張蓮蓮 陳肖慧 公衛(wèi)江

(東北大學(xué)理學(xué)院 遼寧 沈陽 110819)

Problem-Based Learning簡稱PBL是從多種基于問題的學(xué)習(xí)研究理論中抽象出的一種教育模式．PBL教學(xué)法源于20世紀(jì)70年代的北美及歐洲地區(qū)，主要在臨床醫(yī)學(xué)、工程技術(shù)等領(lǐng)域加以應(yīng)用[1-2]．PBL教學(xué)模式以問題為導(dǎo)向，以小組為單位，強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)合作和學(xué)科交叉，學(xué)習(xí)者主動參與和自行管理，教師起引導(dǎo)和推進(jìn)作用[3]．由于PBL 模式在人才培養(yǎng)質(zhì)量方面的顯著成效，被眾多高校廣泛使用， 例如，丹麥的羅斯基勒大學(xué)、奧爾堡大學(xué)，荷蘭的馬斯特里赫特大學(xué)，德國的不來梅大學(xué)、多特蒙德工業(yè)大學(xué)等，被譽(yù)為教育領(lǐng)域“最引人注目的革新”[4]．

物理學(xué)是研究物質(zhì)世界基本運(yùn)動規(guī)律和基本結(jié)構(gòu)的自然科學(xué)，而大學(xué)物理是高等院校理工科學(xué)生最重要的公共基礎(chǔ)課程之一，其學(xué)科特點(diǎn)使得結(jié)合PBL教學(xué)模式開展教學(xué)改革以提高學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量成為可能．

1 理工科公共基礎(chǔ)課——大學(xué)物理教學(xué)現(xiàn)狀

作為理工科專業(yè)的一門重要公共基礎(chǔ)課，大學(xué)物理既包含自然科學(xué)，又涉及現(xiàn)代工程技術(shù)，是學(xué)生在大學(xué)里接觸到的第一門與科學(xué)研究密切關(guān)聯(lián)的課程．物理中的科學(xué)研究思想、方法有利于引導(dǎo)和激發(fā)學(xué)生對科研萌生興趣，對學(xué)生后續(xù)專業(yè)的選擇和今后努力的方向產(chǎn)生良性影響．物理學(xué)家愛因斯坦說過，教育的首要目標(biāo)永遠(yuǎn)是獨(dú)立思考和判斷，而非特定的知識，最重要的教育手段是鼓勵學(xué)生采取行動．在大學(xué)物理課程教學(xué)中，讓學(xué)生學(xué)會自主學(xué)習(xí)，將學(xué)習(xí)活動拓展到思考、研究和歸納，即參與更深入的學(xué)習(xí)，從而具有獨(dú)立思考和科學(xué)研究能力，這遠(yuǎn)比考高分重要得多．

然而，在實(shí)際的教學(xué)過程中，深切地感受到學(xué)生在學(xué)習(xí)大學(xué)物理或者其他的公共基礎(chǔ)課時，仍舊保留中學(xué)的學(xué)習(xí)習(xí)慣．例如，只會被動聽講、機(jī)械記憶，愿意多做習(xí)題，不愿意做拓展課題等等．學(xué)生只注重知識點(diǎn)的掌握，卻忽視了知識的轉(zhuǎn)化和實(shí)踐應(yīng)用；學(xué)生過分強(qiáng)調(diào)了課程成績，卻忽視了學(xué)習(xí)此門課程能夠提升的個人能力．長此以往，學(xué)生善于模仿熟記卻少有自己的思考，長于被動接受卻拙于主動研究．最終導(dǎo)致了知識內(nèi)容學(xué)過就忘，在腦子里不留痕跡，更談不上理論聯(lián)系實(shí)際，知識應(yīng)用轉(zhuǎn)化了．

