基于PBL教學(xué)模型的含水層動(dòng)力學(xué)方程教學(xué)研究★

張 博

(黑龍江科技大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150022)

0 引言

含水層動(dòng)力學(xué)方程課程教學(xué)模式對(duì)課堂教學(xué)效果有著重要的影響，因此，應(yīng)圍繞服務(wù)學(xué)生的成長(zhǎng)成才和知識(shí)能力的提高，著力推進(jìn)高校教學(xué)模式改革，以有效提升教學(xué)效果，培養(yǎng)更多地質(zhì)工程領(lǐng)域的核心人才。然而，基于高校教學(xué)改革研究較少針對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)、學(xué)習(xí)效果這一“內(nèi)在”的數(shù)據(jù)，更普遍的是以教師為對(duì)象進(jìn)行“教學(xué)方法論”方面的研究。長(zhǎng)此以往導(dǎo)致理論性的探索更加普遍，預(yù)定的改革目標(biāo)并不能較好得在表觀(guān)上反映出學(xué)生的內(nèi)在體驗(yàn)和學(xué)業(yè)收獲。本文提出以學(xué)生的表觀(guān)感受及普遍現(xiàn)象出發(fā)，對(duì)含水層動(dòng)力學(xué)方程課程課堂教學(xué)模式改革進(jìn)行思考和探索。

1 含水層動(dòng)力學(xué)方程課程傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式的弊端

目前含水層動(dòng)力學(xué)方程課程課堂教學(xué)模式主要是單純的“教師臺(tái)上講、學(xué)生臺(tái)下聽(tīng)”，即所謂的“滿(mǎn)堂灌”“一言堂”，教師借助板書(shū)與PPT講授教材中的知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生全程被動(dòng)聽(tīng)講接受。學(xué)生課下只需完成教師布置的習(xí)題即可。這種傳統(tǒng)教學(xué)模式雖然節(jié)省了教師在課堂教學(xué)方面所投入的精力和時(shí)間，順利推進(jìn)課程教學(xué)進(jìn)度，然而，從學(xué)生所獲得的實(shí)際感受與教學(xué)效果來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式在三個(gè)方面存在較強(qiáng)的自我變革的內(nèi)在動(dòng)力。

1.1 課堂知識(shí)轉(zhuǎn)化率

傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，師生之間缺乏互動(dòng)，學(xué)生缺少及時(shí)反饋?zhàn)约航邮苷n堂知識(shí)的情況，對(duì)課堂知識(shí)的理解與疑問(wèn)，僅能通過(guò)課后答疑等方式來(lái)彌補(bǔ)。教師依照自己的課程安排，按部就班地進(jìn)行知識(shí)講授，對(duì)學(xué)生在課堂上的掌握情況并無(wú)實(shí)際了解，對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的老師可以通過(guò)部分學(xué)生的眼神交流，來(lái)獲取學(xué)生的聽(tīng)課成果，但也無(wú)法保證所有學(xué)生在同一進(jìn)度。學(xué)生對(duì)此情況也應(yīng)對(duì)自如，普遍采取自學(xué)教材、考前復(fù)習(xí)和針對(duì)歷年考題押題等應(yīng)試技巧來(lái)應(yīng)對(duì)課程考核，對(duì)課堂學(xué)習(xí)的不重視程度進(jìn)一步加劇。因此，傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式已經(jīng)無(wú)可避免的在知識(shí)的接受效率和傳授質(zhì)量上落伍，課堂知識(shí)轉(zhuǎn)化率成為關(guān)鍵，更加有效的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)和豐富的教學(xué)效果急需被挖掘。

1.2 學(xué)習(xí)興趣激發(fā)率

美國(guó)斯坦福大學(xué)的GBL項(xiàng)目中，學(xué)生最先學(xué)習(xí)的就是如何激發(fā)自身和同學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)團(tuán)隊(duì)成員的創(chuàng)新思維能力[1]；學(xué)習(xí)興趣激發(fā)率是位列第一的重點(diǎn)考核指標(biāo)。然而，在傳統(tǒng)大學(xué)課堂中，教師講授教學(xué)內(nèi)容是最重要的考核指標(biāo)。這種課堂導(dǎo)致師生缺乏互動(dòng)，教師以完成教學(xué)大綱任務(wù)為第一要?jiǎng)?wù)，學(xué)生被動(dòng)接受教學(xué)內(nèi)容，“聽(tīng)多少學(xué)多少”，課堂聽(tīng)講成為一個(gè)任務(wù)。課下時(shí)間也只包含作業(yè)時(shí)間和習(xí)題解答，學(xué)習(xí)興趣無(wú)關(guān)緊要。

