PBL教学模式在重力学教学实习中的尝试

梁青+胡正旺+杜劲松+王林松+陈超

摘要：本文以中国地质大学（武汉）北戴河地球物理学专业教学实习为例，针对重力学教学实习的特点，将问题为基础的学习模式（PBL）运用到为期5周的教学实习中，从室内环节和野外实践两方面分析总结了这一学习模式的应用过程和经验。教师根据专业教学实习目的、要求和内容，在实习中灵活应用PBL模式，有助于激发学生的关注度和兴趣，引导学生主动思考问题并提出解决办法，锻炼学生学习能力和创新能力，培养学生团结协作精神与责任感。

关键词：PBL教学模式；教学实习；重力学

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）03-0105-03

PBL教学模式是指以问题为导向的自主学习方式（Problem-Based Learning，简称PBL）。PBL最初起源于医学界，在医学教育中被广泛应用[1]。PBL与传统的以学科为基础的教学法有很大不同，它的主要特点是设计真实性的任务和问题，强调把学习设置到复杂的、有意义的问题情境中，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[2，3]。重力学教学实习是地球物理学专业教学实习内容之一，是本科生的实践教学主干课程。地球物理学专业教学实习依托中国地质大学秦皇岛实习基地，在柳江盆地及周边地区开展为期5周的重力、地磁、地电和地震等方向的教学与实践课程。重力学教学实习目的是对《重力学》相关课程所学知识的进一步理解与应用，以及对实践能力的锻炼，使学生通过教学实习，加深理解和巩固所学理论知识，切实掌握重力学的基本实践技能，进而正确使用常规仪器，学会正确记录、分析、讨论、总结归纳实践结果，并培养学生熟悉重力测量的过程，熟悉重力数据处理的基本方法，为将来从事重力方面的科研与生产工作打下基础。

一、PBL教学模式与重力学教学实习的结合

1.重力学教学实习目标和要求。在教学实习中，必须通过各种途径建立感性认知，加强对学生进行科学素养和良好的实地工作方法、实验室工作习惯的训练，使其进一步掌握重力测量的基本方法和重力仪的工作原理[4]，学会重力仪器的使用与检验，掌握相对重力测量内业工作中的数据初步处理方法，了解测量误差的来源及相应的计算和处理方法，如固体潮校正、零漂校正和地形校正等。通过实习要求每个同学都能通过理论和实践的结合，掌握重力测量和处理解释工作的各个环节，包括工作设计、仪器操作、野外观测、资料整理、异常解释及实习报告编写等过程。实习的具体要求包括：（1）实习以学生分组的形式，需要每组学生在柳江盆地及其周边地区进行重力基点测量和剖面测量，剖面测量点位将参考地质构造及实地踏勘结果，重点掌握野外测点布设的工作要点和技术；（2）通过实地的野外观测过程，培养学生分析问题和解决问题的野外工作能力；（3）巩固校内重力学教学内容，练习使用重力学研究相关软件，将基础的理论应用到实际的重力场数据处理中；（4）学习从实际的重力场数据中进行各类校正，计算相对重力异常和布格重力异常；（5）训练学生的独立思考能力，能从观测到的数据推论重要的地体构造单元与重力异常场源之间的关系；（6）完成野外工作、资料处理、图件绘制、推断解释和报告撰写，要求每个人均能独立完成实习报告。

2.问题设计。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。根据实习目标和要求，学生在老师的引导下，围绕每一个教学实习环节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”的逻辑过程获取地球物理专业知识[5]。结合重力学教学实习各个环节，我们设计了若干有针对性的问题：（1）在工作设计环节，明确重力实习的工作目的——对柳江盆地岩浆岩的断裂构造进行调查。根据以往地质资料，了解实习工区内大致的地层分布，岩浆岩分布和主要断裂位置，提出如下问题：重力观测的比例尺大小如何选择？测线和测网如何布置？异常的精度如何控制？观测点如何选择？（2）在野外观测环节，提出如下问题：如何对测量点进行准确定位？重力测量的观测精度的影响因素有哪些，如何克服以提高精度？（3）在数据整理和计算环节，如果出现分段数据衔接有问题，如何检查？（4）在重力异常解释环节，针对地质任务和设计目标，如何给出合理的解释结果？如何推测和验证断裂位置、岩体的位置？