如何讓學(xué)生轉(zhuǎn)變固有的學(xué)習(xí)模式，學(xué)會自主學(xué)習(xí)，多進(jìn)行獨(dú)立思考，學(xué)會團(tuán)隊(duì)協(xié)作，培養(yǎng)“提出問題，分析問題和解決問題”的能力是理工科公共基礎(chǔ)課教學(xué)改革的首要目標(biāo)．此項(xiàng)工作的重要性不言而喻，但實(shí)施起來確有一定難度.以上所提及的多項(xiàng)學(xué)習(xí)能力是需要不斷強(qiáng)化和反復(fù)訓(xùn)練的，因此在學(xué)生一、二年級時采用較為先進(jìn)的教學(xué)模式，提高學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量是公共基礎(chǔ)課教師義不容辭的責(zé)任．近年來，在世界許多大學(xué)的實(shí)踐和研究表明，PBL在增強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、專業(yè)技能、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力等方面發(fā)揮了巨大的作用[5]．因此，PBL教學(xué)模式在公共基礎(chǔ)課程上的引入和推進(jìn)就顯得尤為重要．

根據(jù)PBL在各大高校中的廣泛應(yīng)用模式，可以將其分為三類：嵌入式、混合式和整體應(yīng)用式．PBL嵌入式較其他兩種應(yīng)用模式更適合大學(xué)低年級基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革，從某一門課程著手，通過引入PBL問題，幫助和引導(dǎo)學(xué)生探索真實(shí)情境和學(xué)科知識之間的結(jié)合點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)興趣，構(gòu)建專業(yè)基礎(chǔ)[6-7]．這種教學(xué)模式在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維方式與科學(xué)素養(yǎng)、工程能力與工程素養(yǎng)方面起到引領(lǐng)性作用，應(yīng)加以大力倡導(dǎo)．

2 PBL嵌入式教學(xué)模式在大學(xué)物理中的具體應(yīng)用

2.1 基于PBL的課程設(shè)計(jì)

2.1.1 導(dǎo)向性問題設(shè)計(jì)

在大學(xué)物理課程中應(yīng)用PBL嵌入式教學(xué)模式，首先需要精心設(shè)計(jì)導(dǎo)向問題．好奇心是學(xué)生學(xué)習(xí)探究的原動力，而有趣的問題是激發(fā)好奇心的本源．既要激起學(xué)生的好奇心，充分發(fā)揮學(xué)生的想象力，又要確保在學(xué)生知識水平之內(nèi)，完成教學(xué)目標(biāo)達(dá)成的特定方面，而避免造成過于簡單或者特別復(fù)雜的極端情況．因此，精心設(shè)計(jì)與知識點(diǎn)的理解和應(yīng)用相關(guān)聯(lián)的問題，把握好導(dǎo)向問題的度是PBL教學(xué)法得以順利實(shí)施的關(guān)鍵．根據(jù)研究對象以及需要解決的問題縮小范圍，進(jìn)行情境化分析，最后完整表述一個實(shí)際的問題．根據(jù)上述步驟可以引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)地提出研究問題，繼而分解成一個中心問題和一些子問題，最后確定哪種方法可以回答他們最初提出的問題．

在大學(xué)物理課程中，按模塊設(shè)定課題，每個課題涉及數(shù)學(xué)、物理等課程的內(nèi)容．按照教學(xué)進(jìn)度，不同教學(xué)周次給出同一主題下的多個題目．學(xué)生自行選擇特定主題中的某一問題，這些問題將學(xué)科與專業(yè)實(shí)踐聯(lián)系起來，以論文撰寫或者PPT口頭展示為學(xué)習(xí)成果體現(xiàn)方式．以學(xué)生自愿組成的研究小組為單位，根據(jù)選定題目，小組內(nèi)學(xué)生進(jìn)行討論和分析．小組討論后分配成員的具體任務(wù)，并且小組成員要給出階段性進(jìn)展匯報．研究小組自行組織實(shí)施項(xiàng)目進(jìn)展，教師從總體上對各個研究小組進(jìn)行教學(xué)管理和監(jiān)督．

2.1.2 教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

PBL嵌入式教學(xué)模式以問題為導(dǎo)向，以小組為單位，讓學(xué)生開展調(diào)研、探究，致力于用創(chuàng)新的方法解決問題，從而在經(jīng)歷和體驗(yàn)中掌握新知識并獲取新技能．改變了傳統(tǒng)公共基礎(chǔ)課上學(xué)生“當(dāng)觀眾，事不關(guān)己”的被動狀態(tài)，突出了教學(xué)中學(xué)生的主體地位，鼓勵學(xué)生之間，學(xué)生與老師之間，共同探討解決課程學(xué)習(xí)相關(guān)的理論或?qū)嵺`問題，達(dá)成更高效的教學(xué)互動．

