PBL教学模式在固体地球物理专业人才培养中的应用

梁 青，罗银河，陈 超

中国地质大学（武汉）地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 430074

培养模式

PBL教学模式在固体地球物理专业人才培养中的应用

梁 青，罗银河，陈 超

中国地质大学（武汉）地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 430074

以问题为基础、学生为主体、教师为引导的PBL教学模式已被广泛应用。本文针对中国地质大学（武汉）固体地球物理专业人才培养目标，结合专业选修课设计了教学方案，分析了PBL教学模式应用的可行性和逻辑过程，讨论了需要注意的问题。

PBL；固体地球物理；人才培养；教学模式

一、PBL教学模式简述

PBL教学模式是指以问题为基础的学习方式（Problem-Based Learning，简称PBL），最初起源于医学界。1969年，美国的神经病学教授Barrows（巴罗斯）在加拿大的Mc Marster （麦克马斯特）大学首创PBL教学模式，尝试实施学生自学与导师指导相结合的小组教学法[1]。PBL创始人Barrows及其同事做了如下定义：PBL既是一种课程又是一种学习方式，作为课程，通过解决精心设计的问题激发学习者获取关键知识，掌握解决问题的技能和自主学习的策略；作为学习方式，通过系统方法的运用帮助学习者解决现实工作中遇到的难题[2]。PBL强调把学习设置到复杂的、有意义的问题情景中，通过学习者的合作来解决真正的问题，直指知识的应用和未来职业技能的培养。

PBL与传统的以学科为基础的教学法有很大不同，PBL强调以学生的主动学习为主，而不是传统教学中的以教师讲授为主；PBL将学习与更大的任务或问题挂钩，使学习者投入于问题中；它设计真实性任务，强调把学习设置到复杂的、有意义的问题情景中，通过学习者的自主探究和合作来解决问题，激发学生的学习兴趣；从而学习隐含在问题背后的科学知识，形成解决问题的技能，同时培养学生自主学习的能力、实践能力和团队合作精神，以适应现代社会新形势的发展和现代科学日新月异的需要。这一教学模式已风靡全球，被誉为国外教学改革浪潮中多年来教育领域“最引人注目的革新”。

以学生为中心（而不是以教师为中心）、教师为引导的小组讨论式教学是PBL教学模式的核心思想。在医学教育中，PBL教学模式是学生在老师的引导下，围绕每一个教学模块中包含的核心知识或问题展开主动学习，经过“提出问题、建立假设、自学解疑、论证假设”的逻辑过程获取医学知识。PBL的组成大致包括：(1)组成学习小组；(2)根据临床场景提出具体问题；(3) 归纳面临问题；(4)提出各种假设；(5)展开热烈讨论；(6)提供反馈信息；(7)寻求问题答案(解决方案)；(8)提出新的问题（重复上述自学循环）[3]。

PBL教学模式已经在北美和欧洲医学院进行了几十年的探索、尝试、实行和广泛运用，取得了显著的教学效果[3]。在我国，PBL的引入和应用比较早，相关著作和论文非常丰富，教学效果和人才培养都收到显著效果，但其运用主要集中在医学教育领域。进入21世纪以后，PBL教学模式才在我国人才培养中的应用范围有所扩大，逐渐扩展到其他的学科和专业，例如思想政治、教育、经济、计算机、物理、生物、地球化学[4]等以及一些理工科专业课程[5-6]。然而，非医学教育中的PBL模式依然处于探究和尝试阶段，远不如在医学教育中成熟。

PBL模式的逻辑过程与目前的灌输式、探究式、讨论式（互动式）、启发式等教学方法均不相同。与传统的案例分析教学比较，PBL是以问题为学习起点，以学生为主体，教师引导学生围绕问题进行主动性学习和讨论，而不是以教师为主来讲授如何分析解决问题。本文仅从专业教学角度分析其在固体地球物理专业人才培养中的可行性、实施方案和值得注意的问题。

