工程问题的概念篇（1）

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。

工程问题的概念篇（2）

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;

工程问题的概念篇（3）

［作者简介］海霞（1977-），女，河南周口人，浙江经济职业技术学院文化艺术学院，讲师，主要从事高职英语教学与研究工作。（浙江杭州310018）

［中图分类号］G712［文献标识码］A［文章编号］1004-3985（2012）11-0121-02

概念图最早是在20世纪60年代由美国康奈尔大学诺瓦克教授等人提出、用来组织和表征知识的工具，其理论根据是奥苏贝尔的有意义学习理论。奥苏贝尔认为，人的学习应该是意义学习，要满足两个条件：一是学生表现出一种意义学习的心向，即表现出一种在新学的内容与自己已有的知识之间建立联系的倾向；二是学习内容对学生具有潜在意义，即能够与学生已有的知识结构联系起来。作为奥苏贝尔重要合作者之一的诺瓦克教授以此理论为基础，提出了概念图的概念。

一、概念图的核心要素与关键步骤

1.概念图的核心要素。概念、命题、交叉连接和层级结构是概念图的核心要素。其中，概念又称节点，是广义概念，泛指感知到的事物的规则属性，可用专有名词、思想、情感、教学或符号进行标记，并置于圆圈或方框中。命题是两个概念之间通过箭头和连接词而形成的意义关系，箭头可以单向，也可以双向。交叉连接表示不同知识领域概念之间的相互关系。层级结构是概念的展现方式，一般性、概括性强的概念置于概念图的上层，特殊的、从属的概念置于下层，某一领域的知识还可以通过超链接来展示相关的文献资料和背景知识等。

2.概念图制作的关键步骤。确定关键概念、概念排序、各级连接、反思完善等是概念图制作的关键步骤。确定关键概念，在概念图制作过程中，要选择含义最广、最有包容性、最先出现的概念作为“主题概念”，并用方框框起放在图的顶端。关键概念在整个概念图中是核心。概念排序，在确定关键概念或主题概念后，要在其下面依据任务需要及逻辑关系增加更多的具体概念，并依据概念的概括性进行概念排序。把概括性最强的概念置于顶层，依次向下。各级连接，给各级概念排好序后，建立概念间的深层次交叉联系。交叉连接需要发散思维，是发现和形成概念间新关系、产生新知识的重要一环。此外，还要进一步拓展概念的数量，研究当前概念和其他概念之间的关系。反思完善，随着学习的深入，对原有知识的理解会加深和改变，要随时调整与充实概念图，不断完善和重建自己的认知结构，从而使概念图成为促进学生意义建构的有力工具。

二、概念图的教学意义

1.知识迁移的有效途径。学习心理学把知识按照陈述性方式和程序性方式分类。陈述性知识用来表征知晓的事物、事情和观点，能使学习者了解并形成观点，构成思考和运用观点的基础。程序性知识是运用陈述性知识的知识，是关于如何解决问题、制订计划、作出决策和策略的知识。陈述性知识和程序性知识是相互依赖的。陈述性知识是静态的，需要通过激活才能成为程序性知识，因此，掌握大量的陈述性知识，并不一定会应用或使用这类知识。概念图可以成为陈述性知识与程序性知识相互迁移的桥梁。概念图通过核心要素的确定及关键步骤的实施，促成一种中间知识类型――结构化知识。结构化知识是指在一个领域中如何把概念一体化并使其相互联系的知识，能把陈述性知识和程序性知识联系起来。研究表明，拥有高水平结构化知识的学习者，同时也是很好的问题解决者。拥有概念图设计经验的学生在动手处理问题时，首先会把问题的相关要素绘制成草图，然后从中找出最具决定性的一点作为突破口，并以此为切入点解决问题。教学中引入概念图，能够帮助学生激活并迁移所学知识，使所学知识动态化。

2.提升教学水平的有效工具。教学本身既是生态的，又是系统的。在这一生态式系统中，既有主体、客体关系协调的问题，又有主客体关系协调的工具、手段与方法的问题，还有一些促进教学目标达成、实现教育目的的相关环境因素。因此，教学过程是一个动态的、立体的、一体化的过程。从教学环节上看，谁教谁学、教什么学什么、如何教如何学、教的如何学的如何、如何评价与改进等都是教学生态系统不可或缺的、相互牵连的要素。概念图能够促进教学主体的能动性，能够通过绘制保证知识之间的迁移关系，最终达成教学目标，考察知识掌握程度，评价和反馈教学。因此，不少学者认为概念图可以作为学习工具、教学工具、反思工具、交流工具、评价工具等。

3.学习态度改善的有效载体。有学者研究指出，在不同的教学条件、情景和方法中，应用概念图策略会使学生的成绩增加，对学习的态度变得更加积极，获得知识策略，提高学习的元认知水平，增强自我效能感，体现出自我的意义。

三、概念图对高职英语教学的意义和应用

1.概念图可以帮助教师制定职业发展规划。当前，我国高职的发展要求教师既要具有语言表达、人际交往、运用现代教育技术、终身学习等方面的基础能力，又要具有了解学生、把握教材教法、进行教学设计和实施、开发课程与科研、指导学生学习等方面的职业能力，还要具有职业分析、服务社会、创新性实践等方面的发展能力。因此，高职教师的专业成长成为了一大课题。高职教师要想成长，就必须改变自我成长的方式和途径。概念图能够帮助教师理清思路，把握自我成长的核心任务，促进自我专业成长。对高职英语教师而言，高职英语教师可以通过概念图制定自我专业成长规划。“主题概念”是“现代高职教师标准”，在此基础上，反思“我有了什么”“我还需要什么”，设计一些途径来达到现代高职教师标准的要求，最后，在概念图中设计补救措施完善概念图。

2.概念图可以帮助教师进行教学设计。教学设计需要兼顾教学目标、学生状况、教学环境、教学内容、教学过程与方法、教学效果的评价等诸多方面，并且要使这些方面整合为一个有机的整体。在此情况下，概念图可以发挥很大作用。结合高职课程、教学及教材特点，高职英语具有课程综合性强、教学活动性强、教材主题性强等特点。课程综合性强是指高职英语课程大多需要以项目为载体，以工作过程为导向，包括教学要求、企业行业岗位要求、公民教育要求等多方面元素。教学的活动性强，是基于高职教学的整体要求而说的，高职教学不同于体系化的学科本位教学，是一种通过学习者主动和全面的学习，由师生共同确定的行动产品来引导教学组织的过程，是有目的系统化地组织学习者在实际或模拟的专业环境中，参与设计、实施、引导、检查和评价的过程，通过学习者发现、探讨和解决职业活动中出现的问题，体验并反思学习行动的过程，并获得完成相关职业活动所需的知识和能力。教材的主题性强是指高职英语教材一般是以一个个完整的主题来安排教材内容的。高职英语教学设计环节，可以结合高职英语的特点，利用概念图对教学内容、教学方法、教学过程、教学效果、学生参与、教师角色、教学评价等进行整体设计与安排，为有效教学、优化教学提供保障。

