基于PBL教学模型的含水层动力学方程教学研究★

张 博

(黑龙江科技大学，黑龙江 哈尔滨 150022)

0 引言

含水层动力学方程课程教学模式对课堂教学效果有着重要的影响，因此，应围绕服务学生的成长成才和知识能力的提高，着力推进高校教学模式改革，以有效提升教学效果，培养更多地质工程领域的核心人才。然而，基于高校教学改革研究较少针对学生的学习体验、学习效果这一“内在”的数据，更普遍的是以教师为对象进行“教学方法论”方面的研究。长此以往导致理论性的探索更加普遍，预定的改革目标并不能较好得在表观上反映出学生的内在体验和学业收获。本文提出以学生的表观感受及普遍现象出发，对含水层动力学方程课程课堂教学模式改革进行思考和探索。

1 含水层动力学方程课程传统课堂教学模式的弊端

目前含水层动力学方程课程课堂教学模式主要是单纯的“教师台上讲、学生台下听”，即所谓的“满堂灌”“一言堂”，教师借助板书与PPT讲授教材中的知识点，学生全程被动听讲接受。学生课下只需完成教师布置的习题即可。这种传统教学模式虽然节省了教师在课堂教学方面所投入的精力和时间，顺利推进课程教学进度，然而，从学生所获得的实际感受与教学效果来说，传统课堂教学模式在三个方面存在较强的自我变革的内在动力。

1.1 课堂知识转化率

传统课堂教学中，师生之间缺乏互动，学生缺少及时反馈自己接受课堂知识的情况，对课堂知识的理解与疑问，仅能通过课后答疑等方式来弥补。教师依照自己的课程安排，按部就班地进行知识讲授，对学生在课堂上的掌握情况并无实际了解，对于有经验的老师可以通过部分学生的眼神交流，来获取学生的听课成果，但也无法保证所有学生在同一进度。学生对此情况也应对自如，普遍采取自学教材、考前复习和针对历年考题押题等应试技巧来应对课程考核，对课堂学习的不重视程度进一步加剧。因此，传统课堂教学模式已经无可避免的在知识的接受效率和传授质量上落伍，课堂知识转化率成为关键，更加有效的课堂教学设计和丰富的教学效果急需被挖掘。

1.2 学习兴趣激发率

美国斯坦福大学的GBL项目中，学生最先学习的就是如何激发自身和同学的学习兴趣，调动团队成员的创新思维能力[1]；学习兴趣激发率是位列第一的重点考核指标。然而，在传统大学课堂中，教师讲授教学内容是最重要的考核指标。这种课堂导致师生缺乏互动，教师以完成教学大纲任务为第一要务，学生被动接受教学内容，“听多少学多少”，课堂听讲成为一个任务。课下时间也只包含作业时间和习题解答，学习兴趣无关紧要。

整个学习过程中，学生没有激发学习兴趣的必要，自主探究和思维创新对于课程考核没有特殊意义，缺乏与其他同学合作交流、讨论的意愿。这种传统教学模式并不以学生学习兴趣为主，学生体验不到学习和创新的快乐，自然也培养不出高激发率的学习兴趣。

1.3 创新思维实践率

创新不是瞎想，所有的创新思维必须经过了实践，进入了应用环节，才是真正的创新，有助于知识本身的理解和掌握。被动接受知识显然不是学生本意，这种缺乏基本理解、仅靠教科书的推论过程对创新并没有什么帮助。创新思维是依靠自己对知识的理解进行知识再构造，正确的领悟知识，尤其是领悟过程对创新思维的建立有着不可撼动的地位。老师的灌输常常不能传授给学生创新所需的知识，由此导致的创新效率低，知识的基础搭建不牢、掌握不到位，应付考核而考前突击复习的现象对于创新没有任何益处。

