“以学生为中心”的生态水文学教学策略探讨
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摘要：生态水文学是水文学与水资源专业的一门重要专业课程。由于该课程具有较强的实践和应用色彩，单独应用传统的“以教师为中心”的教学方法难以实现其教学目标。本文对“以学生为中心”的教学方法在该课程中的应用进行了分析，着重探讨了案例研究和问题导向学习两类教学策略的应用，从而为提高生态水文学教学质量，培养学生的发现问题―分析问题―解决问题、管理和决策、团队合作、交流沟通、批判性思考等能力提供指导。
关键词：生态水文学；教学策略；案例研究；问题导向学习
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）53-0181-03
生态水文学是水文学中一个相对年轻但发展迅速的研究领域，是研究水循环与生态系统相互作用的一门交叉学科。它于1992年的都柏林国际水与环境大会上被作为一门独立学科提出，随着联合国教科文组织国际水文计划和人与生物圈计划（UNESCO's International Hydrology Program and Man and the Biosphere Program）的实施而迅速得以发展，成为当前水文学的研究热点。目前，生态水文学的主要研究领域包括：①陆地表面气候、土壤、植被、地下水间的相互作用，主要服务于土地利用、粮食生产和气候变化调控；②河流廊道内径流的动态变化、水生生物的响应以及污染物在河岸带内迁移转化等，主要服务于水资源开发、水质保护与改善以及生态环境的保护与恢复；③河水和地下水对湖泊、河口和海岸带的水量和物质输入，主要服务于水质保护与改善（特别是富营养化）以及渔业生产。可以看出，生态水文学与粮食安全、气候变化、土地利用、生态安全、水资源开发与保护等一系列的国际焦点和国家重大需求密切相关。正因如此，虽然只有20多年的历史，但生态水文学已成为水文学与水资源学科体系的重要组成部分，美国、英国、德国、荷兰、阿根廷等国的许多大学不仅很早就开设了生态水文学（Ecohydrology）课程，部分大学还专门设立了生态水文学专业。国内的北京大学、清华大学、中国农业大学、武汉大学、四川大学、吉林大学、北京师范大学、河海大学、中国地质大学（武汉）等也都将生态水文学作为水文学与水资源专业的专业基础课程开设。
一、生态水文学对“以学生为中心”的教学策略的需求
自诞生之时起，生态水文学就致力于生态环境与水环境问题的解决和为流域尺度上土地与水资源的综合管理提供指导，具有极强的实践和应用色彩。因此，在生态水文学教学过程中，除了专业知识的传授外，还应注重培养学生分析问题和解决问题、管理和决策、团队合作、交流沟通、批判性思考等能力，缩短真实世界与书本世界之间的差距，提高学生适应工作的能力。显然，传统的“以教师为中心”的教学方法无法单独承担这一重任。近年来，随着素质教育的普遍推行和教育的国际化趋势，“以学生为中心”的教育理念正在盛行。该教育理念对学习过程中学习者的主体地位给予了很大关注，注重体现学生在知识、能力、素质、个性等方面的要求，在理解和关注学生兴趣与需求的前提下进行综合应用能力的培养，教师在教学活动中不再是“满堂灌”的知识传授者，而是主要起创造学习环境、引导学习活动、提供相关资源的作用，以使学生能主动地接收知识，有效地调动学生的好奇心、积极性和创造性，更好地培养学生独立发现问题、分析问题和解决问题的能力。可以看出，这一教育理论与生态水文学的教学目标非常一致。因此，为了调动学生的学习积极性和能动性，培养其创新意识和综合素质，教师应在生态水文学课程教学中大胆应用“以学生为中心”的教学方法。要想贯彻“以学生为中心”的教育理念，关键是教学策略的选择。目前，应用较为广泛的“以学生为中心”的教学策略有研究性学习、案例研究、问题导向学习、探究学习、发现式学习、自主学习等。这些策略在适用的教学目标、内容和对象上存在明显差异。这里重点探讨适用于工程教育的案例研究法和问题导向学习两类策略。
二、案例研究在生态水文学教学中的应用
