梁 青，羅銀河，陳 超

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074

培養(yǎng)模式

PBL教學(xué)模式在固體地球物理專業(yè)人才培養(yǎng)中的應(yīng)用

梁 青，羅銀河，陳 超

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074

以問題為基礎(chǔ)、學(xué)生為主體、教師為引導(dǎo)的PBL教學(xué)模式已被廣泛應(yīng)用。本文針對(duì)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）固體地球物理專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合專業(yè)選修課設(shè)計(jì)了教學(xué)方案，分析了PBL教學(xué)模式應(yīng)用的可行性和邏輯過程，討論了需要注意的問題。

PBL；固體地球物理；人才培養(yǎng)；教學(xué)模式

一、PBL教學(xué)模式簡(jiǎn)述

PBL教學(xué)模式是指以問題為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)方式（Problem-Based Learning，簡(jiǎn)稱PBL），最初起源于醫(yī)學(xué)界。1969年，美國(guó)的神經(jīng)病學(xué)教授Barrows（巴羅斯）在加拿大的Mc Marster （麥克馬斯特）大學(xué)首創(chuàng)PBL教學(xué)模式，嘗試實(shí)施學(xué)生自學(xué)與導(dǎo)師指導(dǎo)相結(jié)合的小組教學(xué)法[1]。PBL創(chuàng)始人Barrows及其同事做了如下定義：PBL既是一種課程又是一種學(xué)習(xí)方式，作為課程，通過解決精心設(shè)計(jì)的問題激發(fā)學(xué)習(xí)者獲取關(guān)鍵知識(shí)，掌握解決問題的技能和自主學(xué)習(xí)的策略；作為學(xué)習(xí)方式，通過系統(tǒng)方法的運(yùn)用幫助學(xué)習(xí)者解決現(xiàn)實(shí)工作中遇到的難題[2]。PBL強(qiáng)調(diào)把學(xué)習(xí)設(shè)置到復(fù)雜的、有意義的問題情景中，通過學(xué)習(xí)者的合作來解決真正的問題，直指知識(shí)的應(yīng)用和未來職業(yè)技能的培養(yǎng)。

PBL與傳統(tǒng)的以學(xué)科為基礎(chǔ)的教學(xué)法有很大不同，PBL強(qiáng)調(diào)以學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)為主，而不是傳統(tǒng)教學(xué)中的以教師講授為主；PBL將學(xué)習(xí)與更大的任務(wù)或問題掛鉤，使學(xué)習(xí)者投入于問題中；它設(shè)計(jì)真實(shí)性任務(wù)，強(qiáng)調(diào)把學(xué)習(xí)設(shè)置到復(fù)雜的、有意義的問題情景中，通過學(xué)習(xí)者的自主探究和合作來解決問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；從而學(xué)習(xí)隱含在問題背后的科學(xué)知識(shí)，形成解決問題的技能，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力、實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，以適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)新形勢(shì)的發(fā)展和現(xiàn)代科學(xué)日新月異的需要。這一教學(xué)模式已風(fēng)靡全球，被譽(yù)為國(guó)外教學(xué)改革浪潮中多年來教育領(lǐng)域“最引人注目的革新”。

以學(xué)生為中心（而不是以教師為中心）、教師為引導(dǎo)的小組討論式教學(xué)是PBL教學(xué)模式的核心思想。在醫(yī)學(xué)教育中，PBL教學(xué)模式是學(xué)生在老師的引導(dǎo)下，圍繞每一個(gè)教學(xué)模塊中包含的核心知識(shí)或問題展開主動(dòng)學(xué)習(xí)，經(jīng)過“提出問題、建立假設(shè)、自學(xué)解疑、論證假設(shè)”的邏輯過程獲取醫(yī)學(xué)知識(shí)。PBL的組成大致包括：(1)組成學(xué)習(xí)小組；(2)根據(jù)臨床場(chǎng)景提出具體問題；(3) 歸納面臨問題；(4)提出各種假設(shè)；(5)展開熱烈討論；(6)提供反饋信息；(7)尋求問題答案(解決方案)；(8)提出新的問題（重復(fù)上述自學(xué)循環(huán)）[3]。

