張 敏,黃奕森,何春保,楊家放,陸金馳,李庚英

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,廣東 廣州 510640)

土木工程材料(Materials of Civil Engineering)是土木工程專業(yè)的第一門主干專業(yè)基礎(chǔ)課程,是大學(xué)生從自然科學(xué)學(xué)習(xí)到專業(yè)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵紐帶,是培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、提高科研素養(yǎng)以及創(chuàng)新能力的關(guān)鍵。土木工程材料課程既注重土木工程各材料分子結(jié)構(gòu)、晶體組成等基礎(chǔ)知識,又注重材料的整體性能和工程應(yīng)用,其涉及的內(nèi)容繁多又缺乏相互聯(lián)系,如何提高土木工程材料課程的教學(xué)效果一直是國內(nèi)外研究難題。目前,國內(nèi)外常用的教學(xué)方法是以教師為中心,教師講、學(xué)生聽,主要靠教師向?qū)W生灌輸知識。對于這種教學(xué)模式,奧班尼恩(Terry O’Banion)概括出四大弊端:時間限制、地點限制、效益限制和角色限制。也就是說,作為認(rèn)知主體的學(xué)生在教學(xué)過程中自始至終處于被動狀態(tài),其主動性、積極性難以發(fā)揮。既不能保證教學(xué)的質(zhì)量與效率,又不利于培養(yǎng)學(xué)生批判性思維和創(chuàng)造性思維,大大降低學(xué)生對土木工程的學(xué)習(xí)興趣。

在科學(xué)教學(xué)教育實踐中,探究式學(xué)習(xí)(Inquiry Learning)或稱主動式學(xué)習(xí)(Active Learning),從20世紀(jì)中期以來在世界范圍得到廣泛推廣,在國際上得到廣泛提倡。在高等教育領(lǐng)域,自MIT創(chuàng)立本科生研究計劃(UROP)后,為本科生創(chuàng)造探索學(xué)習(xí)的機(jī)會已經(jīng)成為一種世界歷史趨勢。探究式工程科學(xué)教學(xué)是提高學(xué)生科研素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的重要手段。

本文基于探究式科學(xué)教學(xué)的基本原理、工程教育特征及專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的要求,針對土木工程材料課程,構(gòu)建了“3+2”探究式教學(xué)目標(biāo)體系,并基于“最近發(fā)展區(qū)”提出創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境、設(shè)置探究點及探究項目的科學(xué)方法,凝練出符合知識和能力培養(yǎng)目標(biāo)的教育模式,并實施教學(xué)改革。

一、構(gòu)建“3+2”探究式教學(xué)目標(biāo)體系

教學(xué)目標(biāo)即預(yù)期學(xué)習(xí)結(jié)果的規(guī)范化描述,是實施學(xué)生評價的前提。教育心理學(xué)家布魯姆把教育目標(biāo)分為認(rèn)知、情感和動作技能三個領(lǐng)域。加涅將學(xué)習(xí)結(jié)果分成五類:言語信息、智慧技能、認(rèn)知策略、動作技能和態(tài)度。探究式教學(xué)目標(biāo)是多維度的,既有知識目標(biāo),又有能力、情感、創(chuàng)新和實踐等目標(biāo);既有結(jié)果目標(biāo),又有過程與方法目標(biāo)。提出探究式教學(xué)目標(biāo)體系框架,既有利于指導(dǎo)教師開展探究式學(xué)習(xí)評價,也有利于對探究式教學(xué)的多種發(fā)展功能進(jìn)行梳理,深化對探究式等主動性教學(xué)方法的認(rèn)識。已有資料表明,探究式教學(xué)具有以下特點:重視知識的掌握,但更注重方法的學(xué)習(xí);強(qiáng)調(diào)主動學(xué)習(xí);科學(xué)精神與人文情懷并重等。

為此,本文構(gòu)建了如表1所示的“3+2”探究式教學(xué)目標(biāo)體系,該體系將教學(xué)目標(biāo)設(shè)置為“知識與技能”“過程與方法”“情感與態(tài)度”3個維度。一方面,此種分類框架涵蓋了布魯姆和加涅的分類內(nèi)容;另一方面,此框架重視“過程與方法”,這與探究式教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)的“重視培養(yǎng)學(xué)生探究過程”的思想相契合。探究式教學(xué)不但了解學(xué)生的輸入與輸出,更強(qiáng)調(diào)學(xué)生是如何提出問題、分析問題和解決問題的思維過程。此外,關(guān)于“情感和態(tài)度”領(lǐng)域,也是探究式教學(xué)所重視的目標(biāo)之一。探究式教學(xué)以動機(jī)、興趣、態(tài)度的培養(yǎng)為開端,在探究活動中形成技能,以課堂討論和實驗室實踐為知識建構(gòu)和生成的場域,促使學(xué)生個人知識的形成和價值觀的重塑。因此,探究式教學(xué)能夠使學(xué)生在獲得科學(xué)知識的同時提高科學(xué)探究能力,也能夠在教與學(xué)之間形成一種以認(rèn)知、情感同步發(fā)展為媒介的互動交感狀態(tài),促使學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和結(jié)果融為一體,從而提高教學(xué)效果。

