思維導圖在水文地球化學教學中的應(yīng)用*

顏瑞雯，孫紅福，楊 柳，林 剛

（1.中國礦業(yè)大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京 100083；2.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101；3.中國科學院大學資源與環(huán)境學院，北京 100049）

0 引言

水文地球化學是地質(zhì)工程和地下水科學與工程專業(yè)的必修課程，是在水文地質(zhì)學、地球化學和水化學的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門學科.主要研究對象是地下水化學成分的形成與演化，以及地下水中各種成分的運移規(guī)律.涉及水文地質(zhì)學、地球化學、無機化學、有機化學、同位素化學、分析化學和軟件模擬等相關(guān)知識［1-2］.由于水文地球化學課程內(nèi)容繁多，每一個章節(jié)均可形成一門獨立的課程，如何在高等教育改革要求減少課時的背景下，完成水文地球化學核心內(nèi)容的講授，提高教學質(zhì)量和效果，激發(fā)學生學習的主動性和創(chuàng)造性，是水文地球化學教學中面臨的主要問題和挑戰(zhàn)［3］.

思維導圖也稱心智圖，是由英國教育學家托尼·博贊首創(chuàng)的一種表達發(fā)散性思維的圖形工具［4］.思維導圖作為一種新的思維方式，其主要特點是運用圖文并重的技巧，從一個中心概念出發(fā)，隨著思維的不斷深入，把各級主題的關(guān)系用相互隸屬與相關(guān)的層級圖表現(xiàn)出來，逐步構(gòu)建一個有序的發(fā)散圖.運用思維導圖可以將新知識的關(guān)鍵概念與頭腦中已有的知識聯(lián)系起來，讓孤立的知識記憶變成系統(tǒng)性的知識構(gòu)建，對于開啟大腦的潛能發(fā)揮著重要的作用［5-6］.

近年來，思維導圖被廣泛應(yīng)用于教育、醫(yī)學和設(shè)計等領(lǐng)域［7-10］，其中教育領(lǐng)域應(yīng)用前3 的學科分別為教育技術(shù)學、數(shù)學和化學［11-13］.在化學領(lǐng)域中，思維導圖在中等教育的應(yīng)用遠超高等教育階段；目前尚未有思維導圖在高等教育地球化學或者水文地球化學教學上應(yīng)用的報道.

與文字相比，思維導圖應(yīng)用于高等教育的優(yōu)勢在于：（1）圖像比文字承載的信息量大，而且更具新鮮感和吸引力；（2）可根據(jù)每個人獨特的認知體系，構(gòu)建個性化的思維導圖；（3）具有層次分明，重點突出的特點，有助于教師和學生理清思路，明確重點［14］.目前而言，思維導圖在大學課堂教學中的應(yīng)用，主要是根據(jù)教材章節(jié)的關(guān)鍵詞、圖形和線條等要素，繪制知識的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖.關(guān)鍵詞代表思維導圖的主題，連線代表各主題之間的聯(lián)系.分層級的線條連接各知識點，從而建立每個知識點間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，促進知識的整合，形成清晰的知識結(jié)構(gòu)圖［14］.作為一種可視化思維工具，思維導圖已在教育領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注，正逐漸成為一種有效的教與學的工具.

本文主要研究思維導圖在水文地球化學教學中的應(yīng)用，探索在我國高等教育改革形式下行之有效的教學模式，以期解決學生自主學習積極性低等問題，達到提高教學質(zhì)量的目的.

1 思維導圖應(yīng)用的必要性

1.1 提高學生課堂學習效率和自主學習積極性

因我國本科高等教育改革要求適當減少課時，本校水文地球化學課程已從原有的48 學時調(diào)整為32 學時.課程選用的教材為沈照理等編著的《水文地球化學基礎(chǔ)》［1］和李學禮等編著的《水文地球化學》（第3 版）［15］.課程內(nèi)容分為5 個章節(jié)，包括緒論、水化學基礎(chǔ)、地下水化學成分組成、地下水化學成分形成及其影響因素、水地球化學循環(huán)及水文地球化學分帶.由于采用傳統(tǒng)的教學方式進行教學，學生在課堂上容易養(yǎng)成被動接受知識的習慣，缺乏主觀能動性.

為了推進以學生為中心，從“教”到“學”的本科教育教學改革，在教學中使用思維導圖是一種創(chuàng)新的有益嘗試.教師在教學過程中使用思維導圖，會使水文地球化學的教學更具有層次感和遞進性，重點更加明確，使課本由厚變薄、知識化難為易，能夠有效解決課時少、內(nèi)容多的問題，提高學生的課堂學習效率和自主學習積極性.

1.2 培養(yǎng)學生思維的復(fù)雜性和系統(tǒng)性

水文地球化學主要研究地下水水質(zhì)隨時間和空間的演變規(guī)律.地下水系統(tǒng)是由多個含水層構(gòu)成的系統(tǒng)，經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)演化，這就決定了這門學科的復(fù)雜性.由于地下水水文地質(zhì)和水化學資料的收集往往是不完整的，實際工作中需要基于有限的資料，對研究區(qū)內(nèi)發(fā)生的各種水文地球化學過程和地下水的演化歷史做出判斷，如果問題考慮不夠全面，很容易推斷出錯誤的結(jié)論［3］.因此，在講授水文地球化學課程的過程中，教師不僅要傳授專業(yè)知識，更重要的是培養(yǎng)學生復(fù)雜性和系統(tǒng)性的思維方式［16］.

