遞進式問題鏈驅動的大學物理教學改革探索*
——以光的偏振為例

韓育宏 丁文革 張榮香 何壽杰 王淑芳(河北大學物理科學與技術學院 河北 保定 071002)

1 引言

大學物理是高校理工科專業的一門通識性必修基礎課，在為學生系統學習必要的物理基礎，領悟和掌握處理物理問題的思想和方法，增強邏輯推理及發現、分析和解決問題的能力，培養探索精神、創新思維和科學精神，進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].以往的教學通常以教師的教為主，教學內容一般為教材的基本理論知識，缺乏實際應用、科技前沿和思政元素，學生的課堂參與度比較低，自主學習能力欠缺，能夠掌握基本知識但能力培養和價值塑造不足.為提高課程和人才培養質量，2019年教育部發布《關于一流本科課程建設的實施意見》，要求提高課程的高階性、突出創新性和增加挑戰度.這就要求教師轉變教學理念，以學生發展為中心，提升課程內容的廣度和深度，通過教學改革和創新持續提高教學質量，進而促進學生積極思考和探究，培養科學探索精神及創新能力[2].

如何實現以學生發展為中心呢？1969年加拿大麥克馬斯特大學的Barrows教授首創以問題為導向的教學方法PBL(Problem-Based Learning)，即以學生為中心的教育方式，強調以學生的主動學習為主，而不是以教師講授為主.PBL將學習與問題掛鉤，使學習者投入于問題中，在問題的探究中掌握隱含的科學知識.問題導向教學法的精髓在于發揮問題對學習過程的指導作用，而遞進式問題鏈，是根據事物之間的內在聯系提出一系列由淺入深的問題[3].大學物理課程的教學內容與自然現象、生產生活、科學前沿等密切聯系，適宜在基本知識的基礎上設計逐步深入的一系列問題.因此，我們結合大學物理的課程特點和一流課程建設的要求，構建了遞進式問題鏈教學方法，即以學生發展為中心，以教材內容為核心，通過設置遞進問題鏈驅動課堂教學，逐步升華教學過程.由淺入深、環環相扣的問題能夠驅動學生深入思考，引導學生的思維向知識的深度和廣度發展，進而培養學生合作探究和解決問題的能力，同時提升科學素養.本文以光的偏振一節為例，探討一流課程建設背景下遞進式問題鏈教學法在大學物理課堂的應用.

2 教學內容的分析和教學目標的確立

要構建適宜的遞進式問題鏈，首先需要分析教學內容并確立教學目標，精心進行教學設計，并在教學過程中檢驗學習成效.

光的偏振是大學物理光學部分的重要內容，結合理工科專業人才培養目標和一流課程建設要求，確立了知識、能力和素質3方面的教學目標.知識目標為能夠鑒別常見光的偏振態，利用馬呂斯定律求解光強，用布儒斯特定律確定界面反射光的起偏角.能力目標為通過光波與繩波的對比領會類比推理的思維方式，能夠將偏振知識與實際應用相聯系，分析立體電影、攝影攝像、智能手機屏幕等問題中偏振的具體應用.素質目標為通過偏振片的研發過程和相關進展激發家國情懷，培養探索精神、創新精神和科學精神.

3 遞進式問題鏈教學法的應用

遞進式問題鏈教學法包括課前、課中和課后3個教學環節，借助信息化教學手段，依托超星學習通平臺，采用混合式教學方法.整體教學流程如圖1所示.

圖1 遞進式問題鏈驅動的整體教學流程

3.1 課前準備

課前借助超星學習通平臺，教師發送文字、視頻、網頁等學習資料，讓學生自主學習，同時布置預習和自測題，追蹤了解學生學習情況，及時發現學習難點進而給予引導和調整教學設計，以便在課堂上更有針對性地開展教學.這種線上線下結合的教學方式可以加強師生之間的互動，使學生主動學習和思考[4].

3.2 課中實施

課中強化教師引導和學生主體，以遞進式問題鏈驅動教學活動，啟發學生深入思考，并設置小組討論，發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、分享和相互促進的交互式課堂，全面培養和提高學生解決問題的能力和科學素養.

