遞進(jìn)式問題鏈驅(qū)動的大學(xué)物理教學(xué)改革探索*
——以光的偏振為例

韓育宏 丁文革 張榮香 何壽杰 王淑芳(河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 河北 保定 071002)

1 引言

大學(xué)物理是高校理工科專業(yè)的一門通識性必修基礎(chǔ)課，在為學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)必要的物理基礎(chǔ)，領(lǐng)悟和掌握處理物理問題的思想和方法，增強(qiáng)邏輯推理及發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力，培養(yǎng)探索精神、創(chuàng)新思維和科學(xué)精神，進(jìn)而樹立正確的世界觀、價值觀和人生觀等方面，都具有其他課程不可替代的重要作用[1].以往的教學(xué)通常以教師的教為主，教學(xué)內(nèi)容一般為教材的基本理論知識，缺乏實際應(yīng)用、科技前沿和思政元素，學(xué)生的課堂參與度比較低，自主學(xué)習(xí)能力欠缺，能夠掌握基本知識但能力培養(yǎng)和價值塑造不足.為提高課程和人才培養(yǎng)質(zhì)量，2019年教育部發(fā)布《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見》，要求提高課程的高階性、突出創(chuàng)新性和增加挑戰(zhàn)度.這就要求教師轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，以學(xué)生發(fā)展為中心，提升課程內(nèi)容的廣度和深度，通過教學(xué)改革和創(chuàng)新持續(xù)提高教學(xué)質(zhì)量，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生積極思考和探究，培養(yǎng)科學(xué)探索精神及創(chuàng)新能力[2].

如何實現(xiàn)以學(xué)生發(fā)展為中心呢？1969年加拿大麥克馬斯特大學(xué)的Barrows教授首創(chuàng)以問題為導(dǎo)向的教學(xué)方法PBL(Problem-Based Learning)，即以學(xué)生為中心的教育方式，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生的主動學(xué)習(xí)為主，而不是以教師講授為主.PBL將學(xué)習(xí)與問題掛鉤，使學(xué)習(xí)者投入于問題中，在問題的探究中掌握隱含的科學(xué)知識.問題導(dǎo)向教學(xué)法的精髓在于發(fā)揮問題對學(xué)習(xí)過程的指導(dǎo)作用，而遞進(jìn)式問題鏈，是根據(jù)事物之間的內(nèi)在聯(lián)系提出一系列由淺入深的問題[3].大學(xué)物理課程的教學(xué)內(nèi)容與自然現(xiàn)象、生產(chǎn)生活、科學(xué)前沿等密切聯(lián)系，適宜在基本知識的基礎(chǔ)上設(shè)計逐步深入的一系列問題.因此，我們結(jié)合大學(xué)物理的課程特點和一流課程建設(shè)的要求，構(gòu)建了遞進(jìn)式問題鏈教學(xué)方法，即以學(xué)生發(fā)展為中心，以教材內(nèi)容為核心，通過設(shè)置遞進(jìn)問題鏈驅(qū)動課堂教學(xué)，逐步升華教學(xué)過程.由淺入深、環(huán)環(huán)相扣的問題能夠驅(qū)動學(xué)生深入思考，引導(dǎo)學(xué)生的思維向知識的深度和廣度發(fā)展，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生合作探究和解決問題的能力，同時提升科學(xué)素養(yǎng).本文以光的偏振一節(jié)為例，探討一流課程建設(shè)背景下遞進(jìn)式問題鏈教學(xué)法在大學(xué)物理課堂的應(yīng)用.

2 教學(xué)內(nèi)容的分析和教學(xué)目標(biāo)的確立

要構(gòu)建適宜的遞進(jìn)式問題鏈，首先需要分析教學(xué)內(nèi)容并確立教學(xué)目標(biāo)，精心進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，并在教學(xué)過程中檢驗學(xué)習(xí)成效.

