基于模型教学思维的大学专业课程教学研究

付伟 冯佐海

摘 要：强调知识传授过程中的模型化，探索将模型教学思维应用于高等教育课程教学实践。以普通高校资源勘查工程专业的“矿床矿相学”课程为教学研究和实践对象，设计了“理论概念模型—实验标本模型—生产实景模型—素质扩展模型”的链接式模型教学策略，利用模型解构、建构与跃迁，让学生在课堂、实验室和实训基地等不同教学环节中实现专业知识的有序性衔接与层次性强化，改变本科教学中常见的基础知识掌握不牢和理论与实践脱钩等现状。

关键词：模型教学；教学质量；地球科学教育；矿床矿相学；课程建设；人才培养

一、教学中的模型思维

模型思维作为一种先进的现代科学认识手段[1]，使认知对象抽象化。我们可以从原型出发，抓住原型的本质特征，对原型进行抽象、简化和纯化，建构一个能反映原型本质联系的模型[2]。

这种高度抽象化的模型反过来又具有一定的指导实践的作用。钱学森先生曾经指出：“模型就是通过我们对问题现象的分解，利用我们考究得来的机理，吸收一切主要因素，略去一切不主要因素所创造出来的一幅图画。”

所谓模型思维，就是利用模型达到特定认识目的的思维方式。将这种思维应用于教学活动，不仅有助于学生尽快构建知识体系，培养创新思维，同时对学生形成优良的科学素养具有重要作用[3]。欧美国家早先就认识到模型在科学教育方面的重要性。美国《国家科学教育标准》中明确把模型和科学事实、科学概念、科学理论列为科学主题的重点。针对模型在教学中的应用，不少教师在讲授抽象知识或者肉眼无法观察到的物体时会有意或无意地采用这种方法。随着计算机和网络技术的普及，电脑模拟在教学中的应用也越来越为大家所熟知。一个比较普遍的共识是，建构课堂教学知识的传播模型对于提升教学质量非常关键[4]，尤其是具有層次结构的教学模型能将课程主要内容系统全面地传递给学生[5]。教学经验丰富的老教师在课堂教学中常应用模型教学思维阐述一些复杂抽象的知识点，而新手教师在这方面的经验则有不同程度的欠缺。同时我们注意到，尽管众多高校教师在教学实践中自觉或不自觉地在应用模型教学思维，但对它的教学研究却开展甚少，也存在不少误区和难题。如对模型思维的系统化应用缺乏有效方法，过于依赖陈旧模型导致思维僵化和认识停滞，以及理论模型脱离实际，等等。因此，有必要结合课程教学实践，探索在高等教育教学中如何有效采用模型教学思维提升教学质量。

二、案例课程研究与实践

1.课程背景与教学研究现状

“矿床矿相学”是地球科学教育体系的重要组成部分。它以对国民经济和地质科学发展有重要意义的矿床为对象，研究各类矿床的特征、成因、时空分布及其经济意义，是人类对各类矿床实践和认知的经验与科学总结，为人类经济合理地勘探和开发矿产资源发挥了重要作用[6]。因此，这门课程对于培养高素质的地矿类人才和保障国家经济建设的可持续发展具有重要意义。

国内地学类高校基本上都开设“矿床矿相学”课程，一般都被列为资源勘查工程和地质学专业的核心基础课程。该课程不仅基础理论丰富，而且实践性非常强，在地学专业教育中很受重视。近年来，国内地学教育的背景和形势都发生了新的变化，如：矿业开发全球化，资源勘查和环境保护一体化，地勘行业对人才培养质量的要求持续提升，学科领域的新知识和新技术不断涌现，地学专业学生的就业面日益多元化，招生规模扩大，学科专业进行了调整，等等。这些新变化对“矿床矿相学”的课程建设提出了新的要求和挑战。

