伸出的特点(如外延广大)，使得概念的建立不可能一蹴而就。因此，在概念建立之初，就应该努力使概念简洁，即教师通过典型事例展示概念最基本的内涵，而不能面面俱到。我们发现，中国教材在概念引入时，有从一般到特殊的普遍习惯，在理工科基础课中更是如此，似乎先给出了概念的一般定义，就能包罗万象、一劳永逸。但是，无论从学生的认知能力还是实际教学效果看，从一般到特殊并不是概念教学的万能形式，对于基本概念更是如此。以熵概念为例，即使告诉学生它与混乱度有关，即使让学生记住熵S的经典公式，甚至是通过该式做了一些题目，学生对熵概念还是不甚了了。因此，对这类基本概念的认识就应该另辟蹊径，即从特殊到一般，而这里的特殊要求教学中使基本概念变得简洁(尽管这会一定程度影响普遍性)，因为简洁的东西才易于把握；同时，使概念更加形象化，因为形象化是应对基本概念深奥性(从而具有抽象性)的法宝。不难看出，我们主张初学时全力建立简洁清晰的概念，这样能够在学生的头脑中留下鲜明的印象，这为概念的后续学习奠定了坚实的基础。
在概念建立中，特别是概念建立之初，教师的作用是不可或缺的。此时不宜将任务主要交给学生，而是应该以教师为主导，快速高效地建立概念。我们反对在探究式教学中弱化、甚至忽略教师作用，因为这相当于否定知识传承。教师的知识理解、认知水平、思想方法，以及这些背后的态度与精神，对后辈学生都是宝贵的财富，因此绝不能轻易放弃。此外，强调快速高效，是为后续以学生为主体的教学过程预留了时间。
2. 问题
不难看出，上述过程仅仅是教学的初级阶段，要想使学生的概念深化、理解加深，还必须进一步展开教学，而这一阶段的核心是问题的生成。在传统的灌输教学模式中，教学的进一步展开是通过例题，特别是各种各样的计算题目，其目的主要指向公式的记忆与计算的娴熟。但是，概念的认识与理解，特别是概念的应用，有着不同于公式-计算的模式。例如，函数概念的深入理解不可能只通过函数的计算、证明，它必须通过问题，如函数的要素到底是3个还是2个？矢性函数、矩阵函数与普通的函数的异同何在？函数空间与尺度空间的差异是什么？等等。又如，内能的概念不可能仅凭热力学第一定律(即)就能掌握。对于内能，还要进一步区分动能与势能，区分各种场景下动能与势能的具体组成；要追问凝聚态与气态间内能的差异，搞清楚进一步细分成液态与固态时内能的差异；要明确内能在凝聚态化学势中的作用，明确内能是有层次性的，及这种层次性在转变、相变、化学反应诸过程中的体现。不难看出，对于概念的认识及其深化，是以问题为教学手段的，通过问题实现对概念加深认识，因此问题的形成至关重要。
问题的来源分为三种：老师、学生和师生互动。当概念初步建立后，为深化概念认识而生成的首批问题理所当然的来源于老师，因为此时学生还没有入门，还不会提问，特别是结合所学概念的具体问题，这方面的能力缺陷与长期的中学应试教育有很大关系。因此，教师应该首先提出一批问题供学生思考、探索，从而引导学习的方向(以免重蹈公式、计算的覆辙)，特别是通过这些问题诱发学生自身的问题，这一点非常重要，它是探究式教学自主精神在基础课教学中的核心。随着(教师)问题的思考，学生逐渐形成了自己的疑惑、问题，这些问题带有学生认知结构上的缺陷，因此是个性化的，是鲜活的，也是学生最感兴趣的。不难看出，教师问题的真正作用不是拾遗补缺以完善学生的认识不足，而是激发学生在所学概念框架下的思考。由于理工科基础课中概念的基础性、深奥性及系统性等特点，所以学生在思考中一定会想不通、看不透或讲不清，因此能够产生大量属于学生自己的新问题。根据心理学原理，学生对于自己的问题是非常认真的，总是希望解决这些问题，这就给自我探究奠定了基础。另一方面，学生的新问题从相对的角度讲，也算是未知，探索这种未知对提升学生的思维水平与认知能力具有重要意义。问题的最高形式源于师生互动，此时已经无法区分问题的归属到底属于谁，它形成于师生间的讨论过程，是相互启发的产物，这就是所谓的教学相长。
顺带指出，现有理工科教材在提问方面是不符合探究式教学的，因为现行的做法是概念定义之后，马上将教学引向公式与计算。而真正围绕概念，以概念深化理解为宗旨的问题却很少，也缺乏时效性，具体就是没有在概念初步建立后立即提出有利于深化理解的问题，使得学生错误地以为概念的认知状态已经达到要求，殊不知实际差距非常大。
3. 探究
事实上，探究与问题是相互融合的，之所以分开讨论无非是强调同一过程的不同侧重。当概念初步建立后，随着教师问题传递给学生，真正意义的探究正式开始。学生开始思考，学生有了问题，学生需要解惑，凡此种种都离不开探究，它是学生自主参与的思考过程。根据认知心理学，思考过程分为分析、综合、推理、判断，其中分析既是思考中首先进行的过程，也是现代大学生最为缺乏的能力之一，因此理工科基础课探究式教学首先应该重视分析能力的培养。下面用一个实例说明如何通过提升分析能力来强化概念的理解。
