環境工程專業課程教學方法創新與應用

吳圣姬 馬青蘭

摘 要：思維導圖作為近年來新興的可視化輔助教學技術手段，在“以學生為本”的教學設計中逐漸得到廣泛應用。結合“大氣污染控制工程”課程的多年教學實踐，將思維導圖模式應用到環境工程專業課程的本科教學中，優化了課程內容，拓寬了學生的知識面，提高了學生的批判性創新思維能力、歸納總結及總體規劃能力。

關鍵詞：環境工程；思維導圖；教學方法；能力素質提升；大氣污染控制工程

思維導圖是一種將發散性思維具體化的方法，由英國著名心理學家東尼·博贊發明，其認知功能與人類大腦的認知功能相類似，使用者將信息表征工具，包括圖片、圖形、詞語等，加以組合運用，通過呈現概念之間的層次關系和思維順序關系，實現概念表征的可視化，具有“既見樹木又見森林”之功效[1]。這種可視化教學，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，有助于信息的儲存和提取，進而有益于教學質量和學習效率的提升。已有研究表明，思維導圖之教學模式，在優化教師的教學設計、活躍學生的思維、全方位提升學生綜合能力和素質等方面有重要的作用。基于思維導圖的教學理念，致力于培養學生的創新思維及提高教學質量，意義重大[2]。目前，思維導圖作為一種可視化教學輔助工具在理工科教學等領域的應用較為廣泛[3，4]。針對高等學校的教學特點，將思維導圖與教學相結合的研究已有一些報道，主要集中在有機化學、高分子化學、物理化學等化學類課程和少數工科類課程，并且高校的創新創業教育教學中也引入思維導圖概念[5，6]，但針對大氣污染控制工程教學的應用，尚未見公開報道。在我國大力推進生態文明建設、堅定實施“綠水青山就是金山銀山”的富民強國之路上，如何基于思維導圖的教學相長理念，進一步提高大氣污染控制工程教學成效，是一個值得探索的重要課題。

從2006年開始，我國著力構建與工程教育認證制度相銜接的工程教育體系，要求實施“學生中心、產出導向和持續改進”的三個基本理念。其中，產出導向（成果導向，OBE：Outcomes-Based Education）改變了傳統的“以知識為主導”的教學理念，以學生學習成果的水平及其達成度來組織和實施教學，重點強調“學生產出”，立足于工程教育認證的大背景，注重培養學生的能力[7，8]。在工程教育認證制度的大背景下，“大氣污染控制工程”作為環境工程專業核心課程之一，具有多學科有機融合的特質，其課堂教學是直接保障高質量人才培養的關鍵，教學效果直接關系到環境工程專業學生掌握大氣污染治理的理論知識和實際工程能力，對提高學生的專業素養及在就業市場的競爭力起著至關重要的作用[9]。要提高人才培養質量，就要從課堂教學以及相關教學模式改革入手。在現實的工作過程中，要掌握并靈活運用大氣污染控制工程的技術與方法，工程技術人員通常需要在工作中有相當長時間的累積和磨礪，對尚在大學校園學習且知識面的深度與廣度比較局限的大學生而言，是一個富有挑戰性的任務。

“大氣污染控制工程”課程內容豐富，通常需要安排80～100學時才有可能達到比較理想的教學效果，但各高校開設該課程往往學時數較少且相差較大，而且涉及化工原理、物理化學等專業基礎學科的知識，對知識面和能力與素質較弱的本科生而言，技術內容略顯枯燥且繁雜。因此，在教學中如何激發學生的學習興趣，培養學生通觀全局的能力，使學生既能掌握相關的基本理論，又能具有運用所學知識解決實際問題的能力，成為迫切需要解決的問題。為了達到教學目標、提高學生的學習成效，秉持“以學生為本”的教學理念和“學生產出”為重點的教學范式，筆者創造性地將思維導圖模式應用到環境工程專業課程的本科教學中，重新優化“大氣污染控制工程”的教學內容，有效激發了學生自主學習的積極性，全方位培養了學生的創新和實際工程能力，取得了顯著的成效。

