基于艾宾浩斯遗忘理论的《工程物探》教学设计

潘剑伟 梁风 杨根兰

摘  要：《工程物探》是勘探技术与工程专业的专业基础课程，该课程由于其繁多的课程内容、复杂的数学物理理论、较高的實践性要求，对非物探专业的学生而言学习负荷较大，教学效果一般。而艾宾浩斯遗忘理论指出，在适当的时间点对已学的知识进行反复复习，对大脑的记忆进行有规律的反复刺激，能帮助学习者更有效率的实现知识点的掌握和记忆。作者通过对比具有相同授课内容，但在不同时间节点开展教学实验的两个班级的教学效果发现：相较于在课程最后集中开展实验课的传统授课顺序，以艾宾浩斯遗忘理论作为指导，在讲授完某种物探方法后1-2周内随即开展相关实验课程能有更好的教学效果。该种教学顺序能更好的帮助自主学习能力较差的同学即时的巩固其基础理论知识，使其对物探知识的掌握及时地由课堂讲授的词语记忆转变为方法实践中更深层次的动作记忆，从而使课程的教学质量得到一定的提升。

关键词：工程物探;艾宾浩斯遗忘理论;学习金字塔;教学实验

中图分类号：G642       文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2021）11-0001-06

Abstract： Engineering Geophysics is a professional basic course for the students majoring in exploration technology and engineering. Because of its various course contents， complex mathematical physics theory and high practical requirements， the course has a large learning load for non-geophysical students and the teaching effect is not satisfactory. The Ebbinghaus forgetting theory points out that it can help learners to master and memorize knowledge more efficiently by reviewing what they have learned regularly and repeatedly at a proper time. By comparing the two classes which have the same teaching content but carry out experimental lessons at different time nodes， we found that compared with the traditional teaching sequence which put the experimental lessons at the end of the course， under the guidance of Ebbinghaus forgetting theory， it has a better teaching effect to carry out the experimental courses within 1-2 weeks after the completion of the theoretical course of a certain geophysical method. This kind of teaching sequence can help the students with poor autonomous learning ability to consolidate their basic theoretical knowledge in time， so that their memory form of geophysical knowledge can be changed from the word memory from classroom teaching to the deeper action memory from practical operation. At the same time， the teaching quality of the course has also been improved.

Keywords： Engineering Geophysics; Ebbinghaus forgetting theory; learning pyramid; experimental lessons

引言

沧海桑田，万物变迁。地球科学在人类适应、利用、改造、保护自然的过程中发挥着举足轻重的作用。作为地球科学的重要分支，地球物理学是利用物理学的原理和方法，通过探测地球物理场的分布及其变化规律，来研究地质构造，寻找矿产资源或解决水文、工程、环境问题的一类探测方法，通常也简称物探。物探相关课程的开设以及各层次学生的培养对于促进我国地球科学的发展和国民经济的建设具有重要意义。贵州大学资源与环境工程学院面向勘查技术与工程专业的学生便长期开设有《工程物探》这门课程，对于提高该专业学生的综合勘查能力，结合物探技术来解决工程、岩土、水文、环境等相关问题起到了重要作用。

但是，由于《工程物探》课程的重、磁、电、震等教学内容较多[1]且跳跃性较大;课程数理基础要求较高[2];课程内容的实践性又较强[3]，要在有限的课时内面向该类非物探专业的学生讲授好该门课程也存在不小的挑战。而艾宾浩斯遗忘理论指出，在完成某知识点的学习后，在不同的时间节点对该知识进行有规律的复习和回忆，能帮助学习者更有效率的实现对所学知识的记忆[4]。那么，如何更加合理的结合该理论来安排《工程物探》的教学内容，让学生能在学习过程中不断对理论知识进行巩固，以减少知识的遗忘，实现提升《工程物探》教学效果的目的，则需要教师不断的更新教学方法，调整教学的内容和顺序，为提高教学质量而不断进行探索。

一、《工程物探》课程的特点

（一）课程内容较多，内容之间跳跃性较大

《工程物探》课程包含了应用地球物理勘查领域中常用的各种方法，所涉及的知识范围非常广泛。对于地球物理相关专业的学生，现在常用的授课方式是将整个地球物理方法体系按照所依据的物理原理划分为《重力勘探》《磁法勘探》《电法勘探》《地震勘探》《地球物理测井》等更加细致、基础知识更加相关的各种分支课程进行讲授[5]。每一门课程中又包含有各自独立的物理原理、工作方法、资料处理和解释方法。例如中国地质大学等老牌地质院校就是将该类课程设置为系列课程，以培养学生全面系统的地球物理知识。另外，《工程物探》课程所涉及的物探方法虽多，但方法之间的关联性不强，各种方法各具特色。地震勘探部分还在讲授地震波的各种运动特征，而到电法勘探中接触的却又是不同岩、矿石的电阻率特性。学生在课程中或许仅仅因为对某种方法的不理解便会逐渐失去对整个课程的兴趣，从而影响到教学效果。

