案例教学在工科院校课程中的应用研究——以土壤污染与防治课程为例

崔红标， 胡开新， 范玉超， 徐 磊

(1.安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001; 2.南阳师范学院 地理科学与旅游学院，河南 南阳 473061)

产生于20世纪20年代，并于80年代进入我国教育领域的案例教学，可以有效弥补传统教学模式的不足，提高学生学习的积极性和综合素质，是创新本科课堂教学模式的重要手段.案例教学是指教师结合教学内容与培养目标，选择合适教学案例，以学生对真实事件和情境的分析、思辨为重点，提升学生应用理论独立思考、分析和解决实际问题的能力的教学方法[1-2].案例教学可以利用多种网络资源，现代化教学手段，对教学案例进行深入讨论分析，具有真实性、完整性、典型性和启发性的特点[3-4]，激活学习主体，提高学生参与度，因此得到广大教师的关注与应用.

案例教学主要适用于管理学、医学、教育学、工程学等实践性要求较高的学科，主要的优点包括：(1)情景化教学.案例教学基于语言描绘、图片展示、视频素材等方式把学习者带入真实或仿真的案例情境，给学生提供一种认识和解决问题的模拟实战机会，通过相互交流讨论，训练学生在一定的情境下，权衡应变的能力[1,3].(2)教学知识的综合性.高质量教学案例背后所涉及的知识面较为系统与广泛，借助案例有利于加深学生对基本原理和概念的理解和记忆[4].(3)开放包容性.案例教学的开放性的教学内容和讨论，突破了书本固有知识的局限，教学过程中师生可以畅所欲言.案例教学的案例或者结论往往是开放性的，不拘泥于寻找唯一的答案，培养学生在受限的时间、空间、人力、物力等条件下做出多种决策的能力.尽管案例教学的优势明显，但是案例教学也存在一些缺点.特别是案例教学在传授系统性的理论知识效率方面较传统教学模式偏低[5-6]，教授同样的知识需要更多的课时，不适用于所有类型课程.

当前，案例教学模式在我国的应用已经贯穿于高中、大学和研究生教学过程[4,7-8].在研究内容上主要集中在案例教学的本质与特点[3,9]、案例教学的过程优化[1]和案例教学应用实践[4,10]等方面.案例教学可以通过真实生动的工程案例有效串联相关教学重难点，启发学生自主思考，激发学生的学习兴趣、主动性和积极性，弥补传统教学中重理论、轻实践的不足，已成为课堂教学中理论和实践相结合的典范[11].

土壤污染与防治是一门实践性较强的课程，其目标是让学生掌握土壤污染修复的相关理论与技术，培养学生针对土壤污染控制与修复领域的工程实际问题进行分析、计算、归纳、总结，并提出初步解决方案的能力.由于大多数教材内容与当前的技术发展及环保政策等存在不同程度的脱节问题，传统的教学模式缺少有效的实践及师生互动，课堂气氛沉闷，教学效果差，无法实现预期教学目标.因此，笔者根据“土壤污染与防治”课程教学过程中存在的问题，阐述了采用案例教学的必要性，并以盐碱地治理知识点进行案例教学，对比分析了案例教学与传统教学的效果，最后对案例教学进行总结.

1 土壤污染与防治课程教学存在的问题及使用案例教学法的必要性

1.1 土壤污染与防治课程教学存在的问题

在农业院校，土壤污染与防治课程是土壤学的后续课程，然而对于一些工科院校，很少会前置开设土壤学课程，教学课时与教学内容极不协调.当前，在工科院校土壤污染与防治课程教学中存在一些共性的问题.

1.1.1 课程教学内容知识面广，更新速度快

土壤污染与防治课程在内容上涵盖了土壤基本特性(物理、化学和生物学性质)、土壤无机污染、有机污染、固体废弃物污染、农业面源污染、土壤污染监测与评价、重金属修复技术、有机污染修复技术及修复工程案例等.要求学生除了掌握土壤学基础知识，还要具有一定的环境化学、微生物学等相关知识储备.另外，与大气和水污染不同，土壤污染与防治研究起步较晚，且土壤环境较为复杂，导致研究结论具有显著的区域性，并容易被最新的研究结果取代.

1.1.2 实践环节缺乏

土壤污染与防治是一门实践性较强的课程，然而在当前工程教育背景下，多数专业的总学分大幅压缩至140～180学分左右，且对课程教学提出了更高要求[12].以安徽理工大学环境工程专业为例，土壤污染与防治课程一共32学时，不具有开展实验及工程实践的可行性，无法使学生直观地理解理论知识，不利于工程教育的开展.

1.1.3 以教师为主，学生为次

传统的多媒体教学过程中教师占主导地位，学生居从属地位，“满堂灌”式的知识输出降低了学生学习的积极性，使得学生成为知识的接收容器.另外，教师的授课完全按照教学大纲和计划开展，未考虑学生对相关知识的掌握程度，学生也不能参与课堂讨论，将本应“以教师为引，学生为主”的课堂活动变成了授课教师的“单边活动”，忽视了学生自主学习能力的培养.