二、重力学教学实习中PBL教学模式的实施

我们尝试在重力测量与野外实施方法中引入PBL教学模式。首先，对20位学生进行分组，分为重力观测组、测量组和地形改正组。三组同学集中上课，学习了解实习区的地质地球物理概况和工作设计的基本原则。然后，教师设计问题场景：如何设计重力测量剖面才能对断裂和岩体进行探测？实习工区内的地层分布，大致以北至东走向的平山-南林子-南刁部落逆断层（断裂带）为界，南部出露地层以元古界混合花岗岩为主，属区域变质岩。在混合花岗岩中存在燕山期辉绿岩脉，走向与断裂带基本一致，属浅层基性侵入岩浆岩体。断裂带以北是柳江盆地，亦称柳江复向斜。该向斜核部位于工区西北，枢纽为南北走向，平面形态呈箱形，东西两翼地层倾角较大，南缘快速仰起，以上古生界至中生界地层为主（二叠系含煤）。盆地东部以寒武、奥陶等下古生界地层为主，岩性为盐酸岩类，边缘地带有少量上元古界青白口系地层出露。沉积层厚度小于盆地西部。工区内第四系沉积物主要分布于河谷等局部地段，厚度不大。由于现有地质资料对区内构造和岩浆岩分布等信息的揭露不够充分和详细，不同资料的描述还存在一定差异，因此有必要设计一条重力测量剖面进行详细研究。

第三，学生根据问题场景，自行设计基本原则、测量方法技术和相关资料，同时讨论设计依据和可行性，以及可能存在的问题。针对柳江盆地东南边沿断裂构造及岩浆岩分布进行调查这一地质任务要求，同时考虑到场地条件、实习装备及工作量适当等因素，采用剖面重力测量方式进行。因此，重力工作技术设计的主要内容是测线位置、点距、布格异常精度设计及施工方案设计等。

最后，学生反馈讨论结果，教师对具体问题和知识点做点评，完成解决方案——工作设计。根据地质任务目标、重力调查规范、可能的异常规模，以及工区地表施工条件等，提出设计方案：（1）设计剖面1条，可于木咋峪—北林子村或者蟠桃峪—石门寨镇中学，沿乡村道路布设路线剖面。测线位置及长度的设计主要考虑局部异常的完整性、所经地质构造及地质体的代表性、尽可能使测线垂直于构造方向、交通及施工方便等；（2）剖面参考长度4km左右，参考点距10—50米；（3）布格重力异常总精度设计为0.05毫伽左右，并根据误差分配公式确定重力观测精度、各项校正精度以及测点点位和高程测量精度；（4）测线敷设采用GPS/RTK用于测地工作，测量每个测点的经纬度坐标和高程；（5）0—50m近区地形改正使用简易地改仪在野外完成。中区地形改正基于DEM数字地形图，使用扇形域方法进行改正，改正范围50—2000m左右。远区采用方域改正，改正范围2—20km。

综上，室内教学过程结束，学生积极主动参与讨论，完成该阶段任务。

三、PBL教学应注意的问题

1.充分的课前准备。教师要对学生现阶段的重力学知识和实习的心理准备有充分的把握，可以先利用课件集中授课，讲明实习内容和要求，然后以重力实习过程为主线，对每个阶段的实习任务展开分析和讨论研究，教学互动。

PBL教学模式对担当PBL的教师本身也提出了更高的要求，对课件准备提出了更高的要求。因为重力学教学实习包括了室内和野外、理论原理、仪器使用和数据采集、实际工作准备和后期资料处理、报告编写等环节，所以教师在备课时要掌握重力学基础知识并作做好充分的准备，这样才能设计出合理的思考题，准确应答学生提出的各种问题。讨论结束后及时进行归纳和总结，以强化记忆。

