現代教育技術指導大學生開放實驗項目設立及效果分析

劉 麗, 趙曉明, 范翔宇, 劉艷麗, 王志恒

(1. 西南石油大學 地球科學與技術學院, 四川 成都 610500；2. 中國地質科學院 地球物理地球化學勘查研究所, 河北 廊坊 065000)

現代教育技術,是指運用現代教育技術理論和手段,通過對教與學的過程和資源的設計、開發、利用、管理和評價,實現教學優化的理論和實踐[1-3]。其涉及內容雖然廣泛,幾乎包含人類教育活動的總和,然而,其中最為重要的3種教育理論是認知結構思想、有意義學習思想和構建主義學習思想[4-6]?，F代教育技術手段則更具有專業性,在各個專業方向,其專用儀器眾多且先進。綜合應用現代教育技術,在世界各國教育中已取得了大量的實踐經驗,并已得到教育界的廣泛認可[7-9]。

地質資源與地質工程學科,是針對各種礦業資源勘探與開發,培養相關人才的專業。當前,礦產資源需求日益增加,如何加快勘探開發各類礦產資源,滿足經濟建設的可持續發展需要,保障礦產資源開發的戰略地位,已成為發展的重中之重[10-12]。本文以地質資源與地質工程專業為例,結合現代教育技術理論,基于認知結構學習思想、有意義學習思想和構建主義學習思想,提供具有邏輯性的學習材料,培養學習者的學習心向和正確學習觀念,激發學習者的主觀能動性,同時,應用現代先進的技術手段,以學生為主體、教師為輔助的實驗教學模式開展實驗項目,最終構建起學習者的知識體系。

1 現代教育技術理論及手段內涵

1.1 現代教育技術理論

現代教育技術起源于20世紀30年代的美國。在中國,該技術理論的發展始于20世紀80年代,其概念包含現代的技術手段、教學方法和教學設計等[13-15],本文主要從該理論中3種重要的思想入手,包括認知結構思想、有意義學習思想和構建主義學習思想,深入分析上述3種思想的內涵,理清教育教學中的關鍵點,從而提出有益于學生思考、學習和發展的開放實驗項目。

認知結構思想于20 世紀初期產生,由韋特海墨、皮亞杰和布魯納等人不斷發展和完善。其在客觀主義認識的基礎上,承認世界是由客觀的實體組成的,并且各實體之間的關系也是客觀存在的,其核心思想是認為認知過程應具有邏輯性[16-17]；有意義學習思想由美國教育心理學家奧蘇貝爾提出,指的是將新知識與學習者認知結構中已有的適當觀念,建立非人為和實質性聯系的過程。該思想旨在促進有意義學習的發生,而非機械學習,其核心思想是學習材料應具有邏輯性,學習者應有學習心向,學習者觀念應正確[18-19]；建構主義學習思想是皮亞杰、布魯納和維果茨基理論的綜合發展,構建主義更多地強調學習者的主觀能動性,建構內部心理表征[20-21](見圖1)。

1.2 現代教育技術手段

現代教育技術除了對理論方面的研究以外,還有對技術方面的研究?？茖W的發展,離不開技術手段的革新[22-24]。充分地利用緊跟時代發展的技術,將其運用到教育教學中,可促使教育改革、推動教育發展?，F代教育技術中,多媒體、計算機技術、網絡與通信技術和虛擬現實技術是重要的3大技術。在此基礎上,涉及到各個行業和專業,其各種先進的儀器設備、軟件系統及數據庫等,均可作為現代教育技術手段。尤其是在開放實驗項目中,充分利用這些技術,能更好地發揮專業作用,構建起學習者的知識體系(見圖1)。

圖1 現代教育技術理論與手段指導開放實驗項目設立

2 現代教育技術指導開放實驗項目設立原則

用現代教育技術理論和手段分析可知,在指導學生學習中,認知結構思想主要強調的是教育的邏輯性,即結合學習者原有的知識經驗和認知結構,結合新學習材料的內在邏輯結構,進行學習；有意義學習理論則主要強調的是教育的策略性,即利用適當的引導性材料對當前所學新內容加以定向與引導；建構主義則主要強調教育的主觀能動性,即引導學生自主學習。

在此基礎上,綜合3種思想的精髓,構建起了開放實驗項目設立的原則,即以學生為學習的主體,發揮其主觀能動性；教師應作為幫助者,起到指導作用；學習內容的設立,則應體現出學習內容、學習材料等與原有知識體系的邏輯性和聯系,并應用相關專業的儀器設備和軟件等,共同完成實驗項目,最終達到構建起學習者知識體系的目的?；谏鲜鏊枷?建立了現代教育技術理論指導下的開發實驗項目設立原則(見圖1)。

3 開放實驗項目的設立及其效果分析

隨著社會的發展,學生作為一個“現代人”,對其專業技術知識和綜合素質的要求在不斷提高?；谏鲜鲩_放實驗項目設立原則,在地質資源與地質工程學科,實施了一系列開放實驗項目。將學生從封閉式的學習環境中解放出來,提供靈活多樣的與專業相關的材料、實驗設備和軟件,體現了以學生為主體的教學理念,為學生提供了一個能夠充分發揮自主性、創造性的學習環境,更好地發展其創造力。