整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生沒(méi)有激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的必要，自主探究和思維創(chuàng)新對(duì)于課程考核沒(méi)有特殊意義，缺乏與其他同學(xué)合作交流、討論的意愿。這種傳統(tǒng)教學(xué)模式并不以學(xué)生學(xué)習(xí)興趣為主，學(xué)生體驗(yàn)不到學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的快樂(lè)，自然也培養(yǎng)不出高激發(fā)率的學(xué)習(xí)興趣。

1.3 創(chuàng)新思維實(shí)踐率

創(chuàng)新不是瞎想，所有的創(chuàng)新思維必須經(jīng)過(guò)了實(shí)踐，進(jìn)入了應(yīng)用環(huán)節(jié)，才是真正的創(chuàng)新，有助于知識(shí)本身的理解和掌握。被動(dòng)接受知識(shí)顯然不是學(xué)生本意，這種缺乏基本理解、僅靠教科書(shū)的推論過(guò)程對(duì)創(chuàng)新并沒(méi)有什么幫助。創(chuàng)新思維是依靠自己對(duì)知識(shí)的理解進(jìn)行知識(shí)再構(gòu)造，正確的領(lǐng)悟知識(shí)，尤其是領(lǐng)悟過(guò)程對(duì)創(chuàng)新思維的建立有著不可撼動(dòng)的地位。老師的灌輸常常不能傳授給學(xué)生創(chuàng)新所需的知識(shí)，由此導(dǎo)致的創(chuàng)新效率低，知識(shí)的基礎(chǔ)搭建不牢、掌握不到位，應(yīng)付考核而考前突擊復(fù)習(xí)的現(xiàn)象對(duì)于創(chuàng)新沒(méi)有任何益處。

2 含水層動(dòng)力學(xué)方程課程教學(xué)改革的現(xiàn)狀

本文基于含水層動(dòng)力學(xué)方程系列課程的學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和課堂、課后反饋，立足于解決公式繁瑣和概念抽象的問(wèn)題，對(duì)地質(zhì)工程教學(xué)模式改革進(jìn)行探索。

2.1 重點(diǎn)問(wèn)題的解決

含水層動(dòng)力學(xué)的教學(xué)離不開(kāi)概念和公式，然而學(xué)生反映最多的問(wèn)題就是“看不懂、記不住、不會(huì)用”。針對(duì)這一重點(diǎn)問(wèn)題，建立以PBL模型為基礎(chǔ)的教學(xué)課程改革體系，著重突出問(wèn)題的重要性：教師將實(shí)際工程模型引入課堂，由學(xué)生主動(dòng)代入工程師視角來(lái)尋求問(wèn)題，探知如何建立微分方程，如何確定地下水狀態(tài)、多孔介質(zhì)狀態(tài)方程等。

通過(guò)建立“工程現(xiàn)場(chǎng)模擬→工程師視角產(chǎn)生問(wèn)題→建立方程試圖求解→學(xué)生自主尋求解決辦法”這一課堂流程，將枯燥的概念和方程融入實(shí)際問(wèn)題中，提高課堂知識(shí)轉(zhuǎn)化率，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，解決課程的重點(diǎn)問(wèn)題。

2.2 改革方向的探索

含水層動(dòng)力學(xué)方程課程對(duì)學(xué)生的綜合素質(zhì)和技能要求較高，大量抽象乏味的數(shù)學(xué)問(wèn)題對(duì)教學(xué)要求有較大影響。目前，相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了含水層動(dòng)力學(xué)方程課程教學(xué)改革的探索，包括將授課地點(diǎn)建立在實(shí)驗(yàn)室或研究室基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)場(chǎng)抽水實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐，在時(shí)間和空間變化的條件下掌握非穩(wěn)定流中地下水位的變化規(guī)律等。

國(guó)際教學(xué)案例中也不乏靈活課堂教學(xué)的身影。V.Vázquez-Báez等[2]直接將其在西班牙的一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目：Ayamont-Huelva含水層作為案例研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)該含水層的動(dòng)力學(xué)模擬，將課程完全轉(zhuǎn)換為施工現(xiàn)場(chǎng)案例問(wèn)題，利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)選用配線(xiàn)法、直線(xiàn)法、水位恢復(fù)法等計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)，以此引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)、公式方程即學(xué)即用；巴黎狄德羅大學(xué)的A.Guerin等[3]則直接利用實(shí)驗(yàn)室條件下的人造雨林為背景，在吸引學(xué)生興趣的同時(shí)，針對(duì)雨林地下的含水層引導(dǎo)學(xué)生提出了多角度的方程計(jì)算問(wèn)題，并將雨林含水層結(jié)構(gòu)的演變作為推進(jìn)課堂教學(xué)的重要手段，讓學(xué)生在“雨林”中邊玩邊提出問(wèn)題，最后在解決問(wèn)題的“旅途”中完成含水層動(dòng)力學(xué)方程的各方面知識(shí)的掌握，構(gòu)建了“課堂教學(xué)(含案例分析)+實(shí)物例證+問(wèn)題引導(dǎo)+自然過(guò)渡”的多元教學(xué)模式。