PBL教學(xué)模式已經(jīng)在北美和歐洲醫(yī)學(xué)院進(jìn)行了幾十年的探索、嘗試、實(shí)行和廣泛運(yùn)用，取得了顯著的教學(xué)效果[3]。在我國(guó)，PBL的引入和應(yīng)用比較早，相關(guān)著作和論文非常豐富，教學(xué)效果和人才培養(yǎng)都收到顯著效果，但其運(yùn)用主要集中在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域。進(jìn)入21世紀(jì)以后，PBL教學(xué)模式才在我國(guó)人才培養(yǎng)中的應(yīng)用范圍有所擴(kuò)大，逐漸擴(kuò)展到其他的學(xué)科和專業(yè)，例如思想政治、教育、經(jīng)濟(jì)、計(jì)算機(jī)、物理、生物、地球化學(xué)[4]等以及一些理工科專業(yè)課程[5-6]。然而，非醫(yī)學(xué)教育中的PBL模式依然處于探究和嘗試階段，遠(yuǎn)不如在醫(yī)學(xué)教育中成熟。

PBL模式的邏輯過程與目前的灌輸式、探究式、討論式（互動(dòng)式）、啟發(fā)式等教學(xué)方法均不相同。與傳統(tǒng)的案例分析教學(xué)比較，PBL是以問題為學(xué)習(xí)起點(diǎn)，以學(xué)生為主體，教師引導(dǎo)學(xué)生圍繞問題進(jìn)行主動(dòng)性學(xué)習(xí)和討論，而不是以教師為主來講授如何分析解決問題。本文僅從專業(yè)教學(xué)角度分析其在固體地球物理專業(yè)人才培養(yǎng)中的可行性、實(shí)施方案和值得注意的問題。

二、PBL模式與固體地球物理專業(yè)教學(xué)的結(jié)合

地球物理學(xué)是一門觀測(cè)和實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，是由物理學(xué)、數(shù)學(xué)、地質(zhì)學(xué)和信息科學(xué)多個(gè)學(xué)科融合形成的交叉學(xué)科，是地球科學(xué)中一個(gè)重要組成部分[7]。地球物理學(xué)分為固體地球物理和空間物理兩個(gè)專業(yè)方向，其中固體地球物理又包含了重力學(xué)、地磁學(xué)、地電學(xué)、地震學(xué)、大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)等分支學(xué)科。

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）固體地球物理專業(yè)在大學(xué)本科階段設(shè)置有一個(gè)地質(zhì)與地球物理實(shí)驗(yàn)班。實(shí)驗(yàn)班的培養(yǎng)目標(biāo)是讓學(xué)生具有堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)、物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)和較系統(tǒng)的地球物理學(xué)基本知識(shí)、基礎(chǔ)理論，具備地球的基礎(chǔ)知識(shí)，掌握研究地球圈層的主要地球物理理論和方法技術(shù)，初步具有綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，在整體上和不同的時(shí)空尺度上理解、模擬和解釋固體圈層（地核、地幔、地殼）的結(jié)構(gòu)、物質(zhì)與能量交換及其動(dòng)力學(xué)特征，為人類合理開發(fā)利用資源、認(rèn)識(shí)環(huán)境變化、減輕自然災(zāi)害及大型人類工程的環(huán)境評(píng)價(jià)等服務(wù)，初步具有從事地球物理及相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)研究的能力。

結(jié)合固體地球物理專業(yè)人才培養(yǎng)的特點(diǎn)，本文以地球物理專業(yè)選修課為例，探討PBL模式的可行性。專業(yè)選修課是專業(yè)基礎(chǔ)課的進(jìn)階課程，涉及地球物理數(shù)據(jù)的觀測(cè)、采集、處理、模擬和解釋等方方面面，以及分支學(xué)科的進(jìn)一步細(xì)化。學(xué)生開始選修專業(yè)選修課程時(shí)，已經(jīng)具備一定的專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)，這時(shí)需要研修專業(yè)相關(guān)的方法技術(shù)，學(xué)習(xí)和了解理論知識(shí)的運(yùn)用，培養(yǎng)地球物理專業(yè)思維，進(jìn)一步思考科學(xué)和技術(shù)問題。

