现代教育技术指导大学生开放实验项目设立及效果分析

刘 丽, 赵晓明, 范翔宇, 刘艳丽, 王志恒

(1. 西南石油大学 地球科学与技术学院, 四川 成都 610500；2. 中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所, 河北 廊坊 065000)

现代教育技术,是指运用现代教育技术理论和手段,通过对教与学的过程和资源的设计、开发、利用、管理和评价,实现教学优化的理论和实践[1-3]。其涉及内容虽然广泛,几乎包含人类教育活动的总和,然而,其中最为重要的3种教育理论是认知结构思想、有意义学习思想和构建主义学习思想[4-6]。现代教育技术手段则更具有专业性,在各个专业方向,其专用仪器众多且先进。综合应用现代教育技术,在世界各国教育中已取得了大量的实践经验,并已得到教育界的广泛认可[7-9]。

地质资源与地质工程学科,是针对各种矿业资源勘探与开发,培养相关人才的专业。当前,矿产资源需求日益增加,如何加快勘探开发各类矿产资源,满足经济建设的可持续发展需要,保障矿产资源开发的战略地位,已成为发展的重中之重[10-12]。本文以地质资源与地质工程专业为例,结合现代教育技术理论,基于认知结构学习思想、有意义学习思想和构建主义学习思想,提供具有逻辑性的学习材料,培养学习者的学习心向和正确学习观念,激发学习者的主观能动性,同时,应用现代先进的技术手段,以学生为主体、教师为辅助的实验教学模式开展实验项目,最终构建起学习者的知识体系。

1 现代教育技术理论及手段内涵

1.1 现代教育技术理论

现代教育技术起源于20世纪30年代的美国。在中国,该技术理论的发展始于20世纪80年代,其概念包含现代的技术手段、教学方法和教学设计等[13-15],本文主要从该理论中3种重要的思想入手,包括认知结构思想、有意义学习思想和构建主义学习思想,深入分析上述3种思想的内涵,理清教育教学中的关键点,从而提出有益于学生思考、学习和发展的开放实验项目。

认知结构思想于20 世纪初期产生,由韦特海墨、皮亚杰和布鲁纳等人不断发展和完善。其在客观主义认识的基础上,承认世界是由客观的实体组成的,并且各实体之间的关系也是客观存在的,其核心思想是认为认知过程应具有逻辑性[16-17]；有意义学习思想由美国教育心理学家奥苏贝尔提出,指的是将新知识与学习者认知结构中已有的适当观念,建立非人为和实质性联系的过程。该思想旨在促进有意义学习的发生,而非机械学习,其核心思想是学习材料应具有逻辑性,学习者应有学习心向,学习者观念应正确[18-19]；建构主义学习思想是皮亚杰、布鲁纳和维果茨基理论的综合发展,构建主义更多地强调学习者的主观能动性,建构内部心理表征[20-21](见图1)。

1.2 现代教育技术手段

现代教育技术除了对理论方面的研究以外,还有对技术方面的研究。科学的发展,离不开技术手段的革新[22-24]。充分地利用紧跟时代发展的技术,将其运用到教育教学中,可促使教育改革、推动教育发展。现代教育技术中,多媒体、计算机技术、网络与通信技术和虚拟现实技术是重要的3大技术。在此基础上,涉及到各个行业和专业,其各种先进的仪器设备、软件系统及数据库等,均可作为现代教育技术手段。尤其是在开放实验项目中,充分利用这些技术,能更好地发挥专业作用,构建起学习者的知识体系(见图1)。

图1 现代教育技术理论与手段指导开放实验项目设立

2 现代教育技术指导开放实验项目设立原则

用现代教育技术理论和手段分析可知,在指导学生学习中,认知结构思想主要强调的是教育的逻辑性,即结合学习者原有的知识经验和认知结构,结合新学习材料的内在逻辑结构,进行学习；有意义学习理论则主要强调的是教育的策略性,即利用适当的引导性材料对当前所学新内容加以定向与引导；建构主义则主要强调教育的主观能动性,即引导学生自主学习。

在此基础上,综合3种思想的精髓,构建起了开放实验项目设立的原则,即以学生为学习的主体,发挥其主观能动性；教师应作为帮助者,起到指导作用；学习内容的设立,则应体现出学习内容、学习材料等与原有知识体系的逻辑性和联系,并应用相关专业的仪器设备和软件等,共同完成实验项目,最终达到构建起学习者知识体系的目的。基于上述思想,建立了现代教育技术理论指导下的开发实验项目设立原则(见图1)。

3 开放实验项目的设立及其效果分析

随着社会的发展,学生作为一个“现代人”,对其专业技术知识和综合素质的要求在不断提高。基于上述开放实验项目设立原则,在地质资源与地质工程学科,实施了一系列开放实验项目。将学生从封闭式的学习环境中解放出来,提供灵活多样的与专业相关的材料、实验设备和软件,体现了以学生为主体的教学理念,为学生提供了一个能够充分发挥自主性、创造性的学习环境,更好地发展其创造力。