3 PBL教學(xué)模型的教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 PBL教學(xué)模型的引入

PBL(Problem-Based Learning)教學(xué)模型建立在一類(lèi)較為成熟的工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路(Project-Based Learning)[4]的基礎(chǔ)上，以學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題為主導(dǎo)，通過(guò)課堂實(shí)例探求、課下“智慧樹(shù)平臺(tái)直播+討論組教學(xué)+QQ群”等方式來(lái)全方位的激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，實(shí)踐創(chuàng)新思維?；诠こ淘O(shè)計(jì)的模塊化處理方式，PBL模型也可以快速形成教學(xué)氛圍，與傳統(tǒng)模式相比，教師作為引導(dǎo)者，學(xué)生為中心，將解決工程設(shè)計(jì)問(wèn)題及生產(chǎn)、實(shí)施問(wèn)題等作為學(xué)習(xí)動(dòng)力，創(chuàng)造性的引入了模塊化的教學(xué)流程，使學(xué)生能夠迅速理解老師的教學(xué)意圖，并以此提高學(xué)習(xí)力，反復(fù)觸碰知識(shí)點(diǎn)，強(qiáng)化邏輯體系，快速地代入工程師視角。同時(shí)，教師通過(guò)提供多平臺(tái)多角度的課程要點(diǎn)探究，能夠大幅度優(yōu)化學(xué)生的團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)、協(xié)作、溝通能力，自然加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解與掌握程度。

將PBL教學(xué)模型引入含水層動(dòng)力學(xué)方程課程教學(xué)中，引入實(shí)際工程案例的分析和討論，真正做到理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐訓(xùn)練雙同步，充分發(fā)揮了學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考，既培養(yǎng)了學(xué)生的發(fā)散思維和綜合分析能力，又鍛煉了學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)能力和邏輯思維能力，為培養(yǎng)應(yīng)用型本科人才奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。充分利用教學(xué)平臺(tái)，積極進(jìn)行教學(xué)改革，加強(qiáng)課堂互動(dòng)性，在師生間建立良好的溝通橋梁，充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，真正做到“以學(xué)生為中心”的課堂教學(xué)。

3.2 適于含水層動(dòng)力學(xué)方程課程教學(xué)需求的教學(xué)設(shè)計(jì)

PBL模型的基礎(chǔ)是動(dòng)機(jī)心理論，即學(xué)生學(xué)習(xí)目的是畢業(yè)工作就職或在專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域進(jìn)一步深造。因此模型的設(shè)計(jì)也據(jù)此將地質(zhì)工程行業(yè)實(shí)際工程中產(chǎn)生的各種項(xiàng)目、案例、情境引入教學(xué)中，讓學(xué)生主動(dòng)產(chǎn)生問(wèn)題，在主觀(guān)能動(dòng)性上緊緊圍繞課程本身，在教師的節(jié)奏引導(dǎo)下逐步深入，形成“產(chǎn)生問(wèn)題→代入問(wèn)題→解決問(wèn)題→掌握公式方程→產(chǎn)生新問(wèn)題”這一有效循環(huán)，使學(xué)生建立“工程師視角”。

例如：1)圍繞課程內(nèi)容，提出真實(shí)的工程案例，與學(xué)生開(kāi)展互動(dòng)式教學(xué)，分析其中知識(shí)點(diǎn)的運(yùn)用情況；2)設(shè)置虛擬工程環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展工程設(shè)計(jì)，對(duì)工程難點(diǎn)提出解決方案；3)提供錯(cuò)誤工程案例，啟發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，尋找有效的替代方案。學(xué)生有40 min左右時(shí)間進(jìn)行小組討論，并圍繞問(wèn)題開(kāi)展工程設(shè)計(jì)，每個(gè)學(xué)生都是一名“工程師”。大家共同完成設(shè)計(jì)后，由一名學(xué)生講述工程案例設(shè)計(jì)方案，教師和學(xué)生共同討論方案的可行性和存在的問(wèn)題。PBL教學(xué)模式一是培養(yǎng)了學(xué)生的發(fā)散思維和綜合分析能力；二是通過(guò)語(yǔ)音連線(xiàn)或口頭演講的形式讓學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行描述，鍛煉了學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)能力和邏輯思維能力；三是以討論組的形式合作完成任務(wù)，增強(qiáng)了同學(xué)的合作能力。

