PBL教學(xué)法在大學(xué)物理線上教學(xué)中的探索與實(shí)踐*

吳海娜 公衛(wèi)江 易光宇

(東北大學(xué)理學(xué)院 遼寧 沈陽 110819)

在黨中央、國(guó)務(wù)院和教育部關(guān)于應(yīng)對(duì)新冠肺炎疫情防控工作的系列文件與通知精神指導(dǎo)下，為做好疫情防控期間在線教育教學(xué)的有效開展，保證“停課不停教不停學(xué)”，化危機(jī)為動(dòng)力，我校積極開展在線教育教學(xué)的改革．為達(dá)到高等教育對(duì)培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型人才的目標(biāo)，基于課程來培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題、發(fā)現(xiàn)問題并提出問題的創(chuàng)新能力，是基礎(chǔ)教學(xué)的主要教育目標(biāo)．大學(xué)物理課程注重物理學(xué)基礎(chǔ)理論體系化、分析解決問題能力的訓(xùn)練，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和創(chuàng)新能力的重要公共基礎(chǔ)課程．現(xiàn)實(shí)情況是任課教師在大學(xué)物理課堂教學(xué)上付出了很大的心血，例如，如何精心設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容、深入淺出地完整詳述大學(xué)物理課程基本知識(shí)點(diǎn)等，大部分學(xué)生并未養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，如堅(jiān)持課前預(yù)習(xí)等，由于課時(shí)短缺，課上教師不得不依舊花費(fèi)相當(dāng)多的時(shí)間以講座形式講解重要知識(shí)點(diǎn)，部分學(xué)生被動(dòng)地聽課，缺乏學(xué)習(xí)的主動(dòng)性．上述情形在大多數(shù)高校里普遍存在．

如何在有限的時(shí)間內(nèi)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性并提升教學(xué)成效將成為當(dāng)今教育改革所關(guān)注的焦點(diǎn)．PBL(Problem-Based Learning，基于問題的學(xué)習(xí))以及積極學(xué)習(xí)方法的應(yīng)用，在全球不同的學(xué)術(shù)領(lǐng)域里成功使用，在醫(yī)學(xué)研究和工程領(lǐng)域最為突出，在護(hù)理、牙科、藥學(xué)、科學(xué)、數(shù)學(xué)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、商業(yè)、文化研究和語言等方面也很出色，已成為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的答案之一[1～4]．

筆者于2019年被東北大學(xué)公派赴丹麥奧爾堡大學(xué)聯(lián)合國(guó)教科文組織中心參加為期半年的PBL培訓(xùn)項(xiàng)目，親歷了這所在1974年建校之初就秉持的PBL教育模式在一個(gè)完整學(xué)期內(nèi)的規(guī)劃、組織、實(shí)施和評(píng)價(jià)過程．本文介紹在2019-2020學(xué)年春季學(xué)期的大學(xué)物理公共基礎(chǔ)課程的線上教學(xué)中探索實(shí)施PBL教學(xué)法來提高學(xué)生學(xué)習(xí)成效，借助雨課堂智慧教學(xué)工具的真實(shí)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，為探索有效提升學(xué)生學(xué)習(xí)成效提供有價(jià)值的參考和科學(xué)依據(jù)．

1 線上大學(xué)物理教學(xué)的PBL教學(xué)法設(shè)計(jì)

PBL教學(xué)法最早于20世紀(jì)70年代發(fā)源于北美以及歐洲，最初主要應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)和工程領(lǐng)域，通過問題驅(qū)動(dòng)對(duì)知識(shí)的搜索，幫助學(xué)生分析其可能性并解決實(shí)際問題．約翰·比格斯(John Biggs)教授明確指出：“ PBL反映了人們?cè)诂F(xiàn)實(shí)生活中的學(xué)習(xí)方式；他們只是繼續(xù)用可用的資源來解決擺在他們面前的問題”[5]．任何固定課程的學(xué)習(xí)時(shí)間都是有限的，因此當(dāng)PBL中的學(xué)生進(jìn)行小組討論，獨(dú)立搜索信息，互相教時(shí)，用在此類活動(dòng)上的時(shí)間是從傳統(tǒng)環(huán)境中教師用來“覆蓋”學(xué)科知識(shí)的時(shí)間中抽出的．