光的偏振是大學(xué)物理光學(xué)部分的重要內(nèi)容，結(jié)合理工科專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)和一流課程建設(shè)要求，確立了知識、能力和素質(zhì)3方面的教學(xué)目標(biāo).知識目標(biāo)為能夠鑒別常見光的偏振態(tài)，利用馬呂斯定律求解光強(qiáng)，用布儒斯特定律確定界面反射光的起偏角.能力目標(biāo)為通過光波與繩波的對比領(lǐng)會類比推理的思維方式，能夠?qū)⑵裰R與實際應(yīng)用相聯(lián)系，分析立體電影、攝影攝像、智能手機(jī)屏幕等問題中偏振的具體應(yīng)用.素質(zhì)目標(biāo)為通過偏振片的研發(fā)過程和相關(guān)進(jìn)展激發(fā)家國情懷，培養(yǎng)探索精神、創(chuàng)新精神和科學(xué)精神.

3 遞進(jìn)式問題鏈教學(xué)法的應(yīng)用

遞進(jìn)式問題鏈教學(xué)法包括課前、課中和課后3個教學(xué)環(huán)節(jié)，借助信息化教學(xué)手段，依托超星學(xué)習(xí)通平臺，采用混合式教學(xué)方法.整體教學(xué)流程如圖1所示.

圖1 遞進(jìn)式問題鏈驅(qū)動的整體教學(xué)流程

3.1 課前準(zhǔn)備

課前借助超星學(xué)習(xí)通平臺，教師發(fā)送文字、視頻、網(wǎng)頁等學(xué)習(xí)資料，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，同時布置預(yù)習(xí)和自測題，追蹤了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況，及時發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)難點進(jìn)而給予引導(dǎo)和調(diào)整教學(xué)設(shè)計，以便在課堂上更有針對性地開展教學(xué).這種線上線下結(jié)合的教學(xué)方式可以加強(qiáng)師生之間的互動，使學(xué)生主動學(xué)習(xí)和思考[4].

3.2 課中實施

課中強(qiáng)化教師引導(dǎo)和學(xué)生主體，以遞進(jìn)式問題鏈驅(qū)動教學(xué)活動，啟發(fā)學(xué)生深入思考，并設(shè)置小組討論，發(fā)揮師生雙方的主觀能動性，形成師生和生生之間思考、交流、討論、分享和相互促進(jìn)的交互式課堂，全面培養(yǎng)和提高學(xué)生解決問題的能力和科學(xué)素養(yǎng).

3.2.1 創(chuàng)設(shè)問題情境導(dǎo)入課堂

課堂伊始，圍繞光的偏振教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)設(shè)問題情境，使學(xué)生形成問題意識，激發(fā)解決問題的動機(jī)和學(xué)習(xí)興趣.通過演示“乒乓球穿墻而過”的小魔術(shù)(圖2)，即乒乓球可以在一個“中間有黑色隔板”的圓筒內(nèi)自由穿梭，極大地吸引了學(xué)生的注意力，學(xué)生會很好奇，并且提出問題，“乒乓球穿墻的原因是什么？”由此激發(fā)了科學(xué)探究的欲望，同時活躍了課堂氛圍.

圖2 “穿墻術(shù)”魔術(shù)

3.2.2 引導(dǎo)思考基本理論問題

物理知識的學(xué)習(xí)中需要不斷地提出問題，使學(xué)生在思索和解決問題的過程中加以內(nèi)化.通過回顧橫波的特性和列舉繩波的特例，提出問題，“光與繩波有何不同？怎樣驗證？”在光波與繩波偏振現(xiàn)象的類比中，認(rèn)識光的偏振性，同時穿插介紹偏振材料的發(fā)現(xiàn)和偏振片的發(fā)明，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和創(chuàng)新意識，在此基礎(chǔ)上引出光的3種常見偏振態(tài).在講解自然光時提出思考問題，“讓強(qiáng)度I0的自然光通過一塊偏振片，轉(zhuǎn)動偏振片時，透射光強(qiáng)如何？”在講解線偏振光時提出問題，“如何獲得線偏振光？”之后繼續(xù)提出問題，“線偏振光通過一塊偏振片，轉(zhuǎn)動偏振片時，透射光強(qiáng)如何變化？”從而引入馬呂斯定律，進(jìn)一步提出問題，“在正交的偏振片之間，插入第三塊偏振片，是否有光透出？”在講解部分偏振光時提出問題，“部分偏振光通過一塊偏振片，轉(zhuǎn)動偏振片時，透射光強(qiáng)如何變化？”一個個問題環(huán)環(huán)相扣，學(xué)生不僅掌握了物理知識，而且鍛煉了思考解決問題的能力.