热力学第二定律的核心思想是通过如下的克劳修斯不等式表达的dSδQT教材中给出的标准解释是：δQ是实际过程的热效应，T是环境温度(对于可逆过程，环境温度等于系统温度)，dS是伴随过程的熵变，等于号对应可逆过程，大于号对应不可逆过程。记住了这个式子及其条件，熟练地用该式(通过计算)判断具体过程的可逆性，这样是否就算完成了对热力学第二定律的认识？答案显然是否定的，因为如此深奥的物理定律不可能一蹴而就。我们因此设计了这样的问题：dS到底与过程有无关系？由于答案较为复杂也非常专业，因此只介绍答案与分析的关系，该答案主要借助对过程概念的进一步分析，即学生应该将过程分解为：起点、中间过程和终点，这样一来就能分清上式两侧的性质，其左侧只与起点和终点有关，因为dS是状态函数；而右侧只与过程有关，因为δQ/T只与中间过程有关。故克劳修斯不等式的真正含义是，比较同一过程不同侧面的性质，当表示状态性质的dS等于过程性质δQ/T时，该过程就是可逆的，大于时是不可逆的。更进一步，学生们明白了起点与终点固定的前提下，过程是多种多样的，其中有一类过程(可逆过程)是特殊的，其δQ/T=dS，而任何其他过程的都不具备可逆性。显然，不可逆过程不是一类，而许许多多，但可逆只是一类过程，这个概念对于后续的非平衡热力学至关重要。对克劳修斯不等式认识的加深，会促进学生回过头来认识热力学第一定律，它也是起点与终点的状态函数差与中间的过程量之间的关系，只不过此时是与能量有关的诸量，如内能、热与功。这样就从更高层次统一了两大热力学定律。如果延伸这个概念，还能进一步联想到数学中的积分，其中导函数(中间过程)的积分，等于原函数的端点差值！由此可见，真正的概念认识与理解有着强大的“辐射”作用，这为概念应用提供了广阔的空间。
不难看出，我们的教学目的是提升学生的概念认识水平，因为概念是学生今后学习、科研的真正出发点，故概念的认识水平与应用能力至关重要。在概念深化的探究过程中，分析、综合等思考能力随之加强。而上述水平与能力的综合就可以达成理工科基础课探究式教学的主要目的。
参考文献
［1］任长松. 探究式学习［M］. 北京：教育科学出版社，2005：25.（责任编辑、校对：臧莉娟）Reflections on Inquiry-Oriented Teaching of Basic Technical Courses
WU Qiang，GUO Yu
(1. School of Material, Nanjing University of Science and Technology，Nanjing, Jiangsu, 210094;
2.School of Automation，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing, Jiangsu, 210094)
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关键词：电动势；概念教学；思维加工
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）6-0014-3
课程目标与教学目标都要通过学生经历特定的学习过程来达成。物理概念教学的目标之一是形成正确的概念。学生需要在获得足够的感性材料的基础上，运用各种思维方法，对感性材料进行思维加工，进而抽象概括出事物的本质属性，从而形成概念[1]。下面以“电动势”的教学为例，探讨物理概念教学中的思维加工策略。
1 设置认知冲突，激发思维活动
转变错误前概念有利于学生在原有知识储备的基础上形成科学认识，这对提高概念教学的效率大有裨益[2]。学生在初中物理的学习的基础上，容易形成“电源电压恒定不变”的错误前概念。电动势概念的教学可以尝试从转变这个前概念引入。
展示生活中熟悉的一些电池，干电池有1.5 V的标志，纽扣电池有3 V的标志，锂电池有3.7 V的标志……提出问题：电池上的1.5 V、3 V、3.7 V等标志有什么含义？是电压吗？
实验1：按图1所示连接电路，将一节标有1.5 V的干电池与电压表接入电路。闭合开关，观察电压表的读数。
实验2：再接上一个小灯泡，按如图2所示连接电路。闭合开关，观察到电压表的读数变小。为了避免偶然性，还可以再并联几个小灯泡，发现并联的灯泡越多，电压表的读数越小。
由于前概念的存在，学生会对实验2的结果感到惊讶，这是认知冲突的表现，由此激发了本节课的思维活动。在《普通高中物理课程标准（实验）》中，“电动势”概念属于二级主题“电路”。电动势是描述电源特性的物理量，而电路恰是电源表现这种特性的环境。电动势反映了电源的内部本质，而路端电压是电源的这种内在性质在电路中的外在表现。由外在表现深入内部本质，符合科学概念产生和发展的规律，也符合学生的学习心理。这样引入教学，为后面建立电动势概念，认识电动势与电压概念的区别，创设了良好的思维情境。
