环境工程专业课程教学方法创新与应用

吴圣姬 马青兰

摘 要：思维导图作为近年来新兴的可视化辅助教学技术手段，在“以学生为本”的教学设计中逐渐得到广泛应用。结合“大气污染控制工程”课程的多年教学实践，将思维导图模式应用到环境工程专业课程的本科教学中，优化了课程内容，拓宽了学生的知识面，提高了学生的批判性创新思维能力、归纳总结及总体规划能力。

关键词：环境工程；思维导图；教学方法；能力素质提升；大气污染控制工程

思维导图是一种将发散性思维具体化的方法，由英国著名心理学家东尼·博赞发明，其认知功能与人类大脑的认知功能相类似，使用者将信息表征工具，包括图片、图形、词语等，加以组合运用，通过呈现概念之间的层次关系和思维顺序关系，实现概念表征的可视化，具有“既见树木又见森林”之功效[1]。这种可视化教学，纲举目张，能够让使用者从一种全局和整体的视角思考问题，有助于信息的储存和提取，进而有益于教学质量和学习效率的提升。已有研究表明，思维导图之教学模式，在优化教师的教学设计、活跃学生的思维、全方位提升学生综合能力和素质等方面有重要的作用。基于思维导图的教学理念，致力于培养学生的创新思维及提高教学质量，意义重大[2]。目前，思维导图作为一种可视化教学辅助工具在理工科教学等领域的应用较为广泛[3，4]。针对高等学校的教学特点，将思维导图与教学相结合的研究已有一些报道，主要集中在有机化学、高分子化学、物理化学等化学类课程和少数工科类课程，并且高校的创新创业教育教学中也引入思维导图概念[5，6]，但针对大气污染控制工程教学的应用，尚未见公开报道。在我国大力推进生态文明建设、坚定实施“绿水青山就是金山银山”的富民强国之路上，如何基于思维导图的教学相长理念，进一步提高大气污染控制工程教学成效，是一个值得探索的重要课题。

从2006年开始，我国着力构建与工程教育认证制度相衔接的工程教育体系，要求实施“学生中心、产出导向和持续改进”的三个基本理念。其中，产出导向（成果导向，OBE：Outcomes-Based Education）改变了传统的“以知识为主导”的教学理念，以学生学习成果的水平及其达成度来组织和实施教学，重点强调“学生产出”，立足于工程教育认证的大背景，注重培养学生的能力[7，8]。在工程教育认证制度的大背景下，“大气污染控制工程”作为环境工程专业核心课程之一，具有多学科有机融合的特质，其课堂教学是直接保障高质量人才培养的关键，教学效果直接关系到环境工程专业学生掌握大气污染治理的理论知识和实际工程能力，对提高学生的专业素养及在就业市场的竞争力起着至关重要的作用[9]。要提高人才培养质量，就要从课堂教学以及相关教学模式改革入手。在现实的工作过程中，要掌握并灵活运用大气污染控制工程的技术与方法，工程技术人员通常需要在工作中有相当长时间的累积和磨砺，对尚在大学校园学习且知识面的深度与广度比较局限的大学生而言，是一个富有挑战性的任务。

“大气污染控制工程”课程内容丰富，通常需要安排80～100学时才有可能达到比较理想的教学效果，但各高校开设该课程往往学时数较少且相差较大，而且涉及化工原理、物理化学等专业基础学科的知识，对知识面和能力与素质较弱的本科生而言，技术内容略显枯燥且繁杂。因此，在教学中如何激发学生的学习兴趣，培养学生通观全局的能力，使学生既能掌握相关的基本理论，又能具有运用所学知识解决实际问题的能力，成為迫切需要解决的问题。为了达到教学目标、提高学生的学习成效，秉持“以学生为本”的教学理念和“学生产出”为重点的教学范式，笔者创造性地将思维导图模式应用到环境工程专业课程的本科教学中，重新优化“大气污染控制工程”的教学内容，有效激发了学生自主学习的积极性，全方位培养了学生的创新和实际工程能力，取得了显著的成效。