3.2.3 解決生產(chǎn)生活實際問題

從生產(chǎn)生活中提煉物理問題，讓學(xué)生基于新知識，通過獨立思考或者小組討論的方式加以解決，體驗學(xué)以致用的快感.講授線偏振光時，提出問題，“3D立體電影是如何拍攝的？為什么人們只有戴上特制的眼鏡觀看時，才會有身臨其境的感覺？”講授反射和折射光的偏振時，提出問題，“拍攝櫥窗里的景物，如何才能消除反光使拍攝的畫面清晰可見？”和“炙熱的夏天，汽車司機(jī)在強(qiáng)烈陽光照射的馬路上駕車行駛時，為何戴上一副偏振太陽鏡？透振方向如何？”物理知識與實際問題相關(guān)聯(lián)，課堂變得有趣，學(xué)生變得樂學(xué).

3.2.4 引入科技前沿?zé)狳c問題

課程的講授還需要關(guān)注科技前沿，學(xué)生了解偏振知識和應(yīng)用之后，提出當(dāng)前電子產(chǎn)品領(lǐng)域的一個熱點問題，“如何降低電子屏幕的能耗，延長智能手機(jī)電池的使用壽命？”教師啟發(fā)學(xué)生思考后，引入2019年的研究報道，“英國倫敦帝國理工學(xué)院的科研人員利用偏振光使有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)屏幕功耗降低一倍，使手機(jī)屏幕更亮并延長智能手機(jī)使用壽命.”之后，通過問題“我國國產(chǎn)手機(jī)在OLED屏幕顯示方面的研發(fā)情況如何？”，介紹華為公司為打破我國OLED屏幕芯片95%需要進(jìn)口的局面，2018年開始潛心研發(fā)而在2020年獲得成功，使未來國內(nèi)屏幕產(chǎn)業(yè)有望實現(xiàn)完全國產(chǎn)化.科技前沿的介紹使學(xué)生了解偏振理論在現(xiàn)代科技發(fā)展中的應(yīng)用，意識到科學(xué)研究的必要性和重要性，同時激發(fā)了愛國情感、自主創(chuàng)新意識和科技強(qiáng)國的使命擔(dān)當(dāng).

3.2.5 學(xué)習(xí)通平臺輔助教學(xué)測評

課堂最后利用學(xué)習(xí)通便捷學(xué)習(xí)效果的測評和教學(xué)數(shù)據(jù)的反饋統(tǒng)計，如發(fā)布隨堂練習(xí)，考查學(xué)生對馬呂斯定律求解光強(qiáng)、反射光偏振性質(zhì)等知識點的掌握程度，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果對錯誤的學(xué)生重點關(guān)注.發(fā)布主題討論，考查學(xué)生對偏振的認(rèn)識和理解，結(jié)果如圖3所示，表明學(xué)生理解情況良好，光的偏振現(xiàn)象說明光是橫波.學(xué)習(xí)通平臺使測評結(jié)果一目了然，方便教師了解學(xué)生的掌握程度，同時也體現(xiàn)了對學(xué)生的過程性評價.

