PBL教學模式在重力學教學實習中的嘗試

梁青+胡正旺+杜勁松+王林松+陳超

摘要：本文以中國地質大學（武漢）北戴河地球物理學專業教學實習為例，針對重力學教學實習的特點，將問題為基礎的學習模式（PBL）運用到為期5周的教學實習中，從室內環節和野外實踐兩方面分析總結了這一學習模式的應用過程和經驗。教師根據專業教學實習目的、要求和內容，在實習中靈活應用PBL模式，有助于激發學生的關注度和興趣，引導學生主動思考問題并提出解決辦法，鍛煉學生學習能力和創新能力，培養學生團結協作精神與責任感。

關鍵詞：PBL教學模式；教學實習；重力學

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）03-0105-03

PBL教學模式是指以問題為導向的自主學習方式（Problem-Based Learning，簡稱PBL）。PBL最初起源于醫學界，在醫學教育中被廣泛應用[1]。PBL與傳統的以學科為基礎的教學法有很大不同，它的主要特點是設計真實性的任務和問題，強調把學習設置到復雜的、有意義的問題情境中，通過學習者的自主探究和合作來解決問題，激發學生的學習興趣，從而學習隱含在問題背后的科學知識，形成解決問題的技能，同時培養學生自主學習的能力、實踐能力和團隊合作精神[2，3]。重力學教學實習是地球物理學專業教學實習內容之一，是本科生的實踐教學主干課程。地球物理學專業教學實習依托中國地質大學秦皇島實習基地，在柳江盆地及周邊地區開展為期5周的重力、地磁、地電和地震等方向的教學與實踐課程。重力學教學實習目的是對《重力學》相關課程所學知識的進一步理解與應用，以及對實踐能力的鍛煉，使學生通過教學實習，加深理解和鞏固所學理論知識，切實掌握重力學的基本實踐技能，進而正確使用常規儀器，學會正確記錄、分析、討論、總結歸納實踐結果，并培養學生熟悉重力測量的過程，熟悉重力數據處理的基本方法，為將來從事重力方面的科研與生產工作打下基礎。

一、PBL教學模式與重力學教學實習的結合

1.重力學教學實習目標和要求。在教學實習中，必須通過各種途徑建立感性認知，加強對學生進行科學素養和良好的實地工作方法、實驗室工作習慣的訓練，使其進一步掌握重力測量的基本方法和重力儀的工作原理[4]，學會重力儀器的使用與檢驗，掌握相對重力測量內業工作中的數據初步處理方法，了解測量誤差的來源及相應的計算和處理方法，如固體潮校正、零漂校正和地形校正等。通過實習要求每個同學都能通過理論和實踐的結合，掌握重力測量和處理解釋工作的各個環節，包括工作設計、儀器操作、野外觀測、資料整理、異常解釋及實習報告編寫等過程。實習的具體要求包括：（1）實習以學生分組的形式，需要每組學生在柳江盆地及其周邊地區進行重力基點測量和剖面測量，剖面測量點位將參考地質構造及實地踏勘結果，重點掌握野外測點布設的工作要點和技術；（2）通過實地的野外觀測過程，培養學生分析問題和解決問題的野外工作能力；（3）鞏固校內重力學教學內容，練習使用重力學研究相關軟件，將基礎的理論應用到實際的重力場數據處理中；（4）學習從實際的重力場數據中進行各類校正，計算相對重力異常和布格重力異常；（5）訓練學生的獨立思考能力，能從觀測到的數據推論重要的地體構造單元與重力異常場源之間的關系；（6）完成野外工作、資料處理、圖件繪制、推斷解釋和報告撰寫，要求每個人均能獨立完成實習報告。

2.問題設計。以學生為中心（而不是以教師為中心）、教師為引導的小組討論式教學是“PBL教學模式”的核心思想。根據實習目標和要求，學生在老師的引導下，圍繞每一個教學實習環節中包含的核心知識或問題展開主動學習，經過“提出問題→建立假設→自學解疑→論證假設”的邏輯過程獲取地球物理專業知識[5]。結合重力學教學實習各個環節，我們設計了若干有針對性的問題：（1）在工作設計環節，明確重力實習的工作目的——對柳江盆地巖漿巖的斷裂構造進行調查。根據以往地質資料，了解實習工區內大致的地層分布，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？測線和測網如何布置？異常的精度如何控制？觀測點如何選擇？（2）在野外觀測環節，提出如下問題：如何對測量點進行準確定位？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）在數據整理和計算環節，如果出現分段數據銜接有問題，如何檢查？（4）在重力異常解釋環節，針對地質任務和設計目標，如何給出合理的解釋結果？如何推測和驗證斷裂位置、巖體的位置？

二、重力學教學實習中PBL教學模式的實施

我們嘗試在重力測量與野外實施方法中引入PBL教學模式。首先，對20位學生進行分組，分為重力觀測組、測量組和地形改正組。三組同學集中上課，學習了解實習區的地質地球物理概況和工作設計的基本原則。然后，教師設計問題場景：如何設計重力測量剖面才能對斷裂和巖體進行探測？實習工區內的地層分布，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，屬區域變質巖。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，亦稱柳江復向斜。該向斜核部位于工區西北，樞紐為南北走向，平面形態呈箱形，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。工區內第四系沉積物主要分布于河谷等局部地段，厚度不大。由于現有地質資料對區內構造和巖漿巖分布等信息的揭露不夠充分和詳細，不同資料的描述還存在一定差異，因此有必要設計一條重力測量剖面進行詳細研究。