3.概念图可以帮助优化教学过程，提高教学效果。在当前

高职英语教学过程中，学生参与性不强，学习兴趣不高，学习方法不当，学习效率不佳等问题广泛存在。这种缺乏主体参与的课堂教学模式虽广受批判，但改革一直步履维艰。事实上，要彻底改变传统的“授受式教学”，就需要找到一个很好的改革抓手。概念图可以成为这一有效抓手。在教学过程中，概念图不再是教师的“专利”，学生也可以参与概念图的绘制与修改，达到师生互动合作的目的。研究表明，概念图是实现课堂互动、合作学习的有利工具。在合作学习中，由于个体的认知水平不同，对概念的理解也不同，因此，从个性化概念图到班级概念图的过程就是思想碰撞、探究合作的过程；从个体对潜在概念图的质疑、反思、批判到科学概念图的形成、发展、应用，不仅需要师生共同构建和谐、健康的学习情境，而且需要努力挖掘和共享学习资源，促进知识的同化，实现有意义学习。教学过程中教师利用概念图绘制、整合的过程，采用不同的合作方式，调动学生学习的积极性和主动性，鼓励学生用英语表达自己的想法和观点，使学生在轻松、和谐和民主的气氛中有效地提高语言交际能力。学生在这样的交流平台上，有机会表达自己的观点，可以将自己的思路和想法具体化、明确化。学生通过与教师共创概念图，使思维得以延伸、扩展和完善。整个教学过程呈互动状态，学生居于学习的主体地位，发挥自主性；教师作为引导者指导学生学习，解答概念图制作过程中遇到的问题。

4.概念图可以提升教学效果，评价教学水平。目前的高职英语教学效果评价一般还是以考试、测验、毕业论文等终结性评价为主，很难从细节上显示学生的英语知识、技能的掌握程度，把握高职生面向工作过程和学习领域的应职应岗能力状况。概念图以意义学习和建构主义为理论基础，通过概念图的绘制，把握学习任务、安排学习计划、设置学习途径、提高学习过程中的创新思维能力水平等。在高职英语教学中，教师可以让学生参与教学概念图的设计、补充与完善，也可以让学生就教学内容设计出概念图。学生设计概念图的过程是有意义学习与建构知识、技能的过程。教师可以依据学生概念图设计与制作、概念图讲解、基于概念图的问答、小组合作等方面的情况给予评判。也可引导学生进行概念图交流互评，达到思维共享和创新，并建立学生个体概念图档案袋和课程教学概念图资源库。

5.概念图可以提高学生的综合素质。高职教育是以就业为导向的专业技术与技能教育。是否具有胜任未来就业岗位的相关经验和素质是高职生能否顺利就业的关键。现代职场的蓝领人才，要对自己的岗位工作过程、岗位任务、岗位任务完成途径、岗位任务完成绩效等方面有设计和把握能力。概念图能够帮助职业人完成上述任务。在高职英语教学乃至整个高职教学过程中，引导学生绘制概念图可以帮助学生积累规划设计方面的经验，培养学生思维的独立性、敏捷性、选择性和创造性，培养创新意识、创新技能和创新能力，提高学生的综合素质。

高职英语教学作为高职教育的重要组成部分，是提高高职学生职业核心能力和通用能力的重要载体之一，也是培养学生英语语言素养和技能的重要途径之一。基于奥苏贝尔有意义学习理论的概念图，旨在通过概念与概念之间的逻辑连接与层次构筑，促使学习者在知识建构中达到认知目的，对高职英语教学具有重要意义。

［参考文献］

［1］施良方.学习论［M］.北京：人民教育出版社，2006.

［2］袁维新.概念图：一种促进知识建构的学习策略［J］.学科教育，2004（2）.

［3］张丽萍.概念图及其功能研究［J］.高等理科教育，2007（4）.

［4］齐伟.概念图：思维导图（2）――用Inspiration制作概念图［J］.软件导刊，2005（6）.

［5］D.H.乔纳森.技术支持的思维建模：用于概念转变的思维工具［M］.顾小清，译.上海：华东师范大学出版社，2008.

［6］刘赣洪，张静.概念图作为教学工具的应用探究［J］.中国电化教育，2008（10）.

工程问题的概念篇（4）

1 引言

问答系统（QuestionAnsweringSystem，QAS）是一种新的信息检索技术。它应用自然语言理解技术，通过对用户问题的理解，将答案直接返回给用户。由于现有的许多自动问答系统都是基于知识库的，知识库是自然语言处理的基础资源，知识库中知识的丰富程度、知识表示形式以及知识的组织方式直接关系到基于知识库的自然语言处理应用的性能。因此如何设计知识库对提高自动问答的性能和效率具有非常重要的意义。为此本文提出，以数据结构课程为例，采用本体技术构建课程本体，首先对数据结构课程知识进行了核心词汇分析， 提出若干类和属性， 然后借助本体知识库良好的分类特性、概念的形式化描述来对数据结构课程进行知识表示、知识存储，建立数据结构课程本体库，从本体库出发建立常见问题库和课程文档库。以此建立的常见问题库和课程文档库为后续课程自动问答系统的自动问答提高了效率。

2 本体技术

本体论（Ontology）来自哲学领域，比较流行的定义是Gruber在1993年提出的本体的概念，他认为本体是有关概念模型的明确的规范说明。本体的目标是捕获相关的领域知识，提供对该领域知识的共同理解，确定该领域内共同认可的词汇，并从不同层次的形式化模式上给出这些词汇（术语）和词汇之间相互关系的明确定义。本体的研究包括概念和概念分类、本体上的代数。近年来，随着信息科学的飞速发展，本体论逐渐用于知识工程和信息科学等领域之中。

随着Web的发展，出现了许多本体描述语言，如早期基于一阶逻辑的EJF，基于框架和一阶逻辑的OCML，基于描述逻辑的LOOM等。随着进一步的发展，又出现了RDF（S）、OIL+DAML、OWL等。而其中，OWL是建立在XML/RDF等已有标准基础上，通过添加大量的基于描述逻辑的语义原语来描述和构建各种本体。本文中主要使用RDF（s）和OWL。

本体构建工具有很多，目前使用最为广泛是Protege本体构建工具，是使用java开发的、可扩展的、免费的、开源的本体工具。本文采用了Protégé 4.0.2版本作为本体的构建工具，构建《数据结构》课程本体。Protégé 4.0.2本体构建工具有很多优点：使用简单方便、文件的输出格式可以定制、用户接口可以定制、模块划分清晰、后台支持数据库存储。