眾所周知，物理學(xué)是一門理論和實(shí)驗(yàn)高度結(jié)合的基礎(chǔ)自然科學(xué)，也是一套最全面有效的科學(xué)方法論．物理學(xué)的概念、原理和方法不僅被廣泛應(yīng)用到化學(xué)、生命科學(xué)等其他自然科學(xué)中去，也被應(yīng)用到經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)等社會(huì)科學(xué)中去，是20世紀(jì)以來最重要的科技原動(dòng)力，也是大學(xué)生科學(xué)素質(zhì)教育的基礎(chǔ)學(xué)科，而大學(xué)物理課程是高校理工科學(xué)生最重要的基礎(chǔ)課程，這門課的學(xué)科特點(diǎn)使得結(jié)合PBL教學(xué)法來進(jìn)行線上教學(xué)提高學(xué)生成效的教學(xué)改革探索成為可能[6]．

與傳統(tǒng)的課堂教學(xué)相比，日常的教學(xué)要素發(fā)生了變化，教室里教師可以隨時(shí)讀取學(xué)生的面部表情來及時(shí)調(diào)整教學(xué)進(jìn)度，學(xué)生之間可以隨時(shí)相互交流．而在線教學(xué)中師生是遠(yuǎn)程、異地和分散的，缺乏真實(shí)課堂環(huán)境的約束，學(xué)生更容易分神．但在線教學(xué)也有其優(yōu)勢(shì)，尤其是輔以雨課堂這樣的“教學(xué)神器”，數(shù)字空間的特性使得線上的學(xué)生都坐在教室的“第一排”，看得清課件，可以隨時(shí)向教師提問，及時(shí)提交課堂練習(xí)并得到反饋．教學(xué)互動(dòng)是提高教學(xué)效果的利器之一，教師精心設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，由知識(shí)的單向傳授者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者、參與者和合作者．

問題是學(xué)習(xí)的起點(diǎn)，在課前、課上和課后精心設(shè)計(jì)與知識(shí)點(diǎn)的理解和應(yīng)用相關(guān)的問題是PBL教學(xué)法的關(guān)鍵．在大學(xué)物理線上教學(xué)設(shè)計(jì)中，首先，限制主題，使學(xué)生專注于教學(xué)目標(biāo)達(dá)成的特定方面，并確保在學(xué)生先驗(yàn)知識(shí)水平之內(nèi)，過于廣泛和復(fù)雜的問題會(huì)使學(xué)生不知所措．其次，提供5W1H模型的概念化引導(dǎo)，主題、原因、誰、地點(diǎn)、時(shí)間和如何．再次，根據(jù)研究對(duì)象及需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．

2 線上大學(xué)物理課程的PBL教學(xué)法實(shí)施過程

2.1 學(xué)情分析

學(xué)生本質(zhì)上是很愛學(xué)習(xí)的，關(guān)鍵是教師如何去引導(dǎo)，不少學(xué)生反映在疫情期間頭一次這么迫切地想去學(xué)校上學(xué)．絕大多數(shù)學(xué)生具有愿意嘗試新鮮事物及接受挑戰(zhàn)的精神，期望通過自己的努力去鍛煉能力．在這種背景下，采用PBL有助于實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)大學(xué)教育及課程學(xué)習(xí)目標(biāo)的期待．

在直播課前建立的QQ課程群里，學(xué)生們積極嘗試各種在線直播平臺(tái)軟件．在眾多平臺(tái)中，雨課堂無需學(xué)生下載任何APP，只需手機(jī)微信關(guān)注雨課堂即可進(jìn)入相應(yīng)的班級(jí)．雨課堂具有學(xué)生隨時(shí)接收到教師推送到手機(jī)微信的各類學(xué)習(xí)通告及預(yù)習(xí)資料等特點(diǎn)，深受學(xué)生的歡迎．

為了更好地了解學(xué)生的物理基礎(chǔ)，通過雨課堂投票功能對(duì)154位學(xué)生發(fā)放問卷，統(tǒng)計(jì)上課班級(jí)的學(xué)生高中時(shí)已學(xué)過哪些物理內(nèi)容，如圖1所示．縱坐標(biāo)為人數(shù)，橫坐標(biāo)為物理內(nèi)容.

圖1 學(xué)生在高中時(shí)已學(xué)過的物理內(nèi)容

從圖1可以看出，僅有1位學(xué)生高中時(shí)未學(xué)物理，對(duì)本學(xué)期需要學(xué)習(xí)的力學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)內(nèi)容，近120人已在高中學(xué)過．

村里的宅門大多是老木頭的，門上有銅鎖釘，銅鎖環(huán)，也是老的。門開著，站在門口，聽到屋里有說笑聲，進(jìn)屋后又看不見人——原來是電視機(jī)開著，屏幕里坐著幾位名星，說笑聲是他們的。

