在大學理科教學中應用思維導圖的實踐研究
——以“激光技術(shù)概論”課程為例

李洪玉，許林鑫，侯 丹

(1. 天津師范大學 物理與材料科學學院，天津 300387；2. 蘭州市第五十三中學，甘肅 蘭州 730030)

思維導圖是把個人的思路反映在一張圖紙上，從一個中心點發(fā)散出去，通過曲線、顏色、圖片、符號、關(guān)鍵詞等，形成一個完整的圖像[1,2].思維導圖的繪制主觀性強，能夠在短時間內(nèi)幫助繪制人整理匯總知識、梳理知識脈絡. 近年來，在我國無論在教師教學還是學生學習方面，思維導圖的應用程度都大幅度增加[3-7]，各類專家學者也紛紛將自己的工作與思維導圖結(jié)合起來，以達到更好的效果和更高的工作效率. 在中國知網(wǎng)上通過搜索“思維導圖”來檢索2016年1月1日至2020年8月31日的相關(guān)文獻，共搜索到11024條結(jié)果，其中與教學應用相關(guān)的共8268篇，占75%，且發(fā)表文獻數(shù)量逐年升高.這些數(shù)據(jù)表明思維導圖對教學研究很具潛力. 在這8268條結(jié)果中，再分別添加關(guān)鍵詞“初中物理”和“高中物理”，有164和67條結(jié)果，但添加關(guān)鍵詞“大學物理”，僅有7條結(jié)果[8-14]. 由此可見，關(guān)于思維導圖在大學物理學習方面的應用研究仍是有限的.

因此，在教學中引導學生使用思維導圖對課程知識點進行梳理，使學生對本門課程有一個全面立體的認識和掌握，提高學生學習興趣和質(zhì)量的嘗試勢在必行. 本課題旨在幫助學生使用思維導圖掌握“激光技術(shù)概論”的課程內(nèi)容，提高學生的學習效率；同時，探究思維導圖在大學物理課程中應用是否具有實踐意義等問題.

1 關(guān)于思維導圖的研究

思維導圖是通過曲線連接各級關(guān)鍵詞，并結(jié)合色彩、圖像等元素，體系化整理知識脈絡的一種方法. 它與傳統(tǒng)提綱式筆記的優(yōu)缺點對比如表1所示. 可以看出思維導圖筆記法是對傳統(tǒng)方法的精進和優(yōu)化，同時也各有利弊.

思維導圖規(guī)定每個分支只使用一個關(guān)鍵詞. 然而對于有許多限定條件的定義或概念，只用一個關(guān)鍵詞是無法概括的，因此完全符合定義和要求的思維導圖并不適合在初步教學中做隨堂筆記時使用，而是適合在一章知識點都學完之后，引導學生反思自己的掌握程度并梳理整體脈絡時使用. 因此，結(jié)合“激光技術(shù)概論”這門課程的知識特點，在對學生制作思維導圖的指導過程中，主要是通過布置總結(jié)每章知識點這種作業(yè)的方式使學生練習思維導圖的使用.

表1 兩種筆記記錄方法優(yōu)缺點對比

2 思維導圖教學實踐思路研究

“激光技術(shù)概論”是本學院物理專業(yè)大學二年級下學期開設的專業(yè)選修課. 該課程是在闡明激光基本原理的基礎(chǔ)上，介紹最新的激光技術(shù)及其在加工、精密測量、通訊、醫(yī)學、軍事和科學技術(shù)研究等領(lǐng)域的應用[15-17]. 此前學生已學習過“高等數(shù)學”、“光學”等預修課程，有一定的知識基礎(chǔ)，同時學生該學期正在學習“原子物理學”課程，所以在課程內(nèi)容連接方面是恰如其分的，并可以對在大三下學期學習的“量子力學”課程提供知識鋪墊. 該課程本身理論性、前沿性和實踐性都很強，知識點繁多、理解難度大，對學生的數(shù)理基礎(chǔ)要求高，學生往往望而生畏.