二、PBL模式与固体地球物理专业教学的结合

地球物理学是一门观测和实践性很强的学科，是由物理学、数学、地质学和信息科学多个学科融合形成的交叉学科，是地球科学中一个重要组成部分[7]。地球物理学分为固体地球物理和空间物理两个专业方向，其中固体地球物理又包含了重力学、地磁学、地电学、地震学、大地测量与地球动力学等分支学科。

中国地质大学（武汉）固体地球物理专业在大学本科阶段设置有一个地质与地球物理实验班。实验班的培养目标是让学生具有坚实的数学、物理学、地质学基础和较系统的地球物理学基本知识、基础理论，具备地球的基础知识，掌握研究地球圈层的主要地球物理理论和方法技术，初步具有综合应用所学知识，在整体上和不同的时空尺度上理解、模拟和解释固体圈层（地核、地幔、地壳）的结构、物质与能量交换及其动力学特征，为人类合理开发利用资源、认识环境变化、减轻自然灾害及大型人类工程的环境评价等服务，初步具有从事地球物理及相关领域科学研究的能力。

结合固体地球物理专业人才培养的特点，本文以地球物理专业选修课为例，探讨PBL模式的可行性。专业选修课是专业基础课的进阶课程，涉及地球物理数据的观测、采集、处理、模拟和解释等方方面面，以及分支学科的进一步细化。学生开始选修专业选修课程时，已经具备一定的专业基础理论知识，这时需要研修专业相关的方法技术，学习和了解理论知识的运用，培养地球物理专业思维，进一步思考科学和技术问题。

PBL模式在一定环节和程度上与地球物理专业选修课的教学目标相适应。（1）问题的提出，地球物理专业问题可分为大问题和小问题。大问题可以是地球科学系统中需要综合运用地球物理知识解决的问题，如地球板块构造、地球内部分层结构、地震监测、地表岩石物性分布、青藏高原隆升机制等等，解决这些问题有多种途径和理论方法，可能存在多个答案；小问题可以局限在地球物理专业内，将其设置成结构化问题，针对性较强，如地壳厚度的确定、地球物理反演方法的优化、地球物理数据中噪声如何消除等等，解决小问题以各类实验和方法技术的学习和尝试为主，找到最佳途径和方式。（2）对问题建立假设，分析分解问题，尝试给出可能的解决方案。此时教师应该对问题分析进行引导，给出学习重点，把握专业概念、术语、方法、技术等关键点。（3）学生自主讨论和自主学习，学习查阅专业资料和文献，积极交流协作，勇于探索创新，总结解决问题所需的地球物理数据、理论和方法。（4）实践解决问题的途径和手段，看是否能验证假设、解决或部分解决问题。教师最后给出分析总结，加深学生对地球物理概念和知识点的理解。

PBL教学模式对教师要求较高，对学生要求也高[8]。一方面，教师需要具备先进的教学理念、较高的职业素养和负责的教学态度、扎实广博的专业知识、驾驭教学和课堂管理的能力。另一方面，学生的主动性、思维能力、动手实践、相互协作等基本素质会影响教学效果。目前，我院地球物理专业选修课的教学方式丰富多样，实例分析和理论方法充分结合，教师专业知识牢固并且熟悉专业前沿；在提出问题后，实验班学生的主动性和思维能力可以释放，个人动手能力和集体相互协作可以互补。

三、PBL教学方案设计和初步应用

在专业选修课“重磁资料处理与解释”中，教学内容涉及若干地质与地球物理问题。该课程的讲授模式通常以教师在课堂讲授资料处理方法和解释手段为主，辅以实际例子，向学生介绍一般方法过程和需要注意的问题。虽然有布置作业和计算机编程实验，但学生的动手实践能力和学习效果依然有待提高。因此，本文参考PBL教学模式，结合专业培养方案，设计了一个问题场景并应用在该门课程的实验当中。

