思維導圖在《環境工程原理》教學實踐中的應用*

鄔迪華 周潔 陳琳

（杭州電子科技大學）

《環境工程原理》是環境工程與科學專業的學科（專業）基礎必修課，是以《化工原理》為基礎，更加注重《化工原理》的基礎知識在環境治理工程中的應用。《環境工程原理》主要講述了環境污染控制與凈化過程中所涉及的共性問題的基本原理以及解決問題的基本思路和方法，是后續專業課程（比如《水污染控制工程》《大氣污染控制工程》）的先修和基礎。課程著重闡述動量、熱量與質量傳遞的基本理論，并在此基礎上進一步傳授環境過程中基本單元（比如沉降、過濾、吸收、吸附等）的操作原理與設計計算，使學生了解并掌握“隔離”“分離”“轉化”等污染物控制的技術和方法。

一、《環境工程原理》的教學現狀

（一）課程設置

《環境工程原理》在我校環境工程專業第3學期開課，設置64個學時，包括40個理論授課學時，8個習題課學時和16個實驗學時。作為專業基礎課，《環境工程原理》先于本專業的其他專業課程，比如《水污染控制工程》《大氣污染控制工程》開設，為后續專業課程的學習夯實了基礎。本課程的教材選用胡洪營主編的《環境工程原理》第三版（高等教育出版社，“十二五”普通高等教育本科國家規劃教材）[1]。教材內容涵蓋“環境工程原理基礎”“分離過程原理基礎”和“化學與生物反應工程原理”三部分內容。基于環境工程自身的專業特點，我們在有限的教學課時內，以第一部分和第二部分內容為講授重點。此外，課程設置課內實驗，實驗在相應章節的理論教學完成后開設，比如，在“第三章-流體流動”授課結束后，我們便開設“流體流動阻力測定”和“離心泵性能特性曲線測定”實驗，在“第四章—熱量傳遞”授課結束后，開設“傳熱系數測定”實驗，在“第八章—吸收”授課結束后，開設“填料塔氣體吸收”實驗。實驗采用自編講義。采用課內實驗模式，即將實驗環節穿插于理論教學的過程中，旨在讓學生對抽象的理論知識有感性的認識，從而進一步鞏固理論知識的掌握，同時培養學生理論與實際相結合的能力。

（二）教學難點

通過本專業《環境工程原理》的教學經歷分析，該課程在教學過程中存在以下幾方面的難點：

（1）《環境工程原理》的教學內容涉及動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞三部分原理基礎，質量守恒和能量守恒兩個基本方法，沉降、過濾、吸收、吸附、萃取、離子交換、膜分離等多個單元操作，教學知識量大，知識點繁多，而且每個知識點都很重要。在有限的課時數內，教師很難全面細致地講授所有的知識點，學生也很難在短時間內扎實地掌握好這些知識點。

（2）《環境工程原理》課程每一個章節專業名詞術語多、數學符號多、公式多，據統計，從第二章至第八章，每一章出現30-60個符號，50-100個公式不等，且這些公式適用范圍嚴格，課程難度較大。

（3）《環境工程原理》課程主要講述污染控制技術所涉及的共性原理，內容抽象，對高等數學、物理及化學等基礎課程的掌握有較高的要求，對于一些基礎不太好的學生，進一步增加了學習的難度，即便是一些基礎較好的學生，也很難將已儲備的知識和本門課程的內容相結合。

（4）《環境工程原理》是本專業學生接觸到的第一門專業課，學生對于專業知識幾乎一無所知，教師在講解原理的同時往往還需要科普背景知識。

（三）教學手段

在《環境工程原理》的教學過程中，我們一改傳統的填鴨、灌輸式的教學方法，采用啟發式的案例教學，以激發學生進行自主思考，提高學生分析和解決問題的能力，同時還能引導學生積極參與課堂討論，增強師生互動。在案例的選擇上，我們會由淺入深，最開始選取一些簡單易懂的生活實例，隨著學生不斷深入地對知識點的了解和掌握，我們會選取一些工程應用實例，讓學生真正學以致用。比如，在學習質量傳遞這一章節時，我們先引入“在切洋蔥時，周邊放一盆水吸收刺激性氣體以減輕對眼睛的傷害”這一生活實例，讓學生對“質量傳遞”這個抽象的概念有一個感性的認識，隨著章節的深入學習，我們會引入“計算清水吸收氨-空氣混合物吸收塔高度”這一工程案例。