盡管本門選修課程的教學大綱中并不要求學生掌握諸多推導過程，但學生也會在學習過程中興趣大減，從而影響學生的學習感受和學習效果. 由于“激光技術(shù)概論”課程的大部分概念不可能僅使用一個關(guān)鍵詞概括，如果學生硬性地按照“關(guān)鍵詞個數(shù)少”的要求，又對知識點的凝練度掌握不好，那么在期末復習時就會無法完全理解原先總結(jié)的關(guān)鍵詞到底代表什么意義，也就喪失了應用思維導圖的初衷. 因此在布置作業(yè)時提示學生，可以將思維導圖對每個分支只有“一個關(guān)鍵詞”調(diào)整為每個分支“1～2個詞組”或“添加備注”的方式. 而對于輸入公式的問題，可以通過插入圖片的方式解決.

本學期共有149位學生選修了“激光技術(shù)概論”課程. 因2020年新冠肺炎疫情的影響，大部分課程都改為網(wǎng)絡授課，本課程采用的網(wǎng)課資源來自中國MOOC網(wǎng)站. 教師通過班級微信群發(fā)布預習要點、線上答疑、課后布置作業(yè)及總結(jié). 期末考試采取開卷方式.為了幫助學生更好地理清課程知識脈絡以便制作思維導圖，在學生學習網(wǎng)課資源之前，教師對教學內(nèi)容做了結(jié)構(gòu)梳理，并以提問的形式總結(jié)了重點問題，匯總后發(fā)布給學生，使學生帶著問題去觀看教學視頻. 學生可以在課后參考教師發(fā)布的預習要點，完成作業(yè)，而下次課教師會將相關(guān)問題的詳細答案總結(jié)公布，并推薦做得好導圖，請大家借鑒，方便其他學生完善自己的導圖，因此學生的整個學習環(huán)節(jié)是“閉合”的. 本課題的實踐研究步驟如圖1所示.

為了使學生更好地結(jié)合思維導圖完成作業(yè)，筆者還邀請了一位在思維導圖制作方面比較有經(jīng)驗的大四學生作為助教. 該助教在微信群中分享了她總結(jié)的思維導圖基本知識，并附加制作的課程第一章“激光基本知識簡介”的思維導圖作為范例，幫助學生提前了解思維導圖的定義、制作步驟及要求. 整個教學期間，學生有關(guān)思維導圖的問題也可以通過微信向助教求助答疑，問答方式更為靈活自由.

圖1 研究步驟示意圖

3 思維導圖教學實踐

本課程一共布置了7次作業(yè)，分別針對每一章內(nèi)容，涵蓋了絕大部分知識點. 而這些知識點已經(jīng)在課前以預習要點的方式發(fā)布給學生，因此學生做作業(yè)時參考教師發(fā)布的預習要點，完成符合基本要求的思維導圖是比較容易的. 其中前2次作業(yè)的完成方式都限定為思維導圖(可以電腦制圖或手繪)，鑒于部分學生反饋并不適應思維導圖的方式，在進行了作業(yè)完成方式選擇的投票后，后5次作業(yè)改為由學生在直線型筆記、思維導圖、思維導圖+備注三種方式中自由選擇其中一種來完成. 在第1次和第7次作業(yè)后分別發(fā)放了調(diào)查問卷對學生使用思維導圖的情況進行調(diào)研.

3.1 第1次作業(yè)情況分析

第一次作業(yè)為總結(jié)課程第二章“激光的基本原理”的內(nèi)容. 共收到147份作業(yè)，整體情況一般. 較優(yōu)秀的學生作業(yè)做到了關(guān)鍵詞個數(shù)、使用彩色和曲線連接等要求，大部分學生制作的導圖都存在顏色單一、沒有圖像、知識點散亂、分支上使用長句等問題.也有同學并未使用思維導圖的方式，仍舊采用傳統(tǒng)筆記法完成作業(yè).

3.2 針對第1次作業(yè)的問卷結(jié)果統(tǒng)計及分析

針對上述作業(yè)中出現(xiàn)的問題，在班級微信群中通過問卷星小程序向全體學生發(fā)布了第1份問卷進行調(diào)查. 本次問卷共收回141份有效答卷，問卷中涉及的幾個突出問題及分析列舉如下.