3 课程本体的构建

课程知识本体是课程自动问答系统FAQ（Frequetily Asked Questions）库的基础，同时也是准确、高效的实现自动答疑的关键。课程知识本体界定了FAQ系统的范围，决定了关键词、知识范围和内容、知识点之间的相互关系，是系统准确性、智能性的基础。系统在充分理解课程大纲的基础上，根据教材体系设计课程知识本体。

课程本体的构建是一个严谨的过程，本文在参考相关本体构建方法的基础上，在领域专家的帮助下，采用以下的步骤来开发课程本体，尽可能保证本体的正确性和一致性：

（1）明确领域范围：主要考虑该课程领域本体要包含的内容、用途和使用者。

（2）考虑可重用性：考虑是否已有相关的课程本体，可否对其进行扩展或精炼。

（3）列举核心概念、基本概念：以某种方式表示课程领域中的概念。

（4）定义概念及概念间的层次和结构。

（5）定义概念的属性：提供相关的属性来详细描述概念的方方面面。

（6）基于课程本体构建该课程的常见问题库和知识库。

3.1 课程的概念本体

要进行课程本体的构建，首先要确定该课程中的关键知识点，课程知识点由课程的核心概念和基本概念构成。准确定义领域内核心的概念，以确定合理、完整的概念体系，构建课程本体。需要抽象概念、属性，及概念之间的关系进行描述和定义。

概念本体（CO-Concept Ontology）是用来描述某个知识领域内的一些核心概念和基本概念的本体，这些概念是被该领域内人们所共同认可的，本文将其表示为一个单独的本体，定义如下：

CO：：=（Onm，Ch，Cj，Sx）

其中Onm是某个领域的课程名；Ch为该课程领域核心概念集合；Cj为该课程领域基本概念集合；Sx为该课程领域各概念的属性集合；

本文领域概念的提取是由多位领域专家及网络搜集获得，下面给出一个实例片段：

CO：：=（Onm，Ch，Cj，Sx）；

Onm=“数据结构”；

Ch=（数据结构、线性表、树、图）；

Cj=（栈、队列、特殊线性表、串、多维数组、广义表、二叉树、查找、排序）；

Sx=（Sx1数据结构：定义，发展历史，访问接口，分类；

Sx2线性表：定义，逻辑结构，存储结构，应用；

Sx3树：定义，遍历，转换；

Sx4图：定义，逻辑结构，存储结构，最短路径，遍历，关键路径，应用）

3.2 领域概念层次关系提取

根据上一节提取到的课程概念，确定课程概念间的相互关系，并且用精确的术语来表达这些概念以及概念之间的关系，本文在建立《数据结构》课程本体时主要考虑了基本概念之间的关系如表1-1所示，包括概念间的同义关系、蕴含关系、上下位关系、层次关系和缩写关系。同义词关系表示两个概念（类）之间的语义相等或非常相近，往往可以相互替换，如“线性表”别名“表”或“Linear list”等。蕴含关系表示两个概念（类）是继承关系。如线性表和特殊线性表具有继承关系。上下位关系表示下位词是上位词的特例，如特殊线性表是栈和队列的上位词。在问答中有时候通过该概念的上下位概念也能提取到潜在的有用信息。

3.3《数据结构》课程本体模型

《数据结构》课程知识本体按章设计，参考本体模型构建方法，以上文对课程本体的概念及概念间的关系的描述为基础，将课程的知识概念经过组合分类后，对课程知识点层次结构进行扩展，通过对《数据结构》课程概念及其属性、概念间关系的描述，可以将整个知识内容形成一个面向自动问答系统应用的本体资源，本文采用OWL语言来定义本体，用RDF语言来描述资源和标注过的文档。利用本体编辑软件Protégé 4.0.2作为本体的构建工具，构建《数据结构》课程本体模型。如图1-1是部分课程知识本体结构图。

3.4 常见问题库和文档库的构建

课程FAQ库是课程自动问答系统的核心，存储的是针对某一门课程内容最关键、最重要的问题集合。包括学生在学习过程中经常提问的问题及各类考试中频繁出现的题目等等，课程FAQ库把这些问题存储到数据库中，并配有准确的答案，为了使系统充分理解用户的提问意图，以便在自动答疑时把FAQ库中相关的问题集找出来，结合前面的分析，本文以课程知识本体为基础，应用短文本分类技术对所有问题分类，构建了《数据结构》课程FAQ库。

自动问答系统中对于用户提出的常见问题，首先用户输入查询问题，系统先在课程FAQ库中找到相同或相似的问题，返回相应的答案，对于一些问题是FAQ库模式难以回答的，比如：用户提出一些叙述形式的问题或者与应用相关的算法实现等问题。对于这些类型的问题，本文基于课程知识本体设计了课程文档库来解答。课程文档库按章对《数据结构》课程的内容以树形结构组织，课程文档库中存储的是该门课程知识的集合，是完整的关于课程知识的体系结构，具有良好的结构性，便于查找。在查找时可以将父结点、兄弟节点和子结点的相关信息返回。提高了查询结果的准确性。

4 小结

本文通过对自动问答系统的相关研究进行剖析，结合本体技术的核心内容和特征，对如何使用本体来构建课程知识本体库进行了论述。以《数据结构》课程为例，建立了《数据结构》课程知识本体，基于课程知识本体又建立了课程的FAQ库及文档库，为后续实现课程自动问答系统中的知识组织和自动检索奠定了基础。随后进行的研究工作包括完善课程知识本体库、FAQ库及课程文档库，设计基于课程知识本体库的自动问答算法，实现课程自动问答系统。

参考文献

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[9]刘汉兴，林旭东，基于本体的自动答疑系统的研究与实现[J]，计算机应用，2010

工程问题的概念篇（5）

中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2012）17-0043-03

一、问题提出

随着数学新课程改革的不断深入，数学教师对于更新教学理念、改进教学方式、提高课堂教学效率都有了显著的认识和提高。但在教学改革过程中，教师也产生了不少问题和困惑：如活动式教学设计的量与度的问题；教学任务活动去“数学化”的倾向；学生两级分化严重；学生不能真正地融入课堂教学氛围；不能充分挖掘每位学生的潜能，等等。如何真正地帮助学生体验再发现的过程，提高学生的认知能力和思维水平，都涉及到数学课堂教学任务的分析问题，如教学环节、教师活动、学生活动，等等。

二、数学教学任务的理解

数学教学任务的设定依赖于课标的要求、学生的认知基础和活动经验、课程内容的重难点、教学目标，等等。从广义上来讲，可以根据每一单元或每一节的课程目标制定相应的教学任务，这主要是从知识点层面进行解释的。而从狭义上来讲，数学教学任务不仅是课本上或教师授课计划中出现的问题，而且是围绕教师和学生组织和实施那些问题所进行的课堂活动。[1]本文的讨论都是基于狭义上的理解，具体到真实的课堂活动中，深入了解学生的真实思维水平，制定出合理的教学任务。