对于如何提升“矿床矿相学”课程教学质量，一些高校和学者从不同教学内容和教学方法等方面做了一些教学研究工作，成功经验值得参考。彭润民强调应充分重视多媒体教学技术的应用，在课堂教学中进行直观、形象的教学活动[7]。曹毅认为在矿床学的课程教学中要善于利用比较教学法，通过空间、时间、地质体、矿床类型、相同与不同矿种等进行比较，提高学生的知识接收效率，进一步培养创新能力[8]。王长明等学者提出利用现代化教学手段，在继承改造传统的实验教学内容基础上，拓展野外实验教学，延伸项目实验教学，探索网络实验教学[9]。薛春纪等学者重视矿床学课间野外教学实习及基地建设，引导学生自觉运用专业基础课知识，综合、灵活认识矿床学问题，以及树立正确资源环境观等方面发挥积极作用[10]。

2.课程改革指导思想和突破方向

除吸收校外经验外，推进专业课程改革需要立足校情实际，围绕人才培养的目标和特色来展开。培养“创新型应用人才”是桂林理工大学资源勘查工程专业的明确定位，它是依据我校资源勘查工程专业长期办学所形成的特色，主动适应行业发展和地方经济发展需求提出的。在人才培养过程中，我们明确将专业基础知识扎实、实践技能优秀、创新素质突出作为培养优秀地学工程科技人才的核心目标，构建了将专业基础教育、工程技能教育和创新素质教育并行交叉的创新型应用人才培养模式。由于“矿床矿相学”课程改革是资源勘查工程专业建设的核心课程之一，因此这门课程的教学改革应该与专业建设的总思路相符合，将“创新型应用人才”的教育理念渗透进入教学全过程，这是开展课程改革的指导思想。

建立面向创新型应用人才培养的“矿床矿相学”课程教学改革，需要充分考虑课程的自身特点。矿床学权威专家连长云和冉清昌就提出，矿床作为自然界中的一类特殊客体，在认知意义上存在着一些显著特点，包括：观察的不可直视性、成矿过程的不可逆性和认识的多歧性[11]。换句话说，就是矿床的地质构造空间尺度变化大，时间跨度长，形成过程不可逆，理论假说多种多样，这导致了许多矿床地质现象和成因观点难以在课堂中重现和复制，使得学生在知识理解上存在较强的抽象性。尤其是对于刚开始学习“矿床矿相学”的学生而言，矿床作为一个“黑箱”而存在，它在自然界究竟是一种什么属性，对于它的外部形态和内部物质结构，完全缺乏认知。因此，除了在教学过程中落实常规的教学措施之外，我们还应该寻找切实有效的教学手段，在课堂教学、实验教学和生产实践三个环节上投入连环工夫，启发学生尽早消除因知识黑箱而产生的求知壁垒和畏难情绪，加快学生融入专业课程体系的进度，并在教学进程中激发学生探究“黑箱奥秘”的积极性和创造性，这是我们进行课程改革的突破方向。

3.模型教学思维的建构

积极地把专业研究领域的主流思维方法和最新研究进展引入教学，是推动课程教学改革常见的举措之一。采用模型思维来认识和研究矿床近年来非常活跃。学术界常把一组相似矿床的基本属性（包括地质环境、内外部特征、控矿因素、矿化的时空演化规律、矿化标志、成矿物质来源和找矿标志等）进行高度总结概括，并称之为矿床模型，它不仅可以综合成矿理论，而且在找矿实践中由此而获得了丰硕的成果。如卡拉马组斑岩铜矿，享德逊和埃劳山铜矿的发现，都是模型找矿的典型事例。

基于不同的目的和用途，学术界已将矿床模型进行了众多分类。如：按照研究方法分出来的地质模型、地球物理模型、地球化学模型以及综合性模型，按照定量分析角度分出来的品位-吨位模型、产出概率模型、定量生成过程模型、数字化模型，以及按照研究内容分出来的描述性模型、成因模型、找矿模型和地质经济模型等。这些模型各具特色，类型不一，能从不同的侧面增进对成矿现象的理解和开发利用的指导。

