思维导图在《环境工程原理》教学实践中的应用*

邬迪华 周洁 陈琳

（杭州电子科技大学）

《环境工程原理》是环境工程与科学专业的学科（专业）基础必修课，是以《化工原理》为基础，更加注重《化工原理》的基础知识在环境治理工程中的应用。《环境工程原理》主要讲述了环境污染控制与净化过程中所涉及的共性问题的基本原理以及解决问题的基本思路和方法，是后续专业课程（比如《水污染控制工程》《大气污染控制工程》）的先修和基础。课程着重阐述动量、热量与质量传递的基本理论，并在此基础上进一步传授环境过程中基本单元（比如沉降、过滤、吸收、吸附等）的操作原理与设计计算，使学生了解并掌握“隔离”“分离”“转化”等污染物控制的技术和方法。

一、《环境工程原理》的教学现状

（一）课程设置

《环境工程原理》在我校环境工程专业第3学期开课，设置64个学时，包括40个理论授课学时，8个习题课学时和16个实验学时。作为专业基础课，《环境工程原理》先于本专业的其他专业课程，比如《水污染控制工程》《大气污染控制工程》开设，为后续专业课程的学习夯实了基础。本课程的教材选用胡洪营主编的《环境工程原理》第三版（高等教育出版社，“十二五”普通高等教育本科国家规划教材）[1]。教材内容涵盖“环境工程原理基础”“分离过程原理基础”和“化学与生物反应工程原理”三部分内容。基于环境工程自身的专业特点，我们在有限的教学课时内，以第一部分和第二部分内容为讲授重点。此外，课程设置课内实验，实验在相应章节的理论教学完成后开设，比如，在“第三章-流体流动”授课结束后，我们便开设“流体流动阻力测定”和“离心泵性能特性曲线测定”实验，在“第四章—热量传递”授课结束后，开设“传热系数测定”实验，在“第八章—吸收”授课结束后，开设“填料塔气体吸收”实验。实验采用自编讲义。采用课内实验模式，即将实验环节穿插于理论教学的过程中，旨在让学生对抽象的理论知识有感性的认识，从而进一步巩固理论知识的掌握，同时培养学生理论与实际相结合的能力。

（二）教学难点

通过本专业《环境工程原理》的教学经历分析，该课程在教学过程中存在以下几方面的难点：

（1）《环境工程原理》的教学内容涉及动量传递、热量传递和质量传递三部分原理基础，质量守恒和能量守恒两个基本方法，沉降、过滤、吸收、吸附、萃取、离子交换、膜分离等多个单元操作，教学知识量大，知识点繁多，而且每个知识点都很重要。在有限的课时数内，教师很难全面细致地讲授所有的知识点，学生也很难在短时间内扎实地掌握好这些知识点。

（2）《环境工程原理》课程每一个章节专业名词术语多、数学符号多、公式多，据统计，从第二章至第八章，每一章出现30-60个符号，50-100个公式不等，且这些公式适用范围严格，课程难度较大。

（3）《环境工程原理》课程主要讲述污染控制技术所涉及的共性原理，内容抽象，对高等数学、物理及化学等基础课程的掌握有较高的要求，对于一些基础不太好的学生，进一步增加了学习的难度，即便是一些基础较好的学生，也很难将已储备的知识和本门课程的内容相结合。

（4）《环境工程原理》是本专业学生接触到的第一门专业课，学生对于专业知识几乎一无所知，教师在讲解原理的同时往往还需要科普背景知识。

（三）教学手段

在《环境工程原理》的教学过程中，我们一改传统的填鸭、灌输式的教学方法，采用启发式的案例教学，以激发学生进行自主思考，提高学生分析和解决问题的能力，同时还能引导学生积极参与课堂讨论，增强师生互动。在案例的选择上，我们会由浅入深，最开始选取一些简单易懂的生活实例，随着学生不断深入地对知识点的了解和掌握，我们会选取一些工程应用实例，让学生真正学以致用。比如，在学习质量传递这一章节时，我们先引入“在切洋葱时，周边放一盆水吸收刺激性气体以减轻对眼睛的伤害”这一生活实例，让学生对“质量传递”这个抽象的概念有一个感性的认识，随着章节的深入学习，我们会引入“计算清水吸收氨-空气混合物吸收塔高度”这一工程案例。