所谓的案例研究（case studies）教学，是指学生通过对教师提供的案例进行研究活动，从而完成学习目标的一种课堂学习方式。通过对案例的研究，学生可以逐渐熟悉生产实践中的真实问题，掌握解决这些问题所需的技能。事实上，作为一种非常灵活的教学方法，案例研究既可用于“以教师为中心”的教学，也可用于“以学生为中心”的教学。当案例界定清晰，且给出了明确的解决方案时，案例研究通常是以教师为中心的；当没有给出或只给出部分解决方案，需要学生进行批判性思考、信息搜寻、数据分析、转换和创新时，案例研究通常是以学生为中心的。在工程教育中，基于案例的学习相当普遍。不少研究证明，基于案例的学习能够增进学生的代入感、批判性思维和问题解决技能。
在生态水文学课程中，案例研究教学的开展遵循如下步骤。
1.介绍。教师给学生介绍案例研究教学的基本概念，并对生态水文学课程中拟采用的案例研究教学进行概括性介绍，以使学生理解案例研究教学的优势，克服从常规课堂到案例研究课堂转变中的不适应，为接下来的教学作好心理准备。
2.案例选择。针对各部分教学内容，教师提前准备好与拟讨论的主题密切相关的案例。选择的案例应符合以下标准：取自于真实生活情境；具有典型性和代表性；具有专业探讨价值；能引起学生兴趣，激发其进行创新性和批判性思考；不能过于简单，应具有一定的复杂性。例如，可以选用历史上的富营养化事件、国际知名的试验流域的相关成果、当前的水资源管理问题等，也可选用本专业学术杂志上的研究性论文。
3.案例感知。引导学生阅读案例材料，使其熟悉案例情境，掌握案例涉及到的主要事实和数据，识别案例情境中包含的关键问题，对案例进行初步分析。案例感知可以在课堂上完成，也可以让学生在课前完成。该阶段主要培养学生的信息整合能力和发现问题的能力。
4.自主探究。基于案例信息，应用已有的专业知识，进行个体的自主探究。对于已有解决方案的案例，按“问题提出、现象观察、假说形成、试验设计、结果分析、假说验证、结论形成”的流程对案例进行分析，重新演绎解决方案的形成过程，评价与判断这些解决方案的优缺点，尝试提出不同的解决方案；对于没有提供或只提供部分解决方案的案例，围绕已识别出的关键问题和案例中的重要信息，提出解决问题的方法，拟订解决问题的方案和策略，探讨实施的具体计划，并按“准备、执行、评估、调整”的行动调节理论进行执行。该阶段主要培养学生分析问题、解决问题、管理和决策、批判性思考等能力。
5.交流与讨论。在学生通过自主探究获得了个人关于案例的独立见解后，组织学生进行交流与讨论。在生态水文学教学过程中，将交流讨论又划分为三个阶段：首先进行分组合作，小组以4～6人为宜，每个小组成员就自己的自主探究过程和成果进行交流和讨论，形成相对一致的意见后，小组成员进行分工合作，完成下阶段课堂陈述与讨论的准备工作，包括材料的准备、幻灯片的制作等；第二阶段是课堂陈述，即以小组为单位，让学生对其案例分析过程与成果进行正式陈述；第三阶段是小组间讨论，在每个小组汇报完毕后，引导其他小组对其进行提问、评价、补充等，开展小组间的交流。该阶段主要培养学生团队合作、交流沟通、批判性思考的能力和领导力。
6.总结评价。在案例研究教学的最后，教师对整个案例研究过程做出总结性评价，以促进学生进行反思和总结，从而得到知识的完善和能力的提高。总结评价的内容包括：①学生在前几个阶段中的表现，要突出其优点，对暴露出来的问题也进行合理的评价，评价的重点应该集中在学生的分析问题和解决问题、管理和决策、团队合作、交流沟通、批判性思考等能力上，而不是知识或学术观点上；②对案例本身所蕴含的知识或问题进行评价，评价的重点集中在知识点的提炼、与已有知识的联系、需要补充的知识等上面，使学生意识到自身知识结构的缺陷，找到进一步完善的方向。
三、问题导向学习在生态水文学教学中的应用
问题导向学习（Problem-based learning）是基于问题解决过程的学习，它旨在让学生试着解决真实世界的实际问题而不仅仅只是通过教师的讲授来进行学习。问题导向学习最初起源于医学院和专业技术学院的教学活动，目前已开始应用于工程教育中。众所周知，问题解决是人们日常生活和工作中最为重要的认知活动，而问题导向学习则通过模拟人类自然的问题解决过程来促进学生学习，使学生在解决问题的过程中学习到所需要的知识和技能，为发展学生的批判性思维方式和灵活的问题解决技能提供大量机会，保证在新情境中可以迁移技能与应用知识。此外，问题导向学习还被证明可以增强学生在教学过程中的代入感，提高学习的积极性。
在生态水文学课程中，问题导向学习的开展遵循如下步骤。
