以問題為導向的大學物理課程混合式教學模式探索

馮 浩，李長偉，程勇聰，云博進

（海南熱帶海洋學院 理學院，海南 三亞 572022）

大學物理是全國高等學校理工科各專業開設的一門重要的專業基礎課，大學物理課程教學質量的好壞直接影響科技人才培養的質量。學習大學物理課程，不但能夠使學生掌握物理知識，更能夠培養和提高學生的科學素養、科學思維方法和科學研究能力。當前，很多高校大學物理課堂教學仍存在沿用傳統被動填鴨式教學模式，以教師為中心，接受學習為主，學生以學習書本知識為主，課堂演示實驗少的現象，大學物理被貼上了沉悶、繁重、無聊、機械和被動等標簽，高校大學物理公共課教學模式改革勢在必行。

信息技術的發展加速了教學模式的轉變和創新，為提升教學質量和培養高質量人才提供了新的途徑。混合式教學是將在線教學和傳統教學的優勢結合起來的一種“線上”+“線下”的教學模式。混合式教學是未來高校實現內涵式發展的必然趨勢，也是提升高校教學質量與效果的重要教學模式。在師生高質量的教學模式中，問題導向式學習（Problem-Based Learning，簡稱PBL）成為當前國際上流行的人才培養模式。PBL 是指一種讓學生通過解決不一定具有正確答案的真實性問題而獲取知識的教學模式。與傳統模式相比，PBL 課程教學以學生為中心，學生起主導作用，能促進學生深度學習。PBL作為一種問題取向的教學模式，旨在培養學生的一系列技能，包括知識整合能力、認知能力、小組學習和自主學習能力、團隊合作能力及批判性思維能力。

針對目前大學物理傳統教學模式存在的諸多不足，本文將探討基于問題學習為導向的大學物理課程混合式教學模式，開展“互聯網+”下信息技術與教育教學相融合的教學模式研究，以期讓大學物理課堂能有效地以教師為中心轉變為以學生為中心；以教為中心轉變為以學為中心；以課堂教學為主轉變為課內外相結合，提高學生的學習興趣、主動性和主體性，切實提高教學實效。

一、線上線下相結合的混合式教學模式

（一）線上教學的優勢與不足

線上教學有著豐富的學習資源，如中國大學MOOC、智慧樹、超星學習通和雨課堂等，供學生們在線學習，且不受時間空間的影響，可以隨時隨地重復學習和自主學習。線上教學在簽到、了解學生學習進度、隨堂測試和作業練習等方面可以做到利用網絡平臺建立每個學生的學習信息檔案，及時有效地統計出學生線上學習情況。同時，線上教學還為學生提供了豐富的視頻等學習資源，中國大學MOOC 大學物理為學生提供了71個視頻庫資源，還有相關的參考資料和延伸閱讀，讓學生了解更多物理知識及前沿的新研究成果。除了豐富的學習資源讓學生能自主學習外，線上教學還提供了每一章節的測驗與作業、題庫、課堂互動活動、討論和分組任務等。線上教學能利用網絡的數據統計功能，及時了解學生學習情況，讓教師直觀準確地了解學生的學習情況，為形成性和總結性評價提供參考和依據。

雖然線上教學存在諸多優勢，但MOOC 等在線學習也存在師生互動、生生互動交流的不足，學生的問題不能及時有效地解決。學生的內容掌握、問題解決只利用線上教學難以做到有效反饋和指導，特別是針對大班額公共課的線上教學，難以顧及每名同學，對于自主性不強的同學容易濫竽充數，蒙混過關，教師難以全面客觀地了解學生的學習效果。同時，網絡教學還存在卡頓等不流暢現象。在2020 年疫情期間，曾對前期參與公共課大學物理課程線上教學的計算機專業56 名同學做了線上調查，對于“你是否同意繼續線上教學？”，有50%的同學表示不同意。

