思維導(dǎo)圖和PBL雙融合的教學(xué)創(chuàng)新研究
——以《大氣污染控制工程》課程為例

成卓韋，於建明，王家德，葉志平

(浙江工業(yè)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，浙江 杭州 310014)

《大氣污染控制工程》是高校環(huán)境工程專業(yè)的核心課程，通過講授概念、原理、工藝、設(shè)備、設(shè)計及計算等基本知識，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決大氣污染控制問題的能力。這也是一門富有理論性和實踐性的課程，對于學(xué)生來說具有很大的挑戰(zhàn)性。教育部吳巖司長曾提出“金課”的“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)，即高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度?！洞髿馕廴究刂乒こ獭吩诮?0年的教學(xué)改革中，圍繞“學(xué)生學(xué)為中心”，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時，努力提高課程的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。本文探索教學(xué)設(shè)計進(jìn)一步的改良，提出思維導(dǎo)圖和問題導(dǎo)向式(PBL)雙融合的教學(xué)創(chuàng)新方法，并進(jìn)行具體實踐，以持續(xù)推進(jìn)適合工程類專業(yè)課程的教學(xué)研究的深化。

一、思維導(dǎo)圖和PBL雙融合的教學(xué)創(chuàng)新

高等教育的目的，不僅是要使學(xué)生掌握解決問題所需的基本概念和基本理論，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的解決問題的能力和對事物的創(chuàng)造力。傳統(tǒng)授課模式以理性主義價值觀為主的單向傳輸，忽視了知識運用和問題解決能力的培養(yǎng)[1]。學(xué)生習(xí)慣了在教師的安排下被動地接受知識，沒有思考也沒有質(zhì)疑，僅僅留些印記?！洞髿馕廴究刂乒こ獭氛n程具有學(xué)時相對較少的特點，使得教師只能在傳統(tǒng)課堂中對課程內(nèi)容進(jìn)行一般化講授，而無法深入討論分析，使得學(xué)生對典型工藝操作單元缺乏感性和理性認(rèn)識。同時，傳統(tǒng)的課堂授課使得學(xué)生學(xué)習(xí)能力個體差異較大，對課程教學(xué)的知識個性化需求難以達(dá)到令人滿意的效果。由此，我們可以選擇思維導(dǎo)圖和基于問題的導(dǎo)向性學(xué)習(xí)(PBL)相交融的教學(xué)創(chuàng)新方法，即產(chǎn)生雙融合的創(chuàng)造力，來全面提高學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力。

(一)思維導(dǎo)圖和PBL的特征

1.思維導(dǎo)圖是20世紀(jì)60年代英國著名心理學(xué)家、教育家托尼·巴贊所提出，又稱心智圖、腦力激蕩圖。它是一種將放射性思維具體化的思維工具，以關(guān)鍵詞、圖像、色彩等形式展現(xiàn)思維、建立記憶鏈接[2]。思維導(dǎo)圖與腦神經(jīng)生理具有類似的結(jié)構(gòu)，繪制時可促使繪制者依據(jù)大腦自身的規(guī)律進(jìn)行思考，全面調(diào)動左右腦協(xié)同配合，將知識、順序、判斷、條理等理性思維與靈感、創(chuàng)意、聯(lián)系、顏色、空間等感性思維相互融合相互滲透，充分開發(fā)繪制者潛在的能力。將思維導(dǎo)圖引入學(xué)習(xí)中，不僅能充分調(diào)動左右腦的功能，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，而且還能培養(yǎng)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)屬于邏輯思維的特質(zhì)。

