大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目式教學(xué)(PBL)框架衡量標(biāo)準(zhǔn)的研究

沈延群，彭小龍

(長(zhǎng)春大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

PBL在不同的研究中被翻譯成項(xiàng)目式教學(xué)法(Project based learning)或“問題驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法(Problem based learning)，還可以翻譯成“以人為本”的教學(xué)法(People based learning)。本研究?jī)A向項(xiàng)目式教學(xué)法。PBL教學(xué)模式由美國(guó)教授Barrows于1969年在加拿大的McMaster大學(xué)首創(chuàng)，經(jīng)過50多年的研究，PBL黃金標(biāo)準(zhǔn)由美國(guó)項(xiàng)目研究所、約翰·摩根多爾與約翰·拉爾默聯(lián)合提出。目前，PBL成為美國(guó)一項(xiàng)重要的教學(xué)策略，已有很多成功的教學(xué)實(shí)踐案例，許多教學(xué)經(jīng)驗(yàn)值得我們借鑒和學(xué)習(xí)[1]。

基于傳統(tǒng)教學(xué)模式改進(jìn)教學(xué)方法，雖然已融合了信息化，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)出現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)課堂、微格教學(xué)，也出現(xiàn)了PBL教學(xué)法與翻轉(zhuǎn)課堂融合，但基本是教學(xué)手段上的改革。目前，物理實(shí)驗(yàn)PBL教學(xué)仍在理論研究與探索階段，教學(xué)實(shí)踐成功案例需要很多復(fù)雜因素，如團(tuán)隊(duì)教學(xué)理念、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)文化的建設(shè)、如何評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)、學(xué)校資源的就位等等。不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)腜BL對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果會(huì)有影響，會(huì)增加教師工作量，浪費(fèi)時(shí)間，同時(shí)讓老師感到無奈和不解[2]。

1 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)PBL教學(xué)法的可行性

PBL教學(xué)法傳入我國(guó)已有近20年，項(xiàng)目式教學(xué)(PBL)的核心是培養(yǎng)學(xué)生協(xié)作能力、探究能力、解決問題的能力及批判精神。對(duì)于本科課程項(xiàng)目式教學(xué)法的研究，有不同程度的探索和實(shí)踐，也有很多學(xué)者提出本科課程教學(xué)是否可以采用項(xiàng)目式教學(xué)。筆者通過文獻(xiàn)調(diào)研及同行們的項(xiàng)目式教學(xué)案例分享，結(jié)合本科課程教學(xué)的特點(diǎn)與實(shí)際情況，可以確定項(xiàng)目式教學(xué)法應(yīng)用在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)是可行的，本文不再贅述。在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中采用PBL教學(xué)法，核心是培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力、協(xié)作能力、批判精神、文化自信。其中包含了我們強(qiáng)調(diào)的課程思政，其理念又與OBE理念不謀而合?？梢姡琍BL教學(xué)法值得我們探索并實(shí)踐[3-4]。

2 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，多數(shù)普通院校的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式大同小異：學(xué)生通過預(yù)習(xí)、按照實(shí)驗(yàn)要求操作步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理，也是對(duì)基本實(shí)驗(yàn)方法的應(yīng)用和實(shí)踐；對(duì)學(xué)生的成績(jī)?cè)u(píng)定包括預(yù)習(xí)、實(shí)踐、數(shù)據(jù)處理的評(píng)定。當(dāng)代大學(xué)生早已進(jìn)入信息時(shí)代，他們經(jīng)歷了小學(xué)、初中、高中的教改，而我們本科教學(xué)改革教學(xué)理念應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)目標(biāo)較難改變，更多是為了完成實(shí)驗(yàn)測(cè)量任務(wù)。我們是否在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中設(shè)定了學(xué)生的能力目標(biāo)？實(shí)驗(yàn)教學(xué)最終是否達(dá)到能力目標(biāo)要求？

