基于思维导图的海洋技术工科实验教学模式优化(3)
图3 实验教学设计导向
图4 学生制作的实验导图
(3)课上探究
首先,如图4所示,实验思维由中心主题“聚丙烯腈超滤膜的制备”开始,依次引出五个一级子主题(实验目的-实验原理-实验内容-思考题-拓展应用)。 学生通过课前预习已基本掌握本实验脉络,获知本次实验的目的,教师课堂上可较为简洁的表达本次实验目的,将授课重点放在实验原理上。基于超滤膜制备学习是建立相转化的理论基础上的,而此为本实验教学的难点,因此要求教师善于引导学生从成相机理和分相过程去分析本实验。通过理解成膜过程,分析相互转化过程,可设计出逻辑清晰的实验原理导图(图5)。实验过程中的膜制备过程在实验原理时已经都提到,教师在讲解中只需要重点提示实验关键、安全事项;膜性能测试机理已经在理论课程多有接触,解释简单介绍不同的测膜装置,将重点放在分析不同制膜条件对膜性能的影响等环节。
(4)课后反思与评价
学习成果的产出评价是工程教育认证的核心要素之一。对于实验教学而言,则是利用思维导图实施实验教学的最后一个阶段。教师与学生进行交流、评价学习成果,贯穿于实验教学的全过程。一方面自教师设计教学思维导图、学生自主进行思维导图的绘制和探究自身思维特点的阶段,教师和学生就可以展开基于思维导图作品的对话;另一方面,在学习过程中,教师通过引导学生总结体会、反思不足,便于后续实验能力和综合思维能力的有效提升。通过及时的反馈和评价,学生可以结合课后作业、课外阅读等环节对自己的思维导图进一步完善,更加深刻体会课堂实验成果。同时,教师通过跟踪检查学生完善后的思维导图,可以确保学生能做必要的自我反思与评价,从而得到更利于后续实验或复习的思维导图。
图5 聚丙烯腈超滤膜思维导图
四 实验改革效果分析
作为一种更加合理表达知识、更加规范组织信息、更加深入启发思维的工具,思维导图不仅有效地帮助了教师细化教学行为,促进其清晰、流畅地表达知识的教学能力提升;而且创造了良好的实验学习氛围,有利于激发学生积极和严密思考,充分发挥学生在实验过程中的主体作用,因而也更容易被学生所理解接受。教师通过明确学习主题之间的包含与层级等关系,进而分层次、分阶段、分主次组织互动交流的教学活动,其广度和深度均有助于更好地为学生的个性化培养服务,有利于“以学生为中心”的教学理念实施。
将海洋技术基础实验与思维导图相结合,应用于学生预习、实验讲解、实验评估、在线预习系统等各个教学环节,使得实验具备条件、达到目标、限制性因素及可能后果等因素的重要性更加清晰化,可以帮助学生在实验学习中做出相对科学的决策。思维导图在海洋技术实验改革中的应用研究,可以为相关的海洋技术工科人才培养提供借鉴。
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一 引言党的十九大报告为新时代发展海洋经济进行了布局,进一步明确“坚持陆海统筹,加快建设海洋强国”。“海洋强国”战略的根本在于科技,基础在于教育。加强海洋人才的培养、特别是海洋高新技术人才的培养是我国发展海洋经济、推动海洋事业发展、建设海洋强国的迫切需要[1-3]。2019年4月习近平“海洋共同体”概念的阐释,进一步明确和提升了海洋在全球和我国发展中的战略地位,与此同时国家对涉海专业人才的需求也不断增加。《全国海洋人才发展中长期规划纲要(2010-2020)》提出“加强海洋教育,扩大海洋人才培养规模”,这为涉海专业的发展提供了巨大的空间。但是,由于对海洋产业转型、升级所处阶段特征和需要破解的问题研究相对不够,当前高校的海洋类人才特别是海洋技术工科人才多样化背景下[4,5],培养过程与产业需求应用脱轨现象比较明显,表现在实验教学环节方面,往往是简单体验多过创新思维,与海洋领域新工科的建设期望仍存在较明显的差距[6,7]。基于以上原因,本文以浙江工业大学“海洋技术基础实验”的改革和实践为基础,在融合OBE理念基础上,以解决复杂工程问题的导向驱动,建立了一种适合海洋技术新工科教学的思维导图模式,并将该模式运用于海洋技术专业实验教学。