保持高认知要求的内在因素包括：给学生的思维和推理搭“脚手架”；提供学生监控自己思维过程的方法；教师或有能力的学生示范高水平的解答行为；教师提问、评论或反馈以维持对证明、解释或意义的强调；任务建立在学生已有的知识基础上；教师频繁在概念之间建立联系；适当地探索时间。教师在制定和执行数学活动时，应该充分考虑到上述因素，以维持与高水平任务相匹配的高认知要求。[1]高认知水平数学任务的外在总体特点为：非常规性、情景性、开放性、引导性、合作性、主动探究性、创新性。[2]

数学的教学包括数学概念的教学，数学命题的教学，数学定理、公理的教学，数学练习及复习课的教学。学生在学习不同的教学内容时，相应投入的思维的形式和深度都有所不同，教师必须为之做好充分的准备工作：教学理论、数学史、数学文化、数学方法论、课标解读、教材把握、学生认知基础、评价方式和实践素养，等等。教师必须具有丰富的实践素养，要关注学生最感兴趣的一些生活体验与实际，并从中尽可能地挖掘出新颖有趣的数学问题。如填报高考志愿的层次分析、对比工人的月薪及学生的零用钱、学校食堂窗口的设置问题等。还要关注生活中的热点问题，并从中提炼数学问题。如定期储蓄问题、最大利润获取问题、购房贷款的偿还问题等。[3]这样，才能保证教学任务的设定有更好的针对性和适用性，主要从两个方面进行深入的分析。

三、数学概念认知过程的任务情境

1.概念的引入阶段——现实化

概念的引入一般可以从两个途径入手，分别是学生的日常生活经验和已有的数学认知基础，这样有利于学生直接发现数学问题或者形成数学认知冲突，利用知识的水平迁移和垂直迁移认识概念，从而能够积极主动地参与数学概念的形成过程之中，体现数学思维的培养，培养学生的主动学习兴趣和态度。概念的引入要新颖而又不陌生，设计的问题、游戏和活动等需满足两个要求：调动大部分学生的参与热情；与概念要有紧密联系。如函数概念的引入，可以从生活中温度的变化、家庭用电量等来导入；中数、众位数的概念可以从某工厂工人生产配件数、辅导书每页汉字数进行统计。

2.概念的形成阶段——再发现

工程问题的概念篇（6）

1.美国的战略人才观

在全球贸易自由化的背景下，美国对人才的培养提出了更高的要求，认为学生应具备丰富的知识，而不是某一项专业的学科知识和能力。例如，与人沟通、协商并达成建设性成果的能力；有效解决问题的能力；自我主动管理及发展的能力；以科技为基础的整合式思考分析和判断的思维能力。这就意味着要开展跨学科的整合教育，培养其综合实践能力与创新应用能力。

2.教学内容与时间之间的矛盾

为解决这一矛盾，《新标准》提出的解决方案是：基础教育阶段科学教育课程的学习应力求通过少数“大概念”整合各学科知识，促进学生参与实践，实现对重要原理的深入探索及概念理解的逐级发展，也就是学生所学内容是综合了各科知识，并在其中渗透了科学本质教育。STEAM教育解决了内容和课时的矛盾。

二、《新标准》的框架体系

新一代科学教育标准首次提出了三维整合的框架体系，即科学与工程学实践、科学核心概念和跨学科共同概念三者有效地整合，例如初中生物学相关内容的框架体系。维度1科学与工程学实践：（1）提出问题（科学）和界定问题（工程）；（2）开发和使用模型；（3）规划和实施调查；（4）分析和解释数据；（5）使用数学和计算思维；（6）形成解释（科学）和设计解决方案（工程）；（7）参与基于证据的讨论；（8）获取、评价和交流信息。维度2学科核心概念：（1）从分子到生命体：结构和功能；（2）生态系统：相互作用、能量和动力；（3）遗传：性状的传递和变异；（4）生物进化：统一性和多样性。维度3跨学科共同概念：（1）模式（规律）；（2）因果关系：机制与解释；（3）系统与系统模型；（4）物质与能量；（5）结构与功能；（6）尺度、比率和数量；（7）稳定与变化。

科学与工程学实践和跨学科共同概念一方面强化了跨学科学习，增强了学生对实际复杂问题的解决，更重要的是增强了学生的实践能力。科学核心概念始终统领这些学习活动的开展。

三、《新标准》的关键内容

1.科学核心概念

科学核心概念也称大概念，是指本学科内处于重要位置的概念，《新标准》筛选出12个核心概念，其中涉及生物学科的核心概念一共有四个（见维度2），可以看出每个核心概念都是需要关联学科整合研究的。

2.跨学科共同概念

例如，“能量”这一重要概念在物理、化学和生物学科中各有不同的内涵。如何全面系统地理解这些重要概念，需要各个学科之间的整合渗透，也需要各个学科反复强化并建立联系。

3.科学与工程学实践

用“科学实践”替代“科学探究”。强调从实践层面上理解科学的知识、方法和本质，更重要的是强调动手实践的重要意义。工程学实践是为解决具体的问题而进行的科学活动。

强调科学实践和工程学实践，可以把科学概念与科学探究和工程设计的实践融合起来，从而通过多年的学校教育培养学生的动手实践和创新能力。

四、对科学教育的启示

美国作为世界上最发达的科技强国，他们科学教育中的steam教育趋势势必影响到世界各国的科学教育观念，其中的一些核心理念值得我们认真学习和借鉴。

1.凸显科学核心概念

正如《科学教育的原则和大概念》序言所述：“科学教育不应该传授给孩子支离破碎、脱离生活的抽象理论和事实，而是应当慎重选择一些重要的科学观念，用恰当、生动的方法，帮助孩子们建立一个完整的对世界的理解。”要学习重要的主题，科学学习的每个阶段都要指向这些主题。

2.强调跨学科的学习

跨学科共同概念不仅可以提高学生的理解能力，更重要的是可以教会学生用多学科、多维度和系统性的观点看待核心的学习内容，从而更好地提高其科学素养。

3.强调实践能力的培养

以“科学实践”替代“科学探究”，目前可以起到纠偏的作用，尤其对于那些只讲授科学知识，不重视科学实践和实验活动的教师来说，则显得更重要和迫切。

4.适当引入工程学实践

工程学实践的学习要求比科学实践要高，涉及更高层次的动手操作及设计活动，是培养学生解决现实问题能力的重要途径，更是培养未来工程学专才的重要推手。在现有课程中引入工程学实践对于我们来说是一件新鲜事物，可以尝试在单元中少量引入工程学实践，如对实验、制作等活动进行拓展和创新设计，在保证对重要概念理解的基础上，增加一些设计和工程方面的内容。