第三，學生根據問題場景，自行設計基本原則、測量方法技術和相關資料，同時討論設計依據和可行性，以及可能存在的問題。針對柳江盆地東南邊沿斷裂構造及巖漿巖分布進行調查這一地質任務要求，同時考慮到場地條件、實習裝備及工作量適當等因素，采用剖面重力測量方式進行。因此，重力工作技術設計的主要內容是測線位置、點距、布格異常精度設計及施工方案設計等。

最后，學生反饋討論結果，教師對具體問題和知識點做點評，完成解決方案——工作設計。根據地質任務目標、重力調查規范、可能的異常規模，以及工區地表施工條件等，提出設計方案：（1）設計剖面1條，可于木咋峪—北林子村或者蟠桃峪—石門寨鎮中學，沿鄉村道路布設路線剖面。測線位置及長度的設計主要考慮局部異常的完整性、所經地質構造及地質體的代表性、盡可能使測線垂直于構造方向、交通及施工方便等；（2）剖面參考長度4km左右，參考點距10—50米；（3）布格重力異常總精度設計為0.05毫伽左右，并根據誤差分配公式確定重力觀測精度、各項校正精度以及測點點位和高程測量精度；（4）測線敷設采用GPS/RTK用于測地工作，測量每個測點的經緯度坐標和高程；（5）0—50m近區地形改正使用簡易地改儀在野外完成。中區地形改正基于DEM數字地形圖，使用扇形域方法進行改正，改正范圍50—2000m左右。遠區采用方域改正，改正范圍2—20km。

綜上，室內教學過程結束，學生積極主動參與討論，完成該階段任務。

三、PBL教學應注意的問題

1.充分的課前準備。教師要對學生現階段的重力學知識和實習的心理準備有充分的把握，可以先利用課件集中授課，講明實習內容和要求，然后以重力實習過程為主線，對每個階段的實習任務展開分析和討論研究，教學互動。

PBL教學模式對擔當PBL的教師本身也提出了更高的要求，對課件準備提出了更高的要求。因為重力學教學實習包括了室內和野外、理論原理、儀器使用和數據采集、實際工作準備和后期資料處理、報告編寫等環節，所以教師在備課時要掌握重力學基礎知識并作做好充分的準備，這樣才能設計出合理的思考題，準確應答學生提出的各種問題。討論結束后及時進行歸納和總結，以強化記憶。

2.注重基礎知識訓練。精講實習內容，對教學大綱中的重點、難點、疑點進行講解，注重三基（基本理論、基本知識、基本技能）教學，教給學生分析問題的必備知識，然后引入問題，結合理論讓學生自己分析。把要討論的問題限定在學生的知識范圍內，使學生有充分討論、研究的余地。同時把不需要討論的問題明確告知學生。教師可適當穿插講授理論、技術等新進展，以引導學生更新知識，追尋發展。

3.注重實踐，循序漸進。可以增加實踐教學PBL教學的比重，程度的把握需要在教學實踐中摸索，學生的積極性和教學的可接受性是PBL教學成功的關鍵。如在工作設計討論中，對于關鍵問題，應多提問一些“為什么”、“怎么辦”，督促檢查學生掌握所學知識的牢固性，這樣才更能使學生將重力學知識從感性認識上升到理性認識。在實踐中檢驗和鞏固教學內容，把工作設計付諸實踐，在教師指導下完成重力數據采集、檢查、整理、處理和解釋，報告編寫，最后作總結、評價，以實際應用考核學習效果及應用能力，并在實踐中強化鞏固所學知識和技能。

學生對教學實習的問題場景表現出極大的興趣，能自主學習，積極討論。由于解決問題的需求和緊迫性，學生均表現出了迫切感和認真的學習態度。學生們為了解答實際問題，必須復習相關知識，查閱有關教科書及參考書和文獻，并且互相交流獲得的信息，取得合理滿意的結果，達成比較一致的意見，最終獲得較全面的知識。學生在分析問題時，要對地質與地球物理資料進行分析、綜合、比較和概括，對陌生的實際地區進行了解認識，這對培養學生的思維、邏輯推理能力是非常有幫助的。教師只是指導學生學習的方向，在教學過程中，強調學生的自主學習，主動加工新知識，這樣學生的學習興趣被激活，思維活躍了，學習的積極性也提高了。實際上PBL教學法是一個載體，因為學生在解決問題的過程中學到了必要的知識，同時他們學會了正確的地球物理工作思維，培養了自學能力，同時增強了批判性思維、團隊合作精神、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生掌握基礎理論知識，尤其是提高了地質—地球物理綜合分析的能力。這種良好的理論聯系實際的學習習慣的形成，將在他們今后的科學研究和工作中產生積極的影響。

參考文獻：

[1]周忠信，陳慶，林藝雄，趙善超，周杰.PBL教學模式的研究進展和現實意義[J].醫學與哲學（人文社會醫學版），2007，28（8）：72-74.

[2]韓學輝.應用PBL教學模式開展巖石物理實驗的教學實踐[J].中國地質教育，2013，22（4）：63-65.

[3]王迎超，耿凡.PBL教學模式在巖石力學課程教學中的應用[J].中國地質教育，2013，22（4）：66-69.

[4]王林松，陳超，梁青，杜勁松.“重力學/重力勘探”課程引入絕對重力觀測實驗的探索[J].教育教學論壇，2014，（53）：281-282.

[5]梁青，羅銀河，陳超.PBL教學模式固體地球物理專業人才培養中的應用.中國地質教育[J].2014，23（4）：59-62.

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