根據(jù)問卷調(diào)查結(jié)果可知,認(rèn)為大學(xué)教學(xué)應(yīng)注重個人素養(yǎng)、交流溝通能力、創(chuàng)新和團(tuán)隊合作能力的比例分別占94.87%、96.15%、97.03%,遠(yuǎn)高于對專業(yè)知識和基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)的要求。結(jié)合我校的先進(jìn)本科教育以及工程認(rèn)證要求,本文對探究式教學(xué)改革設(shè)定了如表1所示的2個能力培養(yǎng)目標(biāo):創(chuàng)新能力與科研素養(yǎng)、團(tuán)隊合作與交流能力。

表1 土木工程材料課程“3+2”探究式教學(xué)目標(biāo)體系

二、情境創(chuàng)設(shè)和研究點設(shè)計

為達(dá)到如表1所示的“3+2”探究式教學(xué)目標(biāo)的要求,本文提出了創(chuàng)設(shè)問題情境和設(shè)置探究點的科學(xué)教學(xué)方法。根據(jù)教育心理學(xué)家維果斯基的“最近發(fā)展區(qū)理論”可知,學(xué)生在課堂上的認(rèn)知系統(tǒng),是他們以后逐步提高的“最近發(fā)展區(qū)”。教師可以科學(xué)利用學(xué)生已有知識創(chuàng)設(shè)問題情景和設(shè)置探究點。在學(xué)生新舊知識結(jié)合處、新舊心理發(fā)生沖突處設(shè)立探究的問題,以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時,問題創(chuàng)設(shè)可不局限于指向有明顯答案和細(xì)枝末節(jié)的內(nèi)容。

結(jié)合土木工程材料課程總體目標(biāo)及其知識點的邏輯關(guān)系,本文確定了探究式學(xué)習(xí)的探究內(nèi)容,最大限度地挑戰(zhàn)學(xué)生的智慧,最大限度地活化知識點之間的關(guān)聯(lián),且具有層次性和系統(tǒng)性。創(chuàng)設(shè)探究點及問題情境將綜合使用以下方法。

(1)讓學(xué)生面臨要加以理論解釋的聯(lián)系或事實;

(2)引導(dǎo)學(xué)生在完成實踐性作業(yè)時產(chǎn)生問題情境;

(3)布置旨在解釋現(xiàn)象或?qū)ふ覍嶋H運用該現(xiàn)象的問題性作業(yè);

(4)激發(fā)學(xué)生分析生活中的事實或現(xiàn)象,亦即讓他們遇到有關(guān)于這些事實的日常觀念與科學(xué)概念之間的矛盾;

(5)激發(fā)學(xué)生對照和比較事實、現(xiàn)象、定則、行為,由此引起問題情境;

(6)讓學(xué)生對比已知事實和新事實,并獨立作出概括;

(7)給學(xué)生介紹那種無法解釋卻是科學(xué)史上曾導(dǎo)致提出科學(xué)性問題的事實,組織理論聯(lián)系實踐的活動;

(8)通過實驗觀察;

(9)思考趣味性問題等。

三、3+2探究式教學(xué)改革實施過程及效果

土木工程材料課程既注重土木工程各材料分子結(jié)構(gòu)、晶體組成等基礎(chǔ)知識,又注重材料的整體性能和工程應(yīng)用,涉及內(nèi)容繁多,現(xiàn)有土木專業(yè)教學(xué)大綱設(shè)置為32小時理論課時和16個實驗課時。為實現(xiàn)“3+2”探究式教學(xué)改革目標(biāo),使學(xué)生既掌握本課程核心科學(xué)知識和概念,又具有科學(xué)探究的基本能力和創(chuàng)新思維能力,在教學(xué)改革實施過程中,主要從以下四個方面進(jìn)行教學(xué)改革,其教學(xué)方案如圖1所示。

圖1 “3+2”探究式教學(xué)改革方案圖

(一)理論教學(xué)

理論學(xué)習(xí)采用課堂授課,教學(xué)過程中,以學(xué)生為學(xué)習(xí)主體,注意引導(dǎo)學(xué)生自學(xué),培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和學(xué)生主動探究的學(xué)習(xí)態(tài)度。