（二）课时较短，教学任务较重

对于地球物理专业的学生，重、磁、电、震等方法分开进行教学，其中每门分支课程的学时数都超过32个学时。经过系列物探课程的教学，学生自身的知识体系相对扎实。而对于贵州大学资源与环境工程学院等开设的《工程物探》课程，其授课的对象大部分是地质工程、岩土工程方向的学生。由于课程设置原因，地震、电法、重力、磁法等方面的课程内容需要集中到48个学时内完成，其中还包括课程末尾6-8个学时的实验教学课程。尽管不用像物探专业的学生一样每个方面的内容都作深入的讲解，《工程物探》课程每个方向都只需要介绍最常用的几种方法。但将教学内容汇总到一起，所需讲授的方法种类依然较多。例如，仅电法勘探，就至少需要向学生讲授电剖面法、电测深法、高密度电法、自然电场法、瞬变电磁法、地质雷达等常用方法。要在有限的学时内掌握如此众多的物探方法，学生在学习该门课程时自然会感觉比较吃力。

（三）课程具有较高的数、理基础要求

《工程物探》课程是一门对数学和物理基础要求较高的课程，在课程的讲授过程中会涉及到部分数学物理方程的介绍。例如，地震波波动方程的推导，电磁场亥姆霍兹方程的求解等内容，由于需要较强的逻辑思维，学生们一旦没有作好充分的预习或者复习工作，又或者是数、理基础有所欠缺，在学习中就会感到吃力，从而跟不上老师的思路。

（四）具有較高的实践要求

《工程物探》本身就是一门实践性很强的学科。许多方法的具体操作过程和实用范围，仅靠老师在课堂上进行描述，很难让学生对方法的实质有深入的理解。而培养学生的工程实践能力是《工程物探》课程重要目的之一。在完成理论课程学习后，学生能根据需要解决的具体问题去选用适当的物探方法;根据现场的条件，能设计合理的测线、测网和观测系统;最后能根据自己采集的数据，对地球物理异常进行合理、准确的解释，这都要求学生具有较强的实践能力。因此，实验教学课程的开展对于《工程物探》教学尤为重要。

二、基于艾宾浩斯遗忘理论的《工程物探》教学设计

（一）艾宾浩斯遗忘理论

采用科学合理的教学方法对课程内容进行教学，能有效的减轻学生的学习负担并改善教学效果。由于《工程物探》课程的知识点较多，信息量较大，如何能让学生更有效率的保留住对所学知识的记忆，对已授知识进行回顾的时间节点至关重要。德国科学家艾宾浩斯研究发现，对于新的知识的学习，其遗忘是在学习之后立刻就发生的，但遗忘的速度却表现出如图1所示的先快后慢的规律[6]。根据该遗忘理论的指导，如果能在适当的时间内对《工程物探》课程中所讲授的知识点进行复习，对大脑的记忆进行有规律的反复刺激，就能让学生更加有效和熟练的掌握相关的物探方法。

（二）《工程物探》教学方式的选择

想要提高《工程物探》课程的教学效果，笔者认为，一方面可以结合本专业的特征，从众多的方法中选取与本专业最相关的物探方法进行深入讲解，其它方法作为辅助则只作简单介绍，从而让学生真正做到学而有用、学以致用。而另一方面，针对重点讲解内容，则是选择以基础知识讲解、应用案例展示、教学实验相结合的方式，从方法认知→应用展示→实践操作，逐步加深学生对某种物探方法的了解。

1. 基础知识讲解

基础知识的讲解依然采用传统的课堂讲授方式，由教师向学生详细讲解某种物探方法工作时所基于的物理原理、所研究的物性参数等内容。然后再详细分析该方法的优缺点及其常用的观测系统，使学生对该方法有初步的认知。该方法的优点是在学习初期，学生能通过该方式学习大量的知识点，建立起方法的整体知识构架。但是，在该过程中，学生一直处于被动接收的状态。对于讲授的知识，学生很难进行更加深入的思考和发散，因此，学习效率也一般。