圖3 學(xué)習(xí)通主題討論的詞云

3.3 課后提升

教師布置課后任務(wù)，在學(xué)習(xí)通平臺發(fā)布，組織教師評價、學(xué)生自評和互評，測評教學(xué)效果，同時讓學(xué)生了解自己的綜合表現(xiàn)，督促自我提升.物理學(xué)內(nèi)容廣泛深刻，課后作業(yè)中除了常規(guī)的客觀題和分析計算題之外，還有高階性挑戰(zhàn)性作業(yè)，讓學(xué)生通過查閱資料、文獻(xiàn)和小組討論共同完成.如“利用偏振片觀察各種光并鑒定偏振態(tài)，設(shè)計并實施實驗驗證偏振現(xiàn)象.”和“查閱關(guān)于LCD和OLED兩種手機(jī)屏幕的資料，了解二者的基本構(gòu)造和顯示原理，從光能有效利用的角度比較二者的差異，分析目前OLED手機(jī)屏能源效率低的原因.”挑戰(zhàn)性和高階性問題的設(shè)置，能使學(xué)生經(jīng)歷頭腦風(fēng)暴和思維碰撞，達(dá)到深度思考和學(xué)習(xí)的目的，鍛煉由已知探索未知的能力，綜合素質(zhì)得到提升.

4 遞進(jìn)式問題鏈教學(xué)法的反思

好的問題，如同水中投石，能打破學(xué)生頭腦里的平靜，使其思維始終保持在一種活躍的狀態(tài).因此，教師在教學(xué)過程中設(shè)計一個合理的問題系統(tǒng)是非常重要且必要的，由簡到難，由淺入深，由單一到綜合，系統(tǒng)涵蓋知識體系[5].與以教為主的傳統(tǒng)課堂相比，“光的偏振”教學(xué)中使用環(huán)環(huán)相扣、層層遞進(jìn)的問題鏈來驅(qū)動，具有更好的教學(xué)效果，既促進(jìn)學(xué)生理解和掌握偏振的基本知識，又培養(yǎng)了學(xué)生解決問題的能力和思辨能力，拓展了思維，激發(fā)了創(chuàng)新意識，體現(xiàn)了以學(xué)生發(fā)展為中心、以教師為主導(dǎo)的教學(xué)理念.該方法營造了利用物理知識解決問題的情境，讓學(xué)生解決不同層次的問題，在質(zhì)疑、分析和解答中獲得學(xué)習(xí)的成功和喜悅，可以有效提高課堂效率.實踐表明，學(xué)生課堂參與度明顯提高，超過90%的學(xué)生對該方法表示認(rèn)同，既容易掌握所學(xué)知識，自身能力和素質(zhì)又得到有效提升.

在遞進(jìn)式問題鏈驅(qū)動課堂教學(xué)中的一個突出難題是問題鏈的設(shè)計，如何依據(jù)教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)，設(shè)計促進(jìn)思維發(fā)展和能力提升的問題鏈？設(shè)計出來的問題鏈?zhǔn)欠窠?jīng)得起推敲？有待于不同的課程進(jìn)一步深入探索和實踐.

5 結(jié)論

遞進(jìn)式問題鏈驅(qū)動大學(xué)物理課堂教學(xué)的過程，也是問題的探究過程，在該過程中，學(xué)生不僅掌握了物理知識體系，而且探究式學(xué)習(xí)習(xí)慣和解決實際問題的能力得到培養(yǎng)，學(xué)科素養(yǎng)得到升華，課程教學(xué)效果得到改善.遞進(jìn)式問題鏈教學(xué)法使課程內(nèi)容有廣度、深度和創(chuàng)新性，使學(xué)習(xí)具有挑戰(zhàn)度，滿足兩性一度的一流課程建設(shè)要求，有利于學(xué)生綜合能力和素養(yǎng)的提升.教師在設(shè)計問題鏈時，需要注意問題之間的合理銜接，避免梯度太大；問題的提出要給出學(xué)生思考探索的方向，但又不能太具體而形成固定的思維，要給學(xué)生預(yù)留自由發(fā)表看法的空間；整個問題鏈要有助于學(xué)生形成完整的知識體系，也要有利于學(xué)生思維的獨立和深度發(fā)展.