5.搭建学习技术的平台

工程问题的概念篇（7）

概念设计在建筑结构优化设计中应用

建筑结构对称、简单、规则性，容易实现抗震的作用，但是在一定程度上不能够满足创新性的需求，立体、多面、错层以及凹凸的建筑结构创新性和艺术性较强，容易达到人们对建筑结构美观性的需求，但是美观性好的建筑缺乏一定的抗震能力。优选合理建筑结构施工设计方案概念设计工程施工放那在实际建筑工程施工应用中要达到实用性、合理性以及经济性的目的，同时这还是概念设计的主要目标。所以，如何选择具有一定科学性、可行性的建筑结构形式和建筑结构体系在建筑工程施工设计方案中显得尤为重要。总体而言，施工结构设计方案中展现的抗震系统和建筑结构体系的整体布置等方面的进行详细的分析，同一个建筑结构单元中通常不要用其他结构的体系，并做到纵向和平面上具有一定的规则性。针对建筑结构施工条件、施工特点以及工程施工原材料供应等方面，工程设计师要进行综合、系统、全方面分析和研究，采用多种方案进行对比，最后做出合理有效建筑结构施工设计方案。概念设计中抗震能力设计建筑施工工程抗震能力设计直接关系当人们生命安全和财产安全，所以建筑工程中抗震设计尤为重要，同时备受人们的重视和关注。但是由于建筑物整体结构设计会涉及到一些实际问题，例如土质、地势、周围环境以及气候等因素影响，因此在建筑工程中抗震设计复杂且因素较多。所以，大多数建筑结构中抗震设计并不是由计算机设计出来的，而是由工程设计师概念设计出来的。例如底部设置加强区这样的问题，不管是建筑工程构造钢筋配率要求问题还是边缘构建问题，都是要建筑工程设计师利用概念设计解决问题，工程设计师通过概念设计，补充计算机抗震设计模拟计算的不足之处，才能够最终确保建筑工程施工中抗震设计的安全性和合理性。建筑结构优化设计中抗震能力还涉及结构构件问题，只要建筑构件完好，建筑工程中抗震能力才会充分的发挥和进一步提高。所以，工程设计师在建筑物抗震结构设计的过程中，要利用概念设计进一步保证工程施工设计中每一种建筑构件的强度和刚度在一定程度中满足工程实际的抗震需求，确保建筑构件和构件之间紧密联系，保证工程施工安全。此外，由于当前我国工程施工建筑结构大多数采用的是多次超静定建筑结构，因此在工程施工优化设计中建筑物的抗震设计还需要进行几道抗震防线，防止在发生地震中建筑物由于构件容易发生破坏或者是扭曲现象进而降低了建筑物抗震的能力。

概念设计在建筑结构优化设计中应用的意义

(一)、拓宽建筑结构设计思路传统的建筑结构设计主要研究的是如何提高建筑结构抗力性，造成钢筋棍凝土等不断增高，配筋量不断变大，工程造价提高。我们以建筑抗震设计为实例，通常是按照初定硅等级和尺寸计算出建筑结构的刚度，并由建筑结构刚度计算出抗震力，最后进行钢筋配筋。合理的概念设计可以降低地震作用的效应，并在这样的情况下提高房屋建筑工程质量和安全性。概念设计被广泛应用在建筑结构优化设计中，被工程设计师接纳和采用，并在建筑结构优化设计中发挥着至关重要的作用。(二)、概念设计在建筑结构优化设计中具有实践意义概念设计广泛应用，通常蕴含了所有的工程建筑结构设计中。在不确定的受力状况和因素中变化比较大的高层建筑设计、抗震设计以及基础实施设计中，概念设计应用突出和重要。l、由于现行的建筑结构理论性设计和计算机设计存在着一定的不可计算性和缺点。为了进一步弥补计算理论的不足之处，或者是实现实际施工操作过程中建筑结构构件的设计，需要概念设计来满足建筑建筑结构的优化设计目的;2、在工程施工方案设计阶段，初步实际不能依靠计算机来实现，这就需要工程设计师通过了解和掌握概念设计，优选造价低、效果好的设计方案。概念设计施工人员通常会片面的理解，认为主要是用在一些较大的原则上，例如结构布置、确定结构方案等。在实际工程施工设计中任何一个施工都离不开科学概念设计作为指导方向。3、建筑结构设计的整体方案，建筑工程设计师要联系紧密，互相合作与探讨。经过相互之间的学识和经验的探讨，得出最优的设计方案。例如建筑物的抗震设计，这个问题在建筑工程中是比较复杂的，它需要考虑建筑物的多方面因素。总结总而言之，随着我国国民经济的发展和人民生活水平的日益提高，对建筑结构的优化设计也提出的更高的要求。当代城市化发展和建设的前提下，概念设计不断的适应当今社会建筑行业发展的潮流，不断适应当今时展步伐。因此在建筑结构优化设计中，工程师应该快速了解和采用概念设计的思想，通过自身专业实施和实际实践经验，做好概念设计在建筑结构优化设计中的应用，为当代城市化建设的发展做出自已的贡献。

作者：张健 单位：河南省建筑设计研究院有限公司三分院

工程问题的概念篇（8）

中图分类号：G427文献标识码：A 文章编号：1992-7711（2014）15-051-1作为一线教师，我们在平时的教学中常有这样的困惑：学生在做综合题时要么相关概念辨析不清，要么知识孤立不能形成整体，因而不能解决综合问题。说到底，所学概念不透彻，没有形成体系。如果在高中生物教学中引入概念图策略，那么就能提高学生对概念、原理和规律等的理解程度，并进一步改变学生的认知方式和学习习惯，完善学生的认知结构，从而培养他们分析问题、解决问题的综合能力。

一、概念图的界定

概念图是一种组织和表征知识的工具。它常常是将有关某一主题的不同层次的概念或命题置于圆圈或方框中，再以各种连线将相关的命题或概念连接，形成关于该主题的命题或概念网络。人们这种把概念间的意义联系以科学命题的形式有机地整合起来的空间网络结构图，就称为概念图。概念图以图示的方式来表达人们头脑中的概念、理论、思想等，把人脑中的隐形知识显性化、可视化，便于人们进行思考、交流、表达等。

概念图的理论基础是美国著名的认知心理学家奥苏贝尔的学习理论。奥苏贝尔认为学习就是建构一个概念网络，不断地向该网络增添新内容的过程。为了使学习有意义，学习者必须把新知识和已有概念联系起来。奥苏贝尔主张画一幅图，首先呈现最基本的概念，然后逐渐展现细节和具体的内容。美国学者诺瓦克教授等人开发了概念图工具。他们首先运用于研究儿童是否能够理解诸如细胞和进化等抽象概念的过程，他们很快发现，该工具同样可以被用于进行教学设计和帮助学生进行有意义的学习，由此推动了对概念图更深入的研究。

