“神经网络学习观”下的通用技术练习教学实践研究.pdf

炫动漫文创教育 85“神经网络学习观”下的通用技术练习教学实践研究陆伟祥浙江省严州中学梅城校区 311604摘要：“神经网络学习观”是根据人脑的研究与机器学习原理提出的一种学习观念。当前通用技术的高考及模考命题有陌生化、实践化、细节化、模糊化的趋势，导致学生的成绩不稳定，提升难度大，出现瓶颈现象。为突破这一困局，本文以“神经网络学习观”为指导，提出以“懵-懂-会-熟-通-准”五步提分法为层次，进行分层练习教学。实践表明，该教学策略效果显著。关键词：长时程增强效应（LTP），神经网络学习观，分层练习教学，五步提分法中图分类号：G4 文献标识码：A一、问题提出在通用技术的月考抽测中，出现一种普遍现象，即成绩排名一直在变，学生成绩不稳定，即便综合素质较高的优秀学生考试成绩亦起伏不定，这是由通用技术试题的特点决定的。笔者仔细研究了通用技术的学科命题特征，发现不管是高考出题者还是地方模考卷的出题者命题的思路有如下特点：1.陌生化为了控制题目的难度系数，出题者在命题时总是避免出现高考或地方模拟卷中已经出现题型，力求做到“意料之外，情理之中”。例如 2022 年 1 月浙江高考卷第 7 题，该题得分率很低，究其原因题型新颖，让人觉得陌生，一时无法从以往的解题经验中找到思路，需要更深刻理解物体内力与变形之间的关系才能做出正确的判断。2.实践化通用技术是一门注重实践的课程，在各类考试中都有所体现。出题者经常以实践操作中经常会出现的问题作为出题题材。例如 2022 年 6 月浙江高考第 5 题，该题以金工操作中常见的操作错误进行命题，由于操作错误的偶然性及不可预见性，如未经长期的实践操作，考生在做此类题目时很难得出正确的答案。3.细节化通用技术的核心素养之一就是培养学生的“工程思维”，其中包含严谨细致的工匠精神，出题者为考查学生的细心，严谨的能力，往往会往一些学生平时不注意的细枝末节上出题。例如 2023 年 6 月浙江高考第 7题，该题考查学生的图样表达能力，图样表达必须“完整、正确、清晰、合理”。此题考查了一个细节，即点画线该如何画的问题。该考点在以往的模考卷和高考卷都未出现过。如果学生平未能完整仔细地画过零件的机械加工图，并做过规范系统的训练，也很难找出正确的答案。4.模糊化为考查学生的逻辑与思辨能力，同时避免死记硬背，出题者给的题目答案往往不是那么显而易见，进行了模糊化处理，需要学生联系题目的上下文关系才能做出正确的解答。例如：2023 某地模拟 小明在网上看到一台手电钻支架，该支架便于手电钻的夹持，从而精准定位，下列有关该支架尺寸，描述正确的是()A.不锈钢立柱直径为 25mm，壁厚达 1.5mm，主要考虑了“环境”的因素B.夹口范围为 38-43mm，这主要考虑了“物”的因素C.夹持头距离底座最大高度 245mm，主要考虑了“人”的因素D.手柄上圆球的直径 30mm，考虑了人的静态尺寸本题将“人”“物”“环境”概念模糊化，学生在做题时，往往会把电钻当作“物”，根据题目可知，此题的“物”应该是支架，电钻应该是“环境”。这种有意造“坑”的题目也是让人防不胜防。面对通用技术考试题目的变化多端，最简单的做法是题海战术，起初学生成绩确实有所提高，但是之后学生的成绩就到了一个瓶颈，再通过做题成绩提高收效甚微。为解决这问题，笔者偿试了以“神经网络学习观”为依据，运用“懵-懂-会-熟-通-准”五步提分法为层次，进行分层练习教学。二、理论依据现代科学对人的大脑研究表明，记忆的实质是脑神经元利用长时程增强效应（LTP）使突触产生可塑性，利用这一原理，计算机科学家开发了计算机神经网XUANDONGMAN文创教育 86 络，而通过对计算机神经网络的研究，又让人们对大脑的工作原理有了更深刻的认识。