该模式不仅能将分散的知识点串联起来,使这些多且散的知识点形象清晰地展示出内在联系,而且有利于拓宽学生思考问题的能力,激发学生的发散思维,从而提高海洋新工科人才培养质量。二 “海洋技术基础实验”课程简介“海洋技术基础实验”是浙江工业大学海洋技术专业本科学生必修的一门专业实验课程,教学目的在于指导和引导学生综合运用“海”、“水”、“化”(化学、化工)、“膜”(膜分离技术、工程、装备)等知识,分析解决海洋化学工程和海洋环境工程过程中所面临的各种实际工程问题。由于专业内涵不同于传统地球科学领域下的海洋技术理科专业,海洋基础实验围绕“海洋生化资源开发与环境保护、海水资源的综合利用”这一专业要求进行实验整体设计与规划。具体执行过程是以海洋科技实际需求为导向,着重培养学生在海洋技术工程领域,特别是膜分离和水处理领域的实验能力,并为后续以培养学生工程实践作为主要对象的“海洋技术综合实验”、“海洋化工课程设计”等实践课程打下基础。受实验场地限制、师资力量和传统教学方式的影响,专业发展过程中海洋技术基础实验最初沿袭了许多传统工科甚至是传统地球科学的教学模式,仍是以“课前预习,教师讲解,学生模仿”为主。但是在实践过程中,由于缺少对工程问题的深入剖析,学生侧重于模仿而疏于对实验及其工程应用的思考,因而学生在学习中的主体地位容易出现缺失,表现在学生解决复杂工程问题能力、自主整合知识能力的培养,具体则主要体现在以下几点:(1)学生被动接受了教师对实验原理和注意事项的强调,这种被动记忆的结果实际上是一种短期记忆,即使实验过程能够照本宣科,但由于没有内化成自身知识而容易遗忘;(2)能够解决类似或者相同的实验问题,但对于思维能力不够发散,缺乏对知识的有效组织和汇聚,对于需要自我开展科学实验涉及的实验方案就容易不知所措;(3)由于实验时间的限制,教师往往承担了实验方案的设计,因而实验教学过程学生的简单体验多,而学生自己针对问题的创新思维和创新能力未能充分发掘。按照现代思维导图理论,这些问题的实质一方面在于教师、教材对于各类知识间的线索阐释不够清晰,另一方面在于学生机械的重复学习无法形成知识内部有序的联系。因而,教师围绕实验原理、操作难点、技术问题的反复强调并不能有效地帮助学生提升灵活运用、创新思考的能力,其效果甚至可能恰得其反。三 基于思维导图的海洋技术基础实验教学改革针对上述问题,浙江工业大学海洋技术专业以海洋技术基础实验为载体,开展了基于思维导图的教学改革。思维导图作为一种有效的非线性思考方式,已在大学化学等高校专业教学实践中获得了较好的应用[8]。将学科思维导图与具体的课程学习目标相结合,将实验思维导图与微课等在线学习资源相结合等方面,也有着非常积极的研究进展[9,10]。具体到本课程的改革而言,利用XMIND软件,通过对课程与专业人才培养方案的匹配度分析(焦点判定),进一步明确实验课程的核心能力(主干确定)和相应专业素质(分支确定)要求,从而通过定位和设置关键的教学节点,构成明晰的思维导图。通过来自师生双方的双重结构化思考和交互式头脑风暴,厘清实验基本理论和工程化训练复杂问题的内在逻辑性,从而在帮助学生构建完整工程知识体系的同时,达到提升其工程创新能力和科学研究能力的深层效果。(一)开展课程要求与专业人才培养方案的匹配度分析根据人才培养方案要求海洋技术专业本科生能够熟练掌握“海”、“水”、“化”、“膜”等专业知识,将海洋基础实验教学大纲分为四大模块:①海洋科学、海洋(生、化)资源开发利用识、海洋环境监测与保护、海洋综合管理模块;②污水和废水处理及资源化、饮用水净化与海水淡化及资源化的工艺及技术模块;③化学、化学工程知识及分析检测模块;④膜分离技术(膜材料与制备技术、膜分离过程、集成膜装备及应用技术)模块。同时通过课程组等基层教学组织的集体讨论,进一步厘清理论教学和实验教学的相关关系。