潘劍偉 梁風 楊根蘭
摘? 要:《工程物探》是勘探技術與工程專業(yè)的專業(yè)基礎課程,該課程由于其繁多的課程內容、復雜的數學物理理論、較高的實踐性要求,對非物探專業(yè)的學生而言學習負荷較大,教學效果一般。而艾賓浩斯遺忘理論指出,在適當的時間點對已學的知識進行反復復習,對大腦的記憶進行有規(guī)律的反復刺激,能幫助學習者更有效率的實現(xiàn)知識點的掌握和記憶。作者通過對比具有相同授課內容,但在不同時間節(jié)點開展教學實驗的兩個班級的教學效果發(fā)現(xiàn):相較于在課程最后集中開展實驗課的傳統(tǒng)授課順序,以艾賓浩斯遺忘理論作為指導,在講授完某種物探方法后1-2周內隨即開展相關實驗課程能有更好的教學效果。該種教學順序能更好的幫助自主學習能力較差的同學即時的鞏固其基礎理論知識,使其對物探知識的掌握及時地由課堂講授的詞語記憶轉變?yōu)榉椒▽嵺`中更深層次的動作記憶,從而使課程的教學質量得到一定的提升。
關鍵詞:工程物探;艾賓浩斯遺忘理論;學習金字塔;教學實驗
中圖分類號:G642? ? ? ?文獻標志碼:A? ? ? ? ?文章編號:2096-000X(2021)11-0001-06
Abstract: Engineering Geophysics is a professional basic course for the students majoring in exploration technology and engineering. Because of its various course contents, complex mathematical physics theory and high practical requirements, the course has a large learning load for non-geophysical students and the teaching effect is not satisfactory. The Ebbinghaus forgetting theory points out that it can help learners to master and memorize knowledge more efficiently by reviewing what they have learned regularly and repeatedly at a proper time. By comparing the two classes which have the same teaching content but carry out experimental lessons at different time nodes, we found that compared with the traditional teaching sequence which put the experimental lessons at the end of the course, under the guidance of Ebbinghaus forgetting theory, it has a better teaching effect to carry out the experimental courses within 1-2 weeks after the completion of the theoretical course of a certain geophysical method. This kind of teaching sequence can help the students with poor autonomous learning ability to consolidate their basic theoretical