工科《大學物理》課程PBL教學方案初探

任芳芳 黃曉林 楊燚 葉建東 劉斌 徐駿

摘要：隨著教育教學體制的改革，工科《大學物理》課堂的教學也在發生著重大的轉變，不僅在課堂主體上有了轉換，同時對于教學方式、教育理念也有了全新的要求。本研究中，教師結合新形勢下適應性教學的理念，針對百名學生參加的平臺大課，探索了以問題為導向的教學方法，按照“問題驅動→探究學習→協作討論→成果演講→復習總結”的順序和環節，設計課堂教案，引導學生自主探索，從而鍛煉學生的發散性思維，提高學生的研究型學習能力。教師通過三年教學實踐，受到學生廣泛歡迎，教學方案仍在不斷改進，目前已取得較滿意的效果。

關鍵詞：大學物理;PBL;教學改革

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）51-0169-03

一、引言

物理學是對物質世界的構成和運動規律進行研究的學科，是科學的基礎，也是人類認識世界的基礎。物理學作為各個科學的根基，要應用到技術中，再應用到工程產業中。對于每個理工科的學生而言，《大學物理》（又名《普通物理》），是必修基礎課程。

為適應社會需要，國內外對于該課程的改革實踐層出不窮。比如東南大學的葉善專大學物理網絡工作室[1]，成功將優質教學資源和現代教學技術相結合，實現了大學物理課程教學的改革與創新。與此類似，中國科技大學基于網絡，為學生創造了多元化的教學環境，包括仿真實驗和遠程網絡實驗[2，3]，節約了教學資源，同時為人才的創新思維和實踐能力提供了個性化的教學模式。美國的麻省理工學院（MIT）在物理學方面的教改非常成功[4]。其極具特色的教學方式是堅持實踐教育、創建信息化校園，以培養學生的探究精神和創新意識。比如開展“本科生研究機會方案”、組織“實驗性學習小組”、發展“獨立活動期項目”等。此外，著名的《費曼物理學講義》就是20世紀60年代加州理工大學教學改革的優秀產物。

隨著教育教學體制的改革，在新的教學背景下，理工科的《大學物理》課堂的教學也在發生著重大的轉變，不僅在課堂主體上有了轉換，同時對于教學方式、教育理念也有了全新的要求。通過多次《大學物理》課程的教學實踐，反思現有的教學方案，發現仍存在以下問題有待改善和解決：（1）目前所用的教案多偏于數學推導和理論講解，學生在學習積極性、學習效果方面有待提高。（2）近年來，各校大力提倡教學的改革，包括翻轉課堂的實踐[5]，已取得了顯著成效，但由于資源有限，往往只有少部分學生有機會參加《大學物理》翻轉課堂的學習，大多數學生仍局限在普通課堂。（3）對于工科的學生而言，基礎理論知識的學習更應融會貫通于實踐應用，以往的教學方案中缺乏對解決實際問題能力的訓練和培養。（4）語言表達的能力和技巧，尤其是專業語言的表達，在今后的工作中常常發揮關鍵性的作用，但卻在大學課堂中普遍缺乏針對性的訓練。（5）對于今后繼續攻讀研究生的學生而言，科技英語或專業英語的學習相對重要，而為了照顧到大多數同學的英語水平和學習效果，教師往往僅限于中文教學。

當然，教學改革并不應局限于引入多元化的教學手段和先進教學軟件。西安交通大學的部分基礎課教師參加了2015年境外培訓，他們在加州大學伯克利分校的課堂看到了這樣的教學景象：“教師始終充滿著無限的激情，不斷運用豐富的肢體動作和幽默的談吐風格調動學生，所有的學生全神貫注，都在認真做筆記。課堂教學的焦點始終圍繞著層層遞進的問題。”他們在感悟中還寫道：“伯克利的教學已不僅限于知識的傳播，更類似一種身心的體驗，師生作為學習的共同體是在享受探索未知時所帶來的愉悅感。”[6]這應當是教學改革所希望達到的更高境界。