二、概念图在高中生物学习中的应用

1.概念图在新授课教学中的应用

在新授课教学的备课环节，教师通过绘制概念图，把基本概念有机的整合在一起，梳理清楚各部分之间的关系，有利于明确教学的重点与难点，并能够以此确定有效的教学策略。在课堂教学中，教师能够有效地指导学生自主构建概念图，一方面提高了学生的学习的兴趣和积极性，另一方面也培养了学生动脑和动手能力，体现了学生的主体地位，这样的师生互动进一步提高了教学的效果。

2.概念图在复习课教学中的应用

在复习课教学中，概念图的创建与使用直接关系到复习的效果，一方面，它可以使学生立体化的复习基本概念和基础知识，另一方面，建构知识网络体系的过程，培养了学生的自学能力以及解决综合问题的能力，同时，这样的建构过程使学生进一步理解了有关知识，加强了相关概念的辨别，从而形成对该知识的持久的记忆。譬如，关于“染色体”的知识，涉及到许多容易混淆的概念，如：染色体、姐妹染色单体、性染色体、常染色体、同源染色体、非同源染色体、单倍体、多倍体等等，很多学生总是无法区分清楚。如果利用概念图进行归纳和横向对比，学生就能轻易地辨别相关内容。

三、概念图学习的意义

工程问题的概念篇（9）

关键词:知识表示;概念结构;概念图;语义

Key words: knowledge representation;conceptual structure;conceptual graph;semantic

中图分类号:TP391 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)26-0145-02

0引言

知识是人类智能的基础,知识的表示是人工智能学科研究的三个主要问题之一[1]。人工智能经过半个多世纪的发展,研究出了多种知识表示方法,如一阶谓词逻辑、规则、框架、语义网络等。这些方法对于描述特定领域的问题求解已足够了,并已得到广泛的应用,但传统的知识表示方法就不能确切地表达语义问题。因此,传统的知识表达方法能力还很有限,知识表示仍是很久以来人工智能研究的中心课题,还需要相当深入的研究。概念结构理论的出现为知识表示研究带来了一种新的思路。概念结构(Conceptual Structure)是一种以语言学、心理学、哲学、逻辑学和数学为基础的新的知识表示方法,是由美国的计算机科学家John F.Sowa在1984年首先提出的,己被从理论上证明了优于其它传统的知识表达方法。它扩展了人工智能的知识表达方法,对于信息时代从以数据处理为主的低级阶段向以知识处理为主的高级阶段的转变和发展具有决定性的意义[2]。

概念图(Conceptual Graph)是支持概念结构思想的一个具体的语义模型,概念结构理论及应用就是基于概念图发展起来的,也就是说概念图是概念结构思想的载体,通过它来发展、传播、带动知识表示领域、乃至整个人工智能领域的研究与进步。概念图的发展经历了二十几个春秋,“Conceptual Structures: Information Processing in Mind and Machine reading”(sowa1984)揭开了概念结构的序幕,“conceptual graphsfor a database inference”(Sowa1986)奠定了概念图应用的基础。随后,IBM公司投入了大量人力和物力,潜心研究,出现了一个又一个的成果。国内从90年代开始,西北大学、西北工业大学也进行了探索性研究[2]。

1概念图的知识表示

概念图是一种描述复杂对象结构的知识表示工具,其思想来源于C.S.Pierce的存在图和菲尔墨的语义网络,是以图形表示的一种有向连通图,它包括两种结点:概念结点和概念关系结点,弧的方向代表概念结点和概念关系结点之间的联系。概念结点表示问题领域中的一个具体的或抽象的实体,概念关系结点指出一种涉及一个或多个概念结点的关系[3],如动作(AGNT: AGENT),对象(OBJ: OBJECT),材料(MATR: MATERIAL),具有(POSS: POSSESSES),地点(LOC: LOCATE),状态(STAT: STATUS),部分(PART),方式(MANR: MANNER),工具(INST: INSTRUMENT)等。在概念图中,概念结点用一个矩形表示,概念关系结点用椭圆表示,有向弧标出了概念关系结点所邻接的概念结点。每个概念图可以表示一个命题,典型的知识库将包含大量这样的图。例如:A girl, Sue is eating pie fast. 其概念图如下所示。概念图上可以进行拷贝、限制、连接和化简操作,产生新的概念图。

概念图是基于语义网络的逻辑系统,用它来进行知识表达不但直观易懂,而且易于操作,通过对概念图进行各种操作,能产生新的概念关联和推理规则。此外,概念图还能直接和自然语言建立映射关系。概念图所具有的这些优点使它更适合于表达概念结构。

2概念图的特点

概念图使用带标号的结点和连接这些结点间的带标号的弧表示知识,属于语义网络的范畴,其理论建立在谓词逻辑上,能完全与自然语言相互翻译,表示出自然语言的语义[5]。概念图同其他知识表示方法相比,具有更直接的同自然语言之间的映射,图形化表示、可读性更佳,比逻辑公式更直观的特点。概念图具有结构简单、易读、表示范围广、能够确切地表示自然语言的语义、数学基础严密等优点,代表了知识表示的发展趋势。

概念图与经典的知识表示方法相比,更符合人类的思维和语言习惯,但是它只能表达一些简单的概念关系,并不适合于表达包含复杂概念结构的常识性知识。用概念图进行知识表示需要分析知识的结构,所以其获取过程要有领域专家的参与,还不能通过一个智能系统自动获取。此外,对于一个复杂的问题求解而言,这种基于概念图的推理容易产生冗余或者导致推理结果的不一致。因此,基于概念图的智能系统只能进行一些简单的问题求解,而对于包含大量的复杂概念关联的常识性问题求解,概念图还不能胜任。

3概念图的应用

概念图的理论自从被提出来后,受到很多研究者的青睐并将它应用到不同领域,例如知识工程、信息检索等,在自然语言处理方面尤其语义理解方面具有广泛的应用。不少研究者基于概念图进行了研究与探索,并取得了一些成果。例如,殷亚玲[4]提出了一种基于概念图的相关反馈技术,采用概念图的知识表示方式描述概念之间关系,从语义的层次上进行相似度判断,扩展查询式。朱海平[5]以概念图作为语义表示,研究了基于概念图匹配的语义检索。杨选选[6]提出的基于语义角色和概念图的信息抽取模型,是在语义层面上对信息抽取的尝试。它将浅层的语义信息应用于场景识别和抽取模式两个层次上,并通过概念图将句子的语义形式化、可计算化。刘培奇[7]结合主观题中简答题的人工批改过程,提出以概念图理论为基础的模糊含权概念图知识表示方法;从汉语自然语言理解的语义分析角度研究了特定课程主观题自动阅卷问题。

4小结

人工智能领域中绝大多数知识表示方法都直接或间接地涉及到概念结构,概念结构是人类认知能力的重要来源,现代的知识表示方法会越来越重视概念结构。概念图是一种有力的知识表示工具,能完全描述自然语言所表达的意思,实现与自然语言的互译。我们相信对概念结构和概念图的深入研究必将对解决自然语言理解方面的难题产生重要贡献和促进作用。

参考文献:

[1]张仰森,黄改娟.人工智能教程[M].北京:高等教育出版社,2008.03.