充分利用好教學(xué)的3個環(huán)節(jié)——課前、課中、課后．課前，教師提前發(fā)布預(yù)習(xí)資料，學(xué)生以課前預(yù)習(xí)的方式，分析、回答思考題，查閱、整理相關(guān)資料，給出問題的解決方案，從而達(dá)到主動學(xué)習(xí)的目的；課中，學(xué)生展示問題解決方案，教師引導(dǎo)提問，學(xué)生通過組內(nèi)討論和組間討論，評選出最優(yōu)方案，從而深入理解課程的內(nèi)容，通過思考題實(shí)現(xiàn)理論應(yīng)用于實(shí)踐的過程；課后，教師推送課后復(fù)習(xí)題，輔助學(xué)生解決課上遺留問題，學(xué)生完成并上交復(fù)習(xí)題和思考題最終解決方案，教師對學(xué)生作業(yè)和方案進(jìn)行點(diǎn)評，同時對學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)，作為教學(xué)調(diào)整的有效依據(jù)，教學(xué)流程圖如圖1所示.

圖1 基于PBL嵌入式教學(xué)模式的大學(xué)物理教學(xué)流程圖

2.2 PBL嵌入式教學(xué)模式實(shí)施過程

為了充分發(fā)揮PBL嵌入式教學(xué)模式的優(yōu)勢，同時有效結(jié)合線上線下混合式教學(xué)，努力探索更適于理工科專業(yè)學(xué)生的教學(xué)活動，將教學(xué)策略設(shè)計(jì)成“自主學(xué)習(xí)、教學(xué)交互、團(tuán)隊(duì)協(xié)作”3個步驟．

2.2.1 自主學(xué)習(xí)

基于PBL“以問題為導(dǎo)向”為特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了“你知道嗎？”為題的線上預(yù)習(xí)．針對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行線上預(yù)習(xí)指導(dǎo)，將本節(jié)課教學(xué)目的、要求，教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)，處理方法以及作業(yè)、思考題等預(yù)習(xí)內(nèi)容設(shè)計(jì)出指導(dǎo)框架，以提出疑問，引起好奇的思維引導(dǎo)方法，通過雨課堂和大物QQ學(xué)習(xí)群發(fā)布學(xué)習(xí)公告，使學(xué)生對課程內(nèi)容有清晰的學(xué)習(xí)脈絡(luò)，并在預(yù)習(xí)及學(xué)習(xí)過程中了解自己掌握的程度．以大學(xué)物理——波動為例，教師為學(xué)生提供了引導(dǎo)式的學(xué)習(xí)幫助，具體如下.

(1)你知道什么是波的相干現(xiàn)象嗎？生活中，你見過這種現(xiàn)象嗎？如果兩列波形成相干現(xiàn)象，你知道它們要滿足的條件嗎？

(2)當(dāng)你撥動古箏或是提琴上的弦，仔細(xì)觀察會發(fā)現(xiàn)一種特殊的相干現(xiàn)象——駐波，你能描述駐波的特點(diǎn)嗎？駐波與行波有何不同之處呢？

(3)高速公路上的測速儀、醫(yī)院的B超、宇宙膨脹原理都是利用了多普勒效應(yīng)，你能解釋其中的原理嗎？

(4)你可以告訴我多普勒頻移公式中波源和接收器的速度符號如何判斷嗎?“靠近” 和“遠(yuǎn)離”又意味著什么呢？

在此過程中，教師作為一名引導(dǎo)者，將生活中與教學(xué)內(nèi)容密切相關(guān)的例子以對話的方式提出問題，引發(fā)學(xué)生去尋求答案，潛移默化中培養(yǎng)他們“有疑可問，有問必探”的習(xí)慣和能力．