knowledge in time, so that their memory form of geophysical knowledge can be changed from the word memory from classroom teaching to the deeper action memory from practical operation. At the same time, the teaching quality of the course has also been improved.
Keywords: Engineering Geophysics; Ebbinghaus forgetting theory; learning pyramid; experimental lessons
引言
滄海桑田,萬物變遷。地球科學在人類適應、利用、改造、保護自然的過程中發(fā)揮著舉足輕重的作用。作為地球科學的重要分支,地球物理學是利用物理學的原理和方法,通過探測地球物理場的分布及其變化規(guī)律,來研究地質構造,尋找礦產資源或解決水文、工程、環(huán)境問題的一類探測方法,通常也簡稱物探。物探相關課程的開設以及各層次學生的培養(yǎng)對于促進我國地球科學的發(fā)展和國民經濟的建設具有重要意義。貴州大學資源與環(huán)境工程學院面向勘查技術與工程專業(yè)的學生便長期開設有《工程物探》這門課程,對于提高該專業(yè)學生的綜合勘查能力,結合物探技術來解決工程、巖土、水文、環(huán)境等相關問題起到了重要作用。
但是,由于《工程物探》課程的重、磁、電、震等教學內容較多[1]且跳躍性較大;課程數理基礎要求較高[2];課程內容的實踐性又較強[3],要在有限的課時內面向該類非物探專業(yè)的學生講授好該門課程也存在不小的挑戰(zhàn)。而艾賓浩斯遺忘理論指出,在完成某知識點的學習后,在不同的時間節(jié)點對該知識進行有規(guī)律的復習和回憶,能幫助學習者更有效率的實現(xiàn)對所學知識的記憶[4]。那么,如何更加合理的結合該理論來安排《工程物探》的教學內容,讓學生能在學習過程中不斷對理論知識進行鞏固,以減少知識的遺忘,實現(xiàn)提升《工程物探》教學效果的目的,則需要教師不斷的更新教學方法,調整教學的內容和順序,為提高教學質量而不斷進行探索。
一、《工程物探》課程的特點
(一)課程內容較多,內容之間跳躍性較大
《工程物探》課程包含了應用地球物理勘查領域中常用的各種方法,所涉及的知識范圍非常廣泛。對于地球物理相關專業(yè)的學生,現(xiàn)在常用的授課方式是將整個地球物理方法體系按照所依據的物理原理劃分為《重力勘探》《磁法勘探》《電法勘探》《地震勘探》《地球物理測井》等更加細致、基礎知識更加相關的各種分支課程進行講授[5]。每一門課程中又包含有各自獨立的物理原理、工作方法、資料處理和解釋方法。例如中國地質大學等老牌地質院校就是將該類課程設置為系列課程,以培養(yǎng)學生全面系統(tǒng)的地球物理知識。另外,《工程物探》課程所涉及的物探方法雖多,但方法之間的關聯(lián)性不強,各種方法各具特色。地震勘探部分還在講授地震波的各種運動特征,而到電法勘探中接觸的卻又是不同巖、礦石的電阻率特性。學生在課程中或許僅僅因為對某種方法的不理解便會逐漸失去對整個課程的興趣,從而影響到教學效果。
(二)課時較短,教學任務較重
對于地球物理專業(yè)的學生,重、磁、電、震等方法分開進行教學,其中每門分支課程的學時數都超過32個學時。經過系列物探課程的教學,學生自身的知識體系相對扎實。而對于貴州大學資源與環(huán)境工程學院等開設的《工程物探》課程,其授課的對象大部分是地質工程、巖土工程方向的學生。由于課程設置原因,地震、電法、重力、磁法等方面的課程內容需要集中到48個學時內完成,其中還包括課程末尾6-8個學時的實驗教學課程。盡管不用像物探專業(yè)的學生一樣每個方面的內容都作深入的講解,《工程物探》課程每個方向都只需要介紹最常用的幾種方法。但將教學內容匯總到一起,所需講授的方法種類依然較多。例如,僅電法勘探,就至少需要向學生講授電剖面法、電測深法、高密度電法、自然電場法、瞬變電磁法、地質雷達等常用方法。要在有限的學時內掌握如此眾多的物探方法,學生在學習該門課程時自然會感覺比較吃力。
