思维导图和PBL双融合的教学创新研究——以《大气污染控制工程》课程为例

成卓韦，於建明，王家德，叶志平

(浙江工业大学 环境学院，浙江 杭州 310014)

《大气污染控制工程》是高校环境工程专业的核心课程，通过讲授概念、原理、工艺、设备、设计及计算等基本知识，培养学生分析和解决大气污染控制问题的能力。这也是一门富有理论性和实践性的课程，对于学生来说具有很大的挑战性。教育部吴岩司长曾提出“金课”的“两性一度”标准，即高阶性、创新性和挑战度。《大气污染控制工程》在近10年的教学改革中，围绕“学生学为中心”，在激发学生学习兴趣的同时，努力提高课程的高阶性、创新性和挑战度。本文探索教学设计进一步的改良，提出思维导图和问题导向式(PBL)双融合的教学创新方法，并进行具体实践，以持续推进适合工程类专业课程的教学研究的深化。

一、思维导图和PBL双融合的教学创新

高等教育的目的，不仅是要使学生掌握解决问题所需的基本概念和基本理论，更重要的是培养学生的解决问题的能力和对事物的创造力。传统授课模式以理性主义价值观为主的单向传输，忽视了知识运用和问题解决能力的培养[1]。学生习惯了在教师的安排下被动地接受知识，没有思考也没有质疑，仅仅留些印记。《大气污染控制工程》课程具有学时相对较少的特点，使得教师只能在传统课堂中对课程内容进行一般化讲授，而无法深入讨论分析，使得学生对典型工艺操作单元缺乏感性和理性认识。同时，传统的课堂授课使得学生学习能力个体差异较大，对课程教学的知识个性化需求难以达到令人满意的效果。由此，我们可以选择思维导图和基于问题的导向性学习(PBL)相交融的教学创新方法，即产生双融合的创造力，来全面提高学生的思维能力和创新能力。

(一)思维导图和PBL的特征

1.思维导图是20世纪60年代英国著名心理学家、教育家托尼·巴赞所提出，又称心智图、脑力激荡图。它是一种将放射性思维具体化的思维工具，以关键词、图像、色彩等形式展现思维、建立记忆链接[2]。思维导图与脑神经生理具有类似的结构，绘制时可促使绘制者依据大脑自身的规律进行思考，全面调动左右脑协同配合，将知识、顺序、判断、条理等理性思维与灵感、创意、联系、颜色、空间等感性思维相互融合相互渗透，充分开发绘制者潜在的能力。将思维导图引入学习中，不仅能充分调动左右脑的功能，提高学生的学习效率，而且还能培养学生的主动学习能力，培养属于逻辑思维的特质。

2.PBL(Problem Based Learning)是一种以“问题”作为教学起点，以小组形式解决问题，使学生获得运用知识的能力、自主学习的能力、解决问题的能力、发展评判性思维的能力以及合作能力的教学模式[3]。PBL教学模式充分体现了“以学生为中心”的教学理念，支撑的理论包括建构主义理论、教育理论和多元智力理论。与传统教学模式相比，PBL教学过程对分化学生，尤其是对那些思维懒惰、容易陷入无所适从的状态，有回避、拖延习惯的学生具有效果。因此，如何有效推动PBL教学模式的运用，达到良好教学效果是课程教学实践中必须面对的问题。

(二)思维导图和PBL双融合的效能

PBL教学过程与思维导图有许多共性之处，单一中心出发的特性使得两者的架构及特点具有高度的一致性[3-4]：(1)思维导图的绘制过程和其所展现的思维过程是围绕一个中心主题而展开的，这与PBL教学过程以“一个问题”作为出发点相一致。(2)发散性思维在两者应用中起到关键的作用。思维导图运用发散性思维绘制主要分支，但不需要对各分支所表述的问题及解决方式进行描述；在PBL教学过程中，解决问题也是充分运用发散性思维，针对特定的“问题”情境考虑所隐含涉及的知识或经验。(3)思维导图各分支的长度表示了思维的深度，展现了绘制者的思维过程；同样，PBL教学中问题解决者不仅需要针对特定问题情境进行思考与探索，也需要针对所挖掘出的具体研究内容进行深入探究。

