顏瑞雯，孫紅福，楊 柳，林 剛

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；3.中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049）

0 引言

水文地球化學(xué)是地質(zhì)工程和地下水科學(xué)與工程專業(yè)的必修課程，是在水文地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)和水化學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門學(xué)科.主要研究對象是地下水化學(xué)成分的形成與演化，以及地下水中各種成分的運(yùn)移規(guī)律.涉及水文地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、同位素化學(xué)、分析化學(xué)和軟件模擬等相關(guān)知識［1-2］.由于水文地球化學(xué)課程內(nèi)容繁多，每一個(gè)章節(jié)均可形成一門獨(dú)立的課程，如何在高等教育改革要求減少課時(shí)的背景下，完成水文地球化學(xué)核心內(nèi)容的講授，提高教學(xué)質(zhì)量和效果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，是水文地球化學(xué)教學(xué)中面臨的主要問題和挑戰(zhàn)［3］.

思維導(dǎo)圖也稱心智圖，是由英國教育學(xué)家托尼·博贊首創(chuàng)的一種表達(dá)發(fā)散性思維的圖形工具［4］.思維導(dǎo)圖作為一種新的思維方式，其主要特點(diǎn)是運(yùn)用圖文并重的技巧，從一個(gè)中心概念出發(fā)，隨著思維的不斷深入，把各級主題的關(guān)系用相互隸屬與相關(guān)的層級圖表現(xiàn)出來，逐步構(gòu)建一個(gè)有序的發(fā)散圖.運(yùn)用思維導(dǎo)圖可以將新知識的關(guān)鍵概念與頭腦中已有的知識聯(lián)系起來，讓孤立的知識記憶變成系統(tǒng)性的知識構(gòu)建，對于開啟大腦的潛能發(fā)揮著重要的作用［5-6］.

近年來，思維導(dǎo)圖被廣泛應(yīng)用于教育、醫(yī)學(xué)和設(shè)計(jì)等領(lǐng)域［7-10］，其中教育領(lǐng)域應(yīng)用前3 的學(xué)科分別為教育技術(shù)學(xué)、數(shù)學(xué)和化學(xué)［11-13］.在化學(xué)領(lǐng)域中，思維導(dǎo)圖在中等教育的應(yīng)用遠(yuǎn)超高等教育階段；目前尚未有思維導(dǎo)圖在高等教育地球化學(xué)或者水文地球化學(xué)教學(xué)上應(yīng)用的報(bào)道.

與文字相比，思維導(dǎo)圖應(yīng)用于高等教育的優(yōu)勢在于：（1）圖像比文字承載的信息量大，而且更具新鮮感和吸引力；（2）可根據(jù)每個(gè)人獨(dú)特的認(rèn)知體系，構(gòu)建個(gè)性化的思維導(dǎo)圖；（3）具有層次分明，重點(diǎn)突出的特點(diǎn)，有助于教師和學(xué)生理清思路，明確重點(diǎn)［14］.目前而言，思維導(dǎo)圖在大學(xué)課堂教學(xué)中的應(yīng)用，主要是根據(jù)教材章節(jié)的關(guān)鍵詞、圖形和線條等要素，繪制知識的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖.關(guān)鍵詞代表思維導(dǎo)圖的主題，連線代表各主題之間的聯(lián)系.分層級的線條連接各知識點(diǎn)，從而建立每個(gè)知識點(diǎn)間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，促進(jìn)知識的整合，形成清晰的知識結(jié)構(gòu)圖［14］.作為一種可視化思維工具，思維導(dǎo)圖已在教育領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注，正逐漸成為一種有效的教與學(xué)的工具.

本文主要研究思維導(dǎo)圖在水文地球化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用，探索在我國高等教育改革形式下行之有效的教學(xué)模式，以期解決學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性低等問題，達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的.

1 思維導(dǎo)圖應(yīng)用的必要性

1.1 提高學(xué)生課堂學(xué)習(xí)效率和自主學(xué)習(xí)積極性

因我國本科高等教育改革要求適當(dāng)減少課時(shí)，本校水文地球化學(xué)課程已從原有的48 學(xué)時(shí)調(diào)整為32 學(xué)時(shí).課程選用的教材為沈照理等編著的《水文地球化學(xué)基礎(chǔ)》［1］和李學(xué)禮等編著的《水文地球化學(xué)》（第3 版）［15］.課程內(nèi)容分為5 個(gè)章節(jié)，包括緒論、水化學(xué)基礎(chǔ)、地下水化學(xué)成分組成、地下水化學(xué)成分形成及其影響因素、水地球化學(xué)循環(huán)及水文地球化學(xué)分帶.由于采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生在課堂上容易養(yǎng)成被動(dòng)接受知識的習(xí)慣，缺乏主觀能動(dòng)性.