為此，筆者從知識(shí)目標(biāo)、能力目標(biāo)兩個(gè)維度設(shè)計(jì)了調(diào)查問卷，A-N共13個(gè)指標(biāo)，在超星網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)針對(duì)所有開設(shè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)生發(fā)放了問卷調(diào)查，其結(jié)果如圖1所示。

圖1 問卷調(diào)查統(tǒng)計(jì)圖

13個(gè)指標(biāo)的具體內(nèi)容如下：

A 我愿意在實(shí)驗(yàn)前了解與實(shí)驗(yàn)原理相關(guān)的所有理論知識(shí)。

B 了解實(shí)驗(yàn)探索過程很有趣，我希望了解更多與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的歷史過程。

C 實(shí)驗(yàn)原理不用講，直接做實(shí)驗(yàn)就可以。

D 實(shí)驗(yàn)操作最好讓我們自由探索，老師指點(diǎn)。

E 實(shí)驗(yàn)課就是讓學(xué)生自己動(dòng)手，不喜歡老師說得太多。

F 教師有必要講實(shí)驗(yàn)儀器的使用，學(xué)生自己做。

G 實(shí)驗(yàn)課上應(yīng)該讓我們先自己探索儀器的使用方法，然后老師再答疑。

H 每個(gè)物理實(shí)驗(yàn)都有實(shí)驗(yàn)探索史，教師可以多介紹。

I 每個(gè)實(shí)驗(yàn)探索史，完全可以讓學(xué)生自己查閱資料，不用老師講太多。

J 實(shí)驗(yàn)報(bào)告書寫不應(yīng)拘于統(tǒng)一格式，我想按照自己的想法寫更多的內(nèi)容。

L 我愿意獨(dú)立探索生活中的物理現(xiàn)象，開展實(shí)際測(cè)量和分析。

M 我希望能掌握測(cè)量方法或?qū)嶒?yàn)思想，應(yīng)用到生活實(shí)踐或科學(xué)研究當(dāng)中。

N 在實(shí)驗(yàn)中遇到問題，我愿意獨(dú)立查找問題癥結(jié)予在并解決問題。

在長(zhǎng)春大學(xué)理工類本科生調(diào)查問卷中，共有208人提交了問卷。其中：有66.5%的同學(xué)希望通過物理實(shí)驗(yàn)課掌握實(shí)驗(yàn)方法并能夠應(yīng)用到生活實(shí)踐和科學(xué)探究當(dāng)中；對(duì)實(shí)驗(yàn)探索歷史、實(shí)驗(yàn)思想感興趣的同學(xué)達(dá)到61.5%；對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備充滿好奇，希望掌握實(shí)驗(yàn)儀器使用方法的達(dá)到55.8%，希望自己在實(shí)驗(yàn)之前了解實(shí)驗(yàn)相關(guān)的理論基礎(chǔ)的同學(xué)占53.8%；希望能按照自己的想法來設(shè)計(jì)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的同學(xué)占34.6%，實(shí)驗(yàn)報(bào)告不拘于統(tǒng)一格式，通過學(xué)生學(xué)習(xí)成果的展示，體現(xiàn)不同個(gè)體的差異；有7.7%的同學(xué)認(rèn)為實(shí)驗(yàn)根本不用老師講，老師負(fù)責(zé)答疑就可以。調(diào)查結(jié)果表明，目前的教學(xué)方法不能滿足所有學(xué)生，有部分學(xué)生需要激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

雖然大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)在不同角度的教學(xué)總結(jié)出很多創(chuàng)新思維，在實(shí)際教學(xué)中，還缺乏實(shí)質(zhì)性改變，而我們的目標(biāo)是盡量讓所有同學(xué)都能夠主動(dòng)探索。這需要團(tuán)隊(duì)不斷更新教學(xué)理念，定期參加教學(xué)培訓(xùn)、交流、研討活動(dòng)等，在原有的基礎(chǔ)上強(qiáng)化教學(xué)過程的求異、追問、探究、診斷意識(shí)。