2.2.2 教學(xué)交互

完成第一步的學(xué)生，可以通過中國大學(xué)MOOC平臺的東北大學(xué)大學(xué)物理國家精品在線課程，完成波動部分知識內(nèi)容：“惠更斯原理、波的衍射和干涉”“駐波”“多普勒效應(yīng)”三部分的學(xué)習(xí)．并能夠獨(dú)立完成單元測試、上交單元作業(yè)、同時參與討論區(qū)討論．始終強(qiáng)調(diào)學(xué)生之間、教師與學(xué)生之間以及學(xué)生與平臺之間的教學(xué)交互，因?yàn)楦咝实慕换ツ軌虼龠M(jìn)學(xué)生在學(xué)習(xí)上的情感投入并增強(qiáng)對知識的理解，提高學(xué)習(xí)效率．在此過程中，教師作為一名指導(dǎo)者，通過與學(xué)生的在線交互，及時答疑，糾正學(xué)習(xí)中的偏差，不斷發(fā)現(xiàn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)中的閃光點(diǎn)．同時，對暫時落后的學(xué)生悉心指導(dǎo)，并給予正向激勵，讓他們盡快趕上．學(xué)生在交互過程中，學(xué)習(xí)了交流與合作的技巧，發(fā)展了求同存異的思維和能力．

2.2.3 團(tuán)隊(duì)協(xié)作

完成以上的學(xué)習(xí)活動后，教師從生活、科研等不同領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)并提出具有挑戰(zhàn)性同時也是學(xué)生們感興趣的問題，讓學(xué)生以小組的形式圍繞與課程相關(guān)的問題進(jìn)行思考和研究討論．在解決實(shí)際應(yīng)用問題中，學(xué)生會遇到尚未學(xué)習(xí)過的新知識，需要查閱收集資料去理解問題，分析問題，最后解決問題．在此過程中，教師將轉(zhuǎn)變主導(dǎo)身份，告訴學(xué)生遇到問題時，多想想：“怎么做？為什么這么做？不這么做行不行？還有其他方法嗎？”作為一名協(xié)助者，教師更多的是指明研究方向，提供思路，鼓勵他們以極大的熱忱去想、去學(xué)、去研究，為學(xué)生“動手學(xué)”保駕護(hù)航．

2.2.4 教學(xué)案例“多普勒效應(yīng)”

“多普勒效應(yīng)演示視頻”是學(xué)生在獨(dú)立思考和研究方面比較成功的案例．為了讓學(xué)生更深入地了解多普勒效應(yīng)的原理和應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會如何將科學(xué)知識應(yīng)用到實(shí)踐中去，從科學(xué)探究的角度出發(fā)，為學(xué)生設(shè)計(jì)了一個實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)——拍攝多普勒效應(yīng)演示視頻．由于大班授課，人數(shù)較多，所以采用了學(xué)生自愿參加，自由組合的形式，每組 4 人，組長由組員自行選定．各小組親自動手錄制多普勒效應(yīng)的演示視頻．具體要求：視頻內(nèi)容包含多普勒效應(yīng)演示及科學(xué)解釋；內(nèi)容必須是原創(chuàng)，必須有組內(nèi)成員出鏡；時間3～5 min，拍攝地點(diǎn)不限；視頻需要編輯，聲音、圖像清晰，能夠流暢播放；在截止時間前由各組長用 QQ 發(fā)給教師，經(jīng)審核通過后在課上播放．由同學(xué)投票評出最佳創(chuàng)意獎(3個)、最佳團(tuán)隊(duì)獎(3個)、最佳效果獎(3個)．評選出的最佳視頻在中國大學(xué)MOOC平臺東北大學(xué)大學(xué)物理課程上進(jìn)行展播．

學(xué)生課題小組從校園生活中發(fā)現(xiàn)多普勒現(xiàn)象，收集并選取相關(guān)信息，設(shè)計(jì)拍攝方案，深入研究多普勒效應(yīng)的物理本質(zhì)，并將實(shí)際現(xiàn)象中的情況與設(shè)計(jì)中的理想情況進(jìn)行對比，分析出未達(dá)到預(yù)想效果的主要原因，與教師討論后，對演示裝置進(jìn)行合理改良得到較好的拍攝效果．學(xué)生的創(chuàng)新精神、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、實(shí)踐能力均得到了很大提高．圖2是對PBL教學(xué)模式和傳統(tǒng)教師講授模式下學(xué)生完成相關(guān)教學(xué)活動的數(shù)據(jù)對比，選取材料專業(yè)4個班共120人為案例調(diào)查對象．