為了推進(jìn)以學(xué)生為中心，從“教”到“學(xué)”的本科教育教學(xué)改革，在教學(xué)中使用思維導(dǎo)圖是一種創(chuàng)新的有益嘗試.教師在教學(xué)過程中使用思維導(dǎo)圖，會使水文地球化學(xué)的教學(xué)更具有層次感和遞進(jìn)性，重點(diǎn)更加明確，使課本由厚變薄、知識化難為易，能夠有效解決課時(shí)少、內(nèi)容多的問題，提高學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效率和自主學(xué)習(xí)積極性.

1.2 培養(yǎng)學(xué)生思維的復(fù)雜性和系統(tǒng)性

水文地球化學(xué)主要研究地下水水質(zhì)隨時(shí)間和空間的演變規(guī)律.地下水系統(tǒng)是由多個(gè)含水層構(gòu)成的系統(tǒng)，經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)演化，這就決定了這門學(xué)科的復(fù)雜性.由于地下水水文地質(zhì)和水化學(xué)資料的收集往往是不完整的，實(shí)際工作中需要基于有限的資料，對研究區(qū)內(nèi)發(fā)生的各種水文地球化學(xué)過程和地下水的演化歷史做出判斷，如果問題考慮不夠全面，很容易推斷出錯(cuò)誤的結(jié)論［3］.因此，在講授水文地球化學(xué)課程的過程中，教師不僅要傳授專業(yè)知識，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生復(fù)雜性和系統(tǒng)性的思維方式［16］.

課程學(xué)習(xí)中使用思維導(dǎo)圖，能夠?qū)λ鶎W(xué)的知識進(jìn)行及時(shí)回顧和總結(jié)，利于提高學(xué)習(xí)效率.同時(shí)，對思維導(dǎo)圖的應(yīng)用能將教材的內(nèi)容由點(diǎn)、線、面的結(jié)合，建立理論知識之間的邏輯和內(nèi)在關(guān)系，有利于知識的內(nèi)化，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，并有利于培養(yǎng)其復(fù)雜性和系統(tǒng)性的思維方式.綜上所述，為了能夠開展有效的教學(xué)，提高學(xué)生的知識建構(gòu)和思維能力，思維導(dǎo)圖在水文地球化學(xué)課程中的應(yīng)用具有必要性.

2 實(shí)際教學(xué)應(yīng)用

2.1 備課中的應(yīng)用

在備課的過程中，使用圖像、符號、顏色和線條等會使得備課內(nèi)容更富有活力.同時(shí)，思維導(dǎo)圖的發(fā)散結(jié)構(gòu)也決定了其應(yīng)用于水文地球化學(xué)教學(xué)備課的可行性和優(yōu)越性.圖1 是以“碳酸平衡”為例制作的備課思維導(dǎo)圖，包括實(shí)習(xí)回顧、教學(xué)內(nèi)容和課后作業(yè).思維導(dǎo)圖的特性使教師關(guān)注于教學(xué)的思維過程，加深了對知識點(diǎn)的理解和鞏固，從而提高備課的質(zhì)量水平，促進(jìn)教師的專業(yè)發(fā)展，避免了傳統(tǒng)備課形式的單一問題，更能促進(jìn)教學(xué)任務(wù)的有效完成.此外，思維導(dǎo)圖簡潔的表現(xiàn)形式也使得教師更容易理清教學(xué)思路，重點(diǎn)和難點(diǎn)明確，從而減少備課壓力，能夠快速把握教學(xué)環(huán)節(jié)，使之成為一個(gè)有機(jī)的整體，更有利于提高教學(xué)效率.在教研交流中，思維導(dǎo)圖備課系統(tǒng)還能使其他教師快速掌握備課教師的思路，進(jìn)而提高教研交流的效率.利用思維導(dǎo)圖備課是對可視化教學(xué)設(shè)計(jì)的有益探索，為教師備課提供了一種新的選擇.