課程學習中使用思維導圖，能夠?qū)λ鶎W的知識進行及時回顧和總結(jié)，利于提高學習效率.同時，對思維導圖的應(yīng)用能將教材的內(nèi)容由點、線、面的結(jié)合，建立理論知識之間的邏輯和內(nèi)在關(guān)系，有利于知識的內(nèi)化，激發(fā)學生學習的積極性，并有利于培養(yǎng)其復(fù)雜性和系統(tǒng)性的思維方式.綜上所述，為了能夠開展有效的教學，提高學生的知識建構(gòu)和思維能力，思維導圖在水文地球化學課程中的應(yīng)用具有必要性.

2 實際教學應(yīng)用

2.1 備課中的應(yīng)用

在備課的過程中，使用圖像、符號、顏色和線條等會使得備課內(nèi)容更富有活力.同時，思維導圖的發(fā)散結(jié)構(gòu)也決定了其應(yīng)用于水文地球化學教學備課的可行性和優(yōu)越性.圖1 是以“碳酸平衡”為例制作的備課思維導圖，包括實習回顧、教學內(nèi)容和課后作業(yè).思維導圖的特性使教師關(guān)注于教學的思維過程，加深了對知識點的理解和鞏固，從而提高備課的質(zhì)量水平，促進教師的專業(yè)發(fā)展，避免了傳統(tǒng)備課形式的單一問題，更能促進教學任務(wù)的有效完成.此外，思維導圖簡潔的表現(xiàn)形式也使得教師更容易理清教學思路，重點和難點明確，從而減少備課壓力，能夠快速把握教學環(huán)節(jié)，使之成為一個有機的整體，更有利于提高教學效率.在教研交流中，思維導圖備課系統(tǒng)還能使其他教師快速掌握備課教師的思路，進而提高教研交流的效率.利用思維導圖備課是對可視化教學設(shè)計的有益探索，為教師備課提供了一種新的選擇.

圖1 碳酸平衡備課的思維導圖

2.2 重要知識點歸納中的應(yīng)用

在學習水文地球化學的過程中，學生反饋，時常感到本課程某些重難點內(nèi)容知識點繁多、容易混淆、難于記憶、學習效率低.在教學過程中，教師應(yīng)該引導學生對知識點進行分割，明確知識點以下有哪些概念、原理和公式需要重點掌握，對每一個要點進行講解，引導學生充分理解，再去解釋每個要點之間的聯(lián)系，最后構(gòu)建整體的知識架構(gòu).培養(yǎng)學生建立一個從學習到理解再到發(fā)散的學習過程，逐漸擴大學生對知識的理解范圍，幫助學生建立一種清晰的整體性知識框架，提高學習效率.因此，需要將水文地球化學中重點和難點內(nèi)容中零散、孤立、繁瑣的知識點提取重點并加以整理，形成結(jié)構(gòu)化的知識體系.以地下水化學成分的形成及其影響因素章節(jié)中標型元素的相關(guān)知識思維導圖（圖2）為例來說明.標型元素是元素在地下水中遷移的一個重要概念，在學習時，著重需要理解和掌握其定義和分組.標型元素分為空氣遷移和水遷移標型元素，空氣遷移的標型元素對應(yīng)3 種氧化還原環(huán)境，水遷移的標型元素對應(yīng)6 種水遷移環(huán)境，每個環(huán)境對應(yīng)不同的標型元素.利用思維導圖來整理本知識點，可以起到一目了然的效果，有利于學生記憶和對整個知識點的掌握.