3 PBL教學(xué)框架建設(shè)

根據(jù)我們課題研究要解決的實(shí)際問題，針對(duì)PBL教學(xué)的核心要點(diǎn)，首先建設(shè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)PBL框架，包括團(tuán)隊(duì)理念、學(xué)習(xí)目標(biāo)、教學(xué)文化、評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)等，高質(zhì)量的PBL教學(xué)，是有完整的PBL框架衡量標(biāo)準(zhǔn)體系的。PBL框架也是項(xiàng)目式教學(xué)法不斷優(yōu)化迭代的結(jié)果，通過團(tuán)隊(duì)實(shí)踐總結(jié)，結(jié)合課程教學(xué)特點(diǎn)，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)高質(zhì)量PBL框架應(yīng)具有如下六項(xiàng)衡量標(biāo)準(zhǔn)(如圖2)：

圖2 大學(xué)物理PBL教學(xué)框架衡量標(biāo)準(zhǔn)

3.1 教學(xué)目標(biāo)的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)同樣包括知識(shí)目標(biāo)和能力目標(biāo)(如圖3)。PBL教學(xué)是以學(xué)生為中心，培養(yǎng)學(xué)生協(xié)作能力、解決問題能力、探究能力及批判精神等，是符合教學(xué)改革的優(yōu)秀教學(xué)方法。在此過程中，學(xué)生的協(xié)作能力、批判精神如何呈現(xiàn)，以什么方式呈現(xiàn)？對(duì)于教師的驅(qū)動(dòng)問題，還有多大程度激起學(xué)生的好奇心、求知欲？有多少同學(xué)在問題驅(qū)使下，主動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究？培養(yǎng)學(xué)生的成功素養(yǎng)，有積極探索的動(dòng)力，我們物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)就不僅僅是完成測(cè)量?jī)?nèi)容和數(shù)據(jù)分析，團(tuán)隊(duì)成員有改革勢(shì)在必行的共識(shí)，真實(shí)培養(yǎng)學(xué)生在掌握基礎(chǔ)知識(shí)的基礎(chǔ)上，具有獨(dú)立解決問題的思維及探究能力[5-6]。

圖3 教學(xué)目標(biāo)的設(shè)計(jì)

在太陽能電池特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生了解半導(dǎo)體器件工作原理，掌握測(cè)量開路電壓和短路電流的方法，以及填充因數(shù)F、最大輸出功率Pmax的測(cè)量技能。實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)?nèi)容完成后，如何提高半導(dǎo)體器件的光電轉(zhuǎn)換效率？生活中是否可以利用手機(jī)app軟件對(duì)半導(dǎo)體器件的一些基本特性進(jìn)行測(cè)量？學(xué)生會(huì)在這些挑戰(zhàn)性、驅(qū)動(dòng)性問題的引導(dǎo)下展開持續(xù)探究，引導(dǎo)學(xué)生查閱和設(shè)計(jì)離網(wǎng)發(fā)電和并網(wǎng)發(fā)電的實(shí)驗(yàn)，持續(xù)探究光伏發(fā)電工程。每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的持續(xù)探究題目可以根據(jù)學(xué)生的具體情況和興趣來設(shè)定，不同的學(xué)生興趣點(diǎn)不同，持續(xù)探究項(xiàng)目也可以不同。

在畢奧薩法爾實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，測(cè)量通電圓環(huán)導(dǎo)體和直導(dǎo)體在周圍空間任意一點(diǎn)激發(fā)的磁場(chǎng)，待學(xué)生完成測(cè)量任務(wù)，教師可以通過問題驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生持續(xù)探究，設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)。如測(cè)地球磁場(chǎng)、家用電器磁場(chǎng)、手機(jī)磁場(chǎng)等等。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖亲寣W(xué)生把掌握、領(lǐng)會(huì)的思想形成科學(xué)思維，應(yīng)用到需要的地方，加以實(shí)踐。實(shí)驗(yàn)教學(xué)最終成果以什么方式體現(xiàn)，可以讓學(xué)生自由發(fā)揮，不統(tǒng)一要求實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫格式，應(yīng)更多體現(xiàn)持續(xù)探究的過程、成果。

