PBL教學法在大學物理線上教學中的探索與實踐*

吳海娜 公衛江 易光宇

(東北大學理學院 遼寧 沈陽 110819)

在黨中央、國務院和教育部關于應對新冠肺炎疫情防控工作的系列文件與通知精神指導下，為做好疫情防控期間在線教育教學的有效開展，保證“停課不停教不停學”，化危機為動力，我校積極開展在線教育教學的改革．為達到高等教育對培養高素質復合型人才的目標，基于課程來培養學生分析問題、解決問題、發現問題并提出問題的創新能力，是基礎教學的主要教育目標．大學物理課程注重物理學基礎理論體系化、分析解決問題能力的訓練，是培養學生科學思維和創新能力的重要公共基礎課程．現實情況是任課教師在大學物理課堂教學上付出了很大的心血，例如，如何精心設計教學內容、深入淺出地完整詳述大學物理課程基本知識點等，大部分學生并未養成良好的學習習慣，如堅持課前預習等，由于課時短缺，課上教師不得不依舊花費相當多的時間以講座形式講解重要知識點，部分學生被動地聽課，缺乏學習的主動性．上述情形在大多數高校里普遍存在．

如何在有限的時間內提高學生的學習主動性并提升教學成效將成為當今教育改革所關注的焦點．PBL(Problem-Based Learning，基于問題的學習)以及積極學習方法的應用，在全球不同的學術領域里成功使用，在醫學研究和工程領域最為突出，在護理、牙科、藥學、科學、數學、信息技術、計算機科學、商業、文化研究和語言等方面也很出色，已成為應對這些挑戰的答案之一[1～4]．

筆者于2019年被東北大學公派赴丹麥奧爾堡大學聯合國教科文組織中心參加為期半年的PBL培訓項目，親歷了這所在1974年建校之初就秉持的PBL教育模式在一個完整學期內的規劃、組織、實施和評價過程．本文介紹在2019-2020學年春季學期的大學物理公共基礎課程的線上教學中探索實施PBL教學法來提高學生學習成效，借助雨課堂智慧教學工具的真實學生學習數據，為探索有效提升學生學習成效提供有價值的參考和科學依據．

1 線上大學物理教學的PBL教學法設計

PBL教學法最早于20世紀70年代發源于北美以及歐洲，最初主要應用于臨床醫學和工程領域，通過問題驅動對知識的搜索，幫助學生分析其可能性并解決實際問題．約翰·比格斯(John Biggs)教授明確指出：“ PBL反映了人們在現實生活中的學習方式；他們只是繼續用可用的資源來解決擺在他們面前的問題”[5]．任何固定課程的學習時間都是有限的，因此當PBL中的學生進行小組討論，獨立搜索信息，互相教時，用在此類活動上的時間是從傳統環境中教師用來“覆蓋”學科知識的時間中抽出的．

眾所周知，物理學是一門理論和實驗高度結合的基礎自然科學，也是一套最全面有效的科學方法論．物理學的概念、原理和方法不僅被廣泛應用到化學、生命科學等其他自然科學中去，也被應用到經濟學、社會學等社會科學中去，是20世紀以來最重要的科技原動力，也是大學生科學素質教育的基礎學科，而大學物理課程是高校理工科學生最重要的基礎課程，這門課的學科特點使得結合PBL教學法來進行線上教學提高學生成效的教學改革探索成為可能[6]．

與傳統的課堂教學相比，日常的教學要素發生了變化，教室里教師可以隨時讀取學生的面部表情來及時調整教學進度，學生之間可以隨時相互交流．而在線教學中師生是遠程、異地和分散的，缺乏真實課堂環境的約束，學生更容易分神．但在線教學也有其優勢，尤其是輔以雨課堂這樣的“教學神器”，數字空間的特性使得線上的學生都坐在教室的“第一排”，看得清課件，可以隨時向教師提問，及時提交課堂練習并得到反饋．教學互動是提高教學效果的利器之一，教師精心設計教學環節，由知識的單向傳授者轉變為學生學習的引導者、參與者和合作者．

問題是學習的起點，在課前、課上和課后精心設計與知識點的理解和應用相關的問題是PBL教學法的關鍵．在大學物理線上教學設計中，首先，限制主題，使學生專注于教學目標達成的特定方面，并確保在學生先驗知識水平之內，過于廣泛和復雜的問題會使學生不知所措．其次，提供5W1H模型的概念化引導，主題、原因、誰、地點、時間和如何．再次，根據研究對象及需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．

2 線上大學物理課程的PBL教學法實施過程

2.1 學情分析

學生本質上是很愛學習的，關鍵是教師如何去引導，不少學生反映在疫情期間頭一次這么迫切地想去學校上學．絕大多數學生具有愿意嘗試新鮮事物及接受挑戰的精神，期望通過自己的努力去鍛煉能力．在這種背景下，采用PBL有助于實現學生對大學教育及課程學習目標的期待．

在直播課前建立的QQ課程群里，學生們積極嘗試各種在線直播平臺軟件．在眾多平臺中，雨課堂無需學生下載任何APP，只需手機微信關注雨課堂即可進入相應的班級．雨課堂具有學生隨時接收到教師推送到手機微信的各類學習通告及預習資料等特點，深受學生的歡迎．

為了更好地了解學生的物理基礎，通過雨課堂投票功能對154位學生發放問卷，統計上課班級的學生高中時已學過哪些物理內容，如圖1所示．縱坐標為人數，橫坐標為物理內容.