2. 工程案例展示

在基础知识介绍完成之后，为了能让学生对该物探方法有更加直观和生动的认识，可以选取与学生的专业背景相关的一些工程地质问题，对如何使用物探方法解决该问题的过程进行展示。例如，在给贵州大学勘查技术与工程专业的学生讲授完高密度电法后，笔者常常选用高密度电法在岩溶探测中的应用实例为介绍对象，通过提问等形式让学生猜测在工作时选用了哪些系统装置，帮助学生回忆高密度电法常用的装置类型;然后再结合反演所得到电阻率分布结果，向学生介绍如何进行岩溶分布范围的圈定。通过该案例分析的过程，将课堂上许多生涩的概念和公式通过更加感性和更加直观的方式展现出来。既有利于学生对课堂上讲授的理论概念的理解，起到巩固知识的作用;又能让学生参与到解释过程中，发挥其主观能动性，通过让学生直接观察探测目标体在地球物理场上的反应，实现对理论内容的深入思考和回忆，同时也进一步激发了学生对于物探课程的学习兴趣。

3. 教学实验

实践是检验真理的唯一标准。《工程物探》本身就是重应用的一门课程，学习完该课程后，学生在将来的科学研究或者生产项目中，都需要用真实可靠的探测结果来说明和解决相关问题。因此，《工程物探》课程在教学过程中开展一些物探方法的实验教学，第一目的就是培养学生的实践能力。学生通过亲自参与试验的过程，对某种物探方法具体的观测装置布设、仪器操作、数据处理等细节有更加直观的认识，也为将来能更好的解决相关的地质问题打下基础。

开展教学实验，第二个方面的意义则在于能有效的帮助学生深化和巩固课堂理论知识。根据现代认知理论中著名的“学习金字塔”可知，通过自己在实验中对物探方法进行实践，学生对理论知识的学习保留率（75%）是远远高于课堂讲授（5%）和案例展示（20%）的[7]。学生自己上手操作，发挥其主观能动性，在实验过程中去对课堂上的知识进行回顾，并用这些知识来对自己的实验过程进行指导;再亲自对观测得到的地球物理异常进行解释，深入的思考探测目标体与物性参数之间的关系，从而在更高层次上实现对物探知识的掌握。

另外，教学实验的开展也有助于培养学生的科研能力。《工程物探》所从属的应用地球物理学本身就是一门实践性很强的学科，许多的科学问题都是在实践过程中显露出来。例如，学生在实验课过程中，要经历场地的踏勘、测线的布设、数据的采集、结果的解释等实践过程，而在该过程中也会遇到许多的问题。那么，遇到问题后学生又会去思考是什么原因导致的该问题;自己运用所学的知识能否有效的解决这些问题。因此，通过课程实验，可以激发学生的科研意识，提高他们发现问题、分析问题、解决问题的科研能力。

（三）整体教学安排

结合艾宾浩斯遗忘曲线的分布规律和教研室之前总结的经验，为了能使学生更有效率的对《工程物探》课程知识点进行掌握，笔者结合基础知识讲授、工程案例展示、教学实验等方式对某种物探方法的教学顺序作如表1所示的安排。

短期记忆主要是在课堂内形成。开始上课后的3-5分时间，主要用于对上次课程内容的复习和回忆，并引入到该堂课的内容之中。然后在连续两个课时内花100分钟左右对本次课的主要内容进行介绍，在学生的大脑中建立起所讲物探方法的原理、方法特征等概念。结合艾宾浩斯遗忘曲线的规律，在大约1小时后，课中讲授的许多概念已经开始出现遗忘，所以，在下课前一定要对本次课的内容进行一次简单的小结，对学生短期内的记忆进行一次刺激回顾。在课后留下一定的作业或者思考题目也很重要。题目的设置既可以帮助学生在当天晚上回忆白天的学习内容，在下一次课程（一般3-5天之内）开始前，又可以就此题目向学生进行抽问，以帮助学生再次对学习内容进行回忆。

结合《工程物探》课程的特点，对单种物探方法的教学一般不会超过8个学时，即两周内就可完成该方法的整体介绍。紧接着便安排该方法的工程案例展示。通过案例展示，既可以帮助学生回顾知识点，更能将一些难以阐述的物探观测系统和观测结果通过照片等形式更加直接的展示出来，以帮助学生形成形象化的深刻记忆。

上已述及，教学实验对于《工程物探》课程尤为重要。在基础理论和工程实例讲授完成后的1-2周内，在学生对于知识点的遗忘率达到比较高的水平之前，进行学习效率最高的实验教学，让学生结合课堂知识并在教师的引导下自行开展场地实验，让学生在作中去学，在作中去练，对知识点实现更深层次的分析和掌握。