1.2 土壤污染与防治课程开展案例教学的必要性

土壤污染与防治课程实践性较强，在向学生教授基础的理论知识同时，需要增加实践环节，培养学生的工程职业素养.但是，在我国当前工程教育专业认证大幅压缩课时的情况下，增加实践教学学时不具有现实可行性.案例教学方法可以向学生展示真实的工程实践，弥补传统教学“重理论，轻实践”的不足，因此，土壤污染与防治课程引入案例教学具有极其重要的意义.如通过土壤不良结构体改良、盐碱地治理、重金属和有机污染修复工程案例观摩学习，可以使学生在“听故事”的过程中学习到工程实践背后的基础知识，培养学生理论联系实际的能力，满足工程教育专业认证的需要.

2 土壤污染与防治课程案例教学设计及实施——以盐碱地治理为例

2.1 案例教学设计

案例教学中的案例是课堂教学资源的核心，师生相互讨论、发言、辨析、求理等都围绕案例开展[13].因此，案例教学不可生搬硬套，避免简单的举例子，应该结合具体的案例，将课程内容的主要知识点有机串联，并抛出一些新的问题，师生共同互动讨论，训练学生的批判性思维，做到相关知识灌输的润物细无声.因此，教学案例选取需遵循一定的原则：针对性、问题性、完整性、客观性、代表性、启发性和多元性原则等[14].

大量的实践表明，案例的选择尽量避免大段文字赘述，最好采用动画或视频等简明扼要的呈现案例内容.这些特点决定了教师在案例教学中对于案例甄选的重要性，教师需要全面深入了解案例背景，理顺案例中涉及的教学内容知识点，针对性的设计严谨的教学环节，精心设计出一系列的问题，引导学生与教师的互动交流，最后提出1～2个略微超出于课本知识点的发散性问题，启发学生的创新性思维.基于此，笔者结合个人前期的教学实践，精选了1个教学案例，视频素材来源于2017年10月23日中央电视台科教频道播出的《土壤的秘密》上集关于熊毅院士盐碱地治理演示实验.该案例涉及的主要知识点有：土壤孔隙、土壤液态水的类型、毛管水、毛管力、积盐和脱盐、盐碱地形成及控制技术等.

2.2 案例教学实施

2.2.1 教学准备

案例教学中，具体案例的分析、解决过程较为复杂，这需要学生能够具备基本的基础理论知识，具备一定的审时度势、随机应变能力.因此，在具体案例教学的实施过程中，首先需要就案例所涉及的基础理论知识进行简单的回顾和讲解，让学生在接下来案例观摩过程中可以很自然地联想到有关知识点.本案例教学选取张颖等编著的《土壤污染与防治》(中国林业出版社,2012)作为教材，在引入案例前首先快速回顾土壤固相、土壤水和土壤空气相关的理论知识；然后，讲解土壤质地(机械组成)的概念、土壤质地的主要分类方法；最后，强调由于土壤中大量的非活性孔隙、毛管孔隙和非毛管孔隙，导致了我国东北、华北地区的盐碱土存在明显的“脱盐”“返盐”过程.这些知识的回顾与讲解是接下来盐碱地治理案例观摩交流的基础，具有重要的提纲挈领作用.

2.2.2 教学实施

案例教学过程主要包括：案例导入、案例分析和案例讨论三个环节[14].在“脱盐”“返盐”过程分析后，引入井灌井排技术控制和治理盐碱地的内容.视频观摩前，告知学生本次教学的主要目的，并要求学生在案例观摩后能够用自己的语言描述井灌井排技术如何实现盐碱地治理.在本案例教学视频中介绍到地下水通过毛管力作用逐渐进入上层土体的时候，提出问题1：在模拟酸雨土壤淋溶实验中需要事先使整个土柱100%水分饱和，结合目前所学的知识，讨论采用从土柱顶部加入纯水，还是让纯水从土柱底部缓慢进入土体？抛出问题后让学生继续观摩案例视频，观摩结束后请学生解释井灌井排的主要过程，将答案作为课堂作业交给教师.

通过案例视频的观摩，可以让同学们对盐碱地危害、形成原因和治理方法产生一种准亲验型体验[1]，通过学生自身体验加深对问题的理解，在较为真实的情境中消化主要知识，明白课堂中所学知识在实践中的重要价值.

2.2.3 案例分析与讨论

案例教学的目的不强调学生死记硬背基本理论知识，主要目标是通过案例的细致讲解，启发学生建立一套适合自己的独立思考问题的方法以及分析和解决问题的批判性思维方式，使其可以从较高的视野和角度分析具体现象背后隐藏的科学或技术问题[3].这就要求教师需要精心设计好互动交流的话题，话题的设置既要兼顾案例背后的基础知识要点，又要适当超出课本知识点范畴，培养学生进一步发散思维的能力.同时，教师可以学生的平时表现分小组或者自由回答问题，让学生进行相互讨论.