PBL模式在一定環(huán)節(jié)和程度上與地球物理專業(yè)選修課的教學(xué)目標(biāo)相適應(yīng)。（1）問題的提出，地球物理專業(yè)問題可分為大問題和小問題。大問題可以是地球科學(xué)系統(tǒng)中需要綜合運(yùn)用地球物理知識(shí)解決的問題，如地球板塊構(gòu)造、地球內(nèi)部分層結(jié)構(gòu)、地震監(jiān)測(cè)、地表巖石物性分布、青藏高原隆升機(jī)制等等，解決這些問題有多種途徑和理論方法，可能存在多個(gè)答案；小問題可以局限在地球物理專業(yè)內(nèi)，將其設(shè)置成結(jié)構(gòu)化問題，針對(duì)性較強(qiáng)，如地殼厚度的確定、地球物理反演方法的優(yōu)化、地球物理數(shù)據(jù)中噪聲如何消除等等，解決小問題以各類實(shí)驗(yàn)和方法技術(shù)的學(xué)習(xí)和嘗試為主，找到最佳途徑和方式。（2）對(duì)問題建立假設(shè)，分析分解問題，嘗試給出可能的解決方案。此時(shí)教師應(yīng)該對(duì)問題分析進(jìn)行引導(dǎo)，給出學(xué)習(xí)重點(diǎn)，把握專業(yè)概念、術(shù)語、方法、技術(shù)等關(guān)鍵點(diǎn)。（3）學(xué)生自主討論和自主學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)查閱專業(yè)資料和文獻(xiàn)，積極交流協(xié)作，勇于探索創(chuàng)新，總結(jié)解決問題所需的地球物理數(shù)據(jù)、理論和方法。（4）實(shí)踐解決問題的途徑和手段，看是否能驗(yàn)證假設(shè)、解決或部分解決問題。教師最后給出分析總結(jié)，加深學(xué)生對(duì)地球物理概念和知識(shí)點(diǎn)的理解。

PBL教學(xué)模式對(duì)教師要求較高，對(duì)學(xué)生要求也高[8]。一方面，教師需要具備先進(jìn)的教學(xué)理念、較高的職業(yè)素養(yǎng)和負(fù)責(zé)的教學(xué)態(tài)度、扎實(shí)廣博的專業(yè)知識(shí)、駕馭教學(xué)和課堂管理的能力。另一方面，學(xué)生的主動(dòng)性、思維能力、動(dòng)手實(shí)踐、相互協(xié)作等基本素質(zhì)會(huì)影響教學(xué)效果。目前，我院地球物理專業(yè)選修課的教學(xué)方式豐富多樣，實(shí)例分析和理論方法充分結(jié)合，教師專業(yè)知識(shí)牢固并且熟悉專業(yè)前沿；在提出問題后，實(shí)驗(yàn)班學(xué)生的主動(dòng)性和思維能力可以釋放，個(gè)人動(dòng)手能力和集體相互協(xié)作可以互補(bǔ)。

三、PBL教學(xué)方案設(shè)計(jì)和初步應(yīng)用

在專業(yè)選修課“重磁資料處理與解釋”中，教學(xué)內(nèi)容涉及若干地質(zhì)與地球物理問題。該課程的講授模式通常以教師在課堂講授資料處理方法和解釋手段為主，輔以實(shí)際例子，向?qū)W生介紹一般方法過程和需要注意的問題。雖然有布置作業(yè)和計(jì)算機(jī)編程實(shí)驗(yàn)，但學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和學(xué)習(xí)效果依然有待提高。因此，本文參考PBL教學(xué)模式，結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)方案，設(shè)計(jì)了一個(gè)問題場(chǎng)景并應(yīng)用在該門課程的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中。

1.PBL教學(xué)方案舉例

問題：地球殼幔界面的確定。

適宜類別：地質(zhì)與地球物理實(shí)驗(yàn)班三年級(jí)（第六學(xué)期）。

背景知識(shí)：本方案在“重磁資料處理與解釋”課程實(shí)驗(yàn)階段開展，是基于重磁異常反演的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容而編寫，在本課程的結(jié)尾階段使用。此前，學(xué)生已經(jīng)系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了資料處理的基本方法，包括重磁資料的獲得、數(shù)據(jù)的去噪、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和變換的基本方法、數(shù)據(jù)模擬和反演的基本理論等大部分內(nèi)容，具有一定的數(shù)據(jù)處理和解釋思路。從整個(gè)本科學(xué)習(xí)階段來看，按照固體地球物理專業(yè)本科培養(yǎng)方案，學(xué)生已經(jīng)系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了地球物理基礎(chǔ)、地震學(xué)、地磁學(xué)、地電學(xué)、重力學(xué)以及數(shù)字信號(hào)處理、地震波理論、場(chǎng)論等相關(guān)知識(shí)，建立了相對(duì)完整的地球物理知識(shí)結(jié)構(gòu)。因此，本方案可以檢驗(yàn)學(xué)生的綜合能力。

總體教學(xué)目標(biāo)：通過本課程教學(xué)，學(xué)生可以了解各種常規(guī)的重磁資料處理與解釋方法原理及應(yīng)用，學(xué)習(xí)如何運(yùn)用數(shù)學(xué)手段分析處理位場(chǎng)數(shù)據(jù)，地球物理與地質(zhì)解釋相結(jié)合的思路與方法。