1.PBL教学方案举例

问题：地球壳幔界面的确定。

适宜类别：地质与地球物理实验班三年级（第六学期）。

背景知识：本方案在“重磁资料处理与解释”课程实验阶段开展，是基于重磁异常反演的相关教学内容而编写，在本课程的结尾阶段使用。此前，学生已经系统地学习了资料处理的基本方法，包括重磁资料的获得、数据的去噪、数据转换和变换的基本方法、数据模拟和反演的基本理论等大部分内容，具有一定的数据处理和解释思路。从整个本科学习阶段来看，按照固体地球物理专业本科培养方案，学生已经系统地学习了地球物理基础、地震学、地磁学、地电学、重力学以及数字信号处理、地震波理论、场论等相关知识，建立了相对完整的地球物理知识结构。因此，本方案可以检验学生的综合能力。

总体教学目标：通过本课程教学，学生可以了解各种常规的重磁资料处理与解释方法原理及应用，学习如何运用数学手段分析处理位场数据，地球物理与地质解释相结合的思路与方法。

教案简介：以地球壳幔界面为对象，利用地球物理观测资料和其他相关资料，运用所学的数据处理方法和解释手段，确定壳幔界面的深度和变化特征。旨在通过问题分析，帮助学生建立从理论方法到实际研究问题的思路，回顾有关重磁资料转换和重磁异常分离的方法，扩宽相关的地球物理综合知识。

课堂总体安排和步骤：（1）小组准备阶段。确定学生分组情况，就问题进行简要说明，包括大致的讨论范围，涉及的主要知识点。（2）讨论前反馈。了解学生准备情况，对准备中出现的疑点和问题进行解答。（3）第一次集中讨论。主要明确壳幔界面的地质地球物理意义，重要的地球物理概念、相关地球物理资料、数据处理方法、各小组的问题解决方案，对提出的问题进行总结。（4）第二次讨论前反馈。了解各小组的进展情况，对问题进行适度解答。（5）第二次集中讨论。各小组以幻灯片形式报告对问题的认识，阐明解决过程和思路、存在的问题以及收获。（6）总结。学生先自行总结，教师随后对问题和解决情况点评，并对小组和成员分别给出成绩。

参考资料：基本概念，如壳幔界面、密度、速度、重力异常、地震剖面、模型、正演、反演等；各类数学工具、计算软件和绘图软件；相关地球物理资料，包括国内外经典的地球物理方法和最新的研究成果。

2.初步应用

围绕如何确定地球壳幔界面的问题，我们开展了PBL教学模式初步应用。因为固体地球物理专业的理论、观测和实践都十分重要，所以将PBL教学聚焦在概念、数据和方法等三个方面，避免课堂讨论走形式。

（1）地球壳幔界面的相关概念。

在小组准备阶段要引导学生进一步学习地球壳幔界面的地球物理定义，明确它是来自观测的地壳和地幔物质地震波速度突变的物理现象。这种现象的根本原因是壳幔物质物理性质发生变化，物性变化会带来速度和密度变化，继而引起地球物理场的变化。在小组讨论时，除了讨论壳幔物质与地球物理场的关系，还要求学生讨论壳幔界面的速度变化与密度变化之间的一致性，讨论重力异常是否可以反映壳幔界面的深度和变化规律，其优势和局限性分别是什么。

（2）重力异常数据和相关地球物理资料。

小组准备阶段和讨论阶段应该特别重视观测数据，对地面和卫星重力数据的来源和可靠性进行确认，获取有用的重力异常；讨论数据的分布范围和比例尺能否解决研究区域的壳幔界面变化问题。此外，由于重力异常研究的局限性，请学生讨论地震资料和地质资料的作用。

（3）解决问题的理论方法和计算技术。

在本质上，研究壳幔界面问题就是研究地球物理场和场源的关系问题。两者的关系是由地球物理基本理论和方法确定的。在PBL教学模式下，学生自己复习理论和公式，找到界面模型的多种计算公式，针对重力异常数据和研究区域，讨论计算方法的选取，比如一维重力异常和二维重力异常的正演计算问题。相关的计算技术主要集中在数据的整理、处理与解释上：例如数据的滤波去噪、上下延拓、异常的分离、剩余异常的反演等等。要求每个小组需要写出一套简单的技术流程，用于实际数据处理。由于问题的解决离不开计算机编程，建议小组成员进行分工合作，小组间互相交流，避免花大量的时间用于复杂计算上。从教师角度，提供一些现成的程序和软件供学生使用。