一、思维导图在教学中的作用及意义

1.教学设计的优化

教学设计是一个全面的系统工程，是教师对教学诸要素的有序安排。教学设计需要教师整体把握教学，认真并仔细思考解决问题的过程以及各个教学要素之间的关系，再从主要素细化成各个层次，这与思维导图的思想很相似。思维导图以逻辑清晰、层次分明等结构特征展现各个知识点之间的相互关系，能够帮助教师在设计过程中整体把握教材和教学内容，也能够让教师明确各知识点的位置和重要程度，有利于进行有效教学和设计。图1为大气污染控制工程的思维导图全景图，教师在采用思维导图进行教学设计时对教学重难点以及教学过程一目了然，帮助教师对整体教学内容进行优化，并有利于综合考虑学科的基础知识、教学知识、应用知识以及学科前沿知识等多方面的内容，较好地掌握教学环节，以达到教学目标。

2.学生创新思维的培养及认知结构的优化

思维导图作为一种图解知识和思维的工具，具有独特的图形结构，它图文并茂又生动形象，用不同的颜色线条表示不同的分类想法。从思维导图概念到制作过程以及结果，与学生的认知心理有很大的关联性。它同时采用了语言和图像的表征单元，给学生视觉刺激，增强学生有意识的注意和记忆，有助于提高学生的学习效率。思维导图的无限扩展性能够引导学生从相反的角度思考问题。当学生用一种方法无法解决问题时，可以采用思维导图从相反的方向入手，换一种思路去寻找解决问题的方法。这种逆向思维也是创新思维的重要部分[10]。思维导图的制作过程是轻松深思的过程，是大脑喜欢的思考方式。当大脑处于松弛状态时，会产生新想法或独特的观点，能够培养学生的创新思维[4]。

3.“成功课堂”的建立

“成功课堂”是“建构性学习”与“学生有效参与”二者的复合函数[11]。在积极构建“建构性学习”的前提下，努力保证“学生有效参与”，从而实现“成功课堂”，保证“学生产出”。思维导图作为能动的建构过程，为知识的建构提供支架。学习者遇到未知事物或现象时，使用他们已有知识解释新的信息。学习者激活先备知识和尝试将新知识与已有知识相联系。这种“建构性学习”是主动的、能动的结果，而不是外在所支配和操纵的结果。Harkirat等提出，建构主义可视化教学可以提高学生认知结构的质量，开阔学生的思想，建立完整、系统的信息结构，从而优化学生的认知结构[12]。

二、思维导图在教学中的应用模式

思维导图作为教师组织教学和学生学习的好方法，近年来广泛应用于高等教育教学中，并取得了显著效果。国内外研究者在医学、信息技术、物理学、经济学等学科教学中开展了大量的思维导图的教学实践研究，具体分为以下三种教学模式：一是学生为主体的“学生个体式”，二是小组讨论为主的“小组互动式”，三是学生问题解决为主、教师启发为辅的“问题导向式”。以上三种模式由低级思维模式向高级发展，分别用在学生的预习、课堂中、归纳总结以及问题的解决上。

1.学生个体式

“学生个体式”模式是在初期思维导图教学过程中应用最多的模式。其表现为以学生为中心，教师给出特定主题，通过学生自己的判断和理解，将概念、观点画出逐渐分化的、层次的、概括的思维导图，进而体现出学生的知识结构和思维过程。以袋式除尘器为例，首先教师在网络教学平台里公布有关袋式除尘器的教学视频，学生根据老师的要求课前预习，并制作思维导图的略图；教师在课堂中围绕新知识，向学生详细讲解新知识、新概念；课后学生根据自己原有的知识以及新知识、概念等逐步修改和完善思维导图，发展知识结构。这与“先学后教”的教学模式相结合。图2为学生个体制作的思维导图。

2.小组互动式

学习过程是通过学生个体行为和外部环境，尤其是学习群体之间、学习伙伴之间的相互作用而实现，因此，教学活动中个体与群体之间的协作和交流尤为重要。小组互动式的模式不仅可以激发学生的主动学习，同时可以兼顾学生学习方法、学习风格以及思维模式的差异。其表现为在学生个体制作的思维导图基础上，通过小组成员之间的讨论，进一步加深个体的理解，完成小组对某一知识或主题的思维导图。通过小组讨论，学生对主题内容有进一步的分析和理解，最终提交整洁的思维导图。在整个活动中学生可以大胆发表自己的见解，不仅提升学生之间的沟通能力，而且提高相互学习的能力。

