理工科公共基礎(chǔ)課中PBL嵌入式教學(xué)模式的應(yīng)用*
——以大學(xué)物理課程為例

張蓮蓮 陳肖慧 公衛(wèi)江

(東北大學(xué)理學(xué)院 遼寧 沈陽(yáng) 110819)

Problem-Based Learning簡(jiǎn)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(dòng)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(guó)的不來(lái)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(dòng)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(duì)科研萌生興趣，對(duì)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(shuō)過(guò)，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(shí)，最重要的教育手段是鼓勵(lì)學(xué)生采取行動(dòng)．在大學(xué)物理課程教學(xué)中，讓學(xué)生學(xué)會(huì)自主學(xué)習(xí)，將學(xué)習(xí)活動(dòng)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(guò)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(shí)，仍舊保留中學(xué)的學(xué)習(xí)習(xí)慣．例如，只會(huì)被動(dòng)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(shí)點(diǎn)的掌握，卻忽視了知識(shí)的轉(zhuǎn)化和實(shí)踐應(yīng)用；學(xué)生過(guò)分強(qiáng)調(diào)了課程成績(jī)，卻忽視了學(xué)習(xí)此門課程能夠提升的個(gè)人能力．長(zhǎng)此以往，學(xué)生善于模仿熟記卻少有自己的思考，長(zhǎng)于被動(dòng)接受卻拙于主動(dòng)研究．最終導(dǎo)致了知識(shí)內(nèi)容學(xué)過(guò)就忘，在腦子里不留痕跡，更談不上理論聯(lián)系實(shí)際，知識(shí)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(huì)自主學(xué)習(xí)，多進(jìn)行獨(dú)立思考，學(xué)會(huì)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(lái)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(jí)時(shí)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(lái)，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(jí)基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革，從某一門課程著手，通過(guò)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(shí)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(dòng)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(shí)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(guò)于簡(jiǎn)單或者特別復(fù)雜的極端情況．因此，精心設(shè)計(jì)與知識(shí)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(duì)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(lái)，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(bào)．研究小組自行組織實(shí)施項(xiàng)目進(jìn)展，教師從總體上對(duì)各個(gè)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(shí)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(dòng)狀態(tài)，突出了教學(xué)中學(xué)生的主體地位，鼓勵(lì)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(dòng)．

充分利用好教學(xué)的3個(gè)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(dòng)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(guò)組內(nèi)討論和組間討論，評(píng)選出最優(yōu)方案，從而深入理解課程的內(nèi)容，通過(guò)思考題實(shí)現(xiàn)理論應(yīng)用于實(shí)踐的過(guò)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(duì)學(xué)生作業(yè)和方案進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，同時(shí)對(duì)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(guò)程

為了充分發(fā)揮PBL嵌入式教學(xué)模式的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)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(dòng)，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(gè)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(duì)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(guò)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(duì)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(guò)程中了解自己掌握的程度．以大學(xué)物理——波動(dòng)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(guò)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(dòng)古箏或是提琴上的弦，仔細(xì)觀察會(huì)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(cè)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(hào)如何判斷嗎?“靠近” 和“遠(yuǎn)離”又意味著什么呢？

在此過(guò)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(duì)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(guò)中國(guó)大學(xué)MOOC平臺(tái)的東北大學(xué)大學(xué)物理國(guó)家精品在線課程，完成波動(dòng)部分知識(shí)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(cè)試、上交單元作業(yè)、同時(shí)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(tái)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(duì)知識(shí)的理解，提高學(xué)習(xí)效率．在此過(guò)程中，教師作為一名指導(dǎo)者，通過(guò)與學(xué)生的在線交互，及時(shí)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(shí)，對(duì)暫時(shí)落后的學(xué)生悉心指導(dǎo)，并給予正向激勵(lì)，讓他們盡快趕上．學(xué)生在交互過(guò)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(dòng)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(shí)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(huì)遇到尚未學(xué)習(xí)過(guò)的新知識(shí)，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(guò)程中，教師將轉(zhuǎn)變主導(dǎo)身份，告訴學(xué)生遇到問題時(shí)，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(lì)他們以極大的熱忱去想、去學(xué)、去研究，為學(xué)生“動(dòng)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(huì)如何將科學(xué)知識(shí)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(gè)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(zhǎng)由組員自行選定．各小組親自動(dòng)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(shí)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(shí)間前由各組長(zhǎng)用 QQ 發(fā)給教師，經(jīng)審核通過(guò)后在課上播放．由同學(xué)投票評(píng)出最佳創(chuàng)意獎(jiǎng)(3個(gè))、最佳團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)(3個(gè))、最佳效果獎(jiǎng)(3個(gè))．評(píng)選出的最佳視頻在中國(guó)大學(xué)MOOC平臺(tái)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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)的數(shù)據(jù)對(duì)比，選取材料專業(yè)4個(gè)班共120人為案例調(diào)查對(duì)象．

圖2 PBL教學(xué)模式與教師講授模式教學(xué)活動(dòng)完成度對(duì)比

2.3 PBL嵌入式教學(xué)模式應(yīng)用效果

通過(guò)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(duì)物理學(xué)的概念、模型、規(guī)律的建立過(guò)程有明晰、正確的理解，熟悉并掌握物理學(xué)的思維方法，對(duì)物理學(xué)研究的各種運(yùn)動(dòng)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(shí)，具有較強(qiáng)的應(yīng)用能力，達(dá)到對(duì)學(xué)生科學(xué)發(fā)現(xiàn)意識(shí)、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(shuō)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(guò)模塊課題展示和團(tuán)隊(duì)協(xié)作，讓我對(duì)大學(xué)物理有了新的認(rèn)識(shí)……自己思考和研究的過(guò)程對(duì)我?guī)椭艽?，?duì)知識(shí)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(dòng)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(guò)幾次鍛煉，現(xiàn)在覺得自學(xué)能力提升了不少，對(duì)其他科目的學(xué)習(xí)也有幫助……

同時(shí)，參考丹麥奧爾堡大學(xué)實(shí)施PBL的教學(xué)評(píng)價(jià)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(duì)知識(shí)掌握和能力提升的重要程度

圖3 PBL嵌入式教學(xué)對(duì)知識(shí)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(dòng)中，智慧教室的使用也讓教學(xué)效果有了很大的提高，通過(guò)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(duì)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(gè)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(gè)學(xué)時(shí)(100 min)教學(xué)活動(dòng)，學(xué)生完成相關(guān)教學(xué)活動(dòng)的數(shù)據(jù)對(duì)比．

圖4 智慧教室與多媒體教室課堂教學(xué)效果對(duì)比圖

PBL教學(xué)模式充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)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(duì)所學(xué)知識(shí)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(guò)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(guò)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(tái)提供的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，持續(xù)優(yōu)化教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，給出完整的教學(xué)過(guò)程評(píng)價(jià)，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．