綜上所述，教學改革是順應時代發展的產物，改革工作任重而道遠。在本研究中，教師以工科《大學物理》課程的課堂教學為試點，根據科學發展現狀，嘗試從適應社會需要出發，采用以問題為導向的教學方法（problem-based learning，PBL）[7]，并兼顧學生總體與個體差異，以努力達到提高教學質量的目的。

二、方法

結合教學實踐，PBL教學方法的主要步驟可大致設計為：問題驅動→探究學習→協作討論→成果演講→復習總結。第一步，教師對概念有清晰、準確的認識，準備好一系列需要解決的“問題”，在課堂中拋出來，投石問路，并幫助同學界定“問題”，同時激發學生學習理論知識的濃厚興趣。第二步，教師給學生講解相關物理概念、邏輯和公式推導，使學生獲得理論基礎。第三步，回到一開始提出的“問題”，請同學課后通過網絡等資源，搜索相關解決方案，并協同小組討論，鼓勵頭腦風暴（對可能的假設、解釋、應用進行集體討論）。通過深入討論，重新結構化“問題”，并總結出一張powerpoint（PPT），用于展示自己對“問題”的理解以及介紹更多的應用（包括設想）。第四步，成果演講，學生以小組為單位，選出一名代表，走上講臺，用盡量學術的語言，在3分鐘之內講述整個“問題”的解答，包括自由拓展的應用探索。出于最大限度發揮學生語言（包括肢體語言）表現力方面的考慮，PPT要求不含動畫和視頻。第五步，教師以例題講解和習題解答為主的形式，為學生復習和總結知識要點。后面四步一脈相承，最終反饋于“問題”。主要流程可以用圖1來簡單表示。

在PBL教學方案中，學生除了學習者的身份，還增加了合作者和研究者的角色。學生需要做的事情除了課堂聽講之外，還包括：（1）針對“問題”，進行調研、收集資料、記錄信息。（2）與團隊合作，展開討論，頭腦風暴，持續探究可能的解答方案。（3）對結果進行評估和修改。（4）向其他同學甚至公眾展示成果。

對學生而言，PBL教學方法的好處顯而易見。首先，打破傳統的“上課—作業—復習”學習法，教師在課堂上為學生營造了輕松而主動的學習氛圍，提高了學生學習的熱情。其次，學生在課堂上以及課后能自主、積極地發散性思考，并有機會充分表達自己的見解，同時能暴露自己學習中的弱點，或是理解有誤的地方，通過與同學、教師的交流，獲得及時糾正，使記憶更加深刻。最后，鍛煉了查閱資料、闡述觀點、歸納總結、邏輯推理、團隊合作、口頭表達的能力。

三、實驗對象和實施舉例

教師在南京大學電子科學與工程學院的《大學物理》課程試行了上述改革。該課程面向統招本科一年級學生。班級學生人數90人左右，大班上課，存在很多改革的局限性。以下以“光的偏振”章節的教學為例說明具體的教學實施過程。