在理論教學(xué)過程中,除教師課堂講授之外,可結(jié)合采用自主學(xué)習(xí)、討論和視頻等多種形式。多媒體教案中提出符合工程實際的案例教學(xué),案例以激發(fā)學(xué)生興趣為主,同時設(shè)置探究點,初步培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識問題和解決問題的能力。

通過設(shè)置探究點將學(xué)生引入到一定的問題情境中,如圖2(a)的案例表明鋼結(jié)構(gòu)的耐火性沒有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的好,激發(fā)學(xué)生好奇心,促使學(xué)生通過查閱資料文獻(xiàn),了解兩種材料的特點和耐火性能。通過理論學(xué)習(xí)和資料查閱拓展學(xué)生的知識最近發(fā)展區(qū),進(jìn)一步設(shè)置探究點進(jìn)行延伸,例如“鋼結(jié)構(gòu)的耐火防護(hù)措施有哪些?設(shè)想新的防護(hù)措施并分析其可行性”等。同樣圖2(b)中的案例可以通過實際案例提出新設(shè)想,結(jié)合后期團(tuán)隊項目“設(shè)計耐火保溫材料”全面訓(xùn)練學(xué)生綜合能力,依次完成探究式研究的六個環(huán)節(jié):(1)有機(jī)保溫材料耐火性差?(提出問題);(2)分析問題及原因(相關(guān)資料查閱及分析);(3)設(shè)計有機(jī)耐火保溫材料(推測和假設(shè)問題);(4)保溫耐火砂漿試驗(為例,設(shè)計試驗并執(zhí)行);(5)分析處理數(shù)據(jù)(尋求證實);(6)成果展示交流(結(jié)論與表達(dá))。

圖2 教學(xué)ppt講義中設(shè)置探究點實例

理論教學(xué)過程中,教師根據(jù)學(xué)生現(xiàn)有知識結(jié)構(gòu)和課程內(nèi)容的邏輯關(guān)系,合理設(shè)置問題、探究點及探究項目,能夠最大限度地挑戰(zhàn)學(xué)生的智慧,最大限度地活化知識點之間的關(guān)聯(lián),其過程具有層次性和系統(tǒng)性。

(二)課輔訓(xùn)練

課輔訓(xùn)練是聯(lián)系理論教學(xué)和實踐教學(xué)的關(guān)鍵紐帶,并為進(jìn)一步的科學(xué)研究學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。通過多種方式加強(qiáng)學(xué)生對理論知識點的掌握,同時了解材料在建筑結(jié)構(gòu)中的基本應(yīng)用問題,初步鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。通過課輔訓(xùn)練,能有效幫助教師了解和掌握學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)狀態(tài),對學(xué)生進(jìn)行及時引導(dǎo),并適當(dāng)調(diào)整理論教學(xué)計劃。課輔訓(xùn)練主要從作業(yè)、測驗、課題提問、案例分析、分組討論、論文、辯論等方面進(jìn)行。

課輔訓(xùn)練采用“漸進(jìn)式”方式,教師根據(jù)學(xué)生最近發(fā)展區(qū)狀態(tài),設(shè)置不同難易等級,同時設(shè)置探究點讓學(xué)生完成,未完成的學(xué)生可結(jié)合現(xiàn)有知識結(jié)構(gòu),通過其他課輔訓(xùn)練進(jìn)一步掌握內(nèi)容;完成的學(xué)生通過對探究點的研究,掌握新知,筑成新的發(fā)展區(qū),并再一步進(jìn)行訓(xùn)練,具體過程見圖3所示。整個課輔訓(xùn)練過程中,教師可以根據(jù)學(xué)生完成狀態(tài)和完成水平初步進(jìn)行能力評定。

圖3 課輔訓(xùn)練及動態(tài)調(diào)整示意圖

值得注意的是,教師創(chuàng)設(shè)的問題情境只是教師依據(jù)對學(xué)生的觀察及對學(xué)生現(xiàn)有水平的把握所做出的推測和預(yù)計,在具體實踐中可能會出現(xiàn)與學(xué)生潛在最近發(fā)展區(qū)不相匹配的狀況。這就要求教師在學(xué)生探究過程中仔細(xì)觀察,并運用材料、規(guī)則,通過干預(yù)、鼓勵等方式進(jìn)行調(diào)整,將學(xué)生的探究保持在其最近發(fā)展區(qū)內(nèi)。

