PBL教學(xué)模式在重力學(xué)教學(xué)實(shí)習(xí)中的嘗試

梁青+胡正旺+杜勁松+王林松+陳超

摘要：本文以中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）北戴河地球物理學(xué)專業(yè)教學(xué)實(shí)習(xí)為例，針對(duì)重力學(xué)教學(xué)實(shí)習(xí)的特點(diǎn)，將問題為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)模式（PBL）運(yùn)用到為期5周的教學(xué)實(shí)習(xí)中，從室內(nèi)環(huán)節(jié)和野外實(shí)踐兩方面分析總結(jié)了這一學(xué)習(xí)模式的應(yīng)用過程和經(jīng)驗(yàn)。教師根據(jù)專業(yè)教學(xué)實(shí)習(xí)目的、要求和內(nèi)容，在實(shí)習(xí)中靈活應(yīng)用PBL模式，有助于激發(fā)學(xué)生的關(guān)注度和興趣，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考問題并提出解決辦法，鍛煉學(xué)生學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作精神與責(zé)任感。

關(guān)鍵詞：PBL教學(xué)模式；教學(xué)實(shí)習(xí)；重力學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）03-0105-03

PBL教學(xué)模式是指以問題為導(dǎo)向的自主學(xué)習(xí)方式（Problem-Based Learning，簡稱PBL）。PBL最初起源于醫(yī)學(xué)界，在醫(yī)學(xué)教育中被廣泛應(yīng)用[1]。PBL與傳統(tǒng)的以學(xué)科為基礎(chǔ)的教學(xué)法有很大不同，它的主要特點(diǎn)是設(shè)計(jì)真實(shí)性的任務(wù)和問題，強(qiáng)調(diào)把學(xué)習(xí)設(shè)置到復(fù)雜的、有意義的問題情境中，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[2，3]。重力學(xué)教學(xué)實(shí)習(xí)是地球物理學(xué)專業(yè)教學(xué)實(shí)習(xí)內(nèi)容之一，是本科生的實(shí)踐教學(xué)主干課程。地球物理學(xué)專業(yè)教學(xué)實(shí)習(xí)依托中國地質(zhì)大學(xué)秦皇島實(shí)習(xí)基地，在柳江盆地及周邊地區(qū)開展為期5周的重力、地磁、地電和地震等方向的教學(xué)與實(shí)踐課程。重力學(xué)教學(xué)實(shí)習(xí)目的是對(duì)《重力學(xué)》相關(guān)課程所學(xué)知識(shí)的進(jìn)一步理解與應(yīng)用，以及對(duì)實(shí)踐能力的鍛煉，使學(xué)生通過教學(xué)實(shí)習(xí)，加深理解和鞏固所學(xué)理論知識(shí)，切實(shí)掌握重力學(xué)的基本實(shí)踐技能，進(jìn)而正確使用常規(guī)儀器，學(xué)會(huì)正確記錄、分析、討論、總結(jié)歸納實(shí)踐結(jié)果，并培養(yǎng)學(xué)生熟悉重力測量的過程，熟悉重力數(shù)據(jù)處理的基本方法，為將來從事重力方面的科研與生產(chǎn)工作打下基礎(chǔ)。

一、PBL教學(xué)模式與重力學(xué)教學(xué)實(shí)習(xí)的結(jié)合

1.重力學(xué)教學(xué)實(shí)習(xí)目標(biāo)和要求。在教學(xué)實(shí)習(xí)中，必須通過各種途徑建立感性認(rèn)知，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)素養(yǎng)和良好的實(shí)地工作方法、實(shí)驗(yàn)室工作習(xí)慣的訓(xùn)練，使其進(jìn)一步掌握重力測量的基本方法和重力儀的工作原理[4]，學(xué)會(huì)重力儀器的使用與檢驗(yàn)，掌握相對(duì)重力測量內(nèi)業(yè)工作中的數(shù)據(jù)初步處理方法，了解測量誤差的來源及相應(yīng)的計(jì)算和處理方法，如固體潮校正、零漂校正和地形校正等。通過實(shí)習(xí)要求每個(gè)同學(xué)都能通過理論和實(shí)踐的結(jié)合，掌握重力測量和處理解釋工作的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括工作設(shè)計(jì)、儀器操作、野外觀測、資料整理、異常解釋及實(shí)習(xí)報(bào)告編寫等過程。實(shí)習(xí)的具體要求包括：（1）實(shí)習(xí)以學(xué)生分組的形式，需要每組學(xué)生在柳江盆地及其周邊地區(qū)進(jìn)行重力基點(diǎn)測量和剖面測量，剖面測量點(diǎn)位將參考地質(zhì)構(gòu)造及實(shí)地踏勘結(jié)果，重點(diǎn)掌握野外測點(diǎn)布設(shè)的工作要點(diǎn)和技術(shù)；（2）通過實(shí)地的野外觀測過程，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的野外工作能力；（3）鞏固校內(nèi)重力學(xué)教學(xué)內(nèi)容，練習(xí)使用重力學(xué)研究相關(guān)軟件，將基礎(chǔ)的理論應(yīng)用到實(shí)際的重力場數(shù)據(jù)處理中；（4）學(xué)習(xí)從實(shí)際的重力場數(shù)據(jù)中進(jìn)行各類校正，計(jì)算相對(duì)重力異常和布格重力異常；（5）訓(xùn)練學(xué)生的獨(dú)立思考能力，能從觀測到的數(shù)據(jù)推論重要的地體構(gòu)造單元與重力異常場源之間的關(guān)系；（6）完成野外工作、資料處理、圖件繪制、推斷解釋和報(bào)告撰寫，要求每個(gè)人均能獨(dú)立完成實(shí)習(xí)報(bào)告。