因此，如果将思维导图和PBL进行融合，不仅可以培养学生综合运用知识的能力，还可以促使主动性和创造性思维的发展，实现教学模式的创新。2018年开始，教学团队将融合思维导图的PBL教学模式引入到《大气污染控制工程》的课程教学过程中，通过与课前、课中和课后学习等教学环节有机结合，强化了教学过程的可视化，并凸显课程“两性一度”的特点。双融合教学模式对《大气污染控制工程》教学改革起到了积极的推动作用，为其它工程类课程的教学提供了参考(图1)。

二、《大气污染控制工程》课程的教学设计

《大气污染控制工程》课程学习，围绕不同大气污染物展开，如颗粒物、氮氧化物、硫氧化物等，其污染控制都会涉及理论、方法、实践等方面。

因此，教学团队在知识探究、能力培养、价值引领和人格养成四维度上设立了课程教学目标，并力求在达成这些课程目标的教学过程中整合思维导图和PBL相融合的教学设计。

在具体实施过程中，学生围绕Problem或Keywords，借助思维导图绘制，巩固了专业课程知识，提升了问题诊断能力，提高了工程技术素质，强化了系统科学思维。思维导图和PBL融合可在课前预习、课堂巩固、课外拓展等教学各环节里有所表现(图2)，有效提升了学生课程参与率和学习获得感[5]。

图2 双融合在教学各个环节的应用

(一)课前预习，占取学习主动权

课前预习能培养学生自学习惯和自学能力，有效提高独立思考问题的能力[5]。课前预习能明显提高学生学习效率，激发自觉学习的主观能动性，从而获得课堂学习的主动权。尤其对于内容多，但课时紧张的课程来说，课前预习显得尤为重要。

“课前预习单”是一种利用可视化工具帮助学生全面理解章节知识的学习导航体系。教师一般提前将授课章节所涉及的Problem(Keywords)布置给学生，学生通过预先设定的“模式思维导图”，结合课本内容、微课视频、文献查阅等进行补充完善，初步建立章节内容的知识框架。“模式思维导图”其实是围绕Problem或Keywords的章节内容总览、包括相关概念、设计计算、实际应用、问题档案等，学生既可以基于“模式思维导图”完成预习，也可以对“模式思维导图”进行创新，绘制个性化的“课前预习单”(图3)。

图3 以“大气污染与大气污染物”为例的课前预习单

“课前预习单”需要学生预习完章节内容后围绕Problem或Keywords进行归纳总结，建立前续知识与本章知识之间的联系，清楚章节内容在整个课程体系中的地位；“相关概念”需要学生梳理重要的概念、理论等陈述性知识，这是解决Problem的基础；工程类课程会涉及许多工艺设备，特别是在知识应用过程中，会涉及许多计算公式、设计流程等，学生通过预习进行总结，把相关公式、设计流程等以图表形式写入“设计计算”模块，初步搭建解决Problem的整体框架；“实际应用”则需要学生结合课本知识进行拓展，配以图片说明章节知识在生产或生活中的应用，让学生体会知识的实用性，激发对课程学习的热情；“问题档案”则是教师最为关注的模块，因为该模块既是课堂授课的主要内容，也是检查学生是否完成课程预习以及对课程知识的掌握程度。

“课前预习单”是每一位学生为自己量身定制的章节“学习单”，能够让学生自己把握学习目标和方法，围绕Problem或Keywords收集拓展学习资料，而并不是被动地去接受教师给予的学习资料。

(二)课堂巩固，发挥学习主动性

《大气污染控制工程》课堂通常分为两种形式：普通课堂和翻转课堂，因此融合思维导图和PBL的教学方式在这两种形式的课堂中应用就有了区别，但效果是一样的，即通过思维导图，学生思路和知识脉络清晰，能够把碎片化的知识、经验等加工处理，用概括性的词或短语输出，体会本知识模块在整个课程体系中的地位，建立知识记忆链接。