一、思維導圖在教學中的作用及意義

1.教學設計的優化

教學設計是一個全面的系統工程，是教師對教學諸要素的有序安排。教學設計需要教師整體把握教學，認真并仔細思考解決問題的過程以及各個教學要素之間的關系，再從主要素細化成各個層次，這與思維導圖的思想很相似。思維導圖以邏輯清晰、層次分明等結構特征展現各個知識點之間的相互關系，能夠幫助教師在設計過程中整體把握教材和教學內容，也能夠讓教師明確各知識點的位置和重要程度，有利于進行有效教學和設計。圖1為大氣污染控制工程的思維導圖全景圖，教師在采用思維導圖進行教學設計時對教學重難點以及教學過程一目了然，幫助教師對整體教學內容進行優化，并有利于綜合考慮學科的基礎知識、教學知識、應用知識以及學科前沿知識等多方面的內容，較好地掌握教學環節，以達到教學目標。

2.學生創新思維的培養及認知結構的優化

思維導圖作為一種圖解知識和思維的工具，具有獨特的圖形結構，它圖文并茂又生動形象，用不同的顏色線條表示不同的分類想法。從思維導圖概念到制作過程以及結果，與學生的認知心理有很大的關聯性。它同時采用了語言和圖像的表征單元，給學生視覺刺激，增強學生有意識的注意和記憶，有助于提高學生的學習效率。思維導圖的無限擴展性能夠引導學生從相反的角度思考問題。當學生用一種方法無法解決問題時，可以采用思維導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新思維的重要部分[10]。思維導圖的制作過程是輕松深思的過程，是大腦喜歡的思考方式。當大腦處于松弛狀態時，會產生新想法或獨特的觀點，能夠培養學生的創新思維[4]。

3.“成功課堂”的建立

“成功課堂”是“建構性學習”與“學生有效參與”二者的復合函數[11]。在積極構建“建構性學習”的前提下，努力保證“學生有效參與”，從而實現“成功課堂”，保證“學生產出”。思維導圖作為能動的建構過程，為知識的建構提供支架。學習者遇到未知事物或現象時，使用他們已有知識解釋新的信息。學習者激活先備知識和嘗試將新知識與已有知識相聯系。這種“建構性學習”是主動的、能動的結果，而不是外在所支配和操縱的結果。Harkirat等提出，建構主義可視化教學可以提高學生認知結構的質量，開闊學生的思想，建立完整、系統的信息結構，從而優化學生的認知結構[12]。

二、思維導圖在教學中的應用模式

思維導圖作為教師組織教學和學生學習的好方法，近年來廣泛應用于高等教育教學中，并取得了顯著效果。國內外研究者在醫學、信息技術、物理學、經濟學等學科教學中開展了大量的思維導圖的教學實踐研究，具體分為以下三種教學模式：一是學生為主體的“學生個體式”，二是小組討論為主的“小組互動式”，三是學生問題解決為主、教師啟發為輔的“問題導向式”。以上三種模式由低級思維模式向高級發展，分別用在學生的預習、課堂中、歸納總結以及問題的解決上。

1.學生個體式

“學生個體式”模式是在初期思維導圖教學過程中應用最多的模式。其表現為以學生為中心，教師給出特定主題，通過學生自己的判斷和理解，將概念、觀點畫出逐漸分化的、層次的、概括的思維導圖，進而體現出學生的知識結構和思維過程。以袋式除塵器為例，首先教師在網絡教學平臺里公布有關袋式除塵器的教學視頻，學生根據老師的要求課前預習，并制作思維導圖的略圖；教師在課堂中圍繞新知識，向學生詳細講解新知識、新概念；課后學生根據自己原有的知識以及新知識、概念等逐步修改和完善思維導圖，發展知識結構。這與“先學后教”的教學模式相結合。圖2為學生個體制作的思維導圖。

2.小組互動式

學習過程是通過學生個體行為和外部環境，尤其是學習群體之間、學習伙伴之間的相互作用而實現，因此，教學活動中個體與群體之間的協作和交流尤為重要。小組互動式的模式不僅可以激發學生的主動學習，同時可以兼顧學生學習方法、學習風格以及思維模式的差異。其表現為在學生個體制作的思維導圖基礎上，通過小組成員之間的討論，進一步加深個體的理解，完成小組對某一知識或主題的思維導圖。通過小組討論，學生對主題內容有進一步的分析和理解，最終提交整潔的思維導圖。在整個活動中學生可以大膽發表自己的見解，不僅提升學生之間的溝通能力，而且提高相互學習的能力。