1.介绍。教师对生态水文学课程中拟采用的问题导向学习进行简要介绍，以使学生为接下来的教学作好心理准备。此外，教师通过有针对性的讲解，对接下来的问题导向学习可能涉及的知识点进行概括性介绍。
2.问题提出。问题的提出有两种方式：教师提前精心准备好与学习内容密切相关的问题；教师只给出主题，介绍相关内容和要求，引导学生自己寻找问题。在问题导向学习中，所提出的问题必须是一个开放性的现实世界的问题。比较理想的问题应该复杂性适中、结构简单且可能具有多个解决途径或解决方案，同时要有一定的趣味性和挑战性，如降雨量的变化和人口增长如何影响城市水安全？大坝修建或拆除的影响有哪些（安全、社会、经济、生态等方面）？为什么全球范围内陆地径流在减小？为什么某河流的出山径流量在减少？
3.分组研究。通过教师指定或自由组合的方式将学生分组，小组以4～6人为宜。小组成员首先通过内部讨论确定总体的工作规划；然后，对问题进行分析，找出解决问题还需要学习的专业知识，通过各种方法来获取这些必要的知识；再次进行小组讨论，初步确定问题的解决方案和实施计划，并对小组成员进行分工；小组成员根据分工开展信息收集、实验设计、数据统计、模型构建、综合分析等工作，按照“准备―执行―评估―调整”的行动调节理论执行计划，从而解决问题；最后，基于上述成果，编写研究报告，制作下阶段汇报所用的幻灯片。在该阶段，老师主要起引导者、辅助者和资源提供者的作用，要避免控制学生的思维。该阶段最能体现以学习者为主体的教育理念，是问题导向学习的核心所在，可以培养学生分析问题和解决问题、管理和决策、团队合作、交流沟通、批判性思考等能力，同时能提高学生的假设提出和检验、数据收集、实验操作、统计分析、模型模拟、学术写作等专业技能，还可培养学生主动学习及终生学习的态度。
4.陈述与讨论。通过课堂陈述的方式，各小组对其问题提出、问题解决思路与过程以及最终的问题答案或解决方案进行介绍。陈述时鼓励学生使用多媒体演示，鼓励所有成员都参与到陈述中（可采用分段分工陈述方式）。陈述后其他小组进行提问和评判，教师也可参与到提问中去。该阶段主要培养学生交流沟通和批判性思考的能力以及口头表达的技能。
5.评估与反思。教师对各学习小组的表现进行评价。评价中要注意用语，以肯定为主，对暴露出来的问题也以建设性意见的形式进行合理点评。同时，要求学生进行自我评估，小组成员之间和小组之间也进行平行评估。这些评估，促进学生反思自己在知识结构、专业技能和综合素质上的欠缺，为下一步的学习方向和学习目标的制订奠定基础。
四、“以学生为中心”的生态水文学教学中应注意的问题
1.不要将“以学生为中心”与“以教师为中心”截然对立。生态水文学兼具理、工科的特点，涉及的部分理论知识或基础知识在案例选择或问题设计上存在着较大困难，可能需要传统的课堂讲解；无论是案例研究还是问题导向学习，在开展之前都需要教师对教学方法进行介绍，对关键知识点及其之间的联系进行概略式讲解，这都属于“以教师为中心”的范畴；在案例研究教学过程中，如果选择的案例是本专业中较为艰深或具有重大意义和影响的学术论文，可能采用“以教师为中心”的教学方法更为合适；两类教学策略最后阶段的教师总结与评价往往起着画龙点睛的作用，属于必不可少的内容。
2.无论是案例研究中的案例，还是问题导向学习中的问题，都必须选择真实世界中的实际情景，在注重典型性和代表性的同时，还要兼顾趣味性和挑战性，以激发学生的好奇心和学习热情。
3.在讨论阶段，教师不能完全“隐退”或只扮演主持人的角色，要成为讨论的引导者和参与者，提示学生进行对比、反思和举一反三，使得讨论得以深入发展，同时防止学生离题或者提出不当的问题影响讨论，防止一个学生或者少数学生垄断讨论。
4.在分组研究阶段，教师应起到监督作用，督促所有学生都积极参与，不能出现一个学生为主，其他人袖手旁观的现象。教师还应要求学生形成自己的观点和解决办法，不能简单地重复事实，或者在案例研究中重复和无条件认同前人的结论和观点。
5.教师应营造开放、民主的氛围，让学生自由探索和发言，即使是不成熟的想法或意见也要以鼓励为主，以激发学生的好奇心和勇于冒险的精神，培养学生面对困难时的韧性和对失败与挫折的无所畏惧。教师还要尊重学生的多样性和差异性，珍惜和培养学生的认知灵活性。
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