于建国博士在其学习观中提出，学习不是简单地将信息装进大脑，而是将信息作为训练样本，组建出能对该类信息做出正确反应的神经网络系统。人脑的任何活动包含“输入、处理、输出”这个三过程，其工作过程可分为两个阶段，第一个阶段是学习与记忆阶段。学习与记忆的过程就是利用足够多的样本数据作为输入，并根据符合预期的输出反馈，去拟合神经网络。第二个阶段就是工作阶段。即利用第一个阶段训练出来的神经网络进行思考、推理，对输入的新信息进行处理并得到正确输出。平时的识记、做作业属于第一阶段，而考试就属于第二阶段。这也是为什么通过不断地做题目、不断地训练能使成绩提高的原因。前面提到当题海战术到一定量之后，学生的学习成绩会进入一个瓶颈，提升难度变大，其症结在哪里？为阐释其原理，以机器学习为例，计算机神经网络通过一定的学习已能判断出哪张图片是猫，哪张图片是狗，但是将如右图所示的照片输入到神经网络时，这张照片既有猫的特征，又有狗的特征，神经网络判断出现混乱。机器之所以无法做出正确的判断，是因为在训练神经网络时，没有将该样本包含进去。类似的，题海战术瓶颈问题的出现，并不是没有足够多的题目，而是没有足够丰富题目。基于对以上“神经网络学习观”的认识，为适应通用技术考试形式，提高学习成绩，应改变学习方法，优化重组作业，采用分层次，递进式教学策略，尽可能多地丰富训练题库，不以量大为目标，而应以量优为目标，实现学生大脑中知识网络更为合理，更为完整的构建。三、教学策略学军中学高级教师陈立群老师在其教育的情怀与智慧报告中提出了高分五步法：“懵-懂-会-熟-通-准”，这也是学生学习过程的五个层次。以“神经网络学习观”理论为指导，采用分层练习教学，通过五步法让学生接受系统的完整的练习，避免“题海战术”满堂灌造成的无效训练，从而突破成绩瓶颈。1.理解型练习，避免死记硬背，重在于“懂”所谓的“懂”实质上是大脑对输入的信息能够做出恰当的反应，可以实现一个正确的输出，基于“输入神经网络输出”模型的记忆学习过程就是利用输入输出反馈机制去拟合神经网络，“懂”意味着神经网络拟合成功，能进行正确的输出，知识也就记住了。一串没有意义的数字很难记住的原因就是没有赋予它意义，神经网络无法拟合，无法形成记忆。当然，死记硬背并非无法记住，实际上“死记硬背”不是真的就是“死记”，大脑在潜意识中必定要赋予它某种意义，尽管这种意义可能并非显而易见，古话有“读书百遍，其义自见”就是这个道理。因此，在概念的教学上应把重点放在对概念的理解之上，理解了自然就记住了。例如在“技术与人”这节课的教学中，可设计如下的课堂练习：作用含义（1）_ 人技术为人提供了抵抗不良环境，防止野兽、病菌等侵害的手段和工具，从而使人在适应自然的过程中生存下来。（2）_ 人人依靠技术解放或者延长了自己的手、脚、眼、耳、脑等身体器官，拓展了活动空间，提高了劳动效率，增强了利用、保护和改造自然的能力。如机械的使用解放人的体力，计算机技术应用解放人的脑力和体力等。（3）_ 人技术促进人的精神和智力的发展，使得人的创新精神和批判能力得到提高，思维方式发生转变，自我价值得以实现。如专利的发明过程使发明人自身素质提高。这样列出含义对照填空比直接填空“技术具有：_ 人；_ 人；_ 人的作用”记忆效果要好很多。2.强化型练习，促进知识的灵活运用，重在于“会”“懂”只做到了对概念的理解。但考题往往并不直接考概念的定义，而是将概念置于某情境中。情境是可以千变万化的，所以只有将问题置于陌生的情境才能了解学生是否真正掌握所学知识。以“护术与人”这节课的中“解放人”来说，在大脑中“懂”所建立的模型是：解放人神经网络手、脚、眼、耳、脑等身体器官代替或延伸“会”要建立的模型是：炫动漫文创教育 87 显然“会”是“懂”的拓展和延伸，是对知识从理解到应用的过程。