3.2.1 調(diào)查學生以往的筆記整理方法

由表2可以看出，77.3%的同學通常將老師所講內(nèi)容記在筆記本上，69.5%的學生會選擇在書本或PPT上畫出重點，只有9.22%的同學在學習過程中使用過思維導圖. 這說明在大學生學習過程中對思維導圖的使用是非常缺失的，因此在第一次作業(yè)中出現(xiàn)了對導圖繪制不熟悉的狀況. 因此，如果通過本課程可以引導學生學習思維導圖的制作方法，并鼓勵他們多加練習和使用，相信對他們的學習生活都會產(chǎn)生積極的幫助.

表2-1 筆記整理方法調(diào)查結(jié)果

表2-2 筆記整理方法調(diào)查結(jié)果部分選項詳情

3.2.2 調(diào)查學生制作思維導圖的工具或方式

表3顯示使用電腦繪圖的學生(78.72%)比手繪的(21.28%)多了2.7倍，大部分同學選擇了在電腦上利用MindMaster、Xmind等軟件制作思維導圖，其原因可能是無彩色工具進行手繪，另外學生平時學習更傾向于使用電腦也是原因之一.

表3-1 思維導圖制作方式調(diào)查結(jié)果

表3-2 思維導圖制作方式調(diào)查結(jié)果部分選項詳情

3.2.3 調(diào)查學生制作思維導圖過程中出現(xiàn)的問題

根據(jù)表4可以看出，大部分學生(93人，占電腦繪圖學生總數(shù)的83%)認為公式不太方便輸入. 針對這個問題，建議學生通過輸入法中特殊符號的幫助，或使用添加圖片的方式解決. 超過一半同學都認為概念無法縮減為短語，這是客觀存在的問題，因為物理概念的描述需要非常精確，本身可能確實無法縮減，而且物理概念需要充分理解后才可以概括.

因此，思維導圖相對而言并不適合初步學習時使用，而更加適合復習時進行梳理知識脈絡使用. 在“軟件操作太繁雜繁瑣”和“其他”的一些回答中可以看出，大部分學生是第一次制作思維導圖，在軟件摸索使用方面出現(xiàn)了一些問題，并且有學生對于并列的關(guān)系在軟件繪制中如何體現(xiàn)有一些疑問，這些問題筆者及助教都已進行了相應的解答.

表4-1 思維導圖制作問題調(diào)查結(jié)果

表4-2 思維導圖制作問題調(diào)查結(jié)果部分選項詳情

3.2.4 調(diào)查學生認為思維導圖對知識掌握的幫助

由表5可以看出，77.3%的學生認為思維導圖使知識點間脈絡更加清晰，從而對整體知識有一個全面的了解. 有46.81%的學生認為思維導圖可以幫助掌握具體概念，這是因為思維導圖的制作要求每個分支的關(guān)鍵詞不能超過兩個，這大大提升了學生對物理概念概括提煉的要求，從而加強了學生對概念的深度理解.

表5-1 思維導圖對學習幫助調(diào)查結(jié)果

表5-2 思維導圖對學習幫助調(diào)查結(jié)果部分選項詳情

3.3 第2次作業(yè)情況分析

第2次作業(yè)要求學生結(jié)合思維導圖完成課程第三章“光學諧振腔”知識點總結(jié). 作業(yè)整體情況有了很大改善. 針對上次提出的問題，幾乎所有同學都使用了兩種以上的顏色，大部分同學的作業(yè)都使用關(guān)鍵詞概括了主要信息. 但也有部分同學的關(guān)鍵詞概括不夠熟練，仍使用了長句，條理不夠清晰，重要公式并沒有表現(xiàn)在思維導圖中. 圖2和圖3是兩份導圖作業(yè)的對比. 可以看出學生甲的作業(yè)中未做到添加圖片、使用短語概括，重點不突出；而學生乙制作的思維導圖在每一模塊都使用了不同的顏色，并用圖標或圖畫對各個分支上的內(nèi)容進行了標記，必要處還使用了指向箭頭和文字備注，形成了極具個人特色的知識點思維導圖，整體也非常整齊美觀. 針對學生反映部分軟件(例如Xmind)無法加入圖片的問題，建議學生先留好空白，后期再添加公式圖片，或選擇其他思維導圖繪制軟件進行操作.