在普通课堂中，教师授课围绕学生预习后提出的“难点问题”展开，课堂教学以听课为主，记笔记往往是防止学生走神的良器。传统笔记不利于回顾和复习，无法体现学生的个性，致使学生创新能力、独立思考能力等得不到充分发挥。将思维导图作为一种全新记录工具引入到课堂中，与传统笔记相比，它能更准确地反映教师上课讲解的重点难点。思维导图式的记录需要学生经过总结思考，充分体现学生对授课知识的理解。学生在课前预习单的基础上，结合教师授课过程中的重难点，从理论、运用、实践等角度对该Problem进行补充完善。

在翻转课课堂中，课堂讲授环节由课堂讨论和小组对抗等教学活动代替。每一次翻转课堂，教师都会抛出一个Problem，学生以小组为单位进行活动，包括预热准备、头脑风暴和成果展现。每一个阶段都可以围绕思维导图而开展，从而有助于创设情景，激发学生主观能动性，持续引发更多的有效讨论和思维碰撞，使学生的学习能力得到锻炼和强化。

以“高斯污染扩散模型”这一章节为例(图4)。课堂中教师先抛出一个“如何求最大落地点浓度”的问题(Problem)，每一组学生需要完成三个任务，以团队力量完成思维导图，即高斯扩散模型及其变型应用(预热准备)、几种方式破解这个Problem(头脑风暴讨论)和展示最简便的解决方式及获得的启示(成果展现)。

图4 “高斯污染扩散模型”的课堂教学过程

(三)课外拓展，保持学习的热情

课后复习对于学生来说，是一个知识内化的过程[6]。基于课堂授课掌握的知识，学生需要对课前和课中绘制的思维导图进行融合形成“课程学习单”，特别是一些通过课前预习，但依旧无法理解的知识，在课中得到了教师的答疑解惑，在课后则进一步升华，再次被补充到“课程学习单”中。通过知识内化过程，课前预习单经历了课中以及课后阶段，信息量大且更加全面，学生个性也能充分体现。修正“课前预习单”的同时，学生常常会发现一些不合逻辑的想法，通过知识内化，这些不成熟的想法会被修正。思维导图式的“课程学习单”有助于学生对章节知识的全面掌握，查漏补缺，在期末复习时也可以帮助学生迅速回忆起知识框架，进行有的放矢、高效的复习。

三、双融合教学创新的实践成效

双融合教学模式培养了学生发散思维和创新思维，提升了学生对实际工程问题的解决能力。为激发学习动力，在课程考核环节特地增加了思维导图的成绩份额，其他则遵循原课程成绩评定模式。若“课程学习单”被评选为星级思维导图并提供给同伴学习者参考，则期末总评成绩可考虑加分。双融合教学模式更注重教育教学过程，思维导图完善的过程同时也是学生思维的演变过程，体现了学生对问题的认知、思考与解决；双融合教学模式更注重个人与团队学习的交融互补，学会团队合作是未来社会对人才的迫切需求，充分考虑了个人学习和团队学习的优势互补，围绕PBL全方位构筑了“个人学习(课前)—团队学习(课中)—个人学习(课后)”学习链，使得思维导图既有个性也有共性；双融合教学模式更注重对学生创新能力和价值取向的培养，开放性的Problem创造了想象空间，能让学生凭借已掌握的知识去探索未知领域，培养发散思维，提升逻辑和思维的创造性，并能恰当发表自己的观点，体现自己的立场，形成正确的价值取向。