2.PBL(Problem Based Learning)是一種以“問題”作為教學(xué)起點，以小組形式解決問題，使學(xué)生獲得運用知識的能力、自主學(xué)習(xí)的能力、解決問題的能力、發(fā)展評判性思維的能力以及合作能力的教學(xué)模式[3]。PBL教學(xué)模式充分體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，支撐的理論包括建構(gòu)主義理論、教育理論和多元智力理論。與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，PBL教學(xué)過程對分化學(xué)生，尤其是對那些思維懶惰、容易陷入無所適從的狀態(tài)，有回避、拖延習(xí)慣的學(xué)生具有效果。因此，如何有效推動PBL教學(xué)模式的運用，達(dá)到良好教學(xué)效果是課程教學(xué)實踐中必須面對的問題。

(二)思維導(dǎo)圖和PBL雙融合的效能

PBL教學(xué)過程與思維導(dǎo)圖有許多共性之處，單一中心出發(fā)的特性使得兩者的架構(gòu)及特點具有高度的一致性[3-4]：(1)思維導(dǎo)圖的繪制過程和其所展現(xiàn)的思維過程是圍繞一個中心主題而展開的，這與PBL教學(xué)過程以“一個問題”作為出發(fā)點相一致。(2)發(fā)散性思維在兩者應(yīng)用中起到關(guān)鍵的作用。思維導(dǎo)圖運用發(fā)散性思維繪制主要分支，但不需要對各分支所表述的問題及解決方式進(jìn)行描述；在PBL教學(xué)過程中，解決問題也是充分運用發(fā)散性思維，針對特定的“問題”情境考慮所隱含涉及的知識或經(jīng)驗。(3)思維導(dǎo)圖各分支的長度表示了思維的深度，展現(xiàn)了繪制者的思維過程；同樣，PBL教學(xué)中問題解決者不僅需要針對特定問題情境進(jìn)行思考與探索，也需要針對所挖掘出的具體研究內(nèi)容進(jìn)行深入探究。

因此，如果將思維導(dǎo)圖和PBL進(jìn)行融合，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生綜合運用知識的能力，還可以促使主動性和創(chuàng)造性思維的發(fā)展，實現(xiàn)教學(xué)模式的創(chuàng)新。2018年開始，教學(xué)團(tuán)隊將融合思維導(dǎo)圖的PBL教學(xué)模式引入到《大氣污染控制工程》的課程教學(xué)過程中，通過與課前、課中和課后學(xué)習(xí)等教學(xué)環(huán)節(jié)有機結(jié)合，強化了教學(xué)過程的可視化，并凸顯課程“兩性一度”的特點。雙融合教學(xué)模式對《大氣污染控制工程》教學(xué)改革起到了積極的推動作用，為其它工程類課程的教學(xué)提供了參考(圖1)。

二、《大氣污染控制工程》課程的教學(xué)設(shè)計

《大氣污染控制工程》課程學(xué)習(xí)，圍繞不同大氣污染物展開，如顆粒物、氮氧化物、硫氧化物等，其污染控制都會涉及理論、方法、實踐等方面。

因此，教學(xué)團(tuán)隊在知識探究、能力培養(yǎng)、價值引領(lǐng)和人格養(yǎng)成四維度上設(shè)立了課程教學(xué)目標(biāo)，并力求在達(dá)成這些課程目標(biāo)的教學(xué)過程中整合思維導(dǎo)圖和PBL相融合的教學(xué)設(shè)計。

在具體實施過程中，學(xué)生圍繞Problem或Keywords，借助思維導(dǎo)圖繪制，鞏固了專業(yè)課程知識，提升了問題診斷能力，提高了工程技術(shù)素質(zhì)，強化了系統(tǒng)科學(xué)思維。思維導(dǎo)圖和PBL融合可在課前預(yù)習(xí)、課堂鞏固、課外拓展等教學(xué)各環(huán)節(jié)里有所表現(xiàn)(圖2)，有效提升了學(xué)生課程參與率和學(xué)習(xí)獲得感[5]。

圖2 雙融合在教學(xué)各個環(huán)節(jié)的應(yīng)用

(一)課前預(yù)習(xí)，占取學(xué)習(xí)主動權(quán)