圖2 學生甲的作業(yè)

圖3 學生乙的作業(yè)

3.4 作業(yè)完成方式的改進

鑒于有部分學生反映用思維導圖完成作業(yè)不方便、擔心后期復習時無法使用，筆者在微信群中面向全體學生針對作業(yè)完成方式進行投票. 有效票共137張，其中61.31%的學生更傾向于使用直線型筆記完成課程作業(yè)，28.47%的學生表示愿意結(jié)合思維導圖的方式完成作業(yè)，10.22%的學生希望可以使用思維導圖+備注筆記的方式完成作業(yè). 針對投票結(jié)果，本著充分尊重學生意愿的原則，決定讓學生自選作業(yè)形式，在直線型筆記、思維導圖或思維導圖+備注三種形式中選擇一種形式即可.

3.5 第3—7次作業(yè)情況分析

第3到第7次作業(yè)內(nèi)容分別針對激光模式、高斯光束、典型激光器、激光技術(shù)、激光的應用等內(nèi)容，知識側(cè)重點各有不同. 每次作業(yè)提交后，教師和助教都會在班級群中就學生制作思維導圖的情況進行針對性點評和鼓勵建議. 表6給出了學生完成作業(yè)形式的統(tǒng)計結(jié)果.

表6 第3—7次作業(yè)完成形式統(tǒng)計

由表6可以看出，學生使用思維導圖完成作業(yè)的人數(shù)隨作業(yè)次數(shù)依次增加. 畢竟在表2中顯示只有9.22%的同學在之前的學習過程中使用過思維導圖，第2次作業(yè)后投票選擇時僅有38.69%的學生愿意選擇思維導圖完成作業(yè)，而第7次作業(yè)中已經(jīng)有53.38%的學生使用了思維導圖，這是可喜的增長. 尤其是更多學生嘗試使用思維導圖+備注的方式，這是因為學生逐漸體會到思維導圖的使用能夠使知識點間的脈絡更為清晰，而添加備注能夠使單個知識點的具體內(nèi)容體現(xiàn)得更細致，便于日后復習使用. 這說明思維導圖+備注的改進方式能夠幫助學生應用思維導圖提高對課程知識的掌握程度.

其中還有一個值得關(guān)注的現(xiàn)象，就是部分學生能夠根據(jù)作業(yè)內(nèi)容在傳統(tǒng)直線型筆記和思維導圖之間進行轉(zhuǎn)換選擇. 例如，與第3次作業(yè)相比，在第4次作業(yè)時有30位學生改變了作業(yè)完成方式，其中14位學生從思維導圖方式轉(zhuǎn)變到傳統(tǒng)的直線型筆記，16位學生由直線型筆記改為結(jié)合思維導圖完成作業(yè)，這充分體現(xiàn)了學生學習的靈活性和自主性.

3.6 針對第3—7次作業(yè)的問卷結(jié)果統(tǒng)計及分析

在完成第7次作業(yè)之后，針對思維導圖與課程學習感想制定了第2份調(diào)查問卷. 共收回116份有效問卷，約占選修總?cè)藬?shù)的77.85%. 該問卷主要調(diào)查了學生在第3次到第7次作業(yè)中選擇何種方式完成作業(yè)及其原因. 問卷結(jié)果反映出25.86%的學生5次作業(yè)都使用了思維導圖，16.38%的學生全部使用傳統(tǒng)筆記法完成作業(yè)，剩余57.76%的學生對導圖法和傳統(tǒng)筆記法都有嘗試. 在使用過思維導圖的學生中，有68.1%表示選擇思維導圖的原因是知識點間關(guān)系更加清晰，43.1%的學生認為思維導圖會使重點更加突出. 而在選擇傳統(tǒng)筆記法的同學中62.93%的學生都表示記筆記是長期的習慣，會使自己對課程有更具體的認識. 有80位同學表示在后5次作業(yè)中改變過作業(yè)完成方式，其中44位由傳統(tǒng)筆記法改為導圖法，他們表示改變的原因是思維導圖用電腦打字比手寫快、有需要圖片描述時思維導圖更加方便導入、想嘗試新的方式等. 而有28位同學由導圖法改為傳統(tǒng)筆記法，他們認為傳統(tǒng)紙質(zhì)筆記更便于復習、手寫更便于記憶、知識點更加全面等.