圖2 PBL教學(xué)模式與教師講授模式教學(xué)活動完成度對比

2.3 PBL嵌入式教學(xué)模式應(yīng)用效果

通過PBL嵌入式教學(xué)改革的不斷嘗試和實(shí)踐，充分利用信息技術(shù)，采用線上線下混合式教學(xué)手段，使學(xué)生對物理學(xué)的概念、模型、規(guī)律的建立過程有明晰、正確的理解，熟悉并掌握物理學(xué)的思維方法，對物理學(xué)研究的各種運(yùn)動形式以及它們之間的聯(lián)系有比較全面和系統(tǒng)的認(rèn)識，具有較強(qiáng)的應(yīng)用能力，達(dá)到對學(xué)生科學(xué)發(fā)現(xiàn)意識、科學(xué)思維方法和科學(xué)鉆研素養(yǎng)的培養(yǎng)，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、深入學(xué)習(xí)和終生學(xué)習(xí)的能力．正如學(xué)生所說的，以前覺得學(xué)物理就是刷題，完全和實(shí)際生活聯(lián)系不上，通過模塊課題展示和團(tuán)隊(duì)協(xié)作，讓我對大學(xué)物理有了新的認(rèn)識……自己思考和研究的過程對我?guī)椭艽?，對知識內(nèi)容理解深刻……老師教的“怎么做？為什么這么做？不這么做行不行？還能怎么做？”挺有用，我記下了……這樣的學(xué)習(xí)一步步引導(dǎo)我思考、想辦法解決問題，能夠親自動手完成拍攝，很有成就感……一開始不習(xí)慣自主學(xué)習(xí)的方式，經(jīng)過幾次鍛煉，現(xiàn)在覺得自學(xué)能力提升了不少，對其他科目的學(xué)習(xí)也有幫助……

同時，參考丹麥奧爾堡大學(xué)實(shí)施PBL的教學(xué)評價標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了120名學(xué)生的調(diào)查問卷，具體數(shù)據(jù)如表1所示，柱狀圖如圖3所示.

表1 PBL嵌入式教學(xué)對知識掌握和能力提升的重要程度

圖3 PBL嵌入式教學(xué)對知識掌握和能力提升的重要程度柱狀圖

在開展以PBL教學(xué)模式為主導(dǎo)的教學(xué)活動中，智慧教室的使用也讓教學(xué)效果有了很大的提高，通過使用智慧教室與普通多媒體教室的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)比較，可以看出學(xué)生對這種教學(xué)模式具有較高的接受程度．圖4給出了我校材料專業(yè)4個班學(xué)生(分成2組)利用智慧教室和普通多媒體教室開展以PBL教學(xué)法為指導(dǎo)，以混合式教學(xué)為載體的2個學(xué)時(100 min)教學(xué)活動，學(xué)生完成相關(guān)教學(xué)活動的數(shù)據(jù)對比．

圖4 智慧教室與多媒體教室課堂教學(xué)效果對比圖

PBL教學(xué)模式充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，課堂上學(xué)生積極發(fā)言，參與討論，認(rèn)真展示小組成果．課前、課中、課后，師生交互、生生交互，效果顯著．學(xué)生能夠在解決“問題”中對所學(xué)知識進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，培養(yǎng)了獨(dú)立思考和創(chuàng)新思維，自主學(xué)習(xí)能力大幅度提高．

綜上所述，在理工科公共基礎(chǔ)課——大學(xué)物理課程開展PBL嵌入式教學(xué)模式積極推進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)效率研究和教學(xué)改革實(shí)踐，通過學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)和學(xué)生反饋，充分證實(shí)了PBL教學(xué)法的有效性及普適性．在實(shí)施PBL教學(xué)模式的過程中，以學(xué)生為教學(xué)主體，教師為教學(xué)輔助．把握好導(dǎo)向問題的度，設(shè)計(jì)出符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的問題，激發(fā)學(xué)生好奇心，引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)．依據(jù)信息化教學(xué)平臺提供的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，持續(xù)優(yōu)化教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，給出完整的教學(xué)過程評價，從而能夠不斷提升學(xué)生的學(xué)習(xí)成效，將學(xué)生培養(yǎng)成為專業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)、創(chuàng)新實(shí)踐能力強(qiáng)的復(fù)合型人才．