2.2 基于PBL教學(xué)法的在線教學(xué)過程實(shí)施

PBL教學(xué)模式的基本特征是以問題為導(dǎo)向，強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)合作和學(xué)科交叉，學(xué)生主動(dòng)參與和自行管理，教師起引導(dǎo)和推進(jìn)作用．當(dāng)前學(xué)生在家線上學(xué)習(xí)的情形下，PBL可以結(jié)合雨課堂及多種在線溝通工具來發(fā)揮優(yōu)勢(shì)．

大學(xué)物理課程已有多門優(yōu)質(zhì)的慕課資源，因此直播與慕課的區(qū)別在于直播時(shí)的教學(xué)交互，通過設(shè)計(jì)有效的問題，鼓勵(lì)學(xué)生表達(dá)，強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)，引起學(xué)生關(guān)注，實(shí)時(shí)了解學(xué)生掌握情況，學(xué)生也能了解自己的真實(shí)掌握程度；課上適度拋給學(xué)生真實(shí)問題，培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)遷移和應(yīng)用能力．具體實(shí)施過程詳見在線教學(xué)全過程的流程圖(圖2)．

圖2 在線教學(xué)全過程的流程圖

結(jié)合線上學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，在直播課前重新設(shè)計(jì)教學(xué)課件，把原先在傳統(tǒng)課堂上講授的內(nèi)容及現(xiàn)場(chǎng)提問的問題，穿插在線上直播課的電子課件中．教學(xué)設(shè)計(jì)中，一方面要重新規(guī)劃直播課程中教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，利用雨課堂插件以單選題、多選題、投票題或主觀題的方式插入到課件中；另一方面要考慮不同學(xué)習(xí)層次的學(xué)生能力來設(shè)計(jì)有難度差異的題，使得同一班級(jí)的大多數(shù)學(xué)生都能各取所需，達(dá)到一定的教學(xué)效果．

利用雨課堂課前推送預(yù)習(xí)資料，方便學(xué)生異步在線自學(xué)，教師在直播課之前通過雨課堂查看數(shù)據(jù)，及時(shí)了解學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，并對(duì)學(xué)生點(diǎn)擊不懂的內(nèi)容重新設(shè)計(jì)，在課上針對(duì)性地重點(diǎn)講解．

直播課上設(shè)計(jì)預(yù)習(xí)前測(cè)，從學(xué)生的實(shí)際掌握情況出發(fā)，設(shè)計(jì)有效的問題，關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)輔以雨課堂的白板工具來詳細(xì)講解．講解后拋出問題，如圖3所示.限時(shí)答題和集中反饋等，讓學(xué)生在課上“動(dòng)起來”和“忙起來”，在直播過程中學(xué)生還可以隨時(shí)發(fā)彈幕來反映想法，參與到問題的討論中來，如圖4所示．雨課堂還可以將直播課中學(xué)生們發(fā)送的彈幕生成詞云，如圖5所示.把學(xué)生在課堂內(nèi)頭腦風(fēng)暴的內(nèi)容，瞬間以關(guān)鍵詞的形式總結(jié)呈現(xiàn)出來(詞云中詞語字體越大、出現(xiàn)位置越居中，表明該詞語出現(xiàn)的頻率越高；字體越小、出現(xiàn)位置越靠邊，表明該詞語出現(xiàn)的頻率越低．字體顏色沒有統(tǒng)計(jì)意義)．詞云也是大家共同討論的集體結(jié)晶，讓探討結(jié)果一目了然，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與到課堂互動(dòng)中來．

圖3 雨課堂課件問題舉例

圖4 雨課堂彈幕全班學(xué)生實(shí)時(shí)參與課堂討論

圖5 大學(xué)物理課程雨課堂直播彈幕詞云

借助雨課堂的題目推送、投票、投稿、彈幕等交互式的工具，基于PBL教學(xué)法的精心規(guī)劃和設(shè)計(jì)來開展直播課，實(shí)時(shí)提問和實(shí)時(shí)回答機(jī)制既能實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的教與學(xué)，可以保留學(xué)生學(xué)習(xí)全過程的數(shù)據(jù)，方便教師和學(xué)生對(duì)課前、課上和課后整個(gè)學(xué)習(xí)過程的客觀評(píng)價(jià)．

2.3 在線教學(xué)中學(xué)生實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)成效分析

通過上述實(shí)施PBL教學(xué)法的在線教學(xué)中學(xué)生的答題情況，可以分析學(xué)生課上學(xué)習(xí)成效．圖6給出在前8周里學(xué)生課上答題錯(cuò)誤率的統(tǒng)計(jì)，橫坐標(biāo)為題目序號(hào)，縱坐標(biāo)為題目答錯(cuò)人數(shù)與答對(duì)人數(shù)之比．