圖2 標型元素相關(guān)知識點的思維導圖

2.3 章節(jié)小節(jié)總結(jié)中的應(yīng)用

水文地球化學的知識點零散、繁瑣，公式的適用條件多變，特別是第一章水化學基礎(chǔ)是本門課程的重點，每節(jié)內(nèi)容涉及大量基礎(chǔ)原理，學生掌握起來難度較高.教學中嘗試將每節(jié)都通過思維導圖的方式進行歸納總結(jié)，幫助學生對所學知識點有一個整體的把握.以溶解平衡小節(jié)為例，可分為6 個核心內(nèi)容，分別為活度、溶度積和溶解度、飽和指數(shù)、溶解作用分類、同離子效應(yīng)和鹽效應(yīng)以及水處理中的應(yīng)用（圖3）.其中活度與飽和指數(shù)需要掌握其概念、公式及計算方法.對于溶度積和溶解度、溶解作用分類、同離子效應(yīng)和鹽效應(yīng)需掌握其概念，理解各概念之間的聯(lián)系和區(qū)別.學生還需要理解如何將溶解和沉淀應(yīng)用到水處理中.利用思維導圖繪制溶解平衡知識要點，幫助學生將零散的水文地球化學知識結(jié)構(gòu)化、條理化和系統(tǒng)化，例如：首先需要掌握活度的概念，重點理解活度不等于濃度，而是濃度和活度系數(shù)的乘積；然后基于對活度的理解，在利用溶度積（Ksp）計算溶解度時，考慮濃度或只考慮活度這2 種情況下的計算結(jié)果相差很大，而考慮活度更趨近于真實的溶解度；最后明確重點內(nèi)容在于飽和指數(shù)（saturation index，SI）的計算，用于地下水相對于礦物飽和狀態(tài)的判斷.SI 取決于水溶液中組成某難溶鹽類的陰、陽離子活度積（ion activity prod?uct，IAP）和溶解度積數(shù)（Ksp）的比值大小.當SI<0時，說明水溶液不飽和；當SI>0 時，說明水溶液過飽和；當SI=0 時，說明水溶液處于溶解平衡狀態(tài).利用思維導圖，讓學生快速掌握溶解平衡的重點知識點（活度、溶度積、溶解度以及飽和指數(shù)）之間的聯(lián)系以及整體的知識架構(gòu)，讓學生的思維過程更加流暢、條理更加清晰，從而有效提高教學的質(zhì)量和效率.

圖3 溶解平衡的思維導圖

2.4 課后總結(jié)和考前復(fù)習中的應(yīng)用

在教學中，學生時常反映上課講的知識點都能聽懂，但是在做作業(yè)時卻不知道從何處切入、該應(yīng)用哪些知識點.或者平時感覺自己學得很好，但在遇到綜合性的題型卻沒有解題思路.出現(xiàn)上述問題的主要原因是：學生對所學的知識沒有進行及時的回顧和總結(jié)，沒有建立清晰完善的水文地球化學知識框架體系.為了解決這些問題，要求學生在每堂課結(jié)束之后，利用思維導圖進行歸納總結(jié).思維導圖末端開放性的結(jié)構(gòu)有利于培養(yǎng)學生自主學習與獨立思考的能力.建議學生以小組為單位，在課后對每一個知識點進行補充，每個學生在思維導圖的制作過程中，都會有自己獨特的思考和見解，在討論中不斷碰撞思維的火花，進一步擴大知識面，逐步建立完善的水文地球化學知識體系，將教材以及教師講解的內(nèi)容轉(zhuǎn)化為自己的知識.

水文地球化學課程屬于交叉學科，涵蓋的內(nèi)容廣泛，概念繁多且抽象復(fù)雜.正因為水文地球化學學科的特殊性，在傳統(tǒng)的復(fù)習過程中，教師會將水文地球化學的重要知識點根據(jù)章節(jié)的順序全部羅列，幫助學生回憶要點.但是這樣的復(fù)習方式，很難體現(xiàn)水文地球化學各個章節(jié)之間的聯(lián)系，無法取得良好的復(fù)習效果.所以對于教師來說，可利用思維導圖在考前最后一節(jié)課進行復(fù)習，將每個章節(jié)有機結(jié)合起來，將每章的重點知識點及其內(nèi)在聯(lián)系，在學生腦海中構(gòu)建一個整體的知識框架.

水文地球化學共有4 章，每章中都有很多重要的公式和概念，通過思維導圖的繪制（圖4），從而將各級主題的關(guān)系用相互隸屬與相關(guān)的層級圖表現(xiàn)出來，在復(fù)習過程中更好地調(diào)動相應(yīng)的水文地球化學知識，讓學生思維更加流暢.同時，通過這種總框架的設(shè)計，一門課程的知識點能夠一次性呈現(xiàn)在學生眼前，有助于提高學生的學習效率，增強學生的記憶力.不過課堂上的時間是遠遠不夠的，學生可利用課后時間在考前復(fù)習中，對知識點進行梳理，對已有思維導圖的枝杈進行細化，從而形成更為密集的知識網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)建個性化的思維導圖，摸清知識點之間的內(nèi)在聯(lián)系，重點明確地進行復(fù)習，有效提高考前復(fù)習的效率.

圖4 水文地球化學課程的總體框架

3 結(jié)束語

思維導圖不僅是一種新型的可視化教學設(shè)計工具，也是一種非線性的思維模式.本研究將思維導圖應(yīng)用于水文地球化學的重要知識點、章節(jié)小節(jié)、課后總結(jié)和考前復(fù)習這幾個教學環(huán)節(jié)當中.課后問卷調(diào)查表明，學生對思維導圖的支持率為92.8%，認為思維導圖的使用有效提高了學習效率，特別是對理解能力和記憶能力有顯著的提升.思維導圖能使教學過程更加層次化和簡潔化、突出重點、化繁為簡，從而有效提高教學質(zhì)量和效率，解決課時少、內(nèi)容多的問題.作為新型教學模式，思維導圖還能幫助學生將零散而繁瑣的水文地球化學知識結(jié)構(gòu)化，讓學生更深入地掌握水文地球化學知識點、線、面之間的聯(lián)系，改變學生思維模式，培養(yǎng)學生復(fù)雜性和系統(tǒng)性的思維方式.