理工科公共基礎課中PBL嵌入式教學模式的應用*
——以大學物理課程為例

張蓮蓮 陳肖慧 公衛江

(東北大學理學院 遼寧 沈陽 110819)

Problem-Based Learning簡稱PBL是從多種基于問題的學習研究理論中抽象出的一種教育模式．PBL教學法源于20世紀70年代的北美及歐洲地區，主要在臨床醫學、工程技術等領域加以應用[1-2]．PBL教學模式以問題為導向，以小組為單位，強調團隊合作和學科交叉，學習者主動參與和自行管理，教師起引導和推進作用[3]．由于PBL 模式在人才培養質量方面的顯著成效，被眾多高校廣泛使用， 例如，丹麥的羅斯基勒大學、奧爾堡大學，荷蘭的馬斯特里赫特大學，德國的不來梅大學、多特蒙德工業大學等，被譽為教育領域“最引人注目的革新”[4]．

物理學是研究物質世界基本運動規律和基本結構的自然科學，而大學物理是高等院校理工科學生最重要的公共基礎課程之一，其學科特點使得結合PBL教學模式開展教學改革以提高學生學習質量成為可能．

1 理工科公共基礎課——大學物理教學現狀

作為理工科專業的一門重要公共基礎課，大學物理既包含自然科學，又涉及現代工程技術，是學生在大學里接觸到的第一門與科學研究密切關聯的課程．物理中的科學研究思想、方法有利于引導和激發學生對科研萌生興趣，對學生后續專業的選擇和今后努力的方向產生良性影響．物理學家愛因斯坦說過，教育的首要目標永遠是獨立思考和判斷，而非特定的知識，最重要的教育手段是鼓勵學生采取行動．在大學物理課程教學中，讓學生學會自主學習，將學習活動拓展到思考、研究和歸納，即參與更深入的學習，從而具有獨立思考和科學研究能力，這遠比考高分重要得多．

然而，在實際的教學過程中，深切地感受到學生在學習大學物理或者其他的公共基礎課時，仍舊保留中學的學習習慣．例如，只會被動聽講、機械記憶，愿意多做習題，不愿意做拓展課題等等．學生只注重知識點的掌握，卻忽視了知識的轉化和實踐應用；學生過分強調了課程成績，卻忽視了學習此門課程能夠提升的個人能力．長此以往，學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．最終導致了知識內容學過就忘，在腦子里不留痕跡，更談不上理論聯系實際，知識應用轉化了．

如何讓學生轉變固有的學習模式，學會自主學習，多進行獨立思考，學會團隊協作，培養“提出問題，分析問題和解決問題”的能力是理工科公共基礎課教學改革的首要目標．此項工作的重要性不言而喻，但實施起來確有一定難度.以上所提及的多項學習能力是需要不斷強化和反復訓練的，因此在學生一、二年級時采用較為先進的教學模式，提高學生培養質量是公共基礎課教師義不容辭的責任．近年來，在世界許多大學的實踐和研究表明，PBL在增強學生的自主學習能力、專業技能、團隊協作能力和創新能力等方面發揮了巨大的作用[5]．因此，PBL教學模式在公共基礎課程上的引入和推進就顯得尤為重要．

根據PBL在各大高校中的廣泛應用模式，可以將其分為三類：嵌入式、混合式和整體應用式．PBL嵌入式較其他兩種應用模式更適合大學低年級基礎課程的教學改革，從某一門課程著手，通過引入PBL問題，幫助和引導學生探索真實情境和學科知識之間的結合點，激發學生的專業興趣，構建專業基礎[6-7]．這種教學模式在培養學生科學思維方式與科學素養、工程能力與工程素養方面起到引領性作用，應加以大力倡導．

2 PBL嵌入式教學模式在大學物理中的具體應用

2.1 基于PBL的課程設計

2.1.1 導向性問題設計

在大學物理課程中應用PBL嵌入式教學模式，首先需要精心設計導向問題．好奇心是學生學習探究的原動力，而有趣的問題是激發好奇心的本源．既要激起學生的好奇心，充分發揮學生的想象力，又要確保在學生知識水平之內，完成教學目標達成的特定方面，而避免造成過于簡單或者特別復雜的極端情況．因此，精心設計與知識點的理解和應用相關聯的問題，把握好導向問題的度是PBL教學法得以順利實施的關鍵．根據研究對象以及需要解決的問題縮小范圍，進行情境化分析，最后完整表述一個實際的問題．根據上述步驟可以引導學生科學地提出研究問題，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．