課前預(yù)習(xí)能培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)習(xí)慣和自學(xué)能力，有效提高獨立思考問題的能力[5]。課前預(yù)習(xí)能明顯提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，激發(fā)自覺學(xué)習(xí)的主觀能動性，從而獲得課堂學(xué)習(xí)的主動權(quán)。尤其對于內(nèi)容多，但課時緊張的課程來說，課前預(yù)習(xí)顯得尤為重要。

“課前預(yù)習(xí)單”是一種利用可視化工具幫助學(xué)生全面理解章節(jié)知識的學(xué)習(xí)導(dǎo)航體系。教師一般提前將授課章節(jié)所涉及的Problem(Keywords)布置給學(xué)生，學(xué)生通過預(yù)先設(shè)定的“模式思維導(dǎo)圖”，結(jié)合課本內(nèi)容、微課視頻、文獻(xiàn)查閱等進(jìn)行補充完善，初步建立章節(jié)內(nèi)容的知識框架。“模式思維導(dǎo)圖”其實是圍繞Problem或Keywords的章節(jié)內(nèi)容總覽、包括相關(guān)概念、設(shè)計計算、實際應(yīng)用、問題檔案等，學(xué)生既可以基于“模式思維導(dǎo)圖”完成預(yù)習(xí)，也可以對“模式思維導(dǎo)圖”進(jìn)行創(chuàng)新，繪制個性化的“課前預(yù)習(xí)單”(圖3)。

圖3 以“大氣污染與大氣污染物”為例的課前預(yù)習(xí)單

“課前預(yù)習(xí)單”需要學(xué)生預(yù)習(xí)完章節(jié)內(nèi)容后圍繞Problem或Keywords進(jìn)行歸納總結(jié)，建立前續(xù)知識與本章知識之間的聯(lián)系，清楚章節(jié)內(nèi)容在整個課程體系中的地位；“相關(guān)概念”需要學(xué)生梳理重要的概念、理論等陳述性知識，這是解決Problem的基礎(chǔ)；工程類課程會涉及許多工藝設(shè)備，特別是在知識應(yīng)用過程中，會涉及許多計算公式、設(shè)計流程等，學(xué)生通過預(yù)習(xí)進(jìn)行總結(jié)，把相關(guān)公式、設(shè)計流程等以圖表形式寫入“設(shè)計計算”模塊，初步搭建解決Problem的整體框架；“實際應(yīng)用”則需要學(xué)生結(jié)合課本知識進(jìn)行拓展，配以圖片說明章節(jié)知識在生產(chǎn)或生活中的應(yīng)用，讓學(xué)生體會知識的實用性，激發(fā)對課程學(xué)習(xí)的熱情；“問題檔案”則是教師最為關(guān)注的模塊，因為該模塊既是課堂授課的主要內(nèi)容，也是檢查學(xué)生是否完成課程預(yù)習(xí)以及對課程知識的掌握程度。

“課前預(yù)習(xí)單”是每一位學(xué)生為自己量身定制的章節(jié)“學(xué)習(xí)單”，能夠讓學(xué)生自己把握學(xué)習(xí)目標(biāo)和方法，圍繞Problem或Keywords收集拓展學(xué)習(xí)資料，而并不是被動地去接受教師給予的學(xué)習(xí)資料。

(二)課堂鞏固，發(fā)揮學(xué)習(xí)主動性

《大氣污染控制工程》課堂通常分為兩種形式：普通課堂和翻轉(zhuǎn)課堂，因此融合思維導(dǎo)圖和PBL的教學(xué)方式在這兩種形式的課堂中應(yīng)用就有了區(qū)別，但效果是一樣的，即通過思維導(dǎo)圖，學(xué)生思路和知識脈絡(luò)清晰，能夠把碎片化的知識、經(jīng)驗等加工處理，用概括性的詞或短語輸出，體會本知識模塊在整個課程體系中的地位，建立知識記憶鏈接。

