潘劍偉 梁風(fēng) 楊根蘭
摘? 要:《工程物探》是勘探技術(shù)與工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程,該課程由于其繁多的課程內(nèi)容、復(fù)雜的數(shù)學(xué)物理理論、較高的實踐性要求,對非物探專業(yè)的學(xué)生而言學(xué)習(xí)負荷較大,教學(xué)效果一般。而艾賓浩斯遺忘理論指出,在適當(dāng)?shù)臅r間點對已學(xué)的知識進行反復(fù)復(fù)習(xí),對大腦的記憶進行有規(guī)律的反復(fù)刺激,能幫助學(xué)習(xí)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(nèi)容,但在不同時間節(jié)點開展教學(xué)實驗的兩個班級的教學(xué)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(dǎo),在講授完某種物探方法后1-2周內(nèi)隨即開展相關(guān)實驗課程能有更好的教學(xué)效果。該種教學(xué)順序能更好的幫助自主學(xué)習(xí)能力較差的同學(xué)即時的鞏固其基礎(chǔ)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(zhuǎn)變?yōu)榉椒▽嵺`中更深層次的動作記憶,從而使課程的教學(xué)質(zhì)量得到一定的提升。
關(guān)鍵詞:工程物探;艾賓浩斯遺忘理論;學(xué)習(xí)金字塔;教學(xué)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(xué)在人類適應(yīng)、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(xué)的重要分支,地球物理學(xué)是利用物理學(xué)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(zhì)構(gòu)造,尋找礦產(chǎn)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(guān)課程的開設(shè)以及各層次學(xué)生的培養(yǎng)對于促進我國地球科學(xué)的發(fā)展和國民經(jīng)濟的建設(shè)具有重要意義。貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院面向勘查技術(shù)與工程專業(yè)的學(xué)生便長期開設(shè)有《工程物探》這門課程,對于提高該專業(yè)學(xué)生的綜合勘查能力,結(jié)合物探技術(shù)來解決工程、巖土、水文、環(huán)境等相關(guān)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(xué)內(nèi)容較多[1]且跳躍性較大;課程數(shù)理基礎(chǔ)要求較高[2];課程內(nèi)容的實踐性又較強[3],要在有限的課時內(nèi)面向該類非物探專業(yè)的學(xué)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(xué)習(xí)后,在不同的時間節(jié)點對該知識進行有規(guī)律的復(fù)習(xí)和回憶,能幫助學(xué)習(xí)者更有效率的實現(xiàn)對所學(xué)知識的記憶[4]。那么,如何更加合理的結(jié)合該理論來安排《工程物探》的教學(xué)內(nèi)容,讓學(xué)生能在學(xué)習(xí)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(xué)效果的目的,則需要教師不斷的更新教學(xué)方法,調(diào)整教學(xué)的內(nèi)容和順序,為提高教學(xué)質(zhì)量而不斷進行探索。
一、《工程物探》課程的特點
(一)課程內(nèi)容較多,內(nèi)容之間跳躍性較大
《工程物探》課程包含了應(yīng)用地球物理勘查領(lǐng)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(guān)專業(yè)的學(xué)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(jù)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(chǔ)知識更加相關(guān)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(zhì)大學(xué)等老牌地質(zhì)院校就是將該類課程設(shè)置為系列課程,以培養(yǎng)學(xué)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(guān)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(xué)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(xué)效果。
(二)課時較短,教學(xué)任務(wù)較重
