陳 華 杜永勝 趙增茹 劉 佳 李永治

(內蒙古科技大學理學院 內蒙古 包頭 014010)

1 引言

基于問題學習(Problem-Based Learning)的教學模式(簡稱PBL)最早是由加拿大麥克馬斯特大學醫(yī)學院在1969年創(chuàng)設的新型教學體驗方式[1].隨后PBL教學模式被推廣到了500多所高等院校.PBL教學是一種以學生為中心，問題為導向的教學方法[2,3].

物理學是研究物質、能量和它們之間的相互作用的學科，是一門隨著人類社會實踐發(fā)展而產生的一門學科[4].物理學本身就是在解決一個又一個具體問題的過程中發(fā)展起來的.因此，PBL教學模式非常適用于大學物理課程教學.

熱學是研究物質熱運動和與熱現(xiàn)象有關的學科.熱學與力學、電磁學和光學共同被稱為經典物理的四大基石[5].根據(jù)研究對象和研究方法的特性，熱學包括兩種特色鮮明的理論，一是主要由觀察和實驗總結歸納得出的有關熱現(xiàn)象規(guī)律構成的熱學宏觀理論——熱力學；二是從原子、分子微觀粒子運動以及它們之間的相互作用出發(fā)，研究熱現(xiàn)象的微觀理論——統(tǒng)計物理學[6].氣體動理論是從氣體的理想微觀結構模型出發(fā)，利用統(tǒng)計平均方法研究氣體在平衡態(tài)時的性質以及從非平衡態(tài)向平衡態(tài)的轉變過程[7].該部分的基本概念抽象，知識點繁雜，內容體系龐大[8].學生對氣體動理論抽象模型和基本概念的理解和掌握都較為困難.本文以氣體動理論部分教學內容為例，利用概念圖結合PBL教學方法幫助學生構建熱學概念框架，提升學生科學探索的能力.

2 氣體動理論概念圖和PBL教學問題設計

概念圖是以圖解的方式由該課程(學科)中的概念和概念連線構成的知識結構網絡.概念圖最早是由美國康奈爾大學教育心理學家Novak教授等人提出[9].結合Ausubel教授的理論，概念圖于21世紀初在物理教學過程中被應用[10].大學物理課程中有非常多的基本概念，這些概念既抽象又難以理解.概念圖的應用不但可以將課程中的知識進行整合，而且通過連線建立概念之間的聯(lián)系，幫助教師進行教學，也有助于學生對知識點的學習.根據(jù)大學物理教學指導委員會針對非物理類理工科大學物理課程教學基本要求，制定了氣體動理論部分的知識點概念圖,如圖1所示.PBL問題設計是否合理將決定PBL教學模式的成敗.教學過程中設計的PBL問題需要結合學生們的學習經歷和生活經驗，既不能太過復雜，又最好是真實問題，既能調動學生的積極性激發(fā)學習興趣，又能符合大學物理課程中知識點的講解[11].結合概念圖1中的知識點，圖2設計總結了氣體動理論部分相對應的PBL教學問題.

圖1 氣體動理論知識點概念圖

圖2 氣體動理論PBL框架圖

3 PBL教學模式在教學中的實施

我們選取了本校礦物加工工程和環(huán)境工程兩個專業(yè)的學生進行了為期半年的基于概念圖的PBL教學模式探索.在大學物理PBL的實際教學中，教師采用了課前、課中和課后三步走的教學方式.在課前預習環(huán)節(jié)，教師提前一周將PBL問題上傳到學校的網絡教學綜合平臺上.比如講解溫度的本質內容之前，教師上傳討論問題：如何解釋保溫瓶保溫？絕對零度為什么達不到？學生可以利用電腦、手機登錄自己的網絡教學綜合平臺賬戶，查閱、下載PBL問題.學生即開始以問題為導向，借助學校電子圖書館、互聯(lián)網等資源平臺展開課前預習.為了提升學生的預習效果，教師要求學生將PBL問題調研的資料以紙質或者電子版的形式帶入課堂.例如：針對保溫瓶如何保溫的問題，有的學生會閱讀大量關于保溫瓶制作原理、物質散熱方面的文獻、書籍等資料；有的學生將在中國知網數(shù)據(jù)庫中下載郎遠濤的暖水瓶熱損失的理論分析的資料帶到教室分享，有的學生通過閱讀，了解到當暖水瓶充滿熱水后其熱量可通過瓶膽夾層氣體對流作用、瓶膽上固體介質熱傳導和電磁輻射3種途徑散熱.