2.問題設(shè)計(jì)。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。根據(jù)實(shí)習(xí)目標(biāo)和要求，學(xué)生在老師的引導(dǎo)下，圍繞每一個(gè)教學(xué)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)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)”的邏輯過程獲取地球物理專業(yè)知識(shí)[5]。結(jié)合重力學(xué)教學(xué)實(shí)習(xí)各個(gè)環(huán)節(jié)，我們?cè)O(shè)計(jì)了若干有針對(duì)性的問題：（1）在工作設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，明確重力實(shí)習(xí)的工作目的——對(duì)柳江盆地巖漿巖的斷裂構(gòu)造進(jìn)行調(diào)查。根據(jù)以往地質(zhì)資料，了解實(shí)習(xí)工區(qū)內(nèi)大致的地層分布，巖漿巖分布和主要斷裂位置，提出如下問題：重力觀測的比例尺大小如何選擇？測線和測網(wǎng)如何布置？異常的精度如何控制？觀測點(diǎn)如何選擇？（2）在野外觀測環(huán)節(jié)，提出如下問題：如何對(duì)測量點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位？重力測量的觀測精度的影響因素有哪些，如何克服以提高精度？（3）在數(shù)據(jù)整理和計(jì)算環(huán)節(jié)，如果出現(xiàn)分段數(shù)據(jù)銜接有問題，如何檢查？（4）在重力異常解釋環(huán)節(jié)，針對(duì)地質(zhì)任務(wù)和設(shè)計(jì)目標(biāo)，如何給出合理的解釋結(jié)果？如何推測和驗(yàn)證斷裂位置、巖體的位置？

二、重力學(xué)教學(xué)實(shí)習(xí)中PBL教學(xué)模式的實(shí)施

我們嘗試在重力測量與野外實(shí)施方法中引入PBL教學(xué)模式。首先，對(duì)20位學(xué)生進(jìn)行分組，分為重力觀測組、測量組和地形改正組。三組同學(xué)集中上課，學(xué)習(xí)了解實(shí)習(xí)區(qū)的地質(zhì)地球物理概況和工作設(shè)計(jì)的基本原則。然后，教師設(shè)計(jì)問題場景：如何設(shè)計(jì)重力測量剖面才能對(duì)斷裂和巖體進(jìn)行探測？實(shí)習(xí)工區(qū)內(nèi)的地層分布，大致以北至東走向的平山-南林子-南刁部落逆斷層（斷裂帶）為界，南部出露地層以元古界混合花崗巖為主，屬區(qū)域變質(zhì)巖。在混合花崗巖中存在燕山期輝綠巖脈，走向與斷裂帶基本一致，屬淺層基性侵入巖漿巖體。斷裂帶以北是柳江盆地，亦稱柳江復(fù)向斜。該向斜核部位于工區(qū)西北，樞紐為南北走向，平面形態(tài)呈箱形，東西兩翼地層傾角較大，南緣快速仰起，以上古生界至中生界地層為主（二疊系含煤）。盆地東部以寒武、奧陶等下古生界地層為主，巖性為鹽酸巖類，邊緣地帶有少量上元古界青白口系地層出露。沉積層厚度小于盆地西部。工區(qū)內(nèi)第四系沉積物主要分布于河谷等局部地段，厚度不大。由于現(xiàn)有地質(zhì)資料對(duì)區(qū)內(nèi)構(gòu)造和巖漿巖分布等信息的揭露不夠充分和詳細(xì)，不同資料的描述還存在一定差異，因此有必要設(shè)計(jì)一條重力測量剖面進(jìn)行詳細(xì)研究。