對于地球物理專業(yè)的學(xué)生,重、磁、電、震等方法分開進行教學(xué),其中每門分支課程的學(xué)時數(shù)都超過32個學(xué)時。經(jīng)過系列物探課程的教學(xué),學(xué)生自身的知識體系相對扎實。而對于貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院等開設(shè)的《工程物探》課程,其授課的對象大部分是地質(zhì)工程、巖土工程方向的學(xué)生。由于課程設(shè)置原因,地震、電法、重力、磁法等方面的課程內(nèi)容需要集中到48個學(xué)時內(nèi)完成,其中還包括課程末尾6-8個學(xué)時的實驗教學(xué)課程。盡管不用像物探專業(yè)的學(xué)生一樣每個方面的內(nèi)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(xué)內(nèi)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?qū)W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(zhì)雷達等常用方法。要在有限的學(xué)時內(nèi)掌握如此眾多的物探方法,學(xué)生在學(xué)習(xí)該門課程時自然會感覺比較吃力。
(三)課程具有較高的數(shù)、理基礎(chǔ)要求
《工程物探》課程是一門對數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)要求較高的課程,在課程的講授過程中會涉及到部分數(shù)學(xué)物理方程的介紹。例如,地震波波動方程的推導(dǎo),電磁場亥姆霍茲方程的求解等內(nèi)容,由于需要較強的邏輯思維,學(xué)生們一旦沒有作好充分的預(yù)習(xí)或者復(fù)習(xí)工作,又或者是數(shù)、理基礎(chǔ)有所欠缺,在學(xué)習(xí)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(xué)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(xué)生對方法的實質(zhì)有深入的理解。而培養(yǎng)學(xué)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(xué)習(xí)后,學(xué)生能根據(jù)需要解決的具體問題去選用適當(dāng)?shù)奈锾椒椒?根據(jù)現(xiàn)場的條件,能設(shè)計合理的測線、測網(wǎng)和觀測系統(tǒng);最后能根據(jù)自己采集的數(shù)據(jù),對地球物理異常進行合理、準確的解釋,這都要求學(xué)生具有較強的實踐能力。因此,實驗教學(xué)課程的開展對于《工程物探》教學(xué)尤為重要。
二、基于艾賓浩斯遺忘理論的《工程物探》教學(xué)設(shè)計
(一)艾賓浩斯遺忘理論
采用科學(xué)合理的教學(xué)方法對課程內(nèi)容進行教學(xué),能有效的減輕學(xué)生的學(xué)習(xí)負擔(dān)并改善教學(xué)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(xué)生更有效率的保留住對所學(xué)知識的記憶,對已授知識進行回顧的時間節(jié)點至關(guān)重要。德國科學(xué)家艾賓浩斯研究發(fā)現(xiàn),對于新的知識的學(xué)習(xí),其遺忘是在學(xué)習(xí)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(jù)該遺忘理論的指導(dǎo),如果能在適當(dāng)?shù)臅r間內(nèi)對《工程物探》課程中所講授的知識點進行復(fù)習(xí),對大腦的記憶進行有規(guī)律的反復(fù)刺激,就能讓學(xué)生更加有效和熟練的掌握相關(guān)的物探方法。
(二)《工程物探》教學(xué)方式的選擇
想要提高《工程物探》課程的教學(xué)效果,筆者認為,一方面可以結(jié)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(guān)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(xué)生真正做到學(xué)而有用、學(xué)以致用。而另一方面,針對重點講解內(nèi)容,則是選擇以基礎(chǔ)知識講解、應(yīng)用案例展示、教學(xué)實驗相結(jié)合的方式,從方法認知→應(yīng)用展示→實踐操作,逐步加深學(xué)生對某種物探方法的了解。
1. 基礎(chǔ)知識講解
基礎(chǔ)知識的講解依然采用傳統(tǒng)的課堂講授方式,由教師向?qū)W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(shù)等內(nèi)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(xué)生對該方法有初步的認知。該方法的優(yōu)點是在學(xué)習(xí)初期,學(xué)生能通過該方式學(xué)習(xí)大量的知識點,建立起方法的整體知識構(gòu)架。但是,在該過程中,學(xué)生一直處于被動接收的狀態(tài)。對于講授的知識,學(xué)生很難進行更加深入的思考和發(fā)散,因此,學(xué)習(xí)效率也一般。
2. 工程案例展示