通过该种学习安排，学生在从接触到基础理论知识开始，經过了课堂末的知识点总结，晚上作业题目思考，第二次课前提问回忆，方法的工程案例展示，方法的教学实验等5次时间间隔由密到疏地复习、回忆。学习形式也由效率较低的课堂讲授、案例展示逐渐过渡到效率较高的现场实验，知识点的记忆也实现了从词语记忆到形象记忆，再到动作记忆的由浅到深的转变。

三、教学效果的对比分析

为了深入地研究在相同的教学内容情况下，课程的安排对教学效果的影响，我们选取贵州大学资源与环境工程学院2016级勘查技术与工程专业两个班进行对比试验。通过将教学实验课安排在不同的时间节点，来测试不同教学顺序对于教学效果的影响。其中，一班按照传统安排方式，是在所有的理论课程结束之后再来开展课程实验;二班则是结合艾宾浩斯遗忘理论，在讲完一种物探方法后在1-2周内随即开展该方法的教学实验。为避免其它因素影响，在整个教学过程中两个班的理论教学内容、实验内容都完全一致，仅在教学实验的开展时间上有所差别。

为了检验教学效果，我们在所有课程结束之后，而又在正式考试之前，利用几个简单题目，例如：何为视电阻率;什么是地震波的动较正;高密度电法常用的装置形式等就两个班的同学对物探基本知识的掌握情况进行了一次测试。本次测试之所以不用最终的期末考试来代替，就是想了解在学生没有经过系统复习之前，仅在课堂的自主学习中对物探知识的掌握情况。测试结果如表2所示。

从测试结果来分析，在都未经过系统复习之前，二班的同学对于基本知识点的掌握明显要略好于一班。并且这种差异主要体现在成绩一般，平时自主学习能力较差的同学身上。对于平时自主学习能力较强的同学，由于他们能及时的对已学习的内容进行回顾，两种安排顺序的教学效果没有太多区别。两个班90分以上的同学占比基本相同，一班11.4%，二班的10.0%。但对平时自主学习能力较差的同学，按照一班的实验课安排节点，由于课上的理论教学和实验课程之间有较大的时间间隔，对于未及时复习的同学来讲，课上所讲授的内容已基本遗忘干净。而在实验过程中，也是很难回忆起相关的理论内容，所以其测试结果较差。而二班的同学则是在基础理论课程结束后的1-2周内马上开展相应物探方法的实验。对课程内容进行了较及时的回忆。再通过自身的操作实践，将原来抽象的理论知识转化为具体的实施细节，使得很多概念的理解也更加深刻。在实验完成之后的后续课程中，再加上老师在讲授知识点时会刻意对现学知识点与已学内容之间的关联性进行引导，又起到了相关知识的巩固作用。这样的教学过程也更加符合艾宾斯遗忘曲线的规律。尽管这些自主性较差的同学没有进行较好的系统复习，但是，通过在实验过程中对理论知识进行了及时的回顾和加深，在后续课程中又对已学内容进行反复提示和回忆，所以二班的同学对于基本知识点都有较好的掌握，全部同学的测试成绩都超过了70分。而一班的学生之中70分以下的同学占比达14.3%，甚至还有一名同学没有通过测试。

四、结论

由于《工程物探》课程内容的广泛性、复杂性和实践性，要在较短的课时内讲授好该门课程具有不小的挑战。而根据艾宾浩斯遗忘理论，在课程的教学过程中通过课堂讲授、案例展示、教学实验等方式，在不同的时间节点对教学内容进行反复回顾和加深，能帮助学生更有效率的掌握课程知识。笔者在两个班开展的对比实验结果也证明，在教学过程中不同的时间节点开展教学实验会对教学效果有较大的影响。相较于传统教学顺序中将所有实验集中到课程末尾，在某种物探方法讲授完成后1-2周内随即开展其实验课程，能更好的帮助缺乏自主学习能力的同学更加及时的巩固其理论知识，将繁琐、抽象的知识点转化为具体的操作实施细节，从而达到改善教学效果，提高教学质量的目的。

参考文献：

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[4]李轶圆.从艾宾浩斯记忆曲线谈如何提升英语词汇量[J].教育教学论坛，2019（14）：203-204.

[5]张胜业，姚姚，潘玉玲，等.应用地球物理课程的系列课建设[J].中国地质教育，1998（2）：24-65.

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