当今，多媒体教学已成主流模式，采用多媒体辅助教学，可以使教学内容更加丰富，图片或动画更加逼真，同时可以节约板书的时间。《环境工程原理》作为一门专业基础课，含有较多的公式推导和理论分析。在讲解原理和推导公式的过程中，我们发现，如果采用播放PPT的形式，这些定理和公式会随着PPT的翻动而消失，在学生的脑海里也是一闪而过，并不利于他们的理解；因此，我们会沿袭传统板书的形式来清晰地展现每一个推导的步骤，引导学生的思考，加深对公式和定理的理解。在引入实际工程案例时，我们会借助多媒体来展示图片和视频，使教学内容更加生动和形象。

此外，我们借助超星学习通构建《环境工程原理》网络教学平台，在课前发布预习内容、课件和小视频，课后发布习题并建设习题库和试题库。同时，我们还会设置一些小问题进行讨论。网络教学平台的构建可以在一定程度上弥补课堂教学课时紧张的缺点，同时也不受时空限制，充分发挥学生自主学习的能力。

（四）考核方式

《环境工程原理》采用多平台教学，成绩评价由终结评价（期末考试成绩）和形成评价（各个学习过程的成绩）组成，两部分同等重要，各占总评成绩的50%。我们设置了课堂表现、课后学习、平时测验，实验和期末考试五部分考核内容。每一部分在总评成绩中所占的比重、具体的考查内容及分值如表1所示。在本轮教学实践过程中，我们引入了思维导图，所以在评价“课堂表现”和“课后学习”这两部分内容时，思维导图会占据一定的比例。在“课堂表现”环节，我们会在某个知识点讲授结束后，设置一些难/易不等的小问题，利用超星学习通的抢答功能，统计回答结果，对第一个抢答正确和其他回答正确的学生给予不同程度的平时成绩加分；实践证明，这种方既可以充分调动学生的学习积极性，也能了解学生对相应知识点的掌握情况。作为专业基础课，《环境工程原理》涉及较多的概念、理论和计算，因此我们仍然保留了传统的纸质考试来检验学生的学习效果。期末考试有选择题、填空题、简答题和计算题四种题型，考题内容不局限于对原理、概念的简单阐述，同时会结合生活和工程实际案例，考查学生对概念的理解、方法的应用等能力；在批卷给分时，我们不看重最后的标准答案，只要思路清晰、方法可行、逻辑严整，就会相应给分。

表1 化工原理成绩考核的分值计算表

二、思维导图在《环境工程原理》教学中的应用

思维导图是由英国心理学家东尼·博赞发明，从一个中心主题出发，向外发散出多个节点，旨在通过图文并重的形式链接各级主题并帮助人们学习、思考和记忆[2]。

（一）优化知识结构

《环境工程原理》是以《化工原理》为基础的一门专业基础课。传统的《化工原理》是一门研究化学工业及其他工业生产中相同物理过程的共同规律和典型单元操作设备的工程学科，以传递过程理论与工程方法论为两条学习主线，围绕质量传递、热量传递和质量传递过程来处理复杂工程问题，承担着工程科学与工程技术的双重教育功能。基于该课程的特点和教学难点，学生容易产生畏难、厌学等情绪。利用《思维导图》，可以课程中一些零散的知识点相互连接，逐步构建为知识面和知识网。以第三章“流体流动”为例，这一章出现108个公式，56个符号[3]，教师和学生普遍反应这一章节难度较大。按照传统的教学模式，学生往往是学了后面的，忘了前面的，很难将知识点梳理清楚并贯穿起来。我们可以绘制思维导图（如图1所示），将这一章节归纳为“流体流动现象”“流体的物理性质”“ 流体静力学”“流体动力学基本方程”“管内流动阻力”“管路计算”和“流量测量”7大部分内容，而每一部分内容又可以衍生出相应的子单元来对细化和深入。通过这个过程，理清思路，加深记忆。