圖1 碳酸平衡備課的思維導(dǎo)圖

2.2 重要知識點(diǎn)歸納中的應(yīng)用

在學(xué)習(xí)水文地球化學(xué)的過程中，學(xué)生反饋，時(shí)常感到本課程某些重難點(diǎn)內(nèi)容知識點(diǎn)繁多、容易混淆、難于記憶、學(xué)習(xí)效率低.在教學(xué)過程中，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生對知識點(diǎn)進(jìn)行分割，明確知識點(diǎn)以下有哪些概念、原理和公式需要重點(diǎn)掌握，對每一個(gè)要點(diǎn)進(jìn)行講解，引導(dǎo)學(xué)生充分理解，再去解釋每個(gè)要點(diǎn)之間的聯(lián)系，最后構(gòu)建整體的知識架構(gòu).培養(yǎng)學(xué)生建立一個(gè)從學(xué)習(xí)到理解再到發(fā)散的學(xué)習(xí)過程，逐漸擴(kuò)大學(xué)生對知識的理解范圍，幫助學(xué)生建立一種清晰的整體性知識框架，提高學(xué)習(xí)效率.因此，需要將水文地球化學(xué)中重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容中零散、孤立、繁瑣的知識點(diǎn)提取重點(diǎn)并加以整理，形成結(jié)構(gòu)化的知識體系.以地下水化學(xué)成分的形成及其影響因素章節(jié)中標(biāo)型元素的相關(guān)知識思維導(dǎo)圖（圖2）為例來說明.標(biāo)型元素是元素在地下水中遷移的一個(gè)重要概念，在學(xué)習(xí)時(shí)，著重需要理解和掌握其定義和分組.標(biāo)型元素分為空氣遷移和水遷移標(biāo)型元素，空氣遷移的標(biāo)型元素對應(yīng)3 種氧化還原環(huán)境，水遷移的標(biāo)型元素對應(yīng)6 種水遷移環(huán)境，每個(gè)環(huán)境對應(yīng)不同的標(biāo)型元素.利用思維導(dǎo)圖來整理本知識點(diǎn)，可以起到一目了然的效果，有利于學(xué)生記憶和對整個(gè)知識點(diǎn)的掌握.

圖2 標(biāo)型元素相關(guān)知識點(diǎn)的思維導(dǎo)圖

2.3 章節(jié)小節(jié)總結(jié)中的應(yīng)用

水文地球化學(xué)的知識點(diǎn)零散、繁瑣，公式的適用條件多變，特別是第一章水化學(xué)基礎(chǔ)是本門課程的重點(diǎn)，每節(jié)內(nèi)容涉及大量基礎(chǔ)原理，學(xué)生掌握起來難度較高.教學(xué)中嘗試將每節(jié)都通過思維導(dǎo)圖的方式進(jìn)行歸納總結(jié)，幫助學(xué)生對所學(xué)知識點(diǎn)有一個(gè)整體的把握.以溶解平衡小節(jié)為例，可分為6 個(gè)核心內(nèi)容，分別為活度、溶度積和溶解度、飽和指數(shù)、溶解作用分類、同離子效應(yīng)和鹽效應(yīng)以及水處理中的應(yīng)用（圖3）.其中活度與飽和指數(shù)需要掌握其概念、公式及計(jì)算方法.對于溶度積和溶解度、溶解作用分類、同離子效應(yīng)和鹽效應(yīng)需掌握其概念，理解各概念之間的聯(lián)系和區(qū)別.學(xué)生還需要理解如何將溶解和沉淀應(yīng)用到水處理中.利用思維導(dǎo)圖繪制溶解平衡知識要點(diǎn)，幫助學(xué)生將零散的水文地球化學(xué)知識結(jié)構(gòu)化、條理化和系統(tǒng)化，例如：首先需要掌握活度的概念，重點(diǎn)理解活度不等于濃度，而是濃度和活度系數(shù)的乘積；然后基于對活度的理解，在利用溶度積（Ksp）計(jì)算溶解度時(shí)，考慮濃度或只考慮活度這2 種情況下的計(jì)算結(jié)果相差很大，而考慮活度更趨近于真實(shí)的溶解度；最后明確重點(diǎn)內(nèi)容在于飽和指數(shù)（saturation index，SI）的計(jì)算，用于地下水相對于礦物飽和狀態(tài)的判斷.SI 取決于水溶液中組成某難溶鹽類的陰、陽離子活度積（ion activity prod?uct，IAP）和溶解度積數(shù)（Ksp）的比值大小.當(dāng)SI<0時(shí)，說明水溶液不飽和；當(dāng)SI>0 時(shí)，說明水溶液過飽和；當(dāng)SI=0 時(shí)，說明水溶液處于溶解平衡狀態(tài).利用思維導(dǎo)圖，讓學(xué)生快速掌握溶解平衡的重點(diǎn)知識點(diǎn)（活度、溶度積、溶解度以及飽和指數(shù)）之間的聯(lián)系以及整體的知識架構(gòu)，讓學(xué)生的思維過程更加流暢、條理更加清晰，從而有效提高教學(xué)的質(zhì)量和效率.