(三)課程具有較高的數、理基礎要求
《工程物探》課程是一門對數學和物理基礎要求較高的課程,在課程的講授過程中會涉及到部分數學物理方程的介紹。例如,地震波波動方程的推導,電磁場亥姆霍茲方程的求解等內容,由于需要較強的邏輯思維,學生們一旦沒有作好充分的預習或者復習工作,又或者是數、理基礎有所欠缺,在學習中就會感到吃力,從而跟不上老師的思路。
(四)具有較高的實踐要求
《工程物探》本身就是一門實踐性很強的學科。許多方法的具體操作過程和實用范圍,僅靠老師在課堂上進行描述,很難讓學生對方法的實質有深入的理解。而培養(yǎng)學生的工程實踐能力是《工程物探》課程重要目的之一。在完成理論課程學習后,學生能根據需要解決的具體問題去選用適當的物探方法;根據現(xiàn)場的條件,能設計合理的測線、測網和觀測系統(tǒng);最后能根據自己采集的數據,對地球物理異常進行合理、準確的解釋,這都要求學生具有較強的實踐能力。因此,實驗教學課程的開展對于《工程物探》教學尤為重要。
二、基于艾賓浩斯遺忘理論的《工程物探》教學設計
(一)艾賓浩斯遺忘理論
采用科學合理的教學方法對課程內容進行教學,能有效的減輕學生的學習負擔并改善教學效果。由于《工程物探》課程的知識點較多,信息量較大,如何能讓學生更有效率的保留住對所學知識的記憶,對已授知識進行回顧的時間節(jié)點至關重要。德國科學家艾賓浩斯研究發(fā)現(xiàn),對于新的知識的學習,其遺忘是在學習之后立刻就發(fā)生的,但遺忘的速度卻表現(xiàn)出如圖1所示的先快后慢的規(guī)律[6]。根據該遺忘理論的指導,如果能在適當的時間內對《工程物探》課程中所講授的知識點進行復習,對大腦的記憶進行有規(guī)律的反復刺激,就能讓學生更加有效和熟練的掌握相關的物探方法。
(二)《工程物探》教學方式的選擇
想要提高《工程物探》課程的教學效果,筆者認為,一方面可以結合本專業(yè)的特征,從眾多的方法中選取與本專業(yè)最相關的物探方法進行深入講解,其它方法作為輔助則只作簡單介紹,從而讓學生真正做到學而有用、學以致用。而另一方面,針對重點講解內容,則是選擇以基礎知識講解、應用案例展示、教學實驗相結合的方式,從方法認知→應用展示→實踐操作,逐步加深學生對某種物探方法的了解。
1. 基礎知識講解
基礎知識的講解依然采用傳統(tǒng)的課堂講授方式,由教師向學生詳細講解某種物探方法工作時所基于的物理原理、所研究的物性參數等內容。然后再詳細分析該方法的優(yōu)缺點及其常用的觀測系統(tǒng),使學生對該方法有初步的認知。該方法的優(yōu)點是在學習初期,學生能通過該方式學習大量的知識點,建立起方法的整體知識構架。但是,在該過程中,學生一直處于被動接收的狀態(tài)。對于講授的知識,學生很難進行更加深入的思考和發(fā)散,因此,學習效率也一般。
2. 工程案例展示
在基礎知識介紹完成之后,為了能讓學生對該物探方法有更加直觀和生動的認識,可以選取與學生的專業(yè)背景相關的一些工程地質問題,對如何使用物探方法解決該問題的過程進行展示。例如,在給貴州大學勘查技術與工程專業(yè)的學生講授完高密度電法后,筆者常常選用高密度電法在巖溶探測中的應用實例為介紹對象,通過提問等形式讓學生猜測在工作時選用了哪些系統(tǒng)裝置,幫助學生回憶高密度電法常用的裝置類型;然后再結合反演所得到電阻率分布結果,向學生介紹如何進行巖溶分布范圍的圈定。通過該案例分析的過程,將課堂上許多生澀的概念和公式通過更加感性和更加直觀的方式展現(xiàn)出來。既有利于學生對課堂上講授的理論概念的理解,起到鞏固知識的作用;又能讓學生參與到解釋過程中,發(fā)揮其主觀能動性,通過讓學生直接觀察探測目標體在地球物理場上的反應,實現(xiàn)對理論內容的深入思考和回憶,同時也進一步激發(fā)了學生對于物探課程的學習興趣。
