環(huán)境工程專業(yè)課程教學(xué)方法創(chuàng)新與應(yīng)用

吳圣姬 馬青蘭

摘 要：思維導(dǎo)圖作為近年來新興的可視化輔助教學(xué)技術(shù)手段，在“以學(xué)生為本”的教學(xué)設(shè)計(jì)中逐漸得到廣泛應(yīng)用。結(jié)合“大氣污染控制工程”課程的多年教學(xué)實(shí)踐，將思維導(dǎo)圖模式應(yīng)用到環(huán)境工程專業(yè)課程的本科教學(xué)中，優(yōu)化了課程內(nèi)容，拓寬了學(xué)生的知識(shí)面，提高了學(xué)生的批判性創(chuàng)新思維能力、歸納總結(jié)及總體規(guī)劃能力。

關(guān)鍵詞：環(huán)境工程；思維導(dǎo)圖；教學(xué)方法；能力素質(zhì)提升；大氣污染控制工程

思維導(dǎo)圖是一種將發(fā)散性思維具體化的方法，由英國著名心理學(xué)家東尼·博贊發(fā)明，其認(rèn)知功能與人類大腦的認(rèn)知功能相類似，使用者將信息表征工具，包括圖片、圖形、詞語等，加以組合運(yùn)用，通過呈現(xiàn)概念之間的層次關(guān)系和思維順序關(guān)系，實(shí)現(xiàn)概念表征的可視化，具有“既見樹木又見森林”之功效[1]。這種可視化教學(xué)，綱舉目張，能夠讓使用者從一種全局和整體的視角思考問題，有助于信息的儲(chǔ)存和提取，進(jìn)而有益于教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效率的提升。已有研究表明，思維導(dǎo)圖之教學(xué)模式，在優(yōu)化教師的教學(xué)設(shè)計(jì)、活躍學(xué)生的思維、全方位提升學(xué)生綜合能力和素質(zhì)等方面有重要的作用。基于思維導(dǎo)圖的教學(xué)理念，致力于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維及提高教學(xué)質(zhì)量，意義重大[2]。目前，思維導(dǎo)圖作為一種可視化教學(xué)輔助工具在理工科教學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛[3，4]。針對高等學(xué)校的教學(xué)特點(diǎn)，將思維導(dǎo)圖與教學(xué)相結(jié)合的研究已有一些報(bào)道，主要集中在有機(jī)化學(xué)、高分子化學(xué)、物理化學(xué)等化學(xué)類課程和少數(shù)工科類課程，并且高校的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育教學(xué)中也引入思維導(dǎo)圖概念[5，6]，但針對大氣污染控制工程教學(xué)的應(yīng)用，尚未見公開報(bào)道。在我國大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)、堅(jiān)定實(shí)施“綠水青山就是金山銀山”的富民強(qiáng)國之路上，如何基于思維導(dǎo)圖的教學(xué)相長理念，進(jìn)一步提高大氣污染控制工程教學(xué)成效，是一個(gè)值得探索的重要課題。

從2006年開始，我國著力構(gòu)建與工程教育認(rèn)證制度相銜接的工程教育體系，要求實(shí)施“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向和持續(xù)改進(jìn)”的三個(gè)基本理念。其中，產(chǎn)出導(dǎo)向（成果導(dǎo)向，OBE：Outcomes-Based Education）改變了傳統(tǒng)的“以知識(shí)為主導(dǎo)”的教學(xué)理念，以學(xué)生學(xué)習(xí)成果的水平及其達(dá)成度來組織和實(shí)施教學(xué)，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)“學(xué)生產(chǎn)出”，立足于工程教育認(rèn)證的大背景，注重培養(yǎng)學(xué)生的能力[7，8]。在工程教育認(rèn)證制度的大背景下，“大氣污染控制工程”作為環(huán)境工程專業(yè)核心課程之一，具有多學(xué)科有機(jī)融合的特質(zhì)，其課堂教學(xué)是直接保障高質(zhì)量人才培養(yǎng)的關(guān)鍵，教學(xué)效果直接關(guān)系到環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生掌握大氣污染治理的理論知識(shí)和實(shí)際工程能力，對提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)及在就業(yè)市場的競爭力起著至關(guān)重要的作用[9]。要提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，就要從課堂教學(xué)以及相關(guān)教學(xué)模式改革入手。在現(xiàn)實(shí)的工作過程中，要掌握并靈活運(yùn)用大氣污染控制工程的技術(shù)與方法，工程技術(shù)人員通常需要在工作中有相當(dāng)長時(shí)間的累積和磨礪，對尚在大學(xué)校園學(xué)習(xí)且知識(shí)面的深度與廣度比較局限的大學(xué)生而言，是一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