例如海洋技术专业的学生的课程体系中膜分离技术和水处理占有很大的比重,学生在理论课程上已经储备了很多膜制备的方法和膜应用的领域,在实验课程内容上更多的就是体现膜分离技术的应用过程。通过对教学大纲和人才培养的深入解读,我们重新布设实验内容,新增加多个实验内容,旨在分析不同膜原料性能与膜分离之间关系,比较不同膜制备方法,以及制备一张性能优良的膜为目的开设的相关实验。(二)开展思维导图指引下的实验教学方法设计在海洋技术基础/专业实验课中引入思维导图,有助于将专业理论课程学习要求与专业实验内容整体联系、系统梳理,易达到对实验内容的整体把握的同时还可以进一步增进对实验原理的拓宽和深化认识,从而解决目前海洋专业在实验教学所需要的改革要求。相关设计主要包括专业基础实验课程的核心能力筛选、专业基础实验课程教学的关键节点分析以及对后续专业辐射衍射确定。具体研究内容有:①明确实验课程的核心能力(主干)、相应专业素质(分支)要求,从而通过定位和设置关键的教学节点,构成明晰的思维导图。②着重在课上探究这一教学过程中引导和指导学生对知识体系的建立和思维发散,并在通过归纳总结,明确知识点之间的逻辑关系。图1 实验教学设计(三)指导学生编制思维导图学生编制思维导图的过程是其思路展开展示的过程。首先,在教师指导下明确问题的焦点信息,对其以前的学习基础也即所积累的信息进行重新认识,将其与实验课程环节新引入的知识进行重组、嫁接,通过知识和信息的连接点扩展思维空间,此即思维导向的主干。其次,在绘制思维导图问题逐渐明朗清晰的过程中,与问题的焦点信息不相关或“联姻”相关性不大的信息可以逐步剔除。此过程中,学生通过教师指导下的自主学习、判别,提升了自我建构知识的能力,真正实现学生主体、教学并举。第三,学生通过实验过程的体会,即自我认识和自我反馈,可结合自身的学习特点和学习基础进一步完善自己的思维导图,从而做到个性化培养和因材施教。图2 海洋技术实验思维导图的教学模式流程图(四)基于思维导图的实验教学方法设计及评价重构在此,以“聚丙烯腈超滤膜制备”为例来阐述教师的教学设计。以聚丙烯腈作为系列实验思路的思维起点,即思维导图中的中心主题。因为学生在之前的专业学习中已经具备了有机化学、分析化学、物理化学等知识能力,因而具备将本实验联系其典型结构、性质的能力;学生具备了化学工程基础特别是现代分离技术能力和基本化学工艺探索能力,也已经在专业课中接触了膜法分离工程的应用,因而可以将本实验中联系制备工艺及此类膜材料在特定化学实验和工程环节中的应用。这些要素可以作为中心主题的下一级子主题,而学生思路可以随实验探究的深入而得以拓展,进而使体现实验思路进程的图像不断清晰。此过程中,教师使实验过程和思维进程的“导航仪”,既使思维导图教学的实践者,也是引领学生运用思维导图学习的推动者。具体教学设计如下。(1)教师课程设计教师首先分析本实验课程核心思想和实验教学的目的,重点在于帮助学生厘清应掌握和了解的知识点。教师找到中心主题,构建分析思维导图框架的同时完成教学框架和教学层次的设计,在对学生学情能力分析的基础上合理计划并分析各教学步骤,使其能够与教学过程中对学生能力筛查相匹配。(2)课前预习在教师指导下,学生根据各层次学习目标通过预习对将要学习的实验内容建立整体性的了解,结合自身的知识掌握程度明确自身所要建构知识模块的主要知识点,完成个性化思维导图的初步构建。教师课前对学生个性思维导图进行检查并对此环节中所暴露问题加以综合归纳,以此作为实验备课的出发点和依据,进行实验前的重点讲解。图4为一典型案例,从学生所绘制的思维导图中可以清晰看出该学生实验思维的条理性虽然较为清晰,具备了一定的相关知识储备,但是问题也同样明显。相关问题主要包括:实验原理的拓展不足,进而子主题内容拓展不明确;各个思维点的联系不够紧密,整体性欠佳,特别是重、难点任务完成度不明确,不能有效地利用实验进行知识的学习与思维的训练,当然也不能有效激发学习热情。据此,教师可以快速找到学生在实验预习过程中的思维盲点和误区,合理修订实验教学中的重点、难点,从而使课堂教学更有针对性和实效性。