學生反映思維導圖的缺點主要是公式及推導不方便體現(xiàn)、思維導圖只是形式主義的復制粘貼，并不方便記憶等. 除了覺得導圖制作麻煩之外，學生不選擇思維導圖的另一個主要原因是不清楚如何提取關(guān)鍵詞更凝煉、如何建立關(guān)鍵詞之間的聯(lián)系. 這說明思維導圖在理科課程學習方面的應用還有很多需要改進的環(huán)節(jié)，包括教師對學生概括能力的培養(yǎng). 另外，學生表示很高興可以根據(jù)他們自己的習慣選擇作業(yè)完成形式，有人更喜歡傳統(tǒng)筆記法，也有人愿意嘗試思維導圖并愛上這一輔助工具. 因此，引導學生對完成作業(yè)的方式自主選擇、不同方法都有所嘗試是非常人性化的. 除了8.62%的同學認為思維導圖太麻煩、未來不會再使用之外，91.38%的同學都表示在這門課的學習中使用思維導圖收獲頗豐，以后還會嘗試用思維導圖輔助其他課程的學習.

根據(jù)以上調(diào)查問卷的反饋情況，可以看出思維導圖在輔助學生整理“激光技術(shù)概論”課程內(nèi)容方面效果較好，學生在完成每章作業(yè)的過程中能更加清晰地理清課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)脈絡，準確掌握知識重點，這對他們提高學習效率有積極作用. 同時，學生的思維導圖制作體驗將潛移默化到他們未來的學習方式選擇中.

這門選修課程期末考試采用的是開卷形式. 筆者以第7次作業(yè)完成方式為標準，統(tǒng)計了使用筆記法和導圖法的兩部分同學的期末卷面成績，平均分分別為86.6和86.1. 這說明在短暫的一個學期中，作業(yè)完成形式的不同對學生的期末成績影響不大. 畢竟，思維導圖是一種學習方式，它對學生學習效果的影響是長期的.

4 結(jié)論與展望

在教授“激光技術(shù)概論”課程中，筆者在助教的輔助下引導學生采用思維導圖完成課程章節(jié)知識點總結(jié)，并進行了作業(yè)完成方式投票、兩次問卷調(diào)研，獲得了學生制作思維導圖過程的各類第一手資料. 結(jié)合“激光技術(shù)概論”課程內(nèi)容的特點和學生反映的問題，提出了針對性指導意見，得到了學生的積極反饋，采用思維導圖完成作業(yè)的學生人數(shù)逐次增加，學生對學習效果的反饋也比較樂觀.

本次研究還發(fā)現(xiàn)，若能不拘泥于思維導圖的全部要求，而是做出相應的改變，例如采取思維導圖+備注的形式，那么思維導圖本身的優(yōu)勢會體現(xiàn)出來，同時添加備注可以彌補思維導圖應用于理科課程學習的缺陷，對于完善課程知識脈絡和細節(jié)會有很大幫助. 可以展望，思維導圖+備注的方式在其他多概念、多推導的課程學習中也將發(fā)揮出獨特的作用. 因此，思維導圖與大學理科課程學習的結(jié)合是具有可行性的.

需要重申的是，本次研究在充分尊重學生意愿的原則下，并沒有強制學生必須用導圖的形式完成作業(yè). 畢竟，用傳統(tǒng)筆記法總結(jié)復習已經(jīng)是絕大多數(shù)學生長期養(yǎng)成的習慣. 傳統(tǒng)筆記法可以將知識點記錄得更加細致具體，便于細節(jié)復習，而且形式自由，不受字數(shù)限制，這是用思維導圖無法替代的優(yōu)點. 因此，思維導圖在理科課程學習方面的應用還有很多需要探索的環(huán)節(jié)，包括教師對學生概括能力的培養(yǎng)以及學生學習效果的監(jiān)測等. 筆者后續(xù)仍將推廣導圖方式，但會尋求更契合理科課程的改進，比如可以將傳統(tǒng)筆記與思維導圖兩種方式相結(jié)合、將導圖應用于總復習等等. 與此同時，仍然會尊重學生的意愿，讓其自由選擇學習方式.