第三，學(xué)生根據(jù)問題場景，自行設(shè)計(jì)基本原則、測量方法技術(shù)和相關(guān)資料，同時(shí)討論設(shè)計(jì)依據(jù)和可行性，以及可能存在的問題。針對(duì)柳江盆地東南邊沿?cái)嗔褬?gòu)造及巖漿巖分布進(jìn)行調(diào)查這一地質(zhì)任務(wù)要求，同時(shí)考慮到場地條件、實(shí)習(xí)裝備及工作量適當(dāng)?shù)纫蛩?，采用剖面重力測量方式進(jìn)行。因此，重力工作技術(shù)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是測線位置、點(diǎn)距、布格異常精度設(shè)計(jì)及施工方案設(shè)計(jì)等。

最后，學(xué)生反饋討論結(jié)果，教師對(duì)具體問題和知識(shí)點(diǎn)做點(diǎn)評(píng)，完成解決方案——工作設(shè)計(jì)。根據(jù)地質(zhì)任務(wù)目標(biāo)、重力調(diào)查規(guī)范、可能的異常規(guī)模，以及工區(qū)地表施工條件等，提出設(shè)計(jì)方案：（1）設(shè)計(jì)剖面1條，可于木咋峪—北林子村或者蟠桃峪—石門寨鎮(zhèn)中學(xué)，沿鄉(xiāng)村道路布設(shè)路線剖面。測線位置及長度的設(shè)計(jì)主要考慮局部異常的完整性、所經(jīng)地質(zhì)構(gòu)造及地質(zhì)體的代表性、盡可能使測線垂直于構(gòu)造方向、交通及施工方便等；（2）剖面參考長度4km左右，參考點(diǎn)距10—50米；（3）布格重力異?？偩仍O(shè)計(jì)為0.05毫伽左右，并根據(jù)誤差分配公式確定重力觀測精度、各項(xiàng)校正精度以及測點(diǎn)點(diǎn)位和高程測量精度；（4）測線敷設(shè)采用GPS/RTK用于測地工作，測量每個(gè)測點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)和高程；（5）0—50m近區(qū)地形改正使用簡易地改儀在野外完成。中區(qū)地形改正基于DEM數(shù)字地形圖，使用扇形域方法進(jìn)行改正，改正范圍50—2000m左右。遠(yuǎn)區(qū)采用方域改正，改正范圍2—20km。

綜上，室內(nèi)教學(xué)過程結(jié)束，學(xué)生積極主動(dòng)參與討論，完成該階段任務(wù)。

三、PBL教學(xué)應(yīng)注意的問題

1.充分的課前準(zhǔn)備。教師要對(duì)學(xué)生現(xiàn)階段的重力學(xué)知識(shí)和實(shí)習(xí)的心理準(zhǔn)備有充分的把握，可以先利用課件集中授課，講明實(shí)習(xí)內(nèi)容和要求，然后以重力實(shí)習(xí)過程為主線，對(duì)每個(gè)階段的實(shí)習(xí)任務(wù)展開分析和討論研究，教學(xué)互動(dòng)。

PBL教學(xué)模式對(duì)擔(dān)當(dāng)PBL的教師本身也提出了更高的要求，對(duì)課件準(zhǔn)備提出了更高的要求。因?yàn)橹亓W(xué)教學(xué)實(shí)習(xí)包括了室內(nèi)和野外、理論原理、儀器使用和數(shù)據(jù)采集、實(shí)際工作準(zhǔn)備和后期資料處理、報(bào)告編寫等環(huán)節(jié)，所以教師在備課時(shí)要掌握重力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)并作做好充分的準(zhǔn)備，這樣才能設(shè)計(jì)出合理的思考題，準(zhǔn)確應(yīng)答學(xué)生提出的各種問題。討論結(jié)束后及時(shí)進(jìn)行歸納和總結(jié)，以強(qiáng)化記憶。

2.注重基礎(chǔ)知識(shí)訓(xùn)練。精講實(shí)習(xí)內(nèi)容，對(duì)教學(xué)大綱中的重點(diǎn)、難點(diǎn)、疑點(diǎn)進(jìn)行講解，注重三基（基本理論、基本知識(shí)、基本技能）教學(xué)，教給學(xué)生分析問題的必備知識(shí)，然后引入問題，結(jié)合理論讓學(xué)生自己分析。把要討論的問題限定在學(xué)生的知識(shí)范圍內(nèi)，使學(xué)生有充分討論、研究的余地。同時(shí)把不需要討論的問題明確告知學(xué)生。教師可適當(dāng)穿插講授理論、技術(shù)等新進(jìn)展，以引導(dǎo)學(xué)生更新知識(shí)，追尋發(fā)展。