在授課環(huán)節(jié)，教師在講解知識點之前，給學生3 min時間，學生自行組成3～5人的小組，可以結合課前預習以及書本中的知識對給定問題進行討論.討論過程中教師負責引導和答疑解惑.學生也可以利用這3 min展示課前整理的資料信息.例如,圖3為潘鑫龍同學調研的關于保溫瓶散熱的資料展示.從圖3中可知學生不但調研了保溫瓶的發(fā)展歷史，還查閱了保溫瓶散熱的原因以及解決的措施.

圖3 PBL教學學生整理資料信息實例

在討論和展示環(huán)節(jié)，學生明確本節(jié)課要解決的問題，教師也掌握了學生預習中的薄弱環(huán)節(jié)和理解難點.在接下來的授課過程中，教師能夠更有針對性地對溫度的微觀本質、氣體分子如何通過碰撞交換熱量等知識點進行深入講解.在課后復習環(huán)節(jié)，學生根據(jù)本節(jié)課的學習對PBL問題再次進行解答，并列出和本節(jié)課程相關的知識點、公式.

4 PBL教學效果

針對PBL教學模式在大學物理教學過程中的效果，教師選取了本校礦物加工工程、環(huán)境工程和土木工程3個專業(yè)的學生進行對比研究.其中礦物加工工程和環(huán)境工程采用PBL教學模式進行教學，而土木工程采用傳統(tǒng)的講授式教學模式.這3個專業(yè)的學生在本科招生考試中的成績比較接近，3個專業(yè)的大學物理課程均采取大班形式授課，因此，可對比性比較強.

經過一個學期的基于概念圖的PBL教學方法對比研究.學生期末成績分布如圖4所示.

圖4 PBL教學與傳統(tǒng)教學成績分布比較圖

從圖中可知3個大班的成績均屬正態(tài)分布.其中采用PBL教學模式的班級的高分人數(shù)明顯多于傳統(tǒng)教學班級.這說明PBL教學模式有利于拔尖人才的培養(yǎng).因為在PBL教學模式中是以學生為主體的，學生根據(jù)教師提出的問題，自主查閱資料、收集整合信息.例如：考試卷中有一道開放式考題，請列舉出熱機種類.對于傳統(tǒng)授課的學生一般會回答卡諾熱機、蒸汽機.而對于PBL教學班級的學生至少能答上來蒸汽機、內燃機、汽輪機、燃氣輪機等.除了這4種熱機還有的學生可以回答出噴氣發(fā)動機、熱聲熱機等，甚至有的學生還羅列了奧托循環(huán)、郎肯循環(huán)、狄賽爾循環(huán)等熱機的循環(huán)過程.可以看出在PBL教學過程中拔尖學生不但能夠融會貫通大學物理的知識和概念，還能夠調動學生自主學習的主動性和積極性，自主探索未知的問題.因此，在實施PBL教學模式的班級里報名參加大學生物理競賽的學生人數(shù)明顯多于傳統(tǒng)模式授課的班級.

另一方面從圖4可知，采用PBL教學模式班級的學生大學物理成績及格率普遍高于傳統(tǒng)模式教學的班級.這說明PBL教學模式有效地調動了學生的學習興趣，提高了學生學習的主動性，只有學生自己想好好學習，想通過考試，才能順利完成學業(yè)考試.而傳統(tǒng)的以講授為主的教學班級，學生只是被動地學習教師講授的知識，這樣的教學模式中只有自覺的學生才能夠跟上教師的節(jié)奏完成課程的學習，而對于一些主動性學習相對較弱的學生，學習的效果就令人不太滿意了.因此，采用PBL教學模式的班級,學生學習的主動性和積極性被間接的調動起來，部分學生掌握了針對PBL問題通過閱讀教材、查閱資料和團隊合作的方式自主找到答案，掌握該部分的物理知識，從而培養(yǎng)學生解決實際問題的能力.通過大學物理PBL教學模式的培養(yǎng)，學生具備自主學習能力和探索精神后，對于后續(xù)課程、研究生階段的學習乃至工作以后的學習都會受益.

5 結束語

PBL教學模式和國家提出的堅持以問題為導向的方針殊途同歸.針對概念圖構建的PBL教學模式的初步實踐證明，在大學物理教學過程中，新的PBL教學模式有利于激發(fā)學生對未知問題的探索和學習的興趣，有利于建立學生自主調研和團隊合作的思維方式與行為習慣，從而有助于培養(yǎng)學生探索未知和解決問題的能力.