（二）線上線下混合式教學模式

針對線上教學的優勢與不足，利用線上和線下混合式教學模式既可以發揮線上教學的優勢，又能彌補線上教學的不足。目前，已有諸多研究者對于線上和線下混合式教學模式進行了實質性的探索，李俊生等實證研究的結果表明混合式教學比傳統教學班級取得較好的期末綜合成績，張春財、王步等老師的研究也一致表明實施混合式教學模式，在課堂教學中以學生為中心進行教學，有較好的教學效果。

混合式教學模式主要包括課前自學線上資源，課中線下課堂討論和課后應用評價三個階段。課前根據大學物理課程的教學目標、教學內容和要求讓學生自主線上自學，通過在線測試檢驗學生自學效果，同時，在線上布置線下課堂研討問題。課中進行課堂討論，以問題為導向，在學生參與、探究和討論過程中以學生為中心，實施問題導向的教學模式。課后利用學生互評、師生互評、學生觀看課程視頻、章節學習進度、討論和互動、分組任務、作業和考試等進行過程性評價和總結性評價。

二、問題導向教學模式的基本原則

（一）問題情境的“真實”性原則

讓學生認識到自己是問題情境的真實角色，把學生置入問題不良的問題情境中，問題的難度要適中，同時，問題應該以現實生活中遇到的一些錯綜復雜的問題為核心。要精心設計問題，不能虛構，應該來源于生活。

（二）師生角色的轉變原則

PBL 在于塑造學生的獨立自主性，使他們具備終身學習的能力。傳統課程教學中學生的角色是被動地接受知識，被動地跟著老師學，學生學習重點是記住知識，學生只是在競爭中學習，為考試而學習；而PBL 課程中學生的角色從被動變為主動，會主動學習如何把知識應用到實際情況中去，學生會自己提出問題并尋求答案，學生會自己檢索資料，主動分析信息，在小組中學習、會向其他同學學習，學生是在合作中學習，會依賴大量的學習資源自主學習。教師的角色是資源提供者和學生發展的促進者、指導者和幫助者，教師的基本任務就是在學習者解決問題的過程中引導學習者進步，體現了以學生為中心，以教師為主導的作用。問題導向的教學模式中，教師不是知識的主要來源，而是引導學生討論的促進者。教師負責設計每章節的問題，引導學生以知識能力整合的方式來討論，并讓學生發現自己知識體系上的不足。

（三）小組成員的相互協作原則

為了完成解決問題的任務，小組成員之間必須相互合作相互支持，共享知識和資源，PBL 強調小組成員之間的相互合作、相互尊重及積極參與，努力完成整個小組的目標。小組成員的合作及每個成員的貢獻，如何鼓勵和活躍成員參與等是小組獲得成功的關鍵。

那么如何才能讓每名成員在小組討論中提高其參與和貢獻呢，既不過度表現也不會令小組其他成員不愉快？小組可以討論角色分配，并想辦法鼓勵成員積極參與，如果成員不愿意承擔所分配的角色，教師應和他們溝通和交流。

三、問題導向教學模式的基本方法

（一）問題設計

問題設計是基于學習目標、學習內容和學習者三者進行綜合分析出的結果，明確問題是PBL 的首要步驟，問題分為基本問題與單元問題。基本問題是根本性的問題，是大問題，在根本性的大問題基礎上分為若干個單元問題。

（二）學習環境創建

通過相關途徑搜索和篩選出合適的學習資源，特別是網絡資源，如中國大學MOOC、超星學習通、雨課堂和智慧樹等學習平臺，為學習者創設良好的學習環境。

（三）學習活動設計

PBL 課程是以學生學習活動為主線的，由學生一步步地完成活動構成。學習活動設計要結合學生的學習能力來進行活動目標設計、活動組織形式設計及活動內容設計。

（四）評價與反思階段

引導學生總結在整個解決問題過程中的體會或者收獲，反思存在的問題與不足。這一環節對于學生的學習進步至關重要。良好的反饋是清晰、及時、描述性而非評判性的，是具體而非籠統的，是針對個人的行為的，既有正面也存在負面的，在信任和合作環境下交流，討論課的最后是反饋小組成員表現的最佳時機，既要肯定團隊合作的價值，也要利用這個時間確立小組的下一個目標，增進小組活力。反思學習及反思日志可使學習者回顧自己的經驗、個人及專業的學習情況，是學習者增強批判性思維、評價自己行為和表現的非常有用的工具。