圖3 溶解平衡的思維導(dǎo)圖

2.4 課后總結(jié)和考前復(fù)習(xí)中的應(yīng)用

在教學(xué)中，學(xué)生時(shí)常反映上課講的知識點(diǎn)都能聽懂，但是在做作業(yè)時(shí)卻不知道從何處切入、該應(yīng)用哪些知識點(diǎn).或者平時(shí)感覺自己學(xué)得很好，但在遇到綜合性的題型卻沒有解題思路.出現(xiàn)上述問題的主要原因是：學(xué)生對所學(xué)的知識沒有進(jìn)行及時(shí)的回顧和總結(jié)，沒有建立清晰完善的水文地球化學(xué)知識框架體系.為了解決這些問題，要求學(xué)生在每堂課結(jié)束之后，利用思維導(dǎo)圖進(jìn)行歸納總結(jié).思維導(dǎo)圖末端開放性的結(jié)構(gòu)有利于培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)與獨(dú)立思考的能力.建議學(xué)生以小組為單位，在課后對每一個(gè)知識點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充，每個(gè)學(xué)生在思維導(dǎo)圖的制作過程中，都會有自己獨(dú)特的思考和見解，在討論中不斷碰撞思維的火花，進(jìn)一步擴(kuò)大知識面，逐步建立完善的水文地球化學(xué)知識體系，將教材以及教師講解的內(nèi)容轉(zhuǎn)化為自己的知識.

水文地球化學(xué)課程屬于交叉學(xué)科，涵蓋的內(nèi)容廣泛，概念繁多且抽象復(fù)雜.正因?yàn)樗牡厍蚧瘜W(xué)學(xué)科的特殊性，在傳統(tǒng)的復(fù)習(xí)過程中，教師會將水文地球化學(xué)的重要知識點(diǎn)根據(jù)章節(jié)的順序全部羅列，幫助學(xué)生回憶要點(diǎn).但是這樣的復(fù)習(xí)方式，很難體現(xiàn)水文地球化學(xué)各個(gè)章節(jié)之間的聯(lián)系，無法取得良好的復(fù)習(xí)效果.所以對于教師來說，可利用思維導(dǎo)圖在考前最后一節(jié)課進(jìn)行復(fù)習(xí)，將每個(gè)章節(jié)有機(jī)結(jié)合起來，將每章的重點(diǎn)知識點(diǎn)及其內(nèi)在聯(lián)系，在學(xué)生腦海中構(gòu)建一個(gè)整體的知識框架.

水文地球化學(xué)共有4 章，每章中都有很多重要的公式和概念，通過思維導(dǎo)圖的繪制（圖4），從而將各級主題的關(guān)系用相互隸屬與相關(guān)的層級圖表現(xiàn)出來，在復(fù)習(xí)過程中更好地調(diào)動(dòng)相應(yīng)的水文地球化學(xué)知識，讓學(xué)生思維更加流暢.同時(shí)，通過這種總框架的設(shè)計(jì)，一門課程的知識點(diǎn)能夠一次性呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，增強(qiáng)學(xué)生的記憶力.不過課堂上的時(shí)間是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，學(xué)生可利用課后時(shí)間在考前復(fù)習(xí)中，對知識點(diǎn)進(jìn)行梳理，對已有思維導(dǎo)圖的枝杈進(jìn)行細(xì)化，從而形成更為密集的知識網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)建個(gè)性化的思維導(dǎo)圖，摸清知識點(diǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系，重點(diǎn)明確地進(jìn)行復(fù)習(xí)，有效提高考前復(fù)習(xí)的效率.

圖4 水文地球化學(xué)課程的總體框架

3 結(jié)束語

思維導(dǎo)圖不僅是一種新型的可視化教學(xué)設(shè)計(jì)工具，也是一種非線性的思維模式.本研究將思維導(dǎo)圖應(yīng)用于水文地球化學(xué)的重要知識點(diǎn)、章節(jié)小節(jié)、課后總結(jié)和考前復(fù)習(xí)這幾個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)當(dāng)中.課后問卷調(diào)查表明，學(xué)生對思維導(dǎo)圖的支持率為92.8%，認(rèn)為思維導(dǎo)圖的使用有效提高了學(xué)習(xí)效率，特別是對理解能力和記憶能力有顯著的提升.思維導(dǎo)圖能使教學(xué)過程更加層次化和簡潔化、突出重點(diǎn)、化繁為簡，從而有效提高教學(xué)質(zhì)量和效率，解決課時(shí)少、內(nèi)容多的問題.作為新型教學(xué)模式，思維導(dǎo)圖還能幫助學(xué)生將零散而繁瑣的水文地球化學(xué)知識結(jié)構(gòu)化，讓學(xué)生更深入地掌握水文地球化學(xué)知識點(diǎn)、線、面之間的聯(lián)系，改變學(xué)生思維模式，培養(yǎng)學(xué)生復(fù)雜性和系統(tǒng)性的思維方式.