“大氣污染控制工程”課程內(nèi)容豐富，通常需要安排80～100學(xué)時(shí)才有可能達(dá)到比較理想的教學(xué)效果，但各高校開設(shè)該課程往往學(xué)時(shí)數(shù)較少且相差較大，而且涉及化工原理、物理化學(xué)等專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科的知識(shí)，對知識(shí)面和能力與素質(zhì)較弱的本科生而言，技術(shù)內(nèi)容略顯枯燥且繁雜。因此，在教學(xué)中如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生通觀全局的能力，使學(xué)生既能掌握相關(guān)的基本理論，又能具有運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，成為迫切需要解決的問題。為了達(dá)到教學(xué)目標(biāo)、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成效，秉持“以學(xué)生為本”的教學(xué)理念和“學(xué)生產(chǎn)出”為重點(diǎn)的教學(xué)范式，筆者創(chuàng)造性地將思維導(dǎo)圖模式應(yīng)用到環(huán)境工程專業(yè)課程的本科教學(xué)中，重新優(yōu)化“大氣污染控制工程”的教學(xué)內(nèi)容，有效激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，全方位培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)際工程能力，取得了顯著的成效。

一、思維導(dǎo)圖在教學(xué)中的作用及意義

1.教學(xué)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

教學(xué)設(shè)計(jì)是一個(gè)全面的系統(tǒng)工程，是教師對教學(xué)諸要素的有序安排。教學(xué)設(shè)計(jì)需要教師整體把握教學(xué)，認(rèn)真并仔細(xì)思考解決問題的過程以及各個(gè)教學(xué)要素之間的關(guān)系，再從主要素細(xì)化成各個(gè)層次，這與思維導(dǎo)圖的思想很相似。思維導(dǎo)圖以邏輯清晰、層次分明等結(jié)構(gòu)特征展現(xiàn)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的相互關(guān)系，能夠幫助教師在設(shè)計(jì)過程中整體把握教材和教學(xué)內(nèi)容，也能夠讓教師明確各知識(shí)點(diǎn)的位置和重要程度，有利于進(jìn)行有效教學(xué)和設(shè)計(jì)。圖1為大氣污染控制工程的思維導(dǎo)圖全景圖，教師在采用思維導(dǎo)圖進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)對教學(xué)重難點(diǎn)以及教學(xué)過程一目了然，幫助教師對整體教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，并有利于綜合考慮學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)、教學(xué)知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)以及學(xué)科前沿知識(shí)等多方面的內(nèi)容，較好地掌握教學(xué)環(huán)節(jié)，以達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。

2.學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)及認(rèn)知結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

思維導(dǎo)圖作為一種圖解知識(shí)和思維的工具，具有獨(dú)特的圖形結(jié)構(gòu)，它圖文并茂又生動(dòng)形象，用不同的顏色線條表示不同的分類想法。從思維導(dǎo)圖概念到制作過程以及結(jié)果，與學(xué)生的認(rèn)知心理有很大的關(guān)聯(lián)性。它同時(shí)采用了語言和圖像的表征單元，給學(xué)生視覺刺激，增強(qiáng)學(xué)生有意識(shí)的注意和記憶，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。思維導(dǎo)圖的無限擴(kuò)展性能夠引導(dǎo)學(xué)生從相反的角度思考問題。當(dāng)學(xué)生用一種方法無法解決問題時(shí)，可以采用思維導(dǎo)圖從相反的方向入手，換一種思路去尋找解決問題的方法。這種逆向思維也是創(chuàng)新思維的重要部分[10]。思維導(dǎo)圖的制作過程是輕松深思的過程，是大腦喜歡的思考方式。當(dāng)大腦處于松弛狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生新想法或獨(dú)特的觀點(diǎn)，能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維[4]。