以本案例教学为例，笔者在案例视频观摩过程中提出的问题1(见教学实施)主要考查的知识点是土壤中分布着大量的孔隙，气体充填在孔隙中，如果采用从顶部加入纯水的话，土壤孔隙中的空气会逐渐向土体下部移动，由于水的压力较低，无法将所有气体从下部出口排出，可能会在土体中形成气泡，影响后期酸雨淋溶的实验结果.另外，纯水会优先从土体中的大孔隙和器壁向下流动.但是让纯水通过土柱底部依靠毛管力的作用向上移动的方法可以将土壤中的空气逐渐向上层推移，最后依靠毛管力作用实现土柱水分饱和.这个过程中也可以根据时间进度，适当提问学生风干土壤、105 ℃烘干土壤和饱和水分后的土壤中分别存在哪些液态水.

（1）改善泥饼质量，降低摩阻。施工中提高润滑性能的关键在于通过控制滤失量，形成薄而致密的泥饼。通过加入足量的降滤失剂、封堵防塌剂等，有效改善了钻井液滤失性能，减少了泥饼厚度和渗透性，增大了强度和韧性，从而起到了降低摩阻的效果，在该体系中各种降滤失剂及封堵防塌剂含量为：2%～3%SD-202、2%～3%KFT、3%～5%SMP-1、1%～2%SJ-1、2%～3%SPNH；同时加入1.5%～2%的低荧光磺化沥青粉，加强钻井液的护壁性，降低滤饼渗透率，提高钻井液润滑性，保持泥饼摩阻系数低于0.10。

问题1剖析解答后，提出问题2：当地表积累了高盐分危害了作物生长时，采用抽取地下水灌溉表土，将表土中的盐分洗脱淋溶到地下，实现盐碱地的治理目标.这个过程中地下水本身存在一定的盐分，抽上来灌溉土壤，岂不是又增加了土壤的盐分含量吗？如何理解这个问题？根据笔者多年的教学实践，这个问题极少有学生能够第一时间正确回答，主要的原因是学生对于盐碱地对于农作物危害的影响条件及作用机制不清晰.但是稍加点拨，学生很快就能够意识到正确答案：表土积累盐分抑制农作物生长说明土壤中的盐分已经处于较高的水平(一般高于0.2%)，但是地下水含盐量显著低于表层土壤，不会对农作物生长产生胁迫效应，因此井灌措施可以降低盐碱地土壤中盐分含量，满足农作物的正常生长.

2.2.4 案例教学总结

案例分析讨论后，请学生进行案例教学相关知识点的汇总总结，明确教学的重难点.同时，鼓励学生主动查阅资料，从更多的角度去回答上述几个问题.通过本次案例教学的学习，可以为未来土壤修复技术的选择提供很好的技术指导.最后提出问题3：假如有两块污染场地，其中一块场地中土壤以黏粒和粉粒为主，另外一块场地土壤以砂粒和粉粒为主，那么哪一种场地更适合采用土壤淋洗修复技术.该问题的答案显而易见，大多数学生可以回答出来：以砂粒和粉粒为主的土壤含有丰富的孔隙，更有利于淋洗液与土壤颗粒充分混合，淋洗土壤中的污染物.至此，该案例教学借助视频观摩学习，通过3个问题和1个课堂作业的有机串联，将相关知识点的学习落脚到具体的土壤修复工程实践中，加深学生对知识的透彻理解，培养学生分析问题和解决问题的能力.

3 案例教学课堂效果反馈

3.1 案例教学能让学生更加直观地观摩整个实践过程，带着教师事先抛出的问题去学习和思考；教师会引导学生思考和解释案例背后的部分专业知识，促进学生的自主思考，加深对相关知识的印象.

3.2 案例教学具有趣味性、变化性、丰富性，更容易激发学生的学习兴趣，对发挥学生在学习中的主体作用有很大帮助，能调动学生学习的主动性，培养学生分析和解决问题的能力，体现了教学的启发性原则.

3.3 案例教学的内容是课堂知识的适当拓展，向学生展示如何将理论知识运用于实践，如何解决实际问题，有助于学生开拓视野，巩固课本知识，增强专业自豪感.

4 总结与建议

(1)优秀的案例是保证良好教学效果的前提，这需要教师对课程知识点烂熟于心.教师需要在日常科学研究、科普宣传和有关科教频道等视频资源方面做好积累，仔细甄选优秀典型教学案例，明晰案例背后涉及的主要知识点.

(2)教师需要精心设计教学过程.特别是如何高效串联有关知识点，并找到合适的时机来引入案例等.另外，教师需要在案例观摩前、观摩中和观摩后精心设计一系列问题，这些问题既要包括知识点，也要适当超出课本基础知识范畴，且答案具有一定的开放性.教师要在课堂教学过程中做好引导作用，鼓励学生相互交流讨论，培养学生的思辨能力.

(3)教师需要处理好传统教学与案例教学的衔接问题.案例教学后若采用传统教学方式学习新的知识点，学生可能还沉浸在案例教学的情景中，显著降低新知识点的学习效果.因此，案例教学尽量设置在当次教学的后半段.