3. 教學實驗
實踐是檢驗真理的唯一標準。《工程物探》本身就是重應用的一門課程,學習完該課程后,學生在將來的科學研究或者生產項目中,都需要用真實可靠的探測結果來說明和解決相關問題。因此,《工程物探》課程在教學過程中開展一些物探方法的實驗教學,第一目的就是培養(yǎng)學生的實踐能力。學生通過親自參與試驗的過程,對某種物探方法具體的觀測裝置布設、儀器操作、數據處理等細節(jié)有更加直觀的認識,也為將來能更好的解決相關的地質問題打下基礎。
開展教學實驗,第二個方面的意義則在于能有效的幫助學生深化和鞏固課堂理論知識。根據現(xiàn)代認知理論中著名的“學習金字塔”可知,通過自己在實驗中對物探方法進行實踐,學生對理論知識的學習保留率(75%)是遠遠高于課堂講授(5%)和案例展示(20%)的[7]。學生自己上手操作,發(fā)揮其主觀能動性,在實驗過程中去對課堂上的知識進行回顧,并用這些知識來對自己的實驗過程進行指導;再親自對觀測得到的地球物理異常進行解釋,深入的思考探測目標體與物性參數之間的關系,從而在更高層次上實現(xiàn)對物探知識的掌握。
另外,教學實驗的開展也有助于培養(yǎng)學生的科研能力?!豆こ涛锾健匪鶑膶俚膽玫厍蛭锢韺W本身就是一門實踐性很強的學科,許多的科學問題都是在實踐過程中顯露出來。例如,學生在實驗課過程中,要經歷場地的踏勘、測線的布設、數據的采集、結果的解釋等實踐過程,而在該過程中也會遇到許多的問題。那么,遇到問題后學生又會去思考是什么原因導致的該問題;自己運用所學的知識能否有效的解決這些問題。因此,通過課程實驗,可以激發(fā)學生的科研意識,提高他們發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的科研能力。
(三)整體教學安排
結合艾賓浩斯遺忘曲線的分布規(guī)律和教研室之前總結的經驗,為了能使學生更有效率的對《工程物探》課程知識點進行掌握,筆者結合基礎知識講授、工程案例展示、教學實驗等方式對某種物探方法的教學順序作如表1所示的安排。
短期記憶主要是在課堂內形成。開始上課后的3-5分時間,主要用于對上次課程內容的復習和回憶,并引入到該堂課的內容之中。然后在連續(xù)兩個課時內花100分鐘左右對本次課的主要內容進行介紹,在學生的大腦中建立起所講物探方法的原理、方法特征等概念。結合艾賓浩斯遺忘曲線的規(guī)律,在大約1小時后,課中講授的許多概念已經開始出現(xiàn)遺忘,所以,在下課前一定要對本次課的內容進行一次簡單的小結,對學生短期內的記憶進行一次刺激回顧。在課后留下一定的作業(yè)或者思考題目也很重要。題目的設置既可以幫助學生在當天晚上回憶白天的學習內容,在下一次課程(一般3-5天之內)開始前,又可以就此題目向學生進行抽問,以幫助學生再次對學習內容進行回憶。
結合《工程物探》課程的特點,對單種物探方法的教學一般不會超過8個學時,即兩周內就可完成該方法的整體介紹。緊接著便安排該方法的工程案例展示。通過案例展示,既可以幫助學生回顧知識點,更能將一些難以闡述的物探觀測系統(tǒng)和觀測結果通過照片等形式更加直接的展示出來,以幫助學生形成形象化的深刻記憶。
上已述及,教學實驗對于《工程物探》課程尤為重要。在基礎理論和工程實例講授完成后的1-2周內,在學生對于知識點的遺忘率達到比較高的水平之前,進行學習效率最高的實驗教學,讓學生結合課堂知識并在教師的引導下自行開展場地實驗,讓學生在作中去學,在作中去練,對知識點實現(xiàn)更深層次的分析和掌握。