3.“成功課堂”的建立

“成功課堂”是“建構(gòu)性學(xué)習(xí)”與“學(xué)生有效參與”二者的復(fù)合函數(shù)[11]。在積極構(gòu)建“建構(gòu)性學(xué)習(xí)”的前提下，努力保證“學(xué)生有效參與”，從而實(shí)現(xiàn)“成功課堂”，保證“學(xué)生產(chǎn)出”。思維導(dǎo)圖作為能動(dòng)的建構(gòu)過程，為知識(shí)的建構(gòu)提供支架。學(xué)習(xí)者遇到未知事物或現(xiàn)象時(shí)，使用他們已有知識(shí)解釋新的信息。學(xué)習(xí)者激活先備知識(shí)和嘗試將新知識(shí)與已有知識(shí)相聯(lián)系。這種“建構(gòu)性學(xué)習(xí)”是主動(dòng)的、能動(dòng)的結(jié)果，而不是外在所支配和操縱的結(jié)果。Harkirat等提出，建構(gòu)主義可視化教學(xué)可以提高學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，開闊學(xué)生的思想，建立完整、系統(tǒng)的信息結(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)[12]。

二、思維導(dǎo)圖在教學(xué)中的應(yīng)用模式

思維導(dǎo)圖作為教師組織教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的好方法，近年來廣泛應(yīng)用于高等教育教學(xué)中，并取得了顯著效果。國內(nèi)外研究者在醫(yī)學(xué)、信息技術(shù)、物理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等學(xué)科教學(xué)中開展了大量的思維導(dǎo)圖的教學(xué)實(shí)踐研究，具體分為以下三種教學(xué)模式：一是學(xué)生為主體的“學(xué)生個(gè)體式”，二是小組討論為主的“小組互動(dòng)式”，三是學(xué)生問題解決為主、教師啟發(fā)為輔的“問題導(dǎo)向式”。以上三種模式由低級(jí)思維模式向高級(jí)發(fā)展，分別用在學(xué)生的預(yù)習(xí)、課堂中、歸納總結(jié)以及問題的解決上。

1.學(xué)生個(gè)體式

“學(xué)生個(gè)體式”模式是在初期思維導(dǎo)圖教學(xué)過程中應(yīng)用最多的模式。其表現(xiàn)為以學(xué)生為中心，教師給出特定主題，通過學(xué)生自己的判斷和理解，將概念、觀點(diǎn)畫出逐漸分化的、層次的、概括的思維導(dǎo)圖，進(jìn)而體現(xiàn)出學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)和思維過程。以袋式除塵器為例，首先教師在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)里公布有關(guān)袋式除塵器的教學(xué)視頻，學(xué)生根據(jù)老師的要求課前預(yù)習(xí)，并制作思維導(dǎo)圖的略圖；教師在課堂中圍繞新知識(shí)，向?qū)W生詳細(xì)講解新知識(shí)、新概念；課后學(xué)生根據(jù)自己原有的知識(shí)以及新知識(shí)、概念等逐步修改和完善思維導(dǎo)圖，發(fā)展知識(shí)結(jié)構(gòu)。這與“先學(xué)后教”的教學(xué)模式相結(jié)合。圖2為學(xué)生個(gè)體制作的思維導(dǎo)圖。

2.小組互動(dòng)式

學(xué)習(xí)過程是通過學(xué)生個(gè)體行為和外部環(huán)境，尤其是學(xué)習(xí)群體之間、學(xué)習(xí)伙伴之間的相互作用而實(shí)現(xiàn)，因此，教學(xué)活動(dòng)中個(gè)體與群體之間的協(xié)作和交流尤為重要。小組互動(dòng)式的模式不僅可以激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)，同時(shí)可以兼顧學(xué)生學(xué)習(xí)方法、學(xué)習(xí)風(fēng)格以及思維模式的差異。其表現(xiàn)為在學(xué)生個(gè)體制作的思維導(dǎo)圖基礎(chǔ)上，通過小組成員之間的討論，進(jìn)一步加深個(gè)體的理解，完成小組對某一知識(shí)或主題的思維導(dǎo)圖。通過小組討論，學(xué)生對主題內(nèi)容有進(jìn)一步的分析和理解，最終提交整潔的思維導(dǎo)圖。在整個(gè)活動(dòng)中學(xué)生可以大膽發(fā)表自己的見解，不僅提升學(xué)生之間的溝通能力，而且提高相互學(xué)習(xí)的能力。