3.问题导向式

问题导向式的应用模式是在思维导图教学模式中级别最高的模式，是非线性的组织过程，它根据思维导图的6W（who，what，when，where，why和how）来分别表达出问题的关键点。在问题解决过程中，学生通过已具备的知识和经验，需要不断思考，讨论问题的相关议题。思维导图的作用是把关键问题通过图片、文本等描述它们之间的关联，寻找问题的解决途径，最终实现问题的解决，提高学生解决问题的能力。之后，进一步在教师的引导下，再次补充信息。这是一个反复且循环的过程，教师可以让学生的想象不被具体事物所限制，可以任意联想，开阔思维，这有利于培养学生的创新思维能力。

三、思维导图在教学中应用的综合评价

为了評价思维导图在教学中的效果，笔者通过问卷形式调查了学生对思维导图在学习中的感受、在小组学习和能力培养中的作用等问题。结果显示，学生对思维导图的教学模式都持肯定的态度，70%的学生认为思维导图有助于学习。

课堂教学中引入思维导图的目的是强调以学生为中心的互动式学习，因此教学过程中多次采用了小组合作方式。问卷调查中可以看出，50%的学生喜欢自己画思维导图，只有30%学生喜欢小组合作画图，可见学生并没有表现出特别喜欢小组合作模式。学生认为小组合作没有办法较好地互相配合，并且建议对小组成绩的综合评价方法进行改进，不能以小组评分。关于小组讨论是否能够帮助解决问题，学生普遍认为有一定的帮助，并且参与度也比较高。由能力培养的问卷调查结果可以看出，大部分学生认为思维导图有助于学习效率的提高，尤其是在归纳总结和知识梳理上帮助很大。学生通过思维导图的制作过程深入思考、分析和理解每个关键词之间的层级关系和逻辑关系，并进行总体规划、合理布局，经过长期的实践和积累，可以培养学生的总体规划能力和归纳总结能力。

基于思维导图的课堂教学模式改革不是一次性的教学实践，要获得良好的教学效果需要长期的、持续的改进。通过两轮的教学改革发现，传统的评估模式下，学生对教师期末的评价和教师对学生期末的考试无法正确评价课堂教学改革的效果，需要进行教师和学生的自评环节、小组成员之间的互评环节以及小组与小组之间的互评环节。学生评价的依据应该以过程为导向，评价内容更为细致和全面化[13]。

教师在课程开始时对学生说明本课程的考核形式，让学生时刻跟着教师的教学理念走。这种多样化的评价方式可以提高学生的学习热情和积极性，从而以更加主动的心态参与学习过程，以便保证教学效果。

参考文献：

[1] 东尼·博赞. 思维导图[M]. 北京：中信出版社，2009.

[2] 彭永杰. 思维导图在高中化学选修1《化学与生活》教学中的实践研究[D]. 合肥：合肥师范学院，2017.

[3] 张海森. 2001—2010年中外思维导图教育应用研究综述[J]. 中国电化教育，2011（8）：120-124.

[4] 董博清. 基于思维导图的中学物理教学实证研究[D]. 长春：东北师范大学，2013.

[5] 陈亚芍，宁清茹. 思维导图在物理化学教学中的应用[J]. 大学化学；2017（32）：24-29.

[6] 黄秋石. 思维导图在高校创新创业教育教学中的应用研究[J]. 兰州教育学院学报，2016（32）：113-114.

[7] 周红坊，朱正伟，李茂国. 工程教育认证的发展与创新及其对我国工程教育的启示[J]. 中国大学教学，2017（1）：88-95.

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[9] 张学洪，张军，曾鸿鹄. 工程教育认证制度背景下的环境工程专业本科教学改革启示[J]. 中国大学教学，2011（6）：37-39.

[10] 吴静. 基于思维导图培养学生创新思维的教学模式研究[D]. 河北：河北师范学院，2012.

[11] 王永峰. 从“建构性学习”到“学生有效参与”——论课堂教育技术之正业[D]. 长春：东北师范大学，2009.

[12] Harkirat SD， Makarimi-Kasim ORA. Constructivist-Visual Mind Map Teaching Approach and the Quality of Students‘ Cognitive Structures[J]. Scientific Education Technology. 2011， 20： 186-200.

[13] 刘红霞，黄倩. 基于翻转课堂的大学会计专业本科教学过程设计研究——以“中级财务会计”课程教学为例[J]. 中国大学教学，2015（8）：58-61.

[本文系浙江省高等教育课堂教学改革项目“基于思维导图的大气污染控制工程课堂教学模式研究”的阶段性成果（项目号：kg20160135）]

[责任编辑：余大品]