[2]张蕾,李学良.概念结构及其应用[D].西北工业大学博士论文,2001.05.

[3]贺文,危辉.概念结构研究综述[J].计算机应用与软件,2010,27(1):156-159.

[4]殷亚玲,张蕾.基于概念图的相关反馈系统的研究与实现[D].西北大学硕士论文,2006.07.

工程问题的概念篇（10）

摘 要：“打牢基础，提高能力”是计算机基础课程教学“向实战聚焦，向部队靠拢”的出发点和落脚点。文章分析学员特点，在任务驱动教学法的基础上，提出将任务分层，采用分层任务驱动教学法实现学员动手能力阶梯式提高，同时引入概念图工具作为教和学的辅助工具，构建思维过程，记录思维的发生，促进学员自学，提高教和学的效率。

关键词 ：计算机教学；任务驱动；概念图；分层

第一作者简介：刘瑜，女，讲师，研究方向为计算机教育、自动测试，Hmily12260518@163.com。

0 引 言

当代战争是信息化战争，国内外形势对学员的信息技术水平提出了更高的要求。计算机基础课程的教学承担着学员计算机应用能力和计算思维的培养。教员在教学中运用何种教学方法提高教学效果，使学员掌握扎实理论的同时能将知识应用于实践，提高学员自学能力和解决问题的能力，促使学员养成持续学习的自觉性，是计算机课程教学改革的出发点和落脚点。

计算机教研室担负着全院学员的计算机课程教学，针对以上需求，以“打牢基础，提高能力”为主线，充分挖掘不同专业、不同层次学员的特点和需求，通过基于概念图的分层任务驱动教学法实现学员能力的阶梯式提高，提高学员的动手能力，增强学员学习兴趣，提高学员团队合作能力，达到教学效果的最优化。将概念图作为展现任务解决思路和归纳整理课程知识的工具，记录任务完成的思维过程，可以使零散知识之间的关联以可视化的形式呈现在学员面前，挖掘学员潜能，实现学员能力的全面提高。

1 探索适用于计算机基础课程的现代化教学方法和工具

教员作为教的主体，应在研究教学方法上下工夫。学员是学习的主体，要充分发挥主体作用，自主完成知识的构建。使用学习工具可以起到事半功倍的效果，因此选取适当的学习辅助工具将有效改进学员的学习效果。教员应深入研究课程内容，分析学员解决问题的思维过程和学习特点，研究现有教学方法和学习辅助工具，从而找出适合计算机课程特点的有效的教学方法。

1.1 概念图工具在学习中的应用

常言道：“百闻不如一见”，“一图胜过千言”，如果将知识以图解的方式表示出来，将加速思维的发生，为知识的理解提供很好的辅助和补充。

概念图作为知识可视化工具应用于课堂具有得天独厚的条件。概念图的实现方式灵活，可以使用专门工具或者纸笔绘制。在教师授课和学员自主学习过程中，概念图是很好的知识阐述工具。通过概念图，教员可以把概念阐述清楚，把原理分析透彻，加快问题解决过程中思维的发生。概念图可以辅助学员进行知识整理，对于纷繁零散的知识，学员通过概念图将知识脉络绘制出来，体现知识之间的联系，形成知识网络结构，有助于深刻理解课程内容。在学员解决问题的过程中，利用概念图将思维的发生记录下来，形成思维过程，有助于问题的解决[1]。

按照最新课程标准的要求，大学计算机基础课程要讲授七大部分内容，包括计算机基本信息表示、计算机系统、计算机网络与应用、计算机应用技术、信息安全基础、计算思维与计算机问题求解。课程内容宽泛，知识点多，授课学时较少，因此教员授课应“有点有面”。教员在授课过程中重点讲授“点”，对于“面”的内容不做重点讲授，需要学员在课后加工整理，这对学员的归纳能力和自学能力提出了更高的要求。

将概念图工具应用到2013级学员大学计算机基础课程的授课中，取得了很好的教学效果。概念图为学员提供了一项管理纷繁知识的技术，辅助归纳整理学习思路。绘制概念图的过程也是知识再加工的过程，可以将知识以可视化的形式表现出来，用概念图描述课程的主要内容及内在联系，缩短学员认识教材的过程，加深学员对知识点的理解和应用，提高学习效率。

1.2 任务驱动法应用于实践性强的课程

任务驱动法非常适合实践性强的课程，在设计任务时，教员应注意分析课程教学的总目标，在总目标的框架内将大任务细化为一个个容易掌握的小任务，通过这些具体任务的实施实现总的教学目标，运用计算机科学的基础概念求解问题、设计系统，培养学员应用计算机解决实际问题的意识，养成积极主动地学习和应用信息技术的习惯[3]。

2 基于概念图的分层任务驱动教学法的内涵

2.1 将任务分层，促进学员实践能力阶梯式提高

“任务驱动”教学法是一种建立在建构主义教学理论基础上的教学方法,符合探究式教学模式,适用于培养学员的自学能力和独立分析问题、解决问题的能力[2]。计算机类课程是操作性很强的课程,几乎所有需要学员掌握的理论,都建立在一定的技术基础上。如果学员熟练地掌握操作技术,就能够在此基础上对相应的理论有更深刻的理解。教员运用分层任务驱动教学法,把理论知识按难易程度分解成若干个层次,包含在各层具体任务中,让学员在完成任务的基础上学会应用相应的理论知识[3]。

对于学员,计算机相关知识比较抽象,陌生名词多、难点集中，如果教员突然给出一个任务，有可能使学员产生畏难情绪,失去完成任务的信心。教员应在深入研究任务驱动教学方法的基础上，挖掘课程内知识的层次结构，将知识由表及里分成若干个层次，并将任务进行细分，每个层次的知识对应相应层次的任务。每个层次的任务上下衔接、环环相扣、步步深入，使整个教学形成一个有机的整体。使用分层任务驱动教学法进行教学,可以帮助学员建立一条由表及里、层层深入、精益求精的学习途径。

分层任务驱动法的优点在于以一个个经过教员认真划分的小任务为导向,使学员在知识的深入学习过程中完成学习目标，伴随而来的是学员的成就感、浓厚的学习兴趣和高涨的学习热情,将有效提高教学效果。

2.2 将概念图作为分层任务驱动教学法的有力支撑

虽然分层任务驱动教学法为激发学员的主动性、提高学员的实践能力开辟了道路，但任务的顺利完成要以理论为支撑。分层任务驱动教学法实施中经常出现学员思维混乱、无从下手的情形[4]。因此，教员如何在教学过程中帮助学员衔接知识、疏通思路，是分层任务教学方法顺利实施的关键之一。