若只停留在“懂”是考不出好成绩的，因此课堂例题讲解，课后强化练习都是学习过程中必不可少的环节。教师应精心挑选习题，既要保证有足够多的数量，又要保证有足够好的质量。让学生真正掌握所学知识，不但弄“懂”，还要学“会”。3.循环型练习，促进长时记忆，重在于“熟”长时程增强效应（LTP）可分为两个阶段，分别是E-LTP 和 L-LTP，E-LTP 为短期记忆，而 L-LTP 为长期记忆，E-LTP 由单次高频刺激（HFS）诱导，维持时间约为 1 小时，L-LTP 由多次高频刺激诱导，维持时间超过 1 小时，所以不断的重复训练对于记忆至关重要。著名心理学家艾利克森在其著作刻意练习：如何从新手到大师提到，“天才”是训练的产物，俗话说“熟能生巧”，知识的灵活应用必须在“熟”的基础之上。在通用技术课后练习中，除了对本节课的知识的巩固练习外，还穿插上一节课的练习，循环往复，教学流程如下：除了课后练习外，还需要进行分阶段测试。按章节、单元实施，可以每周测一测，每月考一考。实践表明，学生成绩不稳定的一个重要原因就是对知识的掌握还不“熟”，循环型课后练习，以及阶段性测试对学生成绩的稳定性具有效好的效果。4.整理型练习，注重知识整理，概念溯源，重在于“通”前面提到“题海战术”到一定量之后，学生的学习成绩会进入一个瓶颈，其根本原因是题海战术的训练存在着不系统、不全面、不完整的情况，有些学生喜欢刷五年高考三年模拟，其中有大量的重复性练习，学习效率低下，花费了大量时间分数却难以提高。为此很多老师都采用自编练习，但面对“瓶颈”问题，亦收效甚微，如何打开困局？一个合理的自编练习方法非常重要。根据“基于神经网络学习观”的理论，要想获得知识的迁移，必须在学习中获取某类事物的特征以构建记忆神经网络，华罗庚说过“读书要从薄到厚，再厚到薄”，实质就是从“特性”中找“共性”，再从“共性”中找“特性”的过程。进行自编习题时，对习题进行分类时可以从以下两个方面入手：(a)“共性”提取把具有共同性质，共同规律，共同知识点的题目归类。做到完整、全面、系统。利用思维导图将零散的知识点整合成一个完整的知识体系，例如，对于传动结构的可以整合成如下思维导图有了完整的知识体系，针对性地去选题目或命题就不会无的放矢，具有较好的可操作性。(b)“特性”强化事物的“特性”是指事物除了具有共同特征外，还有只属于自己的特征，大脑神经网络对事物的记忆和处理总是基于特征的，而且总是善于提取“共性”，而忽视“特性”，例如下面一句话：“据研显究示，大分部人不道知的是：中汉国字的序顺并不一定响影阅读”，上面这句话的字的顺序是乱的，但并不影响阅读。其原因是人脑神经网络善于记住“共性”的特点，对于“特性”上的差异会视而不见，这就是所谓的惯性思维。因此，在日常整理题型时，不但要对题目进行归类，找“共性”，还要对题目进行类比，找“特性”。将同种类型题型收集在一起，集中强化练习，让学生去对比，找出特性，克服惯性思维，持之以恒，从而突破成绩瓶颈效应。四、结语人类对人脑的研究为人工智能提供了新的技术与思路，而人工智能的发展，特别计算机神经网络的发明，又反过来让人类能更深刻理解人脑的工作原理，并用于启示人们如何进行有效的记忆与学习。本文以“神经网络学习观”为指导，对通用技术课程的教学与练习的开展与实施进行了有益的尝试。人类的学习行为是一个非常复杂过程，其中还包含兴趣，动机，爱好等情感因素。人脑的记忆与思维也远比现阶段计算机人工智能复杂得多，还需要根据教育教学实际情况，结合“神经网络学习观”，因地制宜探索出更合适的教学规律。参考文献1 于建国.学习观：从“为何学习”到“如何学习”.知乎，2020.2 郭红梅.海马突触效应的长时程增强.广东第二师范学院学报20023 陈立群.教育的情怀与智慧.北京出版社.2008