結合線上線下混合式教學模式的過程和方法，以問題學習為導向的混合式教學模式流程如圖1 所示。

圖1 問題導向的混合式教學模式

四、問題導向教學模式在大學物理課程混合式教學中的應用

線上教學能為問題導向提供豐富的資源，為學生實現探索式和發現式學習創造有利條件，提高學習者的積極性和主動性。所以“線上”+“線下”混合式教學模式相比傳統教學模式有顯著的優勢。可以通過線上各種軟件或技術提供逼真的問題情景，有利于學生理解問題和融入情境，也可以發揮線下小組面對面交流互動等學習優勢。下面以北京郵電大學出版社出版，趙近芳、王登龍主編的《大學物理簡明教程》的內容為例，談談問題導向教學模式在混合式教學中的應用。

（一）教師指導進行問題設計

在學習第三章剛體力學這部分內容時，首先發揮學生的自主性，讓學生課前利用中國大學MOOC 或者超星學習通的課程資源進行網絡學習，主要掌握質點的角動量和角動量守恒定律的相關理論知識，然后讓學生線上觀看中國選手陳露在1998 年長野冬奧會花樣滑冰運動奪冠比賽視頻，教師結合第三章課本內容，通過網絡給學生設置問題：在花樣滑冰運動中可以抽象出什么物理模型？花樣滑冰運動員是通過怎樣的方式來提高或降低轉動速度的？

學生在利用線上課程資源進行課前知識獲取的基礎上，提出現實生活中不同層次的問題。由于同學們在上章結束之后本章開始之前已經看過冬奧會花樣滑冰運動奪冠比賽視頻，已經掌握質點系角動量定理及角動量守恒定律，在認識剛體這一由特殊質點系組成的物理模型和轉動慣量的相關知識后，會激發起同學們嘗試應用自己所學知識解決實際問題的興趣。而在剛體對軸的角動量守恒定律的學習中，圍繞討論的目標，基礎不相同的同學可能會提出的不一樣問題，例如：花樣滑冰運動員在比賽過程中，伸展與收縮肢體會不會改變轉動慣量？為什么花樣滑冰運動員在旋轉過程中身體收縮時轉動得更快而身體伸展時轉動變慢？這些現象是否具有普遍性？在生產生活中有沒有其他相似的物理現象？古人云：學源于思，思源于疑。問題是激活個體思維的關鍵。教學中教師有意識地創設一定的問題情境，讓學生身臨其境地意識到物理問題的存在，才能激發學生積極的思維活動，從而培養學生獨立思考問題并解決問題的能力。