在基礎(chǔ)知識介紹完成之后,為了能讓學(xué)生對該物探方法有更加直觀和生動的認識,可以選取與學(xué)生的專業(yè)背景相關(guān)的一些工程地質(zhì)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(xué)勘查技術(shù)與工程專業(yè)的學(xué)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(yīng)用實例為介紹對象,通過提問等形式讓學(xué)生猜測在工作時選用了哪些系統(tǒng)裝置,幫助學(xué)生回憶高密度電法常用的裝置類型;然后再結(jié)合反演所得到電阻率分布結(jié)果,向?qū)W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(xué)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(xué)生參與到解釋過程中,發(fā)揮其主觀能動性,通過讓學(xué)生直接觀察探測目標體在地球物理場上的反應(yīng),實現(xiàn)對理論內(nèi)容的深入思考和回憶,同時也進一步激發(fā)了學(xué)生對于物探課程的學(xué)習(xí)興趣。
3. 教學(xué)實驗
實踐是檢驗真理的唯一標準。《工程物探》本身就是重應(yīng)用的一門課程,學(xué)習(xí)完該課程后,學(xué)生在將來的科學(xué)研究或者生產(chǎn)項目中,都需要用真實可靠的探測結(jié)果來說明和解決相關(guān)問題。因此,《工程物探》課程在教學(xué)過程中開展一些物探方法的實驗教學(xué),第一目的就是培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。學(xué)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(shè)、儀器操作、數(shù)據(jù)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(guān)的地質(zhì)問題打下基礎(chǔ)。
開展教學(xué)實驗,第二個方面的意義則在于能有效的幫助學(xué)生深化和鞏固課堂理論知識。根據(jù)現(xiàn)代認知理論中著名的“學(xué)習(xí)金字塔”可知,通過自己在實驗中對物探方法進行實踐,學(xué)生對理論知識的學(xué)習(xí)保留率(75%)是遠遠高于課堂講授(5%)和案例展示(20%)的[7]。學(xué)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(dǎo);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(shù)之間的關(guān)系,從而在更高層次上實現(xiàn)對物探知識的掌握。
另外,教學(xué)實驗的開展也有助于培養(yǎng)學(xué)生的科研能力?!豆こ涛锾健匪鶑膶俚膽?yīng)用地球物理學(xué)本身就是一門實踐性很強的學(xué)科,許多的科學(xué)問題都是在實踐過程中顯露出來。例如,學(xué)生在實驗課過程中,要經(jīng)歷場地的踏勘、測線的布設(shè)、數(shù)據(jù)的采集、結(jié)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(xué)生又會去思考是什么原因?qū)е碌脑搯栴};自己運用所學(xué)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(xué)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(xué)安排
結(jié)合艾賓浩斯遺忘曲線的分布規(guī)律和教研室之前總結(jié)的經(jīng)驗,為了能使學(xué)生更有效率的對《工程物探》課程知識點進行掌握,筆者結(jié)合基礎(chǔ)知識講授、工程案例展示、教學(xué)實驗等方式對某種物探方法的教學(xué)順序作如表1所示的安排。
短期記憶主要是在課堂內(nèi)形成。開始上課后的3-5分時間,主要用于對上次課程內(nèi)容的復(fù)習(xí)和回憶,并引入到該堂課的內(nèi)容之中。然后在連續(xù)兩個課時內(nèi)花100分鐘左右對本次課的主要內(nèi)容進行介紹,在學(xué)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(jié)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(jīng)開始出現(xiàn)遺忘,所以,在下課前一定要對本次課的內(nèi)容進行一次簡單的小結(jié),對學(xué)生短期內(nèi)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(shè)置既可以幫助學(xué)生在當(dāng)天晚上回憶白天的學(xué)習(xí)內(nèi)容,在下一次課程(一般3-5天之內(nèi))開始前,又可以就此題目向?qū)W生進行抽問,以幫助學(xué)生再次對學(xué)習(xí)內(nèi)容進行回憶。
結(jié)合《工程物探》課程的特點,對單種物探方法的教學(xué)一般不會超過8個學(xué)時,即兩周內(nèi)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(xué)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(jié)果通過照片等形式更加直接的展示出來,以幫助學(xué)生形成形象化的深刻記憶。