教案簡(jiǎn)介：以地球殼幔界面為對(duì)象，利用地球物理觀測(cè)資料和其他相關(guān)資料，運(yùn)用所學(xué)的數(shù)據(jù)處理方法和解釋手段，確定殼幔界面的深度和變化特征。旨在通過問題分析，幫助學(xué)生建立從理論方法到實(shí)際研究問題的思路，回顧有關(guān)重磁資料轉(zhuǎn)換和重磁異常分離的方法，擴(kuò)寬相關(guān)的地球物理綜合知識(shí)。

課堂總體安排和步驟：（1）小組準(zhǔn)備階段。確定學(xué)生分組情況，就問題進(jìn)行簡(jiǎn)要說明，包括大致的討論范圍，涉及的主要知識(shí)點(diǎn)。（2）討論前反饋。了解學(xué)生準(zhǔn)備情況，對(duì)準(zhǔn)備中出現(xiàn)的疑點(diǎn)和問題進(jìn)行解答。（3）第一次集中討論。主要明確殼幔界面的地質(zhì)地球物理意義，重要的地球物理概念、相關(guān)地球物理資料、數(shù)據(jù)處理方法、各小組的問題解決方案，對(duì)提出的問題進(jìn)行總結(jié)。（4）第二次討論前反饋。了解各小組的進(jìn)展情況，對(duì)問題進(jìn)行適度解答。（5）第二次集中討論。各小組以幻燈片形式報(bào)告對(duì)問題的認(rèn)識(shí)，闡明解決過程和思路、存在的問題以及收獲。（6）總結(jié)。學(xué)生先自行總結(jié)，教師隨后對(duì)問題和解決情況點(diǎn)評(píng)，并對(duì)小組和成員分別給出成績(jī)。

參考資料：基本概念，如殼幔界面、密度、速度、重力異常、地震剖面、模型、正演、反演等；各類數(shù)學(xué)工具、計(jì)算軟件和繪圖軟件；相關(guān)地球物理資料，包括國(guó)內(nèi)外經(jīng)典的地球物理方法和最新的研究成果。

2.初步應(yīng)用

圍繞如何確定地球殼幔界面的問題，我們開展了PBL教學(xué)模式初步應(yīng)用。因?yàn)楣腆w地球物理專業(yè)的理論、觀測(cè)和實(shí)踐都十分重要，所以將PBL教學(xué)聚焦在概念、數(shù)據(jù)和方法等三個(gè)方面，避免課堂討論走形式。

（1）地球殼幔界面的相關(guān)概念。

在小組準(zhǔn)備階段要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)地球殼幔界面的地球物理定義，明確它是來自觀測(cè)的地殼和地幔物質(zhì)地震波速度突變的物理現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的根本原因是殼幔物質(zhì)物理性質(zhì)發(fā)生變化，物性變化會(huì)帶來速度和密度變化，繼而引起地球物理場(chǎng)的變化。在小組討論時(shí)，除了討論殼幔物質(zhì)與地球物理場(chǎng)的關(guān)系，還要求學(xué)生討論殼幔界面的速度變化與密度變化之間的一致性，討論重力異常是否可以反映殼幔界面的深度和變化規(guī)律，其優(yōu)勢(shì)和局限性分別是什么。

（2）重力異常數(shù)據(jù)和相關(guān)地球物理資料。

小組準(zhǔn)備階段和討論階段應(yīng)該特別重視觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)地面和衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)的來源和可靠性進(jìn)行確認(rèn)，獲取有用的重力異常；討論數(shù)據(jù)的分布范圍和比例尺能否解決研究區(qū)域的殼幔界面變化問題。此外，由于重力異常研究的局限性，請(qǐng)學(xué)生討論地震資料和地質(zhì)資料的作用。