图1 流体流动知识点框架图

（二）优化教学设计

思维导图可以在课前预习、课堂学习和课后复习三个教学实践环节中都得到应用，这就要求教师对每一个教学环节的每一个要素认真思考，明确各个要素之间的关系，即对每一个教学环节进行优化设计，这样才能够在最大程度上发挥思维导图在教学实践中的作用。

在《环境工程原理》的实际教学过程中，我们要求学生进行课前预习，但真正去预习的学生非常少，究其原因是学生找不到重点，不知道从哪里入手，更无法将各个新的琐碎的知识点联系到一起。作为任课老师，我们可以以逆向思维的方式，先将下一节课的内容进行归纳总结，列出关键词，绘制思维导图的简略图发送给学生。比如在讲“流体流动”这一章节第一部分“流体流动现象”时，我们可以将图1左上角虚线方框1这部分内容作为预习简略图发给学生，让学生根据简略图里的关键词有的放矢地进行预习。

有了预习环节的铺垫，课堂环节就可以节省出背景介绍的时间，而把精力集中在重点难点的讲解以及解决学生在预习环节遇到的问题和疑惑。我们仍以“流体流动现象”这部分内容作为例子，通过预习，大部分学生已经非常明确可以根据雷诺数Re的大小来判断流体是处于层流还是湍流状态，并且清楚Re=ρuL/μ这一计算公式；在课堂上，我们需要重点讲解在实际运用中如何正确选取这个公式中各个参数，尤其是流速u。在这个过程中，我们可以进一步补充和细化思维导图，同时也能自然而然地引出下一个知识点 “圆管中速度分布”。这种抓住一个主题要素进而发散细化到各个分支要素的授课方式，既能帮助教师理清思路，优化教学设计，也有助于学生对知识点的理解和掌握。

通过在课堂上的不断完善，某一章节的思维导图初具规模，但依然不能够完整全面地涵盖这一章节的全部知识点，这就要求学生在课后进行查漏补缺，这既是一个总结的过程，也是一个复习的过程，同时，学生也可以利用已经绘制完整的思维导图完成课后作业。我们发现，思维导图的绘制可以使学生的解题思路更清晰，明显地提高了学生课后作业的完成质量。在期末考试复习阶段，可以利用思维导图将各个章节相关联的知识点串联起来，形成大型、系统的知识体系，既能查漏补缺，又能加深记忆。

（三）构建互动课堂

在课堂中，我们以学生个体式和小组互动式两种模式引入思维导图。在介绍基本原理和概念阶段，基于前期的预习工作，我们会设计一些简单的问题让学生来回答，进而引出下一个问题，以此激发学生的学习兴趣，同时完善自己的思维导图。继而，我们会将2-3个学生分为一组，基于个体绘制的思维导图，给出一定的时间进行讨论和补充，最终一个小组完成某一章节的一套完整思维导图。在案例分析阶段，我们仍然以小组为单位，希望学生可以利用已经完成的思维导图，首先尝试分析和表达案例中的问题，进而解决问题。这是一个对知识点从了解→掌握→利用的不断进阶的过程，教师由一味地讲授灌输转变为循循善诱的引导，学生由被动地接受转变为主动地参与，甚至可以发表自己的观点与想法。借助于思维导图，可以很自然地增进师生在课堂上的互动，构建“以学生为中心”课堂模式。

三、结语

在《环境工程原理》的教学实践中，引入思维导图，对教与学都会有意想不到的促进与提高。教师需要根据课程的自身特点和学生的思路特点，不断地优化教学设计，调整教学内容，探索教学方法；学生也不只是被动地接受，而是需要有更多的思考、参与和沟通。基于思维导图的教学改革是一个不断探索与实践的过程，在未来的教学过程中，我们需要持续地改进，进一步细致和优化思维导图在课程考核评价中的占比，以激发学生更加积极主动地参与到新的学习模式中，最大程度地发挥思维导图这个辅助工具在《环境工程原理》教学实践中的作用。