(三)實驗教學(xué)及科技創(chuàng)新競賽

實驗教學(xué)和科技創(chuàng)新競賽都采用團(tuán)隊合作方式。實驗教學(xué)過程中,要求學(xué)生就地取材,4～5人一組,規(guī)范地完成一種土木工程材料(混凝土、砂漿、瀝青混合料等)的配置過程,并在此基礎(chǔ)上提出研究不同摻加劑對材料性能的影響(設(shè)置探究點)。整個過程必須包括探究式學(xué)習(xí)的六個步驟,如表1“過程與方法”所示,即必須包括:提出問題→相關(guān)資料查詢與分析→推測和假設(shè)→設(shè)計實驗→數(shù)據(jù)處理尋求證實→結(jié)論與表達(dá)。

教師會在理論授課過程中提出若干個需要探究的問題(項目),這些探究問題必須是本課程重點、難點或熱點問題。同時指導(dǎo)學(xué)生如何利用各類資源進(jìn)行資料收集和分析,了解土木工程材料實驗設(shè)備、使用規(guī)定和測試方法。學(xué)生通過分析和查閱資料,提出需要驗證的關(guān)鍵問題,并設(shè)計實驗進(jìn)行驗證和展示交流。實驗教學(xué)過程中,定時組織學(xué)生進(jìn)行小組討論、師生討論,教授學(xué)生觀察和分析問題的方法,拓展學(xué)生的理論知識并提高學(xué)生的各項能力,對于新的發(fā)現(xiàn)要重點分析和講解,并作為探究素材進(jìn)行探究(情景創(chuàng)設(shè))。

實踐教學(xué)過程中,教師應(yīng)注重學(xué)生的職業(yè)道德素養(yǎng)和個人素養(yǎng),從交流討論及自主性方面定性觀測學(xué)生情感和態(tài)度,在教與學(xué)之間形成一種以認(rèn)知、情感同步發(fā)展為媒介的互動交感狀態(tài),促使學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和結(jié)果融為一體,從而提高教學(xué)效果。

圖4中左側(cè)的“探究式實驗教學(xué)展示”部分是小組成員探究改性劑橡膠混凝土的性能影響。展示圖片(a-j)表明,學(xué)生較好地完成了探究的6個環(huán)節(jié)。該組學(xué)生能對橡膠混凝土性能提出問題及設(shè)想,使用不同改性劑對材料進(jìn)行改性,又能分析其作用原理并解釋整個過程,基本具有概念化、抽象化、綜合和通用化能力。對比教學(xué)改革之前,學(xué)生僅完成普通混凝土配置及性能測定(見圖4右側(cè)),可明顯看出,探究式實驗教學(xué)從廣度和深度上都進(jìn)行了較好地延伸,使理論教學(xué)和實踐教學(xué)充分結(jié)合,采用探究式方法,通過設(shè)置情境項目、探究點等充分鍛煉了學(xué)生的科研素養(yǎng),學(xué)生不僅更具有創(chuàng)造性思維和批評性思維,同時具有發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的較好科研能力。此外圖4(b)和圖4(c)也體現(xiàn)了他們較好的團(tuán)隊合作能力和查閱文獻(xiàn)、探索新知的能力,達(dá)到了本課程知識和能力的培養(yǎng)目標(biāo)。

圖4 探究式實驗教學(xué)改革前后對比

經(jīng)過該層次的探究式項目學(xué)習(xí),學(xué)生基本具有了觀察問題、分析問題、收集和使用實證、構(gòu)造解釋和證明解釋等科學(xué)探究能力,同時加強(qiáng)了學(xué)生創(chuàng)新能力和團(tuán)隊合作能力,能夠較好地實現(xiàn)科學(xué)育人目標(biāo)。

采用多層探究式教學(xué)后,部分學(xué)生參加廣東省或全國科技創(chuàng)新項目具有較好的表現(xiàn),見表2。

表2 土木工程材料學(xué)生科技創(chuàng)新項目立項一覽表

四、結(jié)語

探究式教學(xué)具有方向性、科學(xué)性和系統(tǒng)性,是成功實現(xiàn)大學(xué)生創(chuàng)新能力、科研素養(yǎng)和團(tuán)隊精神培養(yǎng)目標(biāo)的關(guān)鍵。通過教學(xué)實踐表明,“3+2”探究式教學(xué)目標(biāo)和基于最近發(fā)展區(qū)間的情境設(shè)置教學(xué)方法,能顯著激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣,保護(hù)學(xué)生的好奇心,增強(qiáng)學(xué)生的自信心,能夠最大限度地挑戰(zhàn)學(xué)生的智慧,最大限度地活化知識點之間的關(guān)聯(lián),且能夠培養(yǎng)學(xué)習(xí)者高級思維技能,實現(xiàn)科研創(chuàng)新能力和團(tuán)隊合作能力的目標(biāo)要求。