在普通課堂中，教師授課圍繞學(xué)生預(yù)習(xí)后提出的“難點問題”展開，課堂教學(xué)以聽課為主，記筆記往往是防止學(xué)生走神的良器。傳統(tǒng)筆記不利于回顧和復(fù)習(xí)，無法體現(xiàn)學(xué)生的個性，致使學(xué)生創(chuàng)新能力、獨立思考能力等得不到充分發(fā)揮。將思維導(dǎo)圖作為一種全新記錄工具引入到課堂中，與傳統(tǒng)筆記相比，它能更準(zhǔn)確地反映教師上課講解的重點難點。思維導(dǎo)圖式的記錄需要學(xué)生經(jīng)過總結(jié)思考，充分體現(xiàn)學(xué)生對授課知識的理解。學(xué)生在課前預(yù)習(xí)單的基礎(chǔ)上，結(jié)合教師授課過程中的重難點，從理論、運用、實踐等角度對該Problem進(jìn)行補充完善。

在翻轉(zhuǎn)課課堂中，課堂講授環(huán)節(jié)由課堂討論和小組對抗等教學(xué)活動代替。每一次翻轉(zhuǎn)課堂，教師都會拋出一個Problem，學(xué)生以小組為單位進(jìn)行活動，包括預(yù)熱準(zhǔn)備、頭腦風(fēng)暴和成果展現(xiàn)。每一個階段都可以圍繞思維導(dǎo)圖而開展，從而有助于創(chuàng)設(shè)情景，激發(fā)學(xué)生主觀能動性，持續(xù)引發(fā)更多的有效討論和思維碰撞，使學(xué)生的學(xué)習(xí)能力得到鍛煉和強化。

以“高斯污染擴散模型”這一章節(jié)為例(圖4)。課堂中教師先拋出一個“如何求最大落地點濃度”的問題(Problem)，每一組學(xué)生需要完成三個任務(wù)，以團(tuán)隊力量完成思維導(dǎo)圖，即高斯擴散模型及其變型應(yīng)用(預(yù)熱準(zhǔn)備)、幾種方式破解這個Problem(頭腦風(fēng)暴討論)和展示最簡便的解決方式及獲得的啟示(成果展現(xiàn))。

圖4 “高斯污染擴散模型”的課堂教學(xué)過程

(三)課外拓展，保持學(xué)習(xí)的熱情

課后復(fù)習(xí)對于學(xué)生來說，是一個知識內(nèi)化的過程[6]?；谡n堂授課掌握的知識，學(xué)生需要對課前和課中繪制的思維導(dǎo)圖進(jìn)行融合形成“課程學(xué)習(xí)單”，特別是一些通過課前預(yù)習(xí)，但依舊無法理解的知識，在課中得到了教師的答疑解惑，在課后則進(jìn)一步升華，再次被補充到“課程學(xué)習(xí)單”中。通過知識內(nèi)化過程，課前預(yù)習(xí)單經(jīng)歷了課中以及課后階段，信息量大且更加全面，學(xué)生個性也能充分體現(xiàn)。修正“課前預(yù)習(xí)單”的同時，學(xué)生常常會發(fā)現(xiàn)一些不合邏輯的想法，通過知識內(nèi)化，這些不成熟的想法會被修正。思維導(dǎo)圖式的“課程學(xué)習(xí)單”有助于學(xué)生對章節(jié)知識的全面掌握，查漏補缺，在期末復(fù)習(xí)時也可以幫助學(xué)生迅速回憶起知識框架，進(jìn)行有的放矢、高效的復(fù)習(xí)。