图3 实验教学设计导向图4 学生制作的实验导图(3)课上探究首先,如图4所示,实验思维由中心主题“聚丙烯腈超滤膜的制备”开始,依次引出五个一级子主题(实验目的-实验原理-实验内容-思考题-拓展应用)。 学生通过课前预习已基本掌握本实验脉络,获知本次实验的目的,教师课堂上可较为简洁的表达本次实验目的,将授课重点放在实验原理上。基于超滤膜制备学习是建立相转化的理论基础上的,而此为本实验教学的难点,因此要求教师善于引导学生从成相机理和分相过程去分析本实验。通过理解成膜过程,分析相互转化过程,可设计出逻辑清晰的实验原理导图(图5)。实验过程中的膜制备过程在实验原理时已经都提到,教师在讲解中只需要重点提示实验关键、安全事项;膜性能测试机理已经在理论课程多有接触,解释简单介绍不同的测膜装置,将重点放在分析不同制膜条件对膜性能的影响等环节。(4)课后反思与评价学习成果的产出评价是工程教育认证的核心要素之一。对于实验教学而言,则是利用思维导图实施实验教学的最后一个阶段。教师与学生进行交流、评价学习成果,贯穿于实验教学的全过程。一方面自教师设计教学思维导图、学生自主进行思维导图的绘制和探究自身思维特点的阶段,教师和学生就可以展开基于思维导图作品的对话;另一方面,在学习过程中,教师通过引导学生总结体会、反思不足,便于后续实验能力和综合思维能力的有效提升。通过及时的反馈和评价,学生可以结合课后作业、课外阅读等环节对自己的思维导图进一步完善,更加深刻体会课堂实验成果。同时,教师通过跟踪检查学生完善后的思维导图,可以确保学生能做必要的自我反思与评价,从而得到更利于后续实验或复习的思维导图。图5 聚丙烯腈超滤膜思维导图四 实验改革效果分析作为一种更加合理表达知识、更加规范组织信息、更加深入启发思维的工具,思维导图不仅有效地帮助了教师细化教学行为,促进其清晰、流畅地表达知识的教学能力提升;而且创造了良好的实验学习氛围,有利于激发学生积极和严密思考,充分发挥学生在实验过程中的主体作用,因而也更容易被学生所理解接受。教师通过明确学习主题之间的包含与层级等关系,进而分层次、分阶段、分主次组织互动交流的教学活动,其广度和深度均有助于更好地为学生的个性化培养服务,有利于“以学生为中心”的教学理念实施。将海洋技术基础实验与思维导图相结合,应用于学生预习、实验讲解、实验评估、在线预习系统等各个教学环节,使得实验具备条件、达到目标、限制性因素及可能后果等因素的重要性更加清晰化,可以帮助学生在实验学习中做出相对科学的决策。思维导图在海洋技术实验改革中的应用研究,可以为相关的海洋技术工科人才培养提供借鉴。参考文献[1] 王刚,王琪. 整合海洋教育资源,加快海洋人才培养[J]. 海洋开发与管理, 2013,11:35-38.[2] 耿相魁. 海洋新兴产业发展面临人才缺口[J]. 中国人才,2013(23):22-23.[3] 纪志永, 武洪庆, 曾淦宁, 等. 海洋技术本科专业的多元化建设发展分析及思考[J]. 教育现代化, 2019,45:109-116.[4] 陈鹰. 海洋技术定义及其发展研究 [J]. 机械工程学报, 2014,50(02): 1-7.[5] 苏勇军. 国家海洋强国战略背景下海洋高等教育发展的问题与对策[J]. 中国高教研究, 2015(02): 42-45.[6] 陈省平,宁曦,韩墨香,等. 分层次、多学科海洋科学实验教学体系的实践与探索[J].实验室研究与探索,2015,34(12):185-188.[7] 曾淦宁,孙志娟,徐燕青,等. 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文章来源:《海洋技术学报》 网址: http://www.hyjsxb.cn/qikandaodu/2021/0128/327.html
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