（二）突出學生自主和協作的課堂學習活動

從課前知識的獲取到課堂知識的內化。在具體課堂學習活動實施過程中，問題導向學習模式體現的是以學生為中心的教學思想，突出學生學習的自主性和小組協作性。學生的基礎、經歷等因素決定了不同小組成員在討論的時候可能會采用不同的討論方法和順序。在預習階段，提倡學生通過小組同伴協作學習及相互學習，通過你一言我一語討論交流的方式提問并解決問題，最終初步得到角動量守恒定律可以解釋其肢體變化與轉速關系的方案。在探索現實生活中有沒有其他類似的物理現象可以用角動量守恒定律解釋這一問題時，不同的小組可能會給出不同的答案，有的小組提出，在研究天體運動和微觀粒子運動時，常遇到角動量守恒的問題。例如，地球和其他行星繞太陽的轉動，太陽可看作不動，而地球和行星所受太陽的引力是有心力（力心在太陽），因此地球、行星對太陽的角動量守恒。又如帶電微觀粒子射到質量較大的原子核附近時，粒子所受到的原子核的電場力就是有心力（力心在原子核中心），所以微觀粒子在與原子核的碰撞過程中對力心的角動量守恒。有的小組提出對軸的角動量守恒定律在生產、生活和科技活動中應用，例如，在飛機、火箭和輪船上用作定向裝置的回轉儀，就是利用這一原理制成的。有的小組提出芭蕾舞演員在表演時，也是運用角動量守恒定律來增大或減小身體繞對稱豎直軸轉動的角速度，從而做出許多優美而漂亮的舞姿。還有的小組提出，跳水運動員在跳水時也是利用身體繞自身軸的蜷縮和伸展來改變其在空中和入水速度的。如果小組活動不能順利展開，如小組成員在討論中爭論不休、討論沒有進展。這時則需要老師根據實際情況給出問題提綱，幫助學生進行討論。花樣滑冰比賽視頻所用到的物理知識即本章將要學習的內容，通過自主學習或小組討論，對于轉動慣量、剛體、轉動動能和角動量等概念的建立可以起到推動作用，不僅提高了學生學習興趣，而且讓學生在自主和協作學習的過程中掌握了本章的重難點。問題導向教學模式突出了學生的自主學習，不是由教師直接告訴學生應當如何去解決面臨的問題，而是由教師向學生提供解決該問題的有關線索，如需要搜集哪一類資料、從何處可以獲取有關的信息資料，以及現實中專家們遇到此問題如何去解決的探索過程等，同時，也特別注意發展學生的小組協作學習能力。

問題導向教學模式的最大好處就在于可通過小組活動和討論，使學生之間進行相互學習，先進帶動落后，使學生整體水平得以提高。以剛體的角動量守恒定律為例，在小組討論之前，每個小組成員需要首先通過自主學習對質點系角動量概念、角動量定理及質點系角動量守恒定律有所了解，找出自己難以理解的知識點，在通過與同伴協作學習及小組討論中，對自己難以理解的知識點進行互相學習，同時完成問題導向模式教學過程中最重要的工作，即通過小組活動去尋求理論與設定問題之間的關系。

（三）學習評價與反思

問題導向教學模式的教學要求學生解決的是面臨的現實問題，學習過程就是解決問題的過程，即由解決問題的過程就可以直接反映出學生的學習效果。因此學習評價可在學習過程中隨時觀察并記錄學生的表現即可。“線上”+“線下”混合式教學評價，可利用中國大學MOOC、超星學習通、雨課堂和智慧樹等學習平臺小程序進行，也可利用廣泛使用的微信群、QQ 群等方式進行作業提交和點評，網絡線上平臺均可方便地對學生日常作業、簽到和學習進度等進行統計并按照教師設定權值給出平時分數，同時老師在教學過程中也可以實時做到電子化反饋，幫助學生進步。

問題導向混合式教學模式的評價重點應該在學生的能力評價上，將所學知識用于解決實際問題上。可運用多元化的評價方式，如筆試、自我評估、學生互評、老師評估及建立學習檔案等。線下的筆試、線上的學習檔案和老師評估報告等形式可作為總結性評價手段，評估學生學期獲得的知識技能及態度等。小測驗、期中考試、學生自評互評、作業和線上測驗等形式可作為形成性評價手段，評估學生在學習過程中的學習情況、存在的問題等。通過總結性和形成性評價，教學相長，找出教學中存在的問題，不斷反思，不斷進步。

總之，問題導向的混合式教學模式具有較好的操作性，符合開放性教育和終身學習的理念，突出了學生個性化學習的特點，對轉變學生的學習觀念，培養學生發現問題和解決問題的能力及創新意識和創新能力都有很好的實踐價值。