第一環節，問題驅動。教師給出一系列具有推進關系的具體問題，引起學生的學習興趣，激發學生的探究動力。

（1）教師提問：你看過3D電影嗎？學生大多回答：看過。

（2）教師提問：佩戴的3D眼鏡有什么樣的功能？部分學生知道與偏振光有關。

（3）教師提問：3D電影的原理是什么？大多數學生不清楚。

（4）接著，教師讓學生將雙手食指按前后順序置于眼前，但只用單眼觀察。學生一般反應：較難判斷先后位置。

（5）教師再請學生睜開雙眼，再繼續觀察理雙手食指的前后位置。學生一般反應：可以很容易判斷先后位置。

（6）教師總結雙眼立體視覺判斷事物深度信息的原，并引導學生思考3D電影中光學偏振的相關應用。

第二環節，探究學習。教師講解光的偏振知識。在講解中，適當使用“課立方”綜合教學模式，進行課堂小測驗、提問，以提高課堂反饋效率、發揮學生的積極性。適當引入雙語教學的內容。考慮到學生對英語專有名詞的認識水平不同、聽力水平參差不齊，教師在教改實驗初期，只將英文講解環節放在每次課結束前的總結和概括部分，此后根據學生適應情況，逐步增加英語講解時間，但前提會保證學生對知識的充分理解。本次課堂最后，布置習題和小項目——《3D電影中的光偏振》。小項目的執行按事先分好的小組進行。考慮到一個班大約有90名學生，可將學生分成9組，每組大約10人。

第三環節，協作討論。教師通過線上教學平臺，引導學生課后利用網絡、圖書等資源進行調研，并以小組為單位，開展頭腦風暴式討論。學生需要在討論中結合所學基礎知識、對調研結果的綜合理解，提出可能的解決問題的答案以及潛在的應用設想。學生還需要反過來對自己調研的結果做出自我評估，并在小組討論中口頭反饋。該環節限定兩周內完成，各小組研究成果以一張PPT的形式提交。

第四環節，成果演講。針對以上PPT，參照澳大利亞國立大學（ANU）研究生的“3分鐘演講”模式，請小組派出一名代表，在課堂上匯報項目完成情況，重點闡述3D電影的拍攝和播放過程，以及光的偏振現象還有哪些潛在的應用，每組匯報時間3分鐘。如課時有限，教師可根據提交PPT的情況，選擇較為優秀的合作小組進行演講。另外，小組內負責演講的同學，按照不同項目，組內輪換，盡量使所有同學都有一次上講臺的機會。通過該活動的開展，可非常有效地鍛煉學生的科學語言表達能力，以及舞臺展現能力。

第五環節，復習總結。教師歸納知識要點，總結小項目完成中存在的問題，講解習題。

以上五項環節的教學流程可用圖2表示。學生通過整個任務的執行，不僅掌握了光偏振的基本概念和運用，還與具體實際應用聯系起來，加深了理解。更重要的是，學生體驗了研究型學習的樂趣，在認知結構、語言、學習態度和方法等各個層面都會有不同程度的提升。

四、總結

南京大學電子科學與工程學院的教師針對工科《大學物理》大課堂教學嘗試了改革，作為小課堂翻轉教學模式的平行試點。教師改變傳統的以公式推導為主的教學方式，轉向以問題為導向的PBL教學方案，還原人們探索問題、追求真諦的本來邏輯。教學實踐以激發學生學習興趣為先導，以解決實際問題為根本，引導學生培養研究型學習的能力、發展創造性思維，不斷增強學生的知識自信、思維自信和語言自信。教師將根據全國教育大會精神，進一步探索和嘗試更優化的改革方案，以適應現代社會對人才培養的需求。

參考文獻：

[1]朱延技，葉善專，殷實.具有典型示范意義的課程網絡教學平臺——葉善專大學物理工作室的研制[J].物理與工程，2007，17（6）：49-51，59.

[2]霍劍青，王曉蒲，湯家駿，等.分層次的物理實驗教學研究[J].實驗室研究與探索，2009，28（4）：232-235.

[3]霍劍青，王曉蒲.大學物理仿真實驗2.0 for windows[M].北京：中國科學技術大學出版社，1999.

[4]涂成厚，張立彬.美國著名高校物理教育模式與特色分析及其借鑒意義探討[EB/OL].《上海物理教育》綠色學習網，2011-06-22.

[5]王自強，康琳，張麗敏.南京大學：以學習小組的形式進行翻轉課堂[J].中國教育網絡，2015，（5）：58-59.

[6]李遠康，鈔秋玲.世界一流大學的本科教學是怎樣的？[R].西安交通大學發展研究報告：42-47.

[7]Edens，Kellah M.Preparing problem solvers for the 21stcentury through problem-based learning.Col Teach，2000，（48）：55-60.