2.注重基础知识训练。精讲实习内容，对教学大纲中的重点、难点、疑点进行讲解，注重三基（基本理论、基本知识、基本技能）教学，教给学生分析问题的必备知识，然后引入问题，结合理论让学生自己分析。把要讨论的问题限定在学生的知识范围内，使学生有充分讨论、研究的余地。同时把不需要讨论的问题明确告知学生。教师可适当穿插讲授理论、技术等新进展，以引导学生更新知识，追寻发展。

3.注重实践，循序渐进。可以增加实践教学PBL教学的比重，程度的把握需要在教学实践中摸索，学生的积极性和教学的可接受性是PBL教学成功的关键。如在工作设计讨论中，对于关键问题，应多提问一些“为什么”、“怎么办”，督促检查学生掌握所学知识的牢固性，这样才更能使学生将重力学知识从感性认识上升到理性认识。在实践中检验和巩固教学内容，把工作设计付诸实践，在教师指导下完成重力数据采集、检查、整理、处理和解释，报告编写，最后作总结、评价，以实际应用考核学习效果及应用能力，并在实践中强化巩固所学知识和技能。

学生对教学实习的问题场景表现出极大的兴趣，能自主学习，积极讨论。由于解决问题的需求和紧迫性，学生均表现出了迫切感和认真的学习态度。学生们为了解答实际问题，必须复习相关知识，查阅有关教科书及参考书和文献，并且互相交流获得的信息，取得合理满意的结果，达成比较一致的意见，最终获得较全面的知识。学生在分析问题时，要对地质与地球物理资料进行分析、综合、比较和概括，对陌生的实际地区进行了解认识，这对培养学生的思维、逻辑推理能力是非常有帮助的。教师只是指导学生学习的方向，在教学过程中，强调学生的自主学习，主动加工新知识，这样学生的学习兴趣被激活，思维活跃了，学习的积极性也提高了。实际上PBL教学法是一个载体，因为学生在解决问题的过程中学到了必要的知识，同时他们学会了正确的地球物理工作思维，培养了自学能力，同时增强了批判性思维、团队合作精神、交流能力。通过我们的初步尝试，证明该方法还有助于提高学生掌握基础理论知识，尤其是提高了地质—地球物理综合分析的能力。这种良好的理论联系实际的学习习惯的形成，将在他们今后的科学研究和工作中产生积极的影响。

参考文献：

[1]周忠信，陈庆，林艺雄，赵善超，周杰.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.

[2]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，2013，22（4）：63-65.

[3]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，2013，22（4）：66-69.

[4]王林松，陈超，梁青，杜劲松.“重力学/重力勘探”课程引入绝对重力观测实验的探索[J].教育教学论坛，2014，（53）：281-282.

[5]梁青，罗银河，陈超.PBL教学模式固体地球物理专业人才培养中的应用.中国地质教育[J].2014，23（4）：59-62.

Application of Problem Based Learning in Practice of Gravity

LIANG Qing1，2，HU Zheng-wang1，2，DU Jin-song1，2，WANG Lin-song1，2，CHEN Chao1，2

（1.Institute of Geophysics and Geomatics，China University of Geosciences，Wuhan，Hubei 430074，China；

2.Hubei Subsurface Multi-scale Imaging Lab （SMIL），China University of Geosciences，Wuhan，Hubei 430074，China）

Abstract：Based on the professional practice teaching of geophysics of China University of Geosciences （Wuhan），the Problem Based Learning （PBL） was applied to the teaching practice of gravity course for five weeks. We summarized the application of this learning mode and experience of teaching and field practice. According to the aims，requirements and contents of professional practice teaching，teachers applied the PBL to help stimulating the students' attention and interest，guiding students to thinking actively and finding solutions，enhancing students' learning ability and innovation ability，and cultivating students' cooperation spirit and sense of responsibility.

Key words：Problem Based Learning；teaching and practice；gravity