在大學物理課程中，按模塊設定課題，每個課題涉及數學、物理等課程的內容．按照教學進度，不同教學周次給出同一主題下的多個題目．學生自行選擇特定主題中的某一問題，這些問題將學科與專業實踐聯系起來，以論文撰寫或者PPT口頭展示為學習成果體現方式．以學生自愿組成的研究小組為單位，根據選定題目，小組內學生進行討論和分析．小組討論后分配成員的具體任務，并且小組成員要給出階段性進展匯報．研究小組自行組織實施項目進展，教師從總體上對各個研究小組進行教學管理和監督．

2.1.2 教學環節設計

PBL嵌入式教學模式以問題為導向，以小組為單位，讓學生開展調研、探究，致力于用創新的方法解決問題，從而在經歷和體驗中掌握新知識并獲取新技能．改變了傳統公共基礎課上學生“當觀眾，事不關己”的被動狀態，突出了教學中學生的主體地位，鼓勵學生之間，學生與老師之間，共同探討解決課程學習相關的理論或實踐問題，達成更高效的教學互動．

充分利用好教學的3個環節——課前、課中、課后．課前，教師提前發布預習資料，學生以課前預習的方式，分析、回答思考題，查閱、整理相關資料，給出問題的解決方案，從而達到主動學習的目的；課中，學生展示問題解決方案，教師引導提問，學生通過組內討論和組間討論，評選出最優方案，從而深入理解課程的內容，通過思考題實現理論應用于實踐的過程；課后，教師推送課后復習題，輔助學生解決課上遺留問題，學生完成并上交復習題和思考題最終解決方案，教師對學生作業和方案進行點評，同時對學生學習數據進行分析總結，作為教學調整的有效依據，教學流程圖如圖1所示.

圖1 基于PBL嵌入式教學模式的大學物理教學流程圖

2.2 PBL嵌入式教學模式實施過程

為了充分發揮PBL嵌入式教學模式的優勢，同時有效結合線上線下混合式教學，努力探索更適于理工科專業學生的教學活動，將教學策略設計成“自主學習、教學交互、團隊協作”3個步驟．

2.2.1 自主學習

基于PBL“以問題為導向”為特點，設計了“你知道嗎？”為題的線上預習．針對教學內容進行線上預習指導，將本節課教學目的、要求，教學重點、難點，處理方法以及作業、思考題等預習內容設計出指導框架，以提出疑問，引起好奇的思維引導方法，通過雨課堂和大物QQ學習群發布學習公告，使學生對課程內容有清晰的學習脈絡，并在預習及學習過程中了解自己掌握的程度．以大學物理——波動為例，教師為學生提供了引導式的學習幫助，具體如下.

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

(2)當你撥動古箏或是提琴上的弦，仔細觀察會發現一種特殊的相干現象——駐波，你能描述駐波的特點嗎？駐波與行波有何不同之處呢？

(3)高速公路上的測速儀、醫院的B超、宇宙膨脹原理都是利用了多普勒效應，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“遠離”又意味著什么呢？

在此過程中，教師作為一名引導者，將生活中與教學內容密切相關的例子以對話的方式提出問題，引發學生去尋求答案，潛移默化中培養他們“有疑可問，有問必探”的習慣和能力．

2.2.2 教學交互

完成第一步的學生，可以通過中國大學MOOC平臺的東北大學大學物理國家精品在線課程，完成波動部分知識內容：“惠更斯原理、波的衍射和干涉”“駐波”“多普勒效應”三部分的學習．并能夠獨立完成單元測試、上交單元作業、同時參與討論區討論．始終強調學生之間、教師與學生之間以及學生與平臺之間的教學交互，因為高效率的交互能夠促進學生在學習上的情感投入并增強對知識的理解，提高學習效率．在此過程中，教師作為一名指導者，通過與學生的在線交互，及時答疑，糾正學習中的偏差，不斷發現學生自主學習中的閃光點．同時，對暫時落后的學生悉心指導，并給予正向激勵，讓他們盡快趕上．學生在交互過程中，學習了交流與合作的技巧，發展了求同存異的思維和能力．

2.2.3 團隊協作

完成以上的學習活動后，教師從生活、科研等不同領域發現并提出具有挑戰性同時也是學生們感興趣的問題，讓學生以小組的形式圍繞與課程相關的問題進行思考和研究討論．在解決實際應用問題中，學生會遇到尚未學習過的新知識，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，教師將轉變主導身份，告訴學生遇到問題時，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、去研究，為學生“動手學”保駕護航．