（3）解決問題的理論方法和計(jì)算技術(shù)。

在本質(zhì)上，研究殼幔界面問題就是研究地球物理場(chǎng)和場(chǎng)源的關(guān)系問題。兩者的關(guān)系是由地球物理基本理論和方法確定的。在PBL教學(xué)模式下，學(xué)生自己復(fù)習(xí)理論和公式，找到界面模型的多種計(jì)算公式，針對(duì)重力異常數(shù)據(jù)和研究區(qū)域，討論計(jì)算方法的選取，比如一維重力異常和二維重力異常的正演計(jì)算問題。相關(guān)的計(jì)算技術(shù)主要集中在數(shù)據(jù)的整理、處理與解釋上：例如數(shù)據(jù)的濾波去噪、上下延拓、異常的分離、剩余異常的反演等等。要求每個(gè)小組需要寫出一套簡(jiǎn)單的技術(shù)流程，用于實(shí)際數(shù)據(jù)處理。由于問題的解決離不開計(jì)算機(jī)編程，建議小組成員進(jìn)行分工合作，小組間互相交流，避免花大量的時(shí)間用于復(fù)雜計(jì)算上。從教師角度，提供一些現(xiàn)成的程序和軟件供學(xué)生使用。

3.PBL教學(xué)模式的一些認(rèn)識(shí)

與案例分析教學(xué)法不同，PBL模式需要學(xué)生從一開始積極主動(dòng)的學(xué)習(xí)，教師不做課堂講解，由學(xué)生獨(dú)立完成地球物理知識(shí)學(xué)習(xí)和運(yùn)用。在方案實(shí)施過程中，第一次討論是關(guān)鍵，教師用提問的方式參與到討論中間，把握問題的范疇和相關(guān)專業(yè)術(shù)語，引導(dǎo)學(xué)生思考問題，從教材、課件、書籍和文獻(xiàn)中尋找解決問題的途徑，激發(fā)學(xué)生的興趣，避免學(xué)生陷入茫然不知所措或者思維過于發(fā)散的狀態(tài)；第二次討論應(yīng)該圍繞解決問題的過程而不是結(jié)果，展開討論和學(xué)習(xí)，此時(shí)教師以“旁聽者”的身份歸納整理每個(gè)小組的優(yōu)點(diǎn)和不足，適當(dāng)提出新問題，檢查學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，即概念的理解和方法的掌握。兩次討論中間是學(xué)生自主學(xué)習(xí)和解決問題的時(shí)間，教師不做個(gè)別輔導(dǎo)，僅跟蹤學(xué)生反饋和提供資料查詢幫助等。

PBL模式下，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生的積極性和能力都有一定程度的釋放，或注重不同數(shù)據(jù)處理方法的比較，或借鑒了前人的成果特別是地震剖面資料，或編寫了較好的計(jì)算程序。小組討論增強(qiáng)了學(xué)生個(gè)體的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和效率，互相幫助克服困難，甚至深入研究了數(shù)據(jù)處理的細(xì)節(jié)問題。雖然解決問題的途徑和采用的方法不盡相同，也沒有形成統(tǒng)一解答，但是學(xué)習(xí)的過程更重要，這是學(xué)生和教師的一致看法。

四、展望

地球物理專業(yè)人才培養(yǎng)具備開展PBL教學(xué)模式的條件。實(shí)施起來首先需要教師完成教學(xué)方案的設(shè)計(jì)，包括背景知識(shí)整理、總體教學(xué)目標(biāo)設(shè)定、課堂總體安排、提示性問題和重點(diǎn)內(nèi)容歸納、參考資料的準(zhǔn)備、學(xué)生學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)機(jī)制等方面。此外，教學(xué)資源保障條件，如軟硬件設(shè)施（教室、實(shí)驗(yàn)室、圖書館、網(wǎng)絡(luò)資源）的完備程度和方便實(shí)用性，開放的學(xué)習(xí)環(huán)境，相關(guān)專家聘請(qǐng)講學(xué)等等，也影響PBL模式的具體實(shí)施。雖然PBL模式的主體是學(xué)生，但教師仍然是主導(dǎo)，兩者有機(jī)結(jié)合才能獲得最佳的教學(xué)效果。

PBL教學(xué)模式的運(yùn)用也不能完全依照國(guó)內(nèi)外醫(yī)學(xué)教育的范式，必須以本專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)為依據(jù)，靈活運(yùn)用才能全面提升學(xué)生的綜合素質(zhì)與解決實(shí)際問題的能力。

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Title: Application of PBL Teaching Mode in Talents Education in Solid Geophysics Major

Author(s): LIANG Qing, LUO Yin-he, CHEN Chao

problem-based learning; solid geophysics; talents education; teaching mode

G640

A

1006-9372（2014）04-0059-04

2014-07-28；

2014-08-10。

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）教學(xué)研究項(xiàng)目“地球物理學(xué)（理、工）專業(yè)課程體系改革與實(shí)踐”；“固體地球物理專業(yè)及課程體系改革的研究與實(shí)踐”。

梁 青，男，講師，主要從事固體地球物理的教學(xué)和研究工作。