3.1 實例1：開放實驗項目“不同巖性的聲波縱橫波速度、相關關系及特征分析”

該開放實驗項目,從學生原有的知識經驗、認知結構出發,設計了有意義的實驗內容。通過這些設計,學生能夠比較容易地習得新實驗內容,使學生原有的認知結構發生重組和更新,促進學生實驗能力的提高。該實驗項目以學生在“測井方法與原理”課程中學習到的聲波測井方面的相關專業知識為基礎,基于實驗室現有的砂巖、黃砂巖、灰巖和大理石等巖性的巖石體,利用實驗室模擬井設備(見圖2),測量相同條件下,不同巖石介質的縱波、橫波速度規律以及各巖石介質橫縱波之間的關系,進而探索總結不同巖石的聲傳播特性。

通過實驗,學生掌握了聲波測井模擬系統的測量原理和操作步驟,分別對砂巖、黃砂巖、灰巖和大理石等進行研究,得出其縱波、橫波波形特征,并用Excel作出源距與時間的關系圖得到速度,然后建立縱橫波速度的相關關系,分析縱橫波特征的變化規律(見圖3)。

圖2 聲波測井模擬實驗系統

實驗室測定是獲得巖石的縱橫波速度最常用的方法,也是最可靠的方法。學生通過該開放實驗項目,與原有專業知識結合,今后可為聲波測井解釋等方面工作提供依據,也為解釋儲層巖性、物性及流體性質等提供參考。

圖3 大理石縱橫波波形特征、速度及相關關系

3.2 實例2：開放實驗項目“深水水道地質數據庫研發”

該開放實驗項目,從學生原有的沉積學知識出發,針對深水水道沉積體,提供了一些有意義的引導材料,即大量相關內容的中英文參考文獻。通過翻譯和閱讀這些文獻,在此基礎上,對深水水道構型的地震資料進行分類,從地震屬性切片、地震剖面的測量或者是構型參數統計圖件等幾類圖片或者資料,采用數值化工具獲取數據庫基本信息,包括深水水道的寬度、厚度等形態學參數(見圖4)。最終,匹配上相應的控制類信息和時空坐標,包括氣候、構造條件,沉積物供給情況、海平面變化等,建成深水水道數據庫系統。教師通過項目內容設計,精心準備材料,促進學生進行有意義的學習。

圖4 深水水道構型分類方案(據Deptruck,2003)

通過該數據庫的建立,使學生增強多方面的能力。大量的文獻閱讀,增進原有知識體系,學生能夠比較容易地習得新內容,建立新、舊知識之間的聯系；學習多種種類的軟件,促進學生實驗能力的提高,為其今后參與相關科研工作打下基礎；對數據的結構劃分為五個層級,從高到低分別為研究區域層、信息分類層、構型單元信息層、巖層信息層和巖相信息層,使學生在頭腦中構建起知識體系的相關關系。最終建立起的數據庫(見圖5),是存放深水水道構型參數與控制信息的工具,其能夠實現以上資料的共享和快速利用,對新學習內容起固定、吸收作用,對專業方面有所提升。

圖5 深水水道數據庫研發軟件

3.3 實例3：開放實驗項目“阿爾奇公式參數b和n的確定方法及影響因素分析”

該開放實驗項目,針對阿爾奇公式發表以來,模型的巖石電學研究和爭論一直沒有停止過的情況。在國外和國內,到目前為止仍然有人對阿爾奇公式中參數a、b、m和n的物理意義及在不同條件下Archie公式的擴展形式,有不同的見解。為此,對于已具備巖石物理學基礎知識理論的學生,開設了該實驗。在實驗中,教師作為實驗的指導者,只給出了測量阿爾奇公式中參數b和n的目標,而學生是實驗的主體,是意義的主動建構者,自行設計實驗過程,并且采用團隊方式進行,在共同努力的情境下,共同協作完成,從而最終自我建構起實驗目標結果(見圖6)。

圖6 應用聲波-電阻聯測儀測量巖心電阻

圖7 巖心27-2含水飽和度與電阻率增大系數相關關系圖

4 結語

(1) 現代教育技術理論及手段,為大學生開放實驗項目的設立提供了理論指導和技術支持。首先提供具有邏輯性的學習材料,在此基礎上,培養學習者的學習心向和正確學習觀念,激發學習者的主觀能動性,同時,應用現代先進的技術手段,以學生為主體、教師為輔助的實驗教學模式開展實驗項目,最終構建起學習者的知識體系。

(2) 大學生開放實驗項目與現代教育技術相結合,更益于構建起學習者的知識體系。大學生開放實驗具有教學模式多樣化、管理過程靈活和教學內容多變等特點,與現代教育技術理論及手段相結合,更能激發出學生的學習熱情,建立良好的認知結構,進行有意義的學習,提高學生綜合素質,培養出通識能力、專業基礎能力和專業發展能力兼具的綜合人才。