圖1 學生在高中時已學過的物理內容

從圖1可以看出，僅有1位學生高中時未學物理，對本學期需要學習的力學、電學和磁學內容，近120人已在高中學過．

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

2.2 基于PBL教學法的在線教學過程實施

PBL教學模式的基本特征是以問題為導向，強調團隊合作和學科交叉，學生主動參與和自行管理，教師起引導和推進作用．當前學生在家線上學習的情形下，PBL可以結合雨課堂及多種在線溝通工具來發揮優勢．

大學物理課程已有多門優質的慕課資源，因此直播與慕課的區別在于直播時的教學交互，通過設計有效的問題，鼓勵學生表達，強調重點，引起學生關注，實時了解學生掌握情況，學生也能了解自己的真實掌握程度；課上適度拋給學生真實問題，培養學生知識遷移和應用能力．具體實施過程詳見在線教學全過程的流程圖(圖2)．

圖2 在線教學全過程的流程圖

結合線上學習的特點，在直播課前重新設計教學課件，把原先在傳統課堂上講授的內容及現場提問的問題，穿插在線上直播課的電子課件中．教學設計中，一方面要重新規劃直播課程中教學重點和難點，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習層次的學生能力來設計有難度差異的題，使得同一班級的大多數學生都能各取所需，達到一定的教學效果．

利用雨課堂課前推送預習資料，方便學生異步在線自學，教師在直播課之前通過雨課堂查看數據，及時了解學生的預習情況，并對學生點擊不懂的內容重新設計，在課上針對性地重點講解．

直播課上設計預習前測，從學生的實際掌握情況出發，設計有效的問題，關鍵知識點輔以雨課堂的白板工具來詳細講解．講解后拋出問題，如圖3所示.限時答題和集中反饋等，讓學生在課上“動起來”和“忙起來”，在直播過程中學生還可以隨時發彈幕來反映想法，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生們發送的彈幕生成詞云，如圖5所示.把學生在課堂內頭腦風暴的內容，瞬間以關鍵詞的形式總結呈現出來(詞云中詞語字體越大、出現位置越居中，表明該詞語出現的頻率越高；字體越小、出現位置越靠邊，表明該詞語出現的頻率越低．字體顏色沒有統計意義)．詞云也是大家共同討論的集體結晶，讓探討結果一目了然，鼓勵學生積極參與到課堂互動中來．

圖3 雨課堂課件問題舉例

圖4 雨課堂彈幕全班學生實時參與課堂討論

圖5 大學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教學法的精心規劃和設計來開展直播課，實時提問和實時回答機制既能實現以學生為中心的教與學，可以保留學生學習全過程的數據，方便教師和學生對課前、課上和課后整個學習過程的客觀評價．

2.3 在線教學中學生實時學習成效分析

通過上述實施PBL教學法的在線教學中學生的答題情況，可以分析學生課上學習成效．圖6給出在前8周里學生課上答題錯誤率的統計，橫坐標為題目序號，縱坐標為題目答錯人數與答對人數之比．

圖6 學生線上直播課程中答錯人數與答對人數比隨課堂數變化的曲線

從圖6中可以看出，學生答題錯誤率是起伏波動的，每當引入一個新的物理概念后，給學生現場推送問題．問題難度從容易到難遞增，重點考查學生的現場掌握程度．數據顯示當問題是陳述性質時，學生的錯誤率較低；當問題為辨析或邏輯性較強時，學生答題錯誤率會比較高．但經過討論、練習及講解后，學生錯誤率會明顯下降．圖7給出其中3次在線直播課上學生實時答題答錯人數和答對人數之比的曲線，每次課上(每次線上直播課上3段，每段30 min)根據PBL教學法設計5至6道問題，學生答題數據顯示，隨著問題的漸進深入，學生錯誤率上升，再隨著啟發性重點講解、討論之后，學生錯誤率幾乎都趨于回落．上述數據表明PBL教學法可以有效地提高學生的學習成效．

圖7 3次在線課程中學生答錯人數與答對人數之比的曲線對比

3 采用PBL教學法實施大學物理線上教學的體會

PBL教學法的成功實施離不開教師和學生雙方面的配合．通過一個學期基于PBL教學法的大學物理課程線上教學，更加深刻地體會到，要想讓學生達到更好的學習成效，從教師角度來說，教師必須針對學生的實際情況，在教學設計上花費更多的心力．如何提前了解學生的前期物理基礎、如何根據每次課程的重點和難點引入思考深度逐層遞增的問題來引導學生思考及討論，以及如何布置課程結束前的問題來考查學生的掌握程度，引發課后高質量的思考等等，都需要全盤考慮并環環相扣的教學全過程．從學生角度來說，學生需要做到課前及時預習，帶著問題來上課，課上積極開動腦筋，跟上思考步伐并及時反饋，課后及時復習總結．只有在師生的共同努力下，才能真正提高學生的學習成效．

此外，在線教學過程中遇到的阻礙之一是線上教學的網絡擁堵及學生網絡環境不佳造成教學運行環節不通暢，學生會中斷聽講或錯過限時答題，一般結合其他在線平臺(騰訊課堂、騰訊會議或zoom)同步進行直播可以解決上述部分問題．阻礙之二是學生之間的即時討論不通暢，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失去了這種便利性．

大學物理線上教學過程中實施PBL教學法來促進學習的策略研究及教學實踐，證實了該教學法的適用性及有效性．基于PBL教學法，學生思考為體，引導問題為用，在線教學過程中精心設計符合學生學習認知規律的問題，引導學生深入學習，依據雨課堂學生學習數據，持續優化問題設計，完善教學的各個環節，呈現教與學的過程評價．希望通過對教學實踐的不斷探索和總結，能夠最大程度地提升學生的學習成效，把學生培養成為具有扎實專業基礎和實踐能力的創新型復合人才．