因此，基于模型思维在学习和研究矿床方面的重要作用，有必要在礦床矿相学的教学过程中强化这种思维方式的应用。但考虑到学生在本科阶段的接受能力，不能把现有的关于矿床模型的科研进展囫囵吞枣式地直接教授给学生，而有必要在教学规律的指导下，分层次、循序渐进地开展教学方案编排。为此，我们提出了“理论概念模型—实验标本模型—生产实景模型—素质扩展模型”的链接式模型教学策略。

（1）理论概念模型。从课堂出发，引领学生进入“矿床矿相学”相关概念与知识体系。教师通过现代多媒体手段，展示概念模型的内容，它可以是文字、表格或图片等多种形式的结合，重要的是让从没见过矿床的学生，在脑海中初步建立起“矿床是由赋存在地壳一定深度和范围内的一个或者多个矿体组成；矿体具有一定形态和产状；不同类型矿床，其矿体的形态和产状及其变化性不同，矿石的组成及结构与构造亦有差异”等概念。针对具体矿床类型，如接触交代型、热液型、斑岩型矿床等，重点开展对矿床概念模型的要素解构。一是阐明地质环境，即讲解此类矿床发育的地质环境；二是进行矿床特征描述，即明确此类矿床的主要鉴别特征。此外，这个阶段的教学还需要让学生明确，教科书上的矿床模型都是在大量矿床类型实例对比之基础上建立起来的，是科学类比、简化、抽象和融合的产物，代表了某一类矿床的共性特征，具有普遍指导意义。

（2）实验标本模型。进入实验室，从矿石尺度强化对“矿床矿相学”专业知识的认知。在实验课中，通过近距离观察矿石标本，以及矿相显微镜观察，能对矿石结构、构造、矿物、矿石品位、矿石类型等相关概念有更直接和感性的认识。更重要的是，将矿床的完整标本系列（包括矿石标本、蚀变岩标本、赋矿围岩标本和成矿地质体标本等）与文字资料、挂图等教学素材配合，引导学生对矿床的原有形态进行还原。即在实验桌上，学生可以通过自己动手和参考资料，建构一个融合自己想象力的标本拼图模型。比如，在进行斑岩型铜矿床内容的教学时，引导学生回忆理论课堂学习的“环状蚀变分带”模型，将江西德兴铜矿床的标本构建为新鲜岩体—钾化带—石英绢云母化带—水云母伊利石泥化带—青磐岩化带—千枚岩（板岩）的标本模型；再如，对于高温热液型钨矿床“五层楼+地下室”，可以引导学生结合课堂和教材知识，将标本恢复成薄脉带—细脉带—中脉带—大脉带—根部带—地下室的模型。这些模型能帮助学生联想和模拟矿床在野外的空间结构、演化序列及其与周围地质体的关系，将看似彼此孤立的矿石标本与矿床的理论模型深度联系起来。

（3）生产实景模型。深入野外，从矿体尺度强化对“矿床矿相学”专业知识的认知。在矿山生产现场，学生不仅能亲眼观测单个矿体的赋存位置、产状、规模、形态和内部结构，而且还能结合矿床平面地质图、矿床勘探线剖面图、纵剖面图、水平断面图等图件，获得矿床的整体性认识。教师引导学生将矿山现场观察到的现象综合起来，建构一个比理论概念模型和实验标本模型更丰富、更直观和更形象的空间实景模型，这个模型会帮助学生把矿体、构造、蚀变和围岩等相关理论概念鲜活起来，并且在野外能得到真实验证。同时，建立实景模型能拉近学生在课堂知识与实践知识之间的距离，了解野外矿床现象远比课堂知识更复杂和多变。比如，矿床会随构造、围岩、古成矿环境等因素的变化而变化，出现矿体厚度变化，矿体形态变化，矿体沿走向和倾向突然尖灭、分枝复合和膨缩等众多料想不到的现象。到了这一步，学生会逐渐认识到，矿床模型不再是一个固定的一成不变的模式，也并非放之四海而皆准，它是一个随着找矿实践的不断发展而逐步丰富自身的动态系统，不能因为一些固定的矿床模式，束缚了新的找矿思路。