2.2.4 教學案例“多普勒效應”

“多普勒效應演示視頻”是學生在獨立思考和研究方面比較成功的案例．為了讓學生更深入地了解多普勒效應的原理和應用，培養學生學會如何將科學知識應用到實踐中去，從科學探究的角度出發，為學生設計了一個實踐教學環節——拍攝多普勒效應演示視頻．由于大班授課，人數較多，所以采用了學生自愿參加，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的演示視頻．具體要求：視頻內容包含多普勒效應演示及科學解釋；內容必須是原創，必須有組內成員出鏡；時間3～5 min，拍攝地點不限；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 發給教師，經審核通過后在課上播放．由同學投票評出最佳創意獎(3個)、最佳團隊獎(3個)、最佳效果獎(3個)．評選出的最佳視頻在中國大學MOOC平臺東北大學大學物理課程上進行展播．

學生課題小組從校園生活中發現多普勒現象，收集并選取相關信息，設計拍攝方案，深入研究多普勒效應的物理本質，并將實際現象中的情況與設計中的理想情況進行對比，分析出未達到預想效果的主要原因，與教師討論后，對演示裝置進行合理改良得到較好的拍攝效果．學生的創新精神、團隊協作、實踐能力均得到了很大提高．圖2是對PBL教學模式和傳統教師講授模式下學生完成相關教學活動的數據對比，選取材料專業4個班共120人為案例調查對象．

圖2 PBL教學模式與教師講授模式教學活動完成度對比

2.3 PBL嵌入式教學模式應用效果

通過PBL嵌入式教學改革的不斷嘗試和實踐，充分利用信息技術，采用線上線下混合式教學手段，使學生對物理學的概念、模型、規律的建立過程有明晰、正確的理解，熟悉并掌握物理學的思維方法，對物理學研究的各種運動形式以及它們之間的聯系有比較全面和系統的認識，具有較強的應用能力，達到對學生科學發現意識、科學思維方法和科學鉆研素養的培養，增強學生自主學習、深入學習和終生學習的能力．正如學生所說的，以前覺得學物理就是刷題，完全和實際生活聯系不上，通過模塊課題展示和團隊協作，讓我對大學物理有了新的認識……自己思考和研究的過程對我幫助很大，對知識內容理解深刻……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……這樣的學習一步步引導我思考、想辦法解決問題，能夠親自動手完成拍攝，很有成就感……一開始不習慣自主學習的方式，經過幾次鍛煉，現在覺得自學能力提升了不少，對其他科目的學習也有幫助……

同時，參考丹麥奧爾堡大學實施PBL的教學評價標準，進行了120名學生的調查問卷，具體數據如表1所示，柱狀圖如圖3所示.

表1 PBL嵌入式教學對知識掌握和能力提升的重要程度

圖3 PBL嵌入式教學對知識掌握和能力提升的重要程度柱狀圖

在開展以PBL教學模式為主導的教學活動中，智慧教室的使用也讓教學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習數據比較，可以看出學生對這種教學模式具有較高的接受程度．圖4給出了我校材料專業4個班學生(分成2組)利用智慧教室和普通多媒體教室開展以PBL教學法為指導，以混合式教學為載體的2個學時(100 min)教學活動，學生完成相關教學活動的數據對比．

圖4 智慧教室與多媒體教室課堂教學效果對比圖

PBL教學模式充分調動了學生學習的積極性和主動性，課堂上學生積極發言，參與討論，認真展示小組成果．課前、課中、課后，師生交互、生生交互，效果顯著．學生能夠在解決“問題”中對所學知識進行實際應用，培養了獨立思考和創新思維，自主學習能力大幅度提高．

綜上所述，在理工科公共基礎課——大學物理課程開展PBL嵌入式教學模式積極推進學生學習效率研究和教學改革實踐，通過學習數據和學生反饋，充分證實了PBL教學法的有效性及普適性．在實施PBL教學模式的過程中，以學生為教學主體，教師為教學輔助．把握好導向問題的度，設計出符合學生認知規律的問題，激發學生好奇心，引導學生深入學習．依據信息化教學平臺提供的學習數據，持續優化教學的各個環節，給出完整的教學過程評價，從而能夠不斷提升學生的學習成效，將學生培養成為專業基礎扎實、創新實踐能力強的復合型人才．