圖6 學(xué)生線上直播課程中答錯(cuò)人數(shù)與答對(duì)人數(shù)比隨課堂數(shù)變化的曲線

從圖6中可以看出，學(xué)生答題錯(cuò)誤率是起伏波動(dòng)的，每當(dāng)引入一個(gè)新的物理概念后，給學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)推送問題．問題難度從容易到難遞增，重點(diǎn)考查學(xué)生的現(xiàn)場(chǎng)掌握程度．?dāng)?shù)據(jù)顯示當(dāng)問題是陳述性質(zhì)時(shí)，學(xué)生的錯(cuò)誤率較低；當(dāng)問題為辨析或邏輯性較強(qiáng)時(shí)，學(xué)生答題錯(cuò)誤率會(huì)比較高．但經(jīng)過討論、練習(xí)及講解后，學(xué)生錯(cuò)誤率會(huì)明顯下降．圖7給出其中3次在線直播課上學(xué)生實(shí)時(shí)答題答錯(cuò)人數(shù)和答對(duì)人數(shù)之比的曲線，每次課上(每次線上直播課上3段，每段30 min)根據(jù)PBL教學(xué)法設(shè)計(jì)5至6道問題，學(xué)生答題數(shù)據(jù)顯示，隨著問題的漸進(jìn)深入，學(xué)生錯(cuò)誤率上升，再隨著啟發(fā)性重點(diǎn)講解、討論之后，學(xué)生錯(cuò)誤率幾乎都趨于回落．上述數(shù)據(jù)表明PBL教學(xué)法可以有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成效．

圖7 3次在線課程中學(xué)生答錯(cuò)人數(shù)與答對(duì)人數(shù)之比的曲線對(duì)比

3 采用PBL教學(xué)法實(shí)施大學(xué)物理線上教學(xué)的體會(huì)

PBL教學(xué)法的成功實(shí)施離不開教師和學(xué)生雙方面的配合．通過一個(gè)學(xué)期基于PBL教學(xué)法的大學(xué)物理課程線上教學(xué)，更加深刻地體會(huì)到，要想讓學(xué)生達(dá)到更好的學(xué)習(xí)成效，從教師角度來說，教師必須針對(duì)學(xué)生的實(shí)際情況，在教學(xué)設(shè)計(jì)上花費(fèi)更多的心力．如何提前了解學(xué)生的前期物理基礎(chǔ)、如何根據(jù)每次課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)引入思考深度逐層遞增的問題來引導(dǎo)學(xué)生思考及討論，以及如何布置課程結(jié)束前的問題來考查學(xué)生的掌握程度，引發(fā)課后高質(zhì)量的思考等等，都需要全盤考慮并環(huán)環(huán)相扣的教學(xué)全過程．從學(xué)生角度來說，學(xué)生需要做到課前及時(shí)預(yù)習(xí)，帶著問題來上課，課上積極開動(dòng)腦筋，跟上思考步伐并及時(shí)反饋，課后及時(shí)復(fù)習(xí)總結(jié)．只有在師生的共同努力下，才能真正提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成效．

此外，在線教學(xué)過程中遇到的阻礙之一是線上教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)擁堵及學(xué)生網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不佳造成教學(xué)運(yùn)行環(huán)節(jié)不通暢，學(xué)生會(huì)中斷聽講或錯(cuò)過限時(shí)答題，一般結(jié)合其他在線平臺(tái)(騰訊課堂、騰訊會(huì)議或zoom)同步進(jìn)行直播可以解決上述部分問題．阻礙之二是學(xué)生之間的即時(shí)討論不通暢，在線下課堂上，若有小的問題，跟同伴低聲說一下就解決了，但空間隔絕的線上教學(xué)失去了這種便利性．

大學(xué)物理線上教學(xué)過程中實(shí)施PBL教學(xué)法來促進(jìn)學(xué)習(xí)的策略研究及教學(xué)實(shí)踐，證實(shí)了該教學(xué)法的適用性及有效性．基于PBL教學(xué)法，學(xué)生思考為體，引導(dǎo)問題為用，在線教學(xué)過程中精心設(shè)計(jì)符合學(xué)生學(xué)習(xí)認(rèn)知規(guī)律的問題，引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)，依據(jù)雨課堂學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，持續(xù)優(yōu)化問題設(shè)計(jì)，完善教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，呈現(xiàn)教與學(xué)的過程評(píng)價(jià)．希望通過對(duì)教學(xué)實(shí)踐的不斷探索和總結(jié)，能夠最大程度地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)成效，把學(xué)生培養(yǎng)成為具有扎實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)和實(shí)踐能力的創(chuàng)新型復(fù)合人才．