基于概念图的分层任务驱动教学法是指将概念图作为知识可视化工具和思维工具，运用于分层任务驱动教学法中，以提高学员知识建构能力和实践能力为宗旨，达到教学效果最优化。在基于概念图的分层任务驱动教学法中，概念图的作用主要体现在以下两个方面。

（1）帮助学员完成知识建构，提高学员自学能力。程序设计类课程的内容与应用联系紧密，实践性较强，但实践要以理论为支撑。要想学员学好理论，仅靠教员课堂讲授远远不够，还需要课后复习消化，将知识真正变成自己的知识。对于较简单的知识，将由学员自主完成；对于有一定难度的内容，教员利用概念图工具将要求学员掌握的知识以概念图节点的形式绘制出来，为学员的学习整理提供支撑，让学员添枝画叶，形成知识框架。概念图绘制完毕后，整个章节的知识网络以可视化的形式显示在学员面前，提高学员的成就感。

（2）用概念图展现思维过程，加速思维的发生。教员给出任务后，引导学员将所有围绕主题的想法都写下来,再对想法进行加工，画出初步的概念图，重新思考，新的想法就可能产生，再经过不断修改，直至学员能清晰地确定任务的解决方法。

分层任务驱动教学法需要学员团队合作、共同完成。首先由每个学员画出自己的想法,然后将各人的概念图合并，决定取舍，根据需要再加入新想法，最后重组为一个共同的概念图。在这个共同思考的过程中，碰撞出思想的火花，迸发出创造的思维，产生更多创意。

基于概念图的分层任务驱动教学法中，每一层任务都是概念图中的一个大节点，层与层之间的联系体现在节点的联系中，下一层的解决方法和用到的知识点都体现在概念图中，是学员解决下一层任务的基础。

3 基于概念图的分层任务驱动教学法在计算机基础课程中的应用

3.1 应用范围

程序设计类课程的教学注重理论的讲解，更注重培养学员的动手能力。教员可将基于概念图的分层任务驱动教学法应用于计算机程序设计课程中，注重任务设计，将任务进行分层。理论讲解由浅入深，任务设置由易到难，适应各层次理论的实践需求。教员指导学员以概念图为工具绘制探究思路，进行小组合作，实现了学员知识和技能阶梯式的提高。

大学计算机基础课程知识点多，需要学员课后理清知识点之间的关系，对学员自主学习能力提出了更高的要求。教员将概念图作为学习辅助工具推荐给学员，讲授绘制概念图的方法和要领，帮助学员消化整理。

3.2 实施过程

2013年，我们基于2012级学员的计算机程序设计课程的授课任务进行教学试验，随机选取实验班和对照班，验证基于概念图的分层任务驱动教学法应用于程序设计类课程的可行性和有效性。

在实验实施过程中，学员首先分析任务，将每个层次的任务作为概念图的第一层节点，将节点细分为小问题,然后找出与小问题关联的概念、规则、方法作为节点的枝叶，通过解决问题的全景图找出突破口,从而展开思路找到解决的方法。学员通过小组讨论循环往复地绘制、修改、反思、再设计概念图,在完善概念图的同时完成各层任务。每层任务都与知识点相关联，学员学得扎实，实现相对容易，同时也比较容易暴露学员的知识弱点，提高学员解决问题的能力。

3.2.1 基于概念图的分层任务驱动教学法的实施案例

在采用基于概念图的任务驱动教学法进行授课时，应遵循“任务设计—任务分层—应用概念图—完成分层任务—完成总任务”的过程。

例如在计算机程序设计课程中，循环嵌套的知识较难理解，学员掌握起来有一定的困难，设计任务要求学员用二重循环的方式在屏幕上输出一个99表，将任务分为以下几层。

（1）输出一行由m个“*”组成的图形。

（2）输出由“*”组成的m*n矩阵，printf语句只能每次输出一个“*”。

（3）输出由“*”组成左三角形图形。

（4）将任务3中的“*”换成积。

（5）输出1*1=1 2*2=4 9*9=81格式的三角形99表。

最终概念图如图1所示。

在讲解循环时，根据知识的深度，抛出任务的不同阶段，让学员分层次完成。根据上述任务，学员依次完成了单重循环、二重循环嵌套、利用循环嵌套输出各种矩阵图形的知识建构，最终实现了99表的打印输出。学员在完成任务的同时，找出自身知识弱点，各个击破，最终实现目标，既深入理解了知识，又达到了应用的目的，极大地提高了教学效果。

3.2.2 概念图作为学员自主学习辅助工具的实施案例

大学计算机基础课程是学院本科学员的公共限定选修课，课程内容丰富，知识点多，有的知识点较抽象，学员接受有困难。课题组在授课过程中将概念图作为学习辅助工具推荐给学员，通过绘制概念图体现知识之间的层次和联系，帮助学员梳理知识。如在讲解计算机组硬件系统时，由于硬件系统由许多的硬件设备组成，在学习时又是单独的知识点，因此用概念图表示知识的关联有助于学员消化理解。

计算机硬件组成概念图如图2所示。

利用概念图辅助学员进行知识的建构，缩短了学员认识教材的过程,有助于增强记忆与巩固知识,加深对各知识点的理解及应用,提高了学习效率,受到学员普遍欢迎和认可。

3.3 实施效果

在实验过程中，课堂气氛活跃，学员学习主动性高，能够在教员给定的任务基础上进行扩展并深入学习。学员频繁交流互动，探讨知识应用过程存在的问题和解决方法，从本质上把握问题的关键所在。教员将概念图在实验班学员中推广，利用概念图辅助学员学习，使他们对该门课程的知识结构有一个直观、系统的认识。将概念图作为分层任务驱动的思维激发工具，记录思维亮点，梳理解决思路，大大提高了学员探究的效率和信心。课程授课结束后，经考核发现，实验班学员考核成绩明显高于对照班，学员知识掌握程度相对扎实，圆满完成了给出的任务，任务解决方法较对照班灵活多样。

4 结 语

教学实践证明，理论与实践相结合，辅以多种形式的教学方法，是适宜部队计算机教学、提高教学质量的合理途径；“打牢基础，提高能力”是计算机基础课程教学“向实战聚焦，向部队靠拢”的出发点和落脚点。在计算机教学方面，教员只有做到准确定位，根据不同的教学对象灵活运用教学方法，才能有效地激发学员学习的主动性、积极性，提高课程教学效率；在因人施教的教学中，教员应注意引导学员学习计算机知识的学习方法，培养学员的自学能力，使课程以新的内容与新的形式展现在学员面前，实现学员能力的全面提高。

参考文献：

[1] 刘晓霞. 概念图知识表示方法的研究[J]. 计算机应用与软件, 2001(8): 56-59.

[2] 胡啸. 任务驱动法在计算机基础教学中的应用[J]. 软件导刊, 2013(1): 171-172.