3.2 實(shí)驗(yàn)室文化建設(shè)

實(shí)驗(yàn)室文化建設(shè)包括制度建設(shè)、功能區(qū)的劃分、日常管理、實(shí)驗(yàn)課堂慣例、師生公約等。良好的實(shí)驗(yàn)室文化對(duì)于高質(zhì)量PBL教學(xué)是非常重要的，其融入了團(tuán)隊(duì)教學(xué)理念，體現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)室特定的環(huán)境與精神氛圍，是物質(zhì)文化和精神文化的總和，是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)涵建設(shè)重要內(nèi)容之一，關(guān)系到我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)過程中滲透給學(xué)生的價(jià)值觀、信仰及行為規(guī)范。

3.3 物理實(shí)驗(yàn)綜合管理平臺(tái)建設(shè)

平臺(tái)建設(shè)是線上線下混合式教學(xué)的保障，是高質(zhì)量的PBL教學(xué)必備條件，是師生互動(dòng)、評(píng)價(jià)反饋，作業(yè)成果展示的重要途徑。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)綜合管理包括：學(xué)生選課，網(wǎng)上預(yù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)，仿真實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)，學(xué)生學(xué)習(xí)成果展示，評(píng)價(jià)與反饋，師生互動(dòng)等。符合數(shù)字化、信息化教學(xué)發(fā)展需求，利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與發(fā)展，加強(qiáng)并完善“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)綜合管理平臺(tái)”的建設(shè)，不僅節(jié)約資源、提高效率，也是開展大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)PBL教學(xué)的重要保障，促進(jìn)混合式教學(xué)的發(fā)展，便于師生互動(dòng)交流、評(píng)價(jià)與反饋、作業(yè)成果展示等。

3.4 物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)，是以大學(xué)物理為理論基礎(chǔ)的，隨著科學(xué)技術(shù)與社會(huì)的發(fā)展，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)也經(jīng)常在變化，并不是為了創(chuàng)新而拋棄原有的體系，而是在原來的基礎(chǔ)上理念更新、方法創(chuàng)新。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)由基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、探究性實(shí)驗(yàn)形成完整的體系。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，了解實(shí)驗(yàn)探索史和實(shí)驗(yàn)思想，以及基本操作技能和方法的訓(xùn)練與實(shí)踐，在教師的引導(dǎo)下，進(jìn)行持續(xù)探究的項(xiàng)目?jī)?nèi)容與設(shè)計(jì)。以學(xué)生的產(chǎn)出成果導(dǎo)向教育，來改進(jìn)教學(xué)方法、教學(xué)策略，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的趣味性、探索性、創(chuàng)新性。每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的知識(shí)目標(biāo)和能力目標(biāo)，目的是讓學(xué)生能夠通過實(shí)驗(yàn)思想和測(cè)量方法形成物理學(xué)思維，應(yīng)用于解決生活實(shí)際問題和科學(xué)探究當(dāng)中。

3.5 物理實(shí)驗(yàn)與客觀世界

充分挖掘大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的相關(guān)的中國(guó)文化、實(shí)驗(yàn)探索史及科技前沿。將大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)與科學(xué)技術(shù)發(fā)展相結(jié)合，將物理思維和實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)用于解決實(shí)際問題和科學(xué)研究中。很多大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來自科學(xué)技術(shù)，來自生活。如太陽能電池的特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)，光伏效應(yīng)已被廣泛應(yīng)用，在光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，如何提高半導(dǎo)體器件的轉(zhuǎn)換效率？如何提高材料的填充因數(shù)？學(xué)生通過查閱光伏發(fā)電工程建設(shè)情況及未來發(fā)展前景，學(xué)生意識(shí)到半導(dǎo)體器件的發(fā)展與我們的社會(huì)、生活分不開的，我國(guó)在半導(dǎo)體領(lǐng)域起步晚，但發(fā)展迅猛，這會(huì)增強(qiáng)學(xué)生的民族自信心。同樣，光電效應(yīng)法測(cè)普朗克常量，