通過該種學習安排,學生在從接觸到基礎理論知識開始,經過了課堂末的知識點總結,晚上作業(yè)題目思考,第二次課前提問回憶,方法的工程案例展示,方法的教學實驗等5次時間間隔由密到疏地復習、回憶。學習形式也由效率較低的課堂講授、案例展示逐漸過渡到效率較高的現(xiàn)場實驗,知識點的記憶也實現(xiàn)了從詞語記憶到形象記憶,再到動作記憶的由淺到深的轉變。
三、教學效果的對比分析
為了深入地研究在相同的教學內容情況下,課程的安排對教學效果的影響,我們選取貴州大學資源與環(huán)境工程學院2016級勘查技術與工程專業(yè)兩個班進行對比試驗。通過將教學實驗課安排在不同的時間節(jié)點,來測試不同教學順序對于教學效果的影響。其中,一班按照傳統(tǒng)安排方式,是在所有的理論課程結束之后再來開展課程實驗;二班則是結合艾賓浩斯遺忘理論,在講完一種物探方法后在1-2周內隨即開展該方法的教學實驗。為避免其它因素影響,在整個教學過程中兩個班的理論教學內容、實驗內容都完全一致,僅在教學實驗的開展時間上有所差別。
為了檢驗教學效果,我們在所有課程結束之后,而又在正式考試之前,利用幾個簡單題目,例如:何為視電阻率;什么是地震波的動較正;高密度電法常用的裝置形式等就兩個班的同學對物探基本知識的掌握情況進行了一次測試。本次測試之所以不用最終的期末考試來代替,就是想了解在學生沒有經過系統(tǒng)復習之前,僅在課堂的自主學習中對物探知識的掌握情況。測試結果如表2所示。
從測試結果來分析,在都未經過系統(tǒng)復習之前,二班的同學對于基本知識點的掌握明顯要略好于一班。并且這種差異主要體現(xiàn)在成績一般,平時自主學習能力較差的同學身上。對于平時自主學習能力較強的同學,由于他們能及時的對已學習的內容進行回顧,兩種安排順序的教學效果沒有太多區(qū)別。兩個班90分以上的同學占比基本相同,一班11.4%,二班的10.0%。但對平時自主學習能力較差的同學,按照一班的實驗課安排節(jié)點,由于課上的理論教學和實驗課程之間有較大的時間間隔,對于未及時復習的同學來講,課上所講授的內容已基本遺忘干凈。而在實驗過程中,也是很難回憶起相關的理論內容,所以其測試結果較差。而二班的同學則是在基礎理論課程結束后的1-2周內馬上開展相應物探方法的實驗。對課程內容進行了較及時的回憶。再通過自身的操作實踐,將原來抽象的理論知識轉化為具體的實施細節(jié),使得很多概念的理解也更加深刻。在實驗完成之后的后續(xù)課程中,再加上老師在講授知識點時會刻意對現(xiàn)學知識點與已學內容之間的關聯(lián)性進行引導,又起到了相關知識的鞏固作用。這樣的教學過程也更加符合艾賓斯遺忘曲線的規(guī)律。盡管這些自主性較差的同學沒有進行較好的系統(tǒng)復習,但是,通過在實驗過程中對理論知識進行了及時的回顧和加深,在后續(xù)課程中又對已學內容進行反復提示和回憶,所以二班的同學對于基本知識點都有較好的掌握,全部同學的測試成績都超過了70分。而一班的學生之中70分以下的同學占比達14.3%,甚至還有一名同學沒有通過測試。
四、結論
由于《工程物探》課程內容的廣泛性、復雜性和實踐性,要在較短的課時內講授好該門課程具有不小的挑戰(zhàn)。而根據艾賓浩斯遺忘理論,在課程的教學過程中通過課堂講授、案例展示、教學實驗等方式,在不同的時間節(jié)點對教學內容進行反復回顧和加深,能幫助學生更有效率的掌握課程知識。筆者在兩個班開展的對比實驗結果也證明,在教學過程中不同的時間節(jié)點開展教學實驗會對教學效果有較大的影響。相較于傳統(tǒng)教學順序中將所有實驗集中到課程末尾,在某種物探方法講授完成后1-2周內隨即開展其實驗課程,能更好的幫助缺乏自主學習能力的同學更加及時的鞏固其理論知識,將繁瑣、抽象的知識點轉化為具體的操作實施細節(jié),從而達到改善教學效果,提高教學質量的目的。
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