當今，多媒體教學已成主流模式，采用多媒體輔助教學，可以使教學內容更加豐富，圖片或動畫更加逼真，同時可以節約板書的時間。《環境工程原理》作為一門專業基礎課，含有較多的公式推導和理論分析。在講解原理和推導公式的過程中，我們發現，如果采用播放PPT的形式，這些定理和公式會隨著PPT的翻動而消失，在學生的腦海里也是一閃而過，并不利于他們的理解；因此，我們會沿襲傳統板書的形式來清晰地展現每一個推導的步驟，引導學生的思考，加深對公式和定理的理解。在引入實際工程案例時，我們會借助多媒體來展示圖片和視頻，使教學內容更加生動和形象。

此外，我們借助超星學習通構建《環境工程原理》網絡教學平臺，在課前發布預習內容、課件和小視頻，課后發布習題并建設習題庫和試題庫。同時，我們還會設置一些小問題進行討論。網絡教學平臺的構建可以在一定程度上彌補課堂教學課時緊張的缺點，同時也不受時空限制，充分發揮學生自主學習的能力。

（四）考核方式

《環境工程原理》采用多平臺教學，成績評價由終結評價（期末考試成績）和形成評價（各個學習過程的成績）組成，兩部分同等重要，各占總評成績的50%。我們設置了課堂表現、課后學習、平時測驗，實驗和期末考試五部分考核內容。每一部分在總評成績中所占的比重、具體的考查內容及分值如表1所示。在本輪教學實踐過程中，我們引入了思維導圖，所以在評價“課堂表現”和“課后學習”這兩部分內容時，思維導圖會占據一定的比例。在“課堂表現”環節，我們會在某個知識點講授結束后，設置一些難/易不等的小問題，利用超星學習通的搶答功能，統計回答結果，對第一個搶答正確和其他回答正確的學生給予不同程度的平時成績加分；實踐證明，這種方既可以充分調動學生的學習積極性，也能了解學生對相應知識點的掌握情況。作為專業基礎課，《環境工程原理》涉及較多的概念、理論和計算，因此我們仍然保留了傳統的紙質考試來檢驗學生的學習效果。期末考試有選擇題、填空題、簡答題和計算題四種題型，考題內容不局限于對原理、概念的簡單闡述，同時會結合生活和工程實際案例，考查學生對概念的理解、方法的應用等能力；在批卷給分時，我們不看重最后的標準答案，只要思路清晰、方法可行、邏輯嚴整，就會相應給分。

表1 化工原理成績考核的分值計算表

二、思維導圖在《環境工程原理》教學中的應用

思維導圖是由英國心理學家東尼·博贊發明，從一個中心主題出發，向外發散出多個節點，旨在通過圖文并重的形式鏈接各級主題并幫助人們學習、思考和記憶[2]。

（一）優化知識結構

《環境工程原理》是以《化工原理》為基礎的一門專業基礎課。傳統的《化工原理》是一門研究化學工業及其他工業生產中相同物理過程的共同規律和典型單元操作設備的工程學科，以傳遞過程理論與工程方法論為兩條學習主線，圍繞質量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞過程來處理復雜工程問題，承擔著工程科學與工程技術的雙重教育功能。基于該課程的特點和教學難點，學生容易產生畏難、厭學等情緒。利用《思維導圖》，可以課程中一些零散的知識點相互連接，逐步構建為知識面和知識網。以第三章“流體流動”為例，這一章出現108個公式，56個符號[3]，教師和學生普遍反應這一章節難度較大。按照傳統的教學模式，學生往往是學了后面的，忘了前面的，很難將知識點梳理清楚并貫穿起來。我們可以繪制思維導圖（如圖1所示），將這一章節歸納為“流體流動現象”“流體的物理性質”“ 流體靜力學”“流體動力學基本方程”“管內流動阻力”“管路計算”和“流量測量”7大部分內容，而每一部分內容又可以衍生出相應的子單元來對細化和深入。通過這個過程，理清思路，加深記憶。