2 通过类比思维，建立新的概念
类比作为一种思维方式，不仅在科学研究中有重要作用，还是中学物理教学中广泛采用的类比教学法的重要基础。建构主义学习理论解释了类比法使用的合理性[3]。对于电动势这类抽象的概念，可通过类比思维加工，降低理解的难度。认识“非静电力”是理解电动势概念内涵的关键。
图3中ACB为一段弯曲的滑轨，小球从滑轨的顶端A自由释放，经过滑轨下滑到达底端B。若要循环此过程，须通过“非重力”做功将小球从B搬回到A再释放。将弯曲滑轨上的力学过程与闭合电路中的电学过程（图4）进行类比，引入“非静电力”。通过非重力做功和非静电力做功的类比，形成电动势的概念。
需要强调的是，使用类比的思维加工策略时，参与类比的事物或过程在物理本质上应当具有一致性。图3与图4所示的物理过程的类比，从做功与能量转化的本质关系上讲是一致的。通过类比的思维加工，分析电源的作用，引出“非静电力”的概念。类比的关键是引导学生基于功和能的观点，将非静电力做功的本领与电源本身转化能量（即提供电能）的能力联系起来，最终建立起电动势的概念。
引导学生讨论怎样描述非静电力做功的本领：非静电力搬运电量为q的正电荷从负极到正极做功W。搬运电量为2q的正电荷呢？搬运电量为3q的正电荷呢？……在归纳出功和电量的比值是定值之后，再引导学生分别从功和能的角度分析该比值的物理意义：一方面表示电源非静电力做功的本领，另一方面表示单位电量的电荷通过电源获得的能量。
3 通过辩证思维，全面理解概念
电动势虽然是个抽象的物理概念，但又是一个可测量的物理量，这恰恰是电源的内在特征和外在表现两者之间矛盾的统一。电动势是电源本身的性质，与电源所处的外部环境（是否接入电路或如何接入电路）没有关系。而电源的这种特性只有在接入电路，发挥其功能时才能表现出来，由此产生了路端电压和电源内阻的概念。围绕这对矛盾的辩证关系，可引导学生设计实验，探究闭合电路中外电路电阻与路端电压的变化关系。
实验3：将图2电路中的小灯泡换成滑动变阻器，如图5所示。闭合开关，调节滑动变阻器的滑片，观察到电压表读数随之变化。
问题1：可以将电源两端的“电压”理解为电源的“电动势”吗？为什么？
问题2：电源两端的“电压”和电源的“电动势”有可能在数值上相等吗？
路端电压的变化是由于外电路电阻与电源内阻的比例关系发生变化而导致的，于是在“做”实验的过程中自然形成了电源内阻的概念。更重要的是，引导学生思考此变化关系的本质――电源提供给整个电路的电能的分配关系，从而站在电路的视角，认识电动势的物理意义。通过辩证的思维加工，从不同的视角理解电动势的概念，可以更全面地把握概念的内涵。
4 通过批判性思维，深化概念理解
批判性思维是指，为决定相信什么或做什么所进行的合理的、反省的思考[4]。物理思维属于科学的思维方式，本身就决定了其应当具有批判性。实验3的探究完成之后，学生在实验1与实验2的比较中产生的认知冲突得到了化解，实现了由前概念到科学概念的转变。至此，本节课的任务似乎已经完成，然而，学生对电动势和电压这两个概念的本质区别还不一定真正理解。在问题1和问题2的基础上，通过批判性思维的加工，可提出下面的问题：
问题3：不能把电源两端的“电压”理解为电源的“电动势”，仅仅是因为两者在数值上可能不相等吗？
问题4：“电压”与“电动势”虽然都可用“伏特”作为单位，但是，在本质上有什么区别吗？
问题5：实验1中电压表的读数真的和电源电动势在数值上相等吗？换句话说，实验1真的可以测量电源的电动势吗？
问题6：有办法准确测量电源电动势吗？“准确”意指排除电表内阻的影响。
通过问题3和问题4，引发对于“电动势”与“电压”本质区别的思考。其关键是基于功和能的观点，从做功的力与能量转化的方向两个方面，对电动势与电压两个概念进行辨析，深化概念的理解。问题5和问题6通过反思实验过程，激发学生进一步钻研的兴趣，使本节课中思维品质的教育价值得到充分挖掘和体现。
以上分析了电动势概念教学中的思维加工策略：在解决认知冲突的问题驱动下，引入概念；通过类比的思维加工，形成概念；通过辩证和批判性的思维加工，深化对概念的理解。综上，学生在形成新的物理概念的过程中，需要经历丰富的思维活动，获得充实的思维体验。这种体验应当是一种螺旋式、上升式的思维过程，并充分体现批判性。
参考文献：
[1]阎金铎，郭玉英.中学物理教学概论（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2009.
[2]赵娜，张磊.物理“前概念”与任务驱动教学[J].中学物理，2014，（20）：3.
[3]唐凤，唐利强.类比教学的理论基础及其对物理教学设计的启示[J].当代教育理论与实践，2014，（5）：21.
[4]张大昌，等.普通高中课程标准实验教科书《物理?必修①》[M].北京：人民教育出版社，2010.