(一)知识梳理，提高综合思维能力

“流程式”思维导图通过整合大量概念、事实、数据、资料、图片等信息，经大脑加工，形成能够反应绘制者所要呈现的客观真理的概念和知识架构[7]。通过思维导图，学生能对所学的知识进行梳理，及时发现课程知识的薄弱点，查漏补缺。同时，在对大量信息进行理解并构建思维导图的过程中，学生可以摸索在给定的项目或主题词下所有创造性的可能，来锻炼自己的创新思维。比如在绘制挥发性有机物去除这一章“相关概念”模块，学生可按课本中常规分类去绘制(思维定式即按照挥发性有机物处理浓度的高低)，也可按“资源化”或“无害化”分类去绘制(变式1和变式2，对应于常规分类法中的高浓度和低浓度)，后两种是基于学生对知识的理解及运用程度。

(二)知识联想，强化系统思维能力

思维导图有利于培养学生的创造力，主要是因为其利用了与创造力相连的技巧，尤其是联想，在思维导图的设计和绘制过程中得到了很好的锻炼。融合PBL的思维导图强调用图片、色彩、关键词等突出重点，形成层次分明的知识结构[8]。这里的联想，包含两种层次的联想，即基于问题联想已学的知识和联想其他学科的知识。因此，可以说在工程类课程中，使用思维导图在培养学生对知识理解和掌握方面起到了举足轻重的作用。学生在绘制思维导图时，只有学习到知识才能联想，有了联想才能真正掌握知识。知识联想对于绘制者形成系统知识体系、理解某个知识在整个课程体系中的地位发挥了重要的作用[9]。例如在设绘制机械力除尘器这一章节的“设计计算”模块时，既可以类比联想用于污水处理颗粒物的沉淀池设计，也可以联想“颗粒物运动”章节中关于颗粒物沉降计算的知识，让学生自己既串联起课程内的知识，又串联起课程外的知识，从而确保思维的连贯性和系统性。

(三)知识重构，拓展思维创新能力

“灵感”是人脑基于思维和已掌握的知识经验产生的，它是创造性活动的基础[10]。思维导图从某种意义上讲是“灵感”的体现，尤其是学生从事创造性的活动。在创制思维导图的过程中，学生常常会产生一些不符合逻辑甚至颇显错误的想法，有些甚至会脱离问题或者主题。但作为教师，如果从其他角度帮助学生去重新审视这些想法，或许这些会引发一些新的思考，成为新的思考中心。学生思考深度和维度也会随之延展，既锻炼了创新能力，也提升了独立思考的能力。如在绘制挥发性有机物去除这一内容的思维导图，通过相关课程知识的联想，部分学生会形成“教授的治理技术都是将挥发性有机物转化为二氧化碳，在当前碳减排大背景下就没有必要学习这些技术”的错误观点。教师首先要肯定学生能将碳减排与课程知识相联系的好作法，接着要纠正对于碳减排的认识，它是污染控制的深层次的发展，只有污染得到控制后才能考虑二氧化碳的减排，进而引发学生思考减少碳排放的措施，发挥主观创造性，通过资料查阅等提出技术改进方法及未来发展方向。

思维导图是一种“可视化”的表达方式，为绘制者提供了一种促进认知和知识重构的工具。融合了PBL的思维导图能使抽象知识具象化、内在知识外在化、碎片知识整体化、平面知识立体化，有效地提升了工程类课程的学习效果。双融合教学模式满足学生的个性化学习需求，全面提升个体学习效果；能为教师反馈有益价值，促进教学方式不断优化升级；整合了教学资源，打通校内校外、课内课外、线上线下教学通路。通过在《大气污染控制工程》教学改革中的实践，笔者发现该教学方式可以更好地帮助学生在知识、能力、素养方面均得到锻炼和提高。然而，笔者还感觉到，融合了PBL的思维导图在工程类课程中的应用还有待持续深入，还需要在教学实践中不断去摸索，带给学习者更有效的体验。未来，“学习共同体”将逐步取代个体学习者，参与教学活动。通过构建师生共同参与的“主导—主体”学习共同体，充分融合教师价值引领与学生主动探索，共同完成融合思维导图的项目式学习，从而能让共同体中每一个体在知识、能力与素养方面不断提高，真正实现高校课程“两性一度”的要求。