圖1 流體流動知識點框架圖

（二）優化教學設計

思維導圖可以在課前預習、課堂學習和課后復習三個教學實踐環節中都得到應用，這就要求教師對每一個教學環節的每一個要素認真思考，明確各個要素之間的關系，即對每一個教學環節進行優化設計，這樣才能夠在最大程度上發揮思維導圖在教學實踐中的作用。

在《環境工程原理》的實際教學過程中，我們要求學生進行課前預習，但真正去預習的學生非常少，究其原因是學生找不到重點，不知道從哪里入手，更無法將各個新的瑣碎的知識點聯系到一起。作為任課老師，我們可以以逆向思維的方式，先將下一節課的內容進行歸納總結，列出關鍵詞，繪制思維導圖的簡略圖發送給學生。比如在講“流體流動”這一章節第一部分“流體流動現象”時，我們可以將圖1左上角虛線方框1這部分內容作為預習簡略圖發給學生，讓學生根據簡略圖里的關鍵詞有的放矢地進行預習。

有了預習環節的鋪墊，課堂環節就可以節省出背景介紹的時間，而把精力集中在重點難點的講解以及解決學生在預習環節遇到的問題和疑惑。我們仍以“流體流動現象”這部分內容作為例子，通過預習，大部分學生已經非常明確可以根據雷諾數Re的大小來判斷流體是處于層流還是湍流狀態，并且清楚Re=ρuL/μ這一計算公式；在課堂上，我們需要重點講解在實際運用中如何正確選取這個公式中各個參數，尤其是流速u。在這個過程中，我們可以進一步補充和細化思維導圖，同時也能自然而然地引出下一個知識點 “圓管中速度分布”。這種抓住一個主題要素進而發散細化到各個分支要素的授課方式，既能幫助教師理清思路，優化教學設計，也有助于學生對知識點的理解和掌握。

通過在課堂上的不斷完善，某一章節的思維導圖初具規模，但依然不能夠完整全面地涵蓋這一章節的全部知識點，這就要求學生在課后進行查漏補缺，這既是一個總結的過程，也是一個復習的過程，同時，學生也可以利用已經繪制完整的思維導圖完成課后作業。我們發現，思維導圖的繪制可以使學生的解題思路更清晰，明顯地提高了學生課后作業的完成質量。在期末考試復習階段，可以利用思維導圖將各個章節相關聯的知識點串聯起來，形成大型、系統的知識體系，既能查漏補缺，又能加深記憶。

（三）構建互動課堂

在課堂中，我們以學生個體式和小組互動式兩種模式引入思維導圖。在介紹基本原理和概念階段，基于前期的預習工作，我們會設計一些簡單的問題讓學生來回答，進而引出下一個問題，以此激發學生的學習興趣，同時完善自己的思維導圖。繼而，我們會將2-3個學生分為一組，基于個體繪制的思維導圖，給出一定的時間進行討論和補充，最終一個小組完成某一章節的一套完整思維導圖。在案例分析階段，我們仍然以小組為單位，希望學生可以利用已經完成的思維導圖，首先嘗試分析和表達案例中的問題，進而解決問題。這是一個對知識點從了解→掌握→利用的不斷進階的過程，教師由一味地講授灌輸轉變為循循善誘的引導，學生由被動地接受轉變為主動地參與，甚至可以發表自己的觀點與想法。借助于思維導圖，可以很自然地增進師生在課堂上的互動，構建“以學生為中心”課堂模式。

三、結語

在《環境工程原理》的教學實踐中，引入思維導圖，對教與學都會有意想不到的促進與提高。教師需要根據課程的自身特點和學生的思路特點，不斷地優化教學設計，調整教學內容，探索教學方法；學生也不只是被動地接受，而是需要有更多的思考、參與和溝通。基于思維導圖的教學改革是一個不斷探索與實踐的過程，在未來的教學過程中，我們需要持續地改進，進一步細致和優化思維導圖在課程考核評價中的占比，以激發學生更加積極主動地參與到新的學習模式中，最大程度地發揮思維導圖這個輔助工具在《環境工程原理》教學實踐中的作用。