（4）素质扩展模型。回归课堂，让学生前三个阶段建立起来的矿床模型再次进行深加工和外围延伸。这个阶段可以依据学生的个性特长和学习兴趣进行分类指导。例如，对矿床成因研究感兴趣的同学，启发学生从成矿过程和成矿系统的角度全面考虑问题[12]，对观察到的矿床地质现象做出合理的成因解释，如反映矿质和成矿流体的来源，矿质的迁移、聚集及沉淀机制等。尤其是面对一个复杂矿床的时候，如何通过必要的取样分析和仪器测定，建构它的矿床成因模型；若对矿床勘查感兴趣的同学，启发学生联系勘查实践工作需要，思考如何选择矿床模型可以使野外找矿少走一些弯路，探讨如何利用矿床模型的理论知识指导勘查工作部署，确定地质、物化探和遥感等勘查技术手段的运用，进而构建矿床勘查模型；对矿床开发感兴趣的学生，启发学生专研三维可视化技术，构建矿床数字模型。

4.教学实践与效果

实践证明，通过链接式模型教学的应用，使得“矿床矿相学”中不容易理解的问题变得容易理解，难于记忆的概念变得容易记忆，繁杂的知识点得到系统归纳。教学模型的设计能帮助学生更加准确理解、掌握相关的“矿床矿相学”基本原理，而且能够帮助学生有效地建构完整的知识结构。学生普遍反映，“理论概念模型”利于专业知识固化，方便记忆；“实验标本模型”和“生产实景模型”利于专业知识活化，联系实际；而“素质扩展模型”利于专业知识转化，强化应用。此外，模型教学将创新教育和工程教育渗透到日常的教学活动，提高了学生思辨能力和理论联系实践的专业敏感度，增强了学习和研究兴趣，利于引导大学生在本科阶段就涉足科学探究和工程应用领域，使他们的创新思维能力和工程技能素养都得到提升。

参考文献：

[1] 周瑞平，易光明. 模型方法现代科学研究的重要手段[J]. 武汉交通科技大学学报（社会科学版），2000（2）：44-48.

[2] 孙可平. 科学教学中模型/模型化方法的认知功能探究[J]. 全球教育展望，2010（6）：76-81.

[3] 钟媚，苏咏梅. 模型建构式探究：科学教学改革的新路向[J]. 外国教育研究，2012，39（10）：42-49.

[4] 徐剑虹. 课堂教学知识传播模型的建构[J]. 电化教育研究，2011（6）：38-43.

[5] 李晓安.以指标体系为基础的层次结构教学模型——以法理学进阶课程设计方案为例[J].中国大学教学，2013（10）：40-42.

[6] 翟裕生，姚书振，蔡克勤. 矿床学[M]. 北京：地质出版社，2012.

[7] 彭润民 .《矿床学》的教学实践与思考[J]. 中国地质教育，2002（4）：58-59.

[8] 曹毅. 比较教学法在矿床学教学中的应用[J]. 大学教育，2014（1）：102-104.

[9] 王长明，孙祥，陈华，等. “矿床学”实验课拓展延伸教学的实践与探索[J]. 中国地质教育，2014（3）：73-75.

[10] 薛春纪，孙祥，王建平，等. 矿床学课间野外教学实习及基地建设[J]. 中国地质教育，2015，24（4）：35-37.

[11] 连长云，冉清昌. 研究矿床的最佳途径：矿床模型[J]. 长春地质学院院报，1995，25（2）：156-160.

[12] 翟裕生. 试论矿床成因的基本模型[J]. 地学前缘，2014，21（1）：1-8.

[本文为广西高等教育本科教学改革工程项目：基于应用型创新人才培养的“矿床矿相学”课程教学改革研究与实践（项目编号：2015JGA239）和资源勘查工程国家级教学团队建设项目资助成果]

[责任编辑：余大品]