2 含水层动力学方程课程教学改革的现状

本文基于含水层动力学方程系列课程的学生学习动机和课堂、课后反馈，立足于解决公式繁琐和概念抽象的问题，对地质工程教学模式改革进行探索。

2.1 重点问题的解决

含水层动力学的教学离不开概念和公式，然而学生反映最多的问题就是“看不懂、记不住、不会用”。针对这一重点问题，建立以PBL模型为基础的教学课程改革体系，着重突出问题的重要性：教师将实际工程模型引入课堂，由学生主动代入工程师视角来寻求问题，探知如何建立微分方程，如何确定地下水状态、多孔介质状态方程等。

通过建立“工程现场模拟→工程师视角产生问题→建立方程试图求解→学生自主寻求解决办法”这一课堂流程，将枯燥的概念和方程融入实际问题中，提高课堂知识转化率，激发学生学习兴趣，解决课程的重点问题。

2.2 改革方向的探索

含水层动力学方程课程对学生的综合素质和技能要求较高，大量抽象乏味的数学问题对教学要求有较大影响。目前，相关学者开展了含水层动力学方程课程教学改革的探索，包括将授课地点建立在实验室或研究室基础上，利用现场抽水实验基地进行实验和实践，在时间和空间变化的条件下掌握非稳定流中地下水位的变化规律等。

国际教学案例中也不乏灵活课堂教学的身影。V.Vázquez-Báez等[2]直接将其在西班牙的一个现场项目：Ayamont-Huelva含水层作为案例研究对象，通过对该含水层的动力学模拟，将课程完全转换为施工现场案例问题，利用现场实测数据选用配线法、直线法、水位恢复法等计算水文地质参数，以此引导学生学习、公式方程即学即用；巴黎狄德罗大学的A.Guerin等[3]则直接利用实验室条件下的人造雨林为背景，在吸引学生兴趣的同时，针对雨林地下的含水层引导学生提出了多角度的方程计算问题，并将雨林含水层结构的演变作为推进课堂教学的重要手段，让学生在“雨林”中边玩边提出问题，最后在解决问题的“旅途”中完成含水层动力学方程的各方面知识的掌握，构建了“课堂教学(含案例分析)+实物例证+问题引导+自然过渡”的多元教学模式。

3 PBL教学模型的教学设计

3.1 PBL教学模型的引入

PBL(Problem-Based Learning)教学模型建立在一类较为成熟的工程项目设计思路(Project-Based Learning)[4]的基础上，以学生学习过程中产生的问题为主导，通过课堂实例探求、课下“智慧树平台直播+讨论组教学+QQ群”等方式来全方位的激发学生学习热情，实践创新思维。基于工程设计的模块化处理方式，PBL模型也可以快速形成教学氛围，与传统模式相比，教师作为引导者，学生为中心，将解决工程设计问题及生产、实施问题等作为学习动力，创造性的引入了模块化的教学流程，使学生能够迅速理解老师的教学意图，并以此提高学习力，反复触碰知识点，强化逻辑体系，快速地代入工程师视角。同时，教师通过提供多平台多角度的课程要点探究，能够大幅度优化学生的团队学习、协作、沟通能力，自然加深了学生对知识的理解与掌握程度。

将PBL教学模型引入含水层动力学方程课程教学中，引入实际工程案例的分析和讨论，真正做到理论学习和实践训练双同步，充分发挥了学生的主观能动性，引导学生自主学习、独立思考，既培养了学生的发散思维和综合分析能力，又锻炼了学生的语言表达能力和逻辑思维能力，为培养应用型本科人才奠定了坚实的基础。充分利用教学平台，积极进行教学改革，加强课堂互动性，在师生间建立良好的沟通桥梁，充分激发学生学习热情，真正做到“以学生为中心”的课堂教学。