3.問題導向式

問題導向式的應用模式是在思維導圖教學模式中級別最高的模式，是非線性的組織過程，它根據思維導圖的6W（who，what，when，where，why和how）來分別表達出問題的關鍵點。在問題解決過程中，學生通過已具備的知識和經驗，需要不斷思考，討論問題的相關議題。思維導圖的作用是把關鍵問題通過圖片、文本等描述它們之間的關聯，尋找問題的解決途徑，最終實現問題的解決，提高學生解決問題的能力。之后，進一步在教師的引導下，再次補充信息。這是一個反復且循環的過程，教師可以讓學生的想象不被具體事物所限制，可以任意聯想，開闊思維，這有利于培養學生的創新思維能力。

三、思維導圖在教學中應用的綜合評價

為了評價思維導圖在教學中的效果，筆者通過問卷形式調查了學生對思維導圖在學習中的感受、在小組學習和能力培養中的作用等問題。結果顯示，學生對思維導圖的教學模式都持肯定的態度，70%的學生認為思維導圖有助于學習。

課堂教學中引入思維導圖的目的是強調以學生為中心的互動式學習，因此教學過程中多次采用了小組合作方式。問卷調查中可以看出，50%的學生喜歡自己畫思維導圖，只有30%學生喜歡小組合作畫圖，可見學生并沒有表現出特別喜歡小組合作模式。學生認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方法進行改進，不能以小組評分。關于小組討論是否能夠幫助解決問題，學生普遍認為有一定的幫助，并且參與度也比較高。由能力培養的問卷調查結果可以看出，大部分學生認為思維導圖有助于學習效率的提高，尤其是在歸納總結和知識梳理上幫助很大。學生通過思維導圖的制作過程深入思考、分析和理解每個關鍵詞之間的層級關系和邏輯關系，并進行總體規劃、合理布局，經過長期的實踐和積累，可以培養學生的總體規劃能力和歸納總結能力。

基于思維導圖的課堂教學模式改革不是一次性的教學實踐，要獲得良好的教學效果需要長期的、持續的改進。通過兩輪的教學改革發現，傳統的評估模式下，學生對教師期末的評價和教師對學生期末的考試無法正確評價課堂教學改革的效果，需要進行教師和學生的自評環節、小組成員之間的互評環節以及小組與小組之間的互評環節。學生評價的依據應該以過程為導向，評價內容更為細致和全面化[13]。

教師在課程開始時對學生說明本課程的考核形式，讓學生時刻跟著教師的教學理念走。這種多樣化的評價方式可以提高學生的學習熱情和積極性，從而以更加主動的心態參與學習過程，以便保證教學效果。

參考文獻：

[1] 東尼·博贊. 思維導圖[M]. 北京：中信出版社，2009.

[2] 彭永杰. 思維導圖在高中化學選修1《化學與生活》教學中的實踐研究[D]. 合肥：合肥師范學院，2017.

[3] 張海森. 2001—2010年中外思維導圖教育應用研究綜述[J]. 中國電化教育，2011（8）：120-124.

[4] 董博清. 基于思維導圖的中學物理教學實證研究[D]. 長春：東北師范大學，2013.

[5] 陳亞芍，寧清茹. 思維導圖在物理化學教學中的應用[J]. 大學化學；2017（32）：24-29.

[6] 黃秋石. 思維導圖在高校創新創業教育教學中的應用研究[J]. 蘭州教育學院學報，2016（32）：113-114.

[7] 周紅坊，朱正偉，李茂國. 工程教育認證的發展與創新及其對我國工程教育的啟示[J]. 中國大學教學，2017（1）：88-95.

[8] 王金旭，朱正偉，李茂國. 成果導向：從認證理念到教學模式[J]. 中國大學教學，2017（6）：77-81.

[9] 張學洪，張軍，曾鴻鵠. 工程教育認證制度背景下的環境工程專業本科教學改革啟示[J]. 中國大學教學，2011（6）：37-39.

[10] 吳靜. 基于思維導圖培養學生創新思維的教學模式研究[D]. 河北：河北師范學院，2012.

[11] 王永峰. 從“建構性學習”到“學生有效參與”——論課堂教育技術之正業[D]. 長春：東北師范大學，2009.

[12] Harkirat SD， Makarimi-Kasim ORA. Constructivist-Visual Mind Map Teaching Approach and the Quality of Students‘ Cognitive Structures[J]. Scientific Education Technology. 2011， 20： 186-200.

[13] 劉紅霞，黃倩. 基于翻轉課堂的大學會計專業本科教學過程設計研究——以“中級財務會計”課程教學為例[J]. 中國大學教學，2015（8）：58-61.

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

[責任編輯：余大品]