三、雙融合教學(xué)創(chuàng)新的實踐成效

雙融合教學(xué)模式培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)散思維和創(chuàng)新思維，提升了學(xué)生對實際工程問題的解決能力。為激發(fā)學(xué)習(xí)動力，在課程考核環(huán)節(jié)特地增加了思維導(dǎo)圖的成績份額，其他則遵循原課程成績評定模式。若“課程學(xué)習(xí)單”被評選為星級思維導(dǎo)圖并提供給同伴學(xué)習(xí)者參考，則期末總評成績可考慮加分。雙融合教學(xué)模式更注重教育教學(xué)過程，思維導(dǎo)圖完善的過程同時也是學(xué)生思維的演變過程，體現(xiàn)了學(xué)生對問題的認(rèn)知、思考與解決；雙融合教學(xué)模式更注重個人與團(tuán)隊學(xué)習(xí)的交融互補，學(xué)會團(tuán)隊合作是未來社會對人才的迫切需求，充分考慮了個人學(xué)習(xí)和團(tuán)隊學(xué)習(xí)的優(yōu)勢互補，圍繞PBL全方位構(gòu)筑了“個人學(xué)習(xí)(課前)—團(tuán)隊學(xué)習(xí)(課中)—個人學(xué)習(xí)(課后)”學(xué)習(xí)鏈，使得思維導(dǎo)圖既有個性也有共性；雙融合教學(xué)模式更注重對學(xué)生創(chuàng)新能力和價值取向的培養(yǎng)，開放性的Problem創(chuàng)造了想象空間，能讓學(xué)生憑借已掌握的知識去探索未知領(lǐng)域，培養(yǎng)發(fā)散思維，提升邏輯和思維的創(chuàng)造性，并能恰當(dāng)發(fā)表自己的觀點，體現(xiàn)自己的立場，形成正確的價值取向。

(一)知識梳理，提高綜合思維能力

“流程式”思維導(dǎo)圖通過整合大量概念、事實、數(shù)據(jù)、資料、圖片等信息，經(jīng)大腦加工，形成能夠反應(yīng)繪制者所要呈現(xiàn)的客觀真理的概念和知識架構(gòu)[7]。通過思維導(dǎo)圖，學(xué)生能對所學(xué)的知識進(jìn)行梳理，及時發(fā)現(xiàn)課程知識的薄弱點，查漏補缺。同時，在對大量信息進(jìn)行理解并構(gòu)建思維導(dǎo)圖的過程中，學(xué)生可以摸索在給定的項目或主題詞下所有創(chuàng)造性的可能，來鍛煉自己的創(chuàng)新思維。比如在繪制揮發(fā)性有機物去除這一章“相關(guān)概念”模塊，學(xué)生可按課本中常規(guī)分類去繪制(思維定式即按照揮發(fā)性有機物處理濃度的高低)，也可按“資源化”或“無害化”分類去繪制(變式1和變式2，對應(yīng)于常規(guī)分類法中的高濃度和低濃度)，后兩種是基于學(xué)生對知識的理解及運用程度。

(二)知識聯(lián)想，強化系統(tǒng)思維能力

思維導(dǎo)圖有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力，主要是因為其利用了與創(chuàng)造力相連的技巧，尤其是聯(lián)想，在思維導(dǎo)圖的設(shè)計和繪制過程中得到了很好的鍛煉。融合PBL的思維導(dǎo)圖強調(diào)用圖片、色彩、關(guān)鍵詞等突出重點，形成層次分明的知識結(jié)構(gòu)[8]。這里的聯(lián)想，包含兩種層次的聯(lián)想，即基于問題聯(lián)想已學(xué)的知識和聯(lián)想其他學(xué)科的知識。因此，可以說在工程類課程中，使用思維導(dǎo)圖在培養(yǎng)學(xué)生對知識理解和掌握方面起到了舉足輕重的作用。學(xué)生在繪制思維導(dǎo)圖時，只有學(xué)習(xí)到知識才能聯(lián)想，有了聯(lián)想才能真正掌握知識。知識聯(lián)想對于繪制者形成系統(tǒng)知識體系、理解某個知識在整個課程體系中的地位發(fā)揮了重要的作用[9]。例如在設(shè)繪制機械力除塵器這一章節(jié)的“設(shè)計計算”模塊時，既可以類比聯(lián)想用于污水處理顆粒物的沉淀池設(shè)計，也可以聯(lián)想“顆粒物運動”章節(jié)中關(guān)于顆粒物沉降計算的知識，讓學(xué)生自己既串聯(lián)起課程內(nèi)的知識，又串聯(lián)起課程外的知識，從而確保思維的連貫性和系統(tǒng)性。