3.注重實(shí)踐，循序漸進(jìn)?？梢栽黾訉?shí)踐教學(xué)PBL教學(xué)的比重，程度的把握需要在教學(xué)實(shí)踐中摸索，學(xué)生的積極性和教學(xué)的可接受性是PBL教學(xué)成功的關(guān)鍵。如在工作設(shè)計(jì)討論中，對(duì)于關(guān)鍵問題，應(yīng)多提問一些“為什么”、“怎么辦”，督促檢查學(xué)生掌握所學(xué)知識(shí)的牢固性，這樣才更能使學(xué)生將重力學(xué)知識(shí)從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)。在實(shí)踐中檢驗(yàn)和鞏固教學(xué)內(nèi)容，把工作設(shè)計(jì)付諸實(shí)踐，在教師指導(dǎo)下完成重力數(shù)據(jù)采集、檢查、整理、處理和解釋，報(bào)告編寫，最后作總結(jié)、評(píng)價(jià)，以實(shí)際應(yīng)用考核學(xué)習(xí)效果及應(yīng)用能力，并在實(shí)踐中強(qiáng)化鞏固所學(xué)知識(shí)和技能。

學(xué)生對(duì)教學(xué)實(shí)習(xí)的問題場景表現(xiàn)出極大的興趣，能自主學(xué)習(xí)，積極討論。由于解決問題的需求和緊迫性，學(xué)生均表現(xiàn)出了迫切感和認(rèn)真的學(xué)習(xí)態(tài)度。學(xué)生們?yōu)榱私獯饘?shí)際問題，必須復(fù)習(xí)相關(guān)知識(shí)，查閱有關(guān)教科書及參考書和文獻(xiàn)，并且互相交流獲得的信息，取得合理滿意的結(jié)果，達(dá)成比較一致的意見，最終獲得較全面的知識(shí)。學(xué)生在分析問題時(shí)，要對(duì)地質(zhì)與地球物理資料進(jìn)行分析、綜合、比較和概括，對(duì)陌生的實(shí)際地區(qū)進(jìn)行了解認(rèn)識(shí)，這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的思維、邏輯推理能力是非常有幫助的。教師只是指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)的方向，在教學(xué)過程中，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，主動(dòng)加工新知識(shí)，這樣學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣被激活，思維活躍了，學(xué)習(xí)的積極性也提高了。實(shí)際上PBL教學(xué)法是一個(gè)載體，因?yàn)閷W(xué)生在解決問題的過程中學(xué)到了必要的知識(shí)，同時(shí)他們學(xué)會(huì)了正確的地球物理工作思維，培養(yǎng)了自學(xué)能力，同時(shí)增強(qiáng)了批判性思維、團(tuán)隊(duì)合作精神、交流能力。通過我們的初步嘗試，證明該方法還有助于提高學(xué)生掌握基礎(chǔ)理論知識(shí)，尤其是提高了地質(zhì)—地球物理綜合分析的能力。這種良好的理論聯(lián)系實(shí)際的學(xué)習(xí)習(xí)慣的形成，將在他們今后的科學(xué)研究和工作中產(chǎn)生積極的影響。

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Application of Problem Based Learning in Practice of Gravity

LIANG Qing1，2，HU Zheng-wang1，2，DU Jin-song1，2，WANG Lin-song1，2，CHEN Chao1，2

（1.Institute of Geophysics and Geomatics，China University of Geosciences，Wuhan，Hubei 430074，China；

2.Hubei Subsurface Multi-scale Imaging Lab （SMIL），China University of Geosciences，Wuhan，Hubei 430074，China）

Abstract：Based on the professional practice teaching of geophysics of China University of Geosciences （Wuhan），the Problem Based Learning （PBL） was applied to the teaching practice of gravity course for five weeks. We summarized the application of this learning mode and experience of teaching and field practice. According to the aims，requirements and contents of professional practice teaching，teachers applied the PBL to help stimulating the students' attention and interest，guiding students to thinking actively and finding solutions，enhancing students' learning ability and innovation ability，and cultivating students' cooperation spirit and sense of responsibility.

Key words：Problem Based Learning；teaching and practice；gravity