3.2 适于含水层动力学方程课程教学需求的教学设计

PBL模型的基础是动机心理论，即学生学习目的是毕业工作就职或在专业领域进一步深造。因此模型的设计也据此将地质工程行业实际工程中产生的各种项目、案例、情境引入教学中，让学生主动产生问题，在主观能动性上紧紧围绕课程本身，在教师的节奏引导下逐步深入，形成“产生问题→代入问题→解决问题→掌握公式方程→产生新问题”这一有效循环，使学生建立“工程师视角”。

例如：1)围绕课程内容，提出真实的工程案例，与学生开展互动式教学，分析其中知识点的运用情况；2)设置虚拟工程环境，引导学生开展工程设计，对工程难点提出解决方案；3)提供错误工程案例，启发学生发现问题，寻找有效的替代方案。学生有40 min左右时间进行小组讨论，并围绕问题开展工程设计，每个学生都是一名“工程师”。大家共同完成设计后，由一名学生讲述工程案例设计方案，教师和学生共同讨论方案的可行性和存在的问题。PBL教学模式一是培养了学生的发散思维和综合分析能力；二是通过语音连线或口头演讲的形式让学生对设计进行描述，锻炼了学生的语言表达能力和逻辑思维能力；三是以讨论组的形式合作完成任务，增强了同学的合作能力。

结合目前教学情况，大部分学生均能掌握公式成立的边值条件和逻辑关系，在深入探讨工程条件的过程中灵活运用含水层动力学设计的各类方程及边界条件，切实体验设计人员的工作。如：河渠间地下水运动这一知识单元可联立为某地区土壤盐碱化的排水渠的问题。继而老师与学生开展互动讨论，引导学生应用所学知识设计排水渠间距、水量和排水时间。案例完成过程中，通过老师和学生的共同讨论，强化了理论知识与实际工程的差别理解，掌握了将复杂公式应用到工程设计的方法，更有利于知识的掌握。

3.3 与辅助手段结合的立体化教学设计

依托于网络教学和多平台教学等辅助手段，PBL教学模型可以进一步扩展为立体化教学，将“面对面”学习和“在线”学习结合，运用多种传输媒介与系统，在技术探讨氛围等情境中开展教学。

围绕学生课前的准备、课堂教学和课后提升三个阶段，以PBL模型为主体进行混合型立体化教学过程设计，能够在教学过程中实时掌握学生的学习进度与理解水平，并通过对学生提出的问题进行定期评价，将学生学习情况做出阶段性反馈，逐步引导学生提出更有深度的问题，激发学生对新概念新方程的好奇心与兴趣点。通过改进教学理念和模式，科学合理地安排课程内容，以问题为中心设计和实施教学活动，将学生课前学习、教师课堂授课、课后评价讨论等结合起来，使之在更加规范化的同时，做到理论与实践结合，打造科研与教学理念深度融合的完整教学体系和多元化考核模式，力求实现教学更大层面上的系统化。

这种立体式教学对辅助手段有较大依赖，是完全基于新科技新形势的教学方法，针对学生的逻辑思维能力和分析能力有较大提高。通过PBL模型建立基础问题的模块化描述、解答，重点问题的系统化梳理、建立方程，复杂问题的逻辑化推理、分级分步骤解决，真正做到将理论知识融入实践，达到应用型本科人才的培养目标以培养学生应用所学理论解决实际工程问题的能力为指导思想，使学生工程素养和创新能力在教学中得到循序渐进的提升。

4 结语

针对含水层动力学方程课程传统教学模式的诸多不足，将PBL教学模式应用于教学运作中，通过基于学生发展需要的“问题”设计，激发其内在解决问题的学习动力，切实调动学生的学习兴趣与主动性，获得最佳的教学效果。同时也吸引学生对课堂产生兴趣，能够有效利用课堂时间，掌握复杂方程的实际应用，提高自主学习能力和兴趣培养，以方程求创新，以解决实际问题为前导，基于学生的实际感受，将含水层动力学方程融入学生的学习体验中，探求学生的内在需求和心理，使得以问题为主导的教学模式真正起到“让公式走到学生中”的教学应用。