上已述及,教學(xué)實驗對于《工程物探》課程尤為重要。在基礎(chǔ)理論和工程實例講授完成后的1-2周內(nèi),在學(xué)生對于知識點的遺忘率達到比較高的水平之前,進行學(xué)習(xí)效率最高的實驗教學(xué),讓學(xué)生結(jié)合課堂知識并在教師的引導(dǎo)下自行開展場地實驗,讓學(xué)生在作中去學(xué),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(xué)習(xí)安排,學(xué)生在從接觸到基礎(chǔ)理論知識開始,經(jīng)過了課堂末的知識點總結(jié),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(xué)實驗等5次時間間隔由密到疏地復(fù)習(xí)、回憶。學(xué)習(xí)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(zhuǎn)變。
三、教學(xué)效果的對比分析
為了深入地研究在相同的教學(xué)內(nèi)容情況下,課程的安排對教學(xué)效果的影響,我們選取貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院2016級勘查技術(shù)與工程專業(yè)兩個班進行對比試驗。通過將教學(xué)實驗課安排在不同的時間節(jié)點,來測試不同教學(xué)順序?qū)τ诮虒W(xué)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(jié)束之后再來開展課程實驗;二班則是結(jié)合艾賓浩斯遺忘理論,在講完一種物探方法后在1-2周內(nèi)隨即開展該方法的教學(xué)實驗。為避免其它因素影響,在整個教學(xué)過程中兩個班的理論教學(xué)內(nèi)容、實驗內(nèi)容都完全一致,僅在教學(xué)實驗的開展時間上有所差別。
為了檢驗教學(xué)效果,我們在所有課程結(jié)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(xué)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(xué)生沒有經(jīng)過系統(tǒng)復(fù)習(xí)之前,僅在課堂的自主學(xué)習(xí)中對物探知識的掌握情況。測試結(jié)果如表2所示。
從測試結(jié)果來分析,在都未經(jīng)過系統(tǒng)復(fù)習(xí)之前,二班的同學(xué)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(xué)習(xí)能力較差的同學(xué)身上。對于平時自主學(xué)習(xí)能力較強的同學(xué),由于他們能及時的對已學(xué)習(xí)的內(nèi)容進行回顧,兩種安排順序的教學(xué)效果沒有太多區(qū)別。兩個班90分以上的同學(xué)占比基本相同,一班11.4%,二班的10.0%。但對平時自主學(xué)習(xí)能力較差的同學(xué),按照一班的實驗課安排節(jié)點,由于課上的理論教學(xué)和實驗課程之間有較大的時間間隔,對于未及時復(fù)習(xí)的同學(xué)來講,課上所講授的內(nèi)容已基本遺忘干凈。而在實驗過程中,也是很難回憶起相關(guān)的理論內(nèi)容,所以其測試結(jié)果較差。而二班的同學(xué)則是在基礎(chǔ)理論課程結(jié)束后的1-2周內(nèi)馬上開展相應(yīng)物探方法的實驗。對課程內(nèi)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(zhuǎn)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(xué)知識點與已學(xué)內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)性進行引導(dǎo),又起到了相關(guān)知識的鞏固作用。這樣的教學(xué)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(xué)沒有進行較好的系統(tǒng)復(fù)習(xí),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(xué)內(nèi)容進行反復(fù)提示和回憶,所以二班的同學(xué)對于基本知識點都有較好的掌握,全部同學(xué)的測試成績都超過了70分。而一班的學(xué)生之中70分以下的同學(xué)占比達14.3%,甚至還有一名同學(xué)沒有通過測試。
四、結(jié)論
由于《工程物探》課程內(nèi)容的廣泛性、復(fù)雜性和實踐性,要在較短的課時內(nèi)講授好該門課程具有不小的挑戰(zhàn)。而根據(jù)艾賓浩斯遺忘理論,在課程的教學(xué)過程中通過課堂講授、案例展示、教學(xué)實驗等方式,在不同的時間節(jié)點對教學(xué)內(nèi)容進行反復(fù)回顧和加深,能幫助學(xué)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(jié)果也證明,在教學(xué)過程中不同的時間節(jié)點開展教學(xué)實驗會對教學(xué)效果有較大的影響。相較于傳統(tǒng)教學(xué)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(nèi)隨即開展其實驗課程,能更好的幫助缺乏自主學(xué)習(xí)能力的同學(xué)更加及時的鞏固其理論知識,將繁瑣、抽象的知識點轉(zhuǎn)化為具體的操作實施細節(jié),從而達到改善教學(xué)效果,提高教學(xué)質(zhì)量的目的。
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