3.2.1 創設問題情境導入課堂

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

圖2 “穿墻術”魔術

3.2.2 引導思考基本理論問題

物理知識的學習中需要不斷地提出問題，使學生在思索和解決問題的過程中加以內化.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象的類比中，認識光的偏振性，同時穿插介紹偏振材料的發現和偏振片的發明，培養學生的科學精神和創新意識，在此基礎上引出光的3種常見偏振態.在講解自然光時提出思考問題，“讓強度I0的自然光通過一塊偏振片，轉動偏振片時，透射光強如何？”在講解線偏振光時提出問題，“如何獲得線偏振光？”之后繼續提出問題，“線偏振光通過一塊偏振片，轉動偏振片時，透射光強如何變化？”從而引入馬呂斯定律，進一步提出問題，“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，轉動偏振片時，透射光強如何變化？”一個個問題環環相扣，學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 解決生產生活實際問題

從生產生活中提煉物理問題，讓學生基于新知識，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，汽車司機在強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聯，課堂變得有趣，學生變得樂學.

3.2.4 引入科技前沿熱點問題

課程的講授還需要關注科技前沿，學生了解偏振知識和應用之后，提出當前電子產品領域的一個熱點問題，“如何降低電子屏幕的能耗，延長智能手機電池的使用壽命？”教師啟發學生思考后，引入2019年的研究報道，“英國倫敦帝國理工學院的科研人員利用偏振光使有機發光二極管(OLED)屏幕功耗降低一倍，使手機屏幕更亮并延長智能手機使用壽命.”之后，通過問題“我國國產手機在OLED屏幕顯示方面的研發情況如何？”，介紹華為公司為打破我國OLED屏幕芯片95%需要進口的局面，2018年開始潛心研發而在2020年獲得成功，使未來國內屏幕產業有望實現完全國產化.科技前沿的介紹使學生了解偏振理論在現代科技發展中的應用，意識到科學研究的必要性和重要性，同時激發了愛國情感、自主創新意識和科技強國的使命擔當.

3.2.5 學習通平臺輔助教學測評

課堂最后利用學習通便捷學習效果的測評和教學數據的反饋統計，如發布隨堂練習，考查學生對馬呂斯定律求解光強、反射光偏振性質等知識點的掌握程度，根據統計結果對錯誤的學生重點關注.發布主題討論，考查學生對偏振的認識和理解，結果如圖3所示，表明學生理解情況良好，光的偏振現象說明光是橫波.學習通平臺使測評結果一目了然，方便教師了解學生的掌握程度，同時也體現了對學生的過程性評價.

圖3 學習通主題討論的詞云

3.3 課后提升

教師布置課后任務，在學習通平臺發布，組織教師評價、學生自評和互評，測評教學效果，同時讓學生了解自己的綜合表現，督促自我提升.物理學內容廣泛深刻，課后作業中除了常規的客觀題和分析計算題之外，還有高階性挑戰性作業，讓學生通過查閱資料、文獻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，設計并實施實驗驗證偏振現象.”和“查閱關于LCD和OLED兩種手機屏幕的資料，了解二者的基本構造和顯示原理，從光能有效利用的角度比較二者的差異，分析目前OLED手機屏能源效率低的原因.”挑戰性和高階性問題的設置，能使學生經歷頭腦風暴和思維碰撞，達到深度思考和學習的目的，鍛煉由已知探索未知的能力，綜合素質得到提升.

4 遞進式問題鏈教學法的反思

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

在遞進式問題鏈驅動課堂教學中的一個突出難題是問題鏈的設計，如何依據教學內容和目標，設計促進思維發展和能力提升的問題鏈？設計出來的問題鏈是否經得起推敲？有待于不同的課程進一步深入探索和實踐.

5 結論

遞進式問題鏈驅動大學物理課堂教學的過程，也是問題的探究過程，在該過程中，學生不僅掌握了物理知識體系，而且探究式學習習慣和解決實際問題的能力得到培養，學科素養得到升華，課程教學效果得到改善.遞進式問題鏈教學法使課程內容有廣度、深度和創新性，使學習具有挑戰度，滿足兩性一度的一流課程建設要求，有利于學生綜合能力和素養的提升.教師在設計問題鏈時，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，要給學生預留自由發表看法的空間；整個問題鏈要有助于學生形成完整的知識體系，也要有利于學生思維的獨立和深度發展.