結(jié)合目前教學(xué)情況，大部分學(xué)生均能掌握公式成立的邊值條件和邏輯關(guān)系，在深入探討工程條件的過(guò)程中靈活運(yùn)用含水層動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的各類(lèi)方程及邊界條件，切實(shí)體驗(yàn)設(shè)計(jì)人員的工作。如：河渠間地下水運(yùn)動(dòng)這一知識(shí)單元可聯(lián)立為某地區(qū)土壤鹽堿化的排水渠的問(wèn)題。繼而老師與學(xué)生開(kāi)展互動(dòng)討論，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)排水渠間距、水量和排水時(shí)間。案例完成過(guò)程中，通過(guò)老師和學(xué)生的共同討論，強(qiáng)化了理論知識(shí)與實(shí)際工程的差別理解，掌握了將復(fù)雜公式應(yīng)用到工程設(shè)計(jì)的方法，更有利于知識(shí)的掌握。

3.3 與輔助手段結(jié)合的立體化教學(xué)設(shè)計(jì)

依托于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和多平臺(tái)教學(xué)等輔助手段，PBL教學(xué)模型可以進(jìn)一步擴(kuò)展為立體化教學(xué)，將“面對(duì)面”學(xué)習(xí)和“在線(xiàn)”學(xué)習(xí)結(jié)合，運(yùn)用多種傳輸媒介與系統(tǒng)，在技術(shù)探討氛圍等情境中開(kāi)展教學(xué)。

圍繞學(xué)生課前的準(zhǔn)備、課堂教學(xué)和課后提升三個(gè)階段，以PBL模型為主體進(jìn)行混合型立體化教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)，能夠在教學(xué)過(guò)程中實(shí)時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度與理解水平，并通過(guò)對(duì)學(xué)生提出的問(wèn)題進(jìn)行定期評(píng)價(jià)，將學(xué)生學(xué)習(xí)情況做出階段性反饋，逐步引導(dǎo)學(xué)生提出更有深度的問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生對(duì)新概念新方程的好奇心與興趣點(diǎn)。通過(guò)改進(jìn)教學(xué)理念和模式，科學(xué)合理地安排課程內(nèi)容，以問(wèn)題為中心設(shè)計(jì)和實(shí)施教學(xué)活動(dòng)，將學(xué)生課前學(xué)習(xí)、教師課堂授課、課后評(píng)價(jià)討論等結(jié)合起來(lái)，使之在更加規(guī)范化的同時(shí)，做到理論與實(shí)踐結(jié)合，打造科研與教學(xué)理念深度融合的完整教學(xué)體系和多元化考核模式，力求實(shí)現(xiàn)教學(xué)更大層面上的系統(tǒng)化。

這種立體式教學(xué)對(duì)輔助手段有較大依賴(lài)，是完全基于新科技新形勢(shì)的教學(xué)方法，針對(duì)學(xué)生的邏輯思維能力和分析能力有較大提高。通過(guò)PBL模型建立基礎(chǔ)問(wèn)題的模塊化描述、解答，重點(diǎn)問(wèn)題的系統(tǒng)化梳理、建立方程，復(fù)雜問(wèn)題的邏輯化推理、分級(jí)分步驟解決，真正做到將理論知識(shí)融入實(shí)踐，達(dá)到應(yīng)用型本科人才的培養(yǎng)目標(biāo)以培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)理論解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力為指導(dǎo)思想，使學(xué)生工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力在教學(xué)中得到循序漸進(jìn)的提升。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)含水層動(dòng)力學(xué)方程課程傳統(tǒng)教學(xué)模式的諸多不足，將PBL教學(xué)模式應(yīng)用于教學(xué)運(yùn)作中，通過(guò)基于學(xué)生發(fā)展需要的“問(wèn)題”設(shè)計(jì)，激發(fā)其內(nèi)在解決問(wèn)題的學(xué)習(xí)動(dòng)力，切實(shí)調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與主動(dòng)性，獲得最佳的教學(xué)效果。同時(shí)也吸引學(xué)生對(duì)課堂產(chǎn)生興趣，能夠有效利用課堂時(shí)間，掌握復(fù)雜方程的實(shí)際應(yīng)用，提高自主學(xué)習(xí)能力和興趣培養(yǎng)，以方程求創(chuàng)新，以解決實(shí)際問(wèn)題為前導(dǎo)，基于學(xué)生的實(shí)際感受，將含水層動(dòng)力學(xué)方程融入學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)中，探求學(xué)生的內(nèi)在需求和心理，使得以問(wèn)題為主導(dǎo)的教學(xué)模式真正起到“讓公式走到學(xué)生中”的教學(xué)應(yīng)用。