(三)知識重構(gòu)，拓展思維創(chuàng)新能力

“靈感”是人腦基于思維和已掌握的知識經(jīng)驗產(chǎn)生的，它是創(chuàng)造性活動的基礎(chǔ)[10]。思維導(dǎo)圖從某種意義上講是“靈感”的體現(xiàn)，尤其是學(xué)生從事創(chuàng)造性的活動。在創(chuàng)制思維導(dǎo)圖的過程中，學(xué)生常常會產(chǎn)生一些不符合邏輯甚至頗顯錯誤的想法，有些甚至?xí)撾x問題或者主題。但作為教師，如果從其他角度幫助學(xué)生去重新審視這些想法，或許這些會引發(fā)一些新的思考，成為新的思考中心。學(xué)生思考深度和維度也會隨之延展，既鍛煉了創(chuàng)新能力，也提升了獨立思考的能力。如在繪制揮發(fā)性有機物去除這一內(nèi)容的思維導(dǎo)圖，通過相關(guān)課程知識的聯(lián)想，部分學(xué)生會形成“教授的治理技術(shù)都是將揮發(fā)性有機物轉(zhuǎn)化為二氧化碳，在當(dāng)前碳減排大背景下就沒有必要學(xué)習(xí)這些技術(shù)”的錯誤觀點。教師首先要肯定學(xué)生能將碳減排與課程知識相聯(lián)系的好作法，接著要糾正對于碳減排的認(rèn)識，它是污染控制的深層次的發(fā)展，只有污染得到控制后才能考慮二氧化碳的減排，進(jìn)而引發(fā)學(xué)生思考減少碳排放的措施，發(fā)揮主觀創(chuàng)造性，通過資料查閱等提出技術(shù)改進(jìn)方法及未來發(fā)展方向。

思維導(dǎo)圖是一種“可視化”的表達(dá)方式，為繪制者提供了一種促進(jìn)認(rèn)知和知識重構(gòu)的工具。融合了PBL的思維導(dǎo)圖能使抽象知識具象化、內(nèi)在知識外在化、碎片知識整體化、平面知識立體化，有效地提升了工程類課程的學(xué)習(xí)效果。雙融合教學(xué)模式滿足學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)需求，全面提升個體學(xué)習(xí)效果；能為教師反饋有益價值，促進(jìn)教學(xué)方式不斷優(yōu)化升級；整合了教學(xué)資源，打通校內(nèi)校外、課內(nèi)課外、線上線下教學(xué)通路。通過在《大氣污染控制工程》教學(xué)改革中的實踐，筆者發(fā)現(xiàn)該教學(xué)方式可以更好地幫助學(xué)生在知識、能力、素養(yǎng)方面均得到鍛煉和提高。然而，筆者還感覺到，融合了PBL的思維導(dǎo)圖在工程類課程中的應(yīng)用還有待持續(xù)深入，還需要在教學(xué)實踐中不斷去摸索，帶給學(xué)習(xí)者更有效的體驗。未來，“學(xué)習(xí)共同體”將逐步取代個體學(xué)習(xí)者，參與教學(xué)活動。通過構(gòu)建師生共同參與的“主導(dǎo)—主體”學(xué)習(xí)共同體，充分融合教師價值引領(lǐng)與學(xué)生主動探索，共同完成融合思維導(dǎo)圖的項目式學(xué)習(xí)，從而能讓共同體中每一個體在知識、能力與素養(yǎng)方面不斷提高，真正實現(xiàn)高校課程“兩性一度”的要求。