3.問題導(dǎo)向式

問題導(dǎo)向式的應(yīng)用模式是在思維導(dǎo)圖教學(xué)模式中級(jí)別最高的模式，是非線性的組織過程，它根據(jù)思維導(dǎo)圖的6W（who，what，when，where，why和how）來分別表達(dá)出問題的關(guān)鍵點(diǎn)。在問題解決過程中，學(xué)生通過已具備的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，需要不斷思考，討論問題的相關(guān)議題。思維導(dǎo)圖的作用是把關(guān)鍵問題通過圖片、文本等描述它們之間的關(guān)聯(lián)，尋找問題的解決途徑，最終實(shí)現(xiàn)問題的解決，提高學(xué)生解決問題的能力。之后，進(jìn)一步在教師的引導(dǎo)下，再次補(bǔ)充信息。這是一個(gè)反復(fù)且循環(huán)的過程，教師可以讓學(xué)生的想象不被具體事物所限制，可以任意聯(lián)想，開闊思維，這有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

三、思維導(dǎo)圖在教學(xué)中應(yīng)用的綜合評價(jià)

為了評價(jià)思維導(dǎo)圖在教學(xué)中的效果，筆者通過問卷形式調(diào)查了學(xué)生對思維導(dǎo)圖在學(xué)習(xí)中的感受、在小組學(xué)習(xí)和能力培養(yǎng)中的作用等問題。結(jié)果顯示，學(xué)生對思維導(dǎo)圖的教學(xué)模式都持肯定的態(tài)度，70%的學(xué)生認(rèn)為思維導(dǎo)圖有助于學(xué)習(xí)。

課堂教學(xué)中引入思維導(dǎo)圖的目的是強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心的互動(dòng)式學(xué)習(xí)，因此教學(xué)過程中多次采用了小組合作方式。問卷調(diào)查中可以看出，50%的學(xué)生喜歡自己畫思維導(dǎo)圖，只有30%學(xué)生喜歡小組合作畫圖，可見學(xué)生并沒有表現(xiàn)出特別喜歡小組合作模式。學(xué)生認(rèn)為小組合作沒有辦法較好地互相配合，并且建議對小組成績的綜合評價(jià)方法進(jìn)行改進(jìn)，不能以小組評分。關(guān)于小組討論是否能夠幫助解決問題，學(xué)生普遍認(rèn)為有一定的幫助，并且參與度也比較高。由能力培養(yǎng)的問卷調(diào)查結(jié)果可以看出，大部分學(xué)生認(rèn)為思維導(dǎo)圖有助于學(xué)習(xí)效率的提高，尤其是在歸納總結(jié)和知識(shí)梳理上幫助很大。學(xué)生通過思維導(dǎo)圖的制作過程深入思考、分析和理解每個(gè)關(guān)鍵詞之間的層級(jí)關(guān)系和邏輯關(guān)系，并進(jìn)行總體規(guī)劃、合理布局，經(jīng)過長期的實(shí)踐和積累，可以培養(yǎng)學(xué)生的總體規(guī)劃能力和歸納總結(jié)能力。

基于思維導(dǎo)圖的課堂教學(xué)模式改革不是一次性的教學(xué)實(shí)踐，要獲得良好的教學(xué)效果需要長期的、持續(xù)的改進(jìn)。通過兩輪的教學(xué)改革發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的評估模式下，學(xué)生對教師期末的評價(jià)和教師對學(xué)生期末的考試無法正確評價(jià)課堂教學(xué)改革的效果，需要進(jìn)行教師和學(xué)生的自評環(huán)節(jié)、小組成員之間的互評環(huán)節(jié)以及小組與小組之間的互評環(huán)節(jié)。學(xué)生評價(jià)的依據(jù)應(yīng)該以過程為導(dǎo)向，評價(jià)內(nèi)容更為細(xì)致和全面化[13]。

教師在課程開始時(shí)對學(xué)生說明本課程的考核形式，讓學(xué)生時(shí)刻跟著教師的教學(xué)理念走。這種多樣化的評價(jià)方式可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，從而以更加主動(dòng)的心態(tài)參與學(xué)習(xí)過程，以便保證教學(xué)效果。

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[本文系浙江省高等教育課堂教學(xué)改革項(xiàng)目“基于思維導(dǎo)圖的大氣污染控制工程課堂教學(xué)模式研究”的階段性成果（項(xiàng)目號(hào)：kg20160135）]

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