3.PBL教学模式的一些认识

与案例分析教学法不同，PBL模式需要学生从一开始积极主动的学习，教师不做课堂讲解，由学生独立完成地球物理知识学习和运用。在方案实施过程中，第一次讨论是关键，教师用提问的方式参与到讨论中间，把握问题的范畴和相关专业术语，引导学生思考问题，从教材、课件、书籍和文献中寻找解决问题的途径，激发学生的兴趣，避免学生陷入茫然不知所措或者思维过于发散的状态；第二次讨论应该围绕解决问题的过程而不是结果，展开讨论和学习，此时教师以“旁听者”的身份归纳整理每个小组的优点和不足，适当提出新问题，检查学生的学习效果，即概念的理解和方法的掌握。两次讨论中间是学生自主学习和解决问题的时间，教师不做个别辅导，仅跟踪学生反馈和提供资料查询帮助等。

PBL模式下，我们发现学生的积极性和能力都有一定程度的释放，或注重不同数据处理方法的比较，或借鉴了前人的成果特别是地震剖面资料，或编写了较好的计算程序。小组讨论增强了学生个体的学习主动性和效率，互相帮助克服困难，甚至深入研究了数据处理的细节问题。虽然解决问题的途径和采用的方法不尽相同，也没有形成统一解答，但是学习的过程更重要，这是学生和教师的一致看法。

四、展望

地球物理专业人才培养具备开展PBL教学模式的条件。实施起来首先需要教师完成教学方案的设计，包括背景知识整理、总体教学目标设定、课堂总体安排、提示性问题和重点内容归纳、参考资料的准备、学生学习评价机制等方面。此外，教学资源保障条件，如软硬件设施（教室、实验室、图书馆、网络资源）的完备程度和方便实用性，开放的学习环境，相关专家聘请讲学等等，也影响PBL模式的具体实施。虽然PBL模式的主体是学生，但教师仍然是主导，两者有机结合才能获得最佳的教学效果。

PBL教学模式的运用也不能完全依照国内外医学教育的范式，必须以本专业人才培养目标为依据，灵活运用才能全面提升学生的综合素质与解决实际问题的能力。

[1] Barrows H S, Tamblyn R M. The portable patient problem pack: a problem - based learning unit [J]. J of Med Edu, 1977, 52 (12): 1002-1004.

[2] Barrows H S, Kelson A. Problem-based learning: a total approach to education [M]. Illinois: Southern Illinois University Press, 1993.

[3] 周忠信，陈庆，林艺雄，等.PBL 教学模式的研究进展和现实意义[J].医学与哲学(人文社会医学版)，2007，28(8)：72-74.

[4] 王松，于忠臣，戴春雷，等.“PBL”教学法与地球化学专业人才培养[J].辽宁工程技术大学学报(社会科学版)，2014，16(2)：222-224.

[5] 韩学辉.应用PBL教学模式开展岩石物理实验的教学实践[J].中国地质教育，2013，(4)：63-65.

[6] 王迎超，耿凡.PBL教学模式在岩石力学课程教学中的应用[J].中国地质教育，2013，(4)：66-69.

[7] 孙建国.浅论地球物理专业本科阶段的创新能力培养[J].中国大学教学， 2011，(10)：29-31.

[8] 于瑛英，蒋洪伟.PBL教学模式对教师及学生素质要求的研究[J].中国电力教育，2013，(28)：68-70.

Title: Application of PBL Teaching Mode in Talents Education in Solid Geophysics Major

Author(s): LIANG Qing, LUO Yin-he, CHEN Chao

problem-based learning; solid geophysics; talents education; teaching mode

G640

A

1006-9372（2014）04-0059-04

2014-07-28；

2014-08-10。

中国地质大学（武汉）教学研究项目“地球物理学（理、工）专业课程体系改革与实践”；“固体地球物理专业及课程体系改革的研究与实践”。

梁 青，男，讲师，主要从事固体地球物理的教学和研究工作。