3.1 实例1：开放实验项目“不同岩性的声波纵横波速度、相关关系及特征分析”

该开放实验项目,从学生原有的知识经验、认知结构出发,设计了有意义的实验内容。通过这些设计,学生能够比较容易地习得新实验内容,使学生原有的认知结构发生重组和更新,促进学生实验能力的提高。该实验项目以学生在“测井方法与原理”课程中学习到的声波测井方面的相关专业知识为基础,基于实验室现有的砂岩、黄砂岩、灰岩和大理石等岩性的岩石体,利用实验室模拟井设备(见图2),测量相同条件下,不同岩石介质的纵波、横波速度规律以及各岩石介质横纵波之间的关系,进而探索总结不同岩石的声传播特性。

通过实验,学生掌握了声波测井模拟系统的测量原理和操作步骤,分别对砂岩、黄砂岩、灰岩和大理石等进行研究,得出其纵波、横波波形特征,并用Excel作出源距与时间的关系图得到速度,然后建立纵横波速度的相关关系,分析纵横波特征的变化规律(见图3)。

图2 声波测井模拟实验系统

实验室测定是获得岩石的纵横波速度最常用的方法,也是最可靠的方法。学生通过该开放实验项目,与原有专业知识结合,今后可为声波测井解释等方面工作提供依据,也为解释储层岩性、物性及流体性质等提供参考。

图3 大理石纵横波波形特征、速度及相关关系

3.2 实例2：开放实验项目“深水水道地质数据库研发”

该开放实验项目,从学生原有的沉积学知识出发,针对深水水道沉积体,提供了一些有意义的引导材料,即大量相关内容的中英文参考文献。通过翻译和阅读这些文献,在此基础上,对深水水道构型的地震资料进行分类,从地震属性切片、地震剖面的测量或者是构型参数统计图件等几类图片或者资料,采用数值化工具获取数据库基本信息,包括深水水道的宽度、厚度等形态学参数(见图4)。最终,匹配上相应的控制类信息和时空坐标,包括气候、构造条件,沉积物供给情况、海平面变化等,建成深水水道数据库系统。教师通过项目内容设计,精心准备材料,促进学生进行有意义的学习。

图4 深水水道构型分类方案(据Deptruck,2003)

通过该数据库的建立,使学生增强多方面的能力。大量的文献阅读,增进原有知识体系,学生能够比较容易地习得新内容,建立新、旧知识之间的联系；学习多种种类的软件,促进学生实验能力的提高,为其今后参与相关科研工作打下基础；对数据的结构划分为五个层级,从高到低分别为研究区域层、信息分类层、构型单元信息层、岩层信息层和岩相信息层,使学生在头脑中构建起知识体系的相关关系。最终建立起的数据库(见图5),是存放深水水道构型参数与控制信息的工具,其能够实现以上资料的共享和快速利用,对新学习内容起固定、吸收作用,对专业方面有所提升。

图5 深水水道数据库研发软件

3.3 实例3：开放实验项目“阿尔奇公式参数b和n的确定方法及影响因素分析”

该开放实验项目,针对阿尔奇公式发表以来,模型的岩石电学研究和争论一直没有停止过的情况。在国外和国内,到目前为止仍然有人对阿尔奇公式中参数a、b、m和n的物理意义及在不同条件下Archie公式的扩展形式,有不同的见解。为此,对于已具备岩石物理学基础知识理论的学生,开设了该实验。在实验中,教师作为实验的指导者,只给出了测量阿尔奇公式中参数b和n的目标,而学生是实验的主体,是意义的主动建构者,自行设计实验过程,并且采用团队方式进行,在共同努力的情境下,共同协作完成,从而最终自我建构起实验目标结果(见图6)。

图6 应用声波-电阻联测仪测量岩心电阻

图7 岩心27-2含水饱和度与电阻率增大系数相关关系图

4 结语

(1) 现代教育技术理论及手段,为大学生开放实验项目的设立提供了理论指导和技术支持。首先提供具有逻辑性的学习材料,在此基础上,培养学习者的学习心向和正确学习观念,激发学习者的主观能动性,同时,应用现代先进的技术手段,以学生为主体、教师为辅助的实验教学模式开展实验项目,最终构建起学习者的知识体系。

(2) 大学生开放实验项目与现代教育技术相结合,更益于构建起学习者的知识体系。大学生开放实验具有教学模式多样化、管理过程灵活和教学内容多变等特点,与现代教育技术理论及手段相结合,更能激发出学生的学习热情,建立良好的认知结构,进行有意义的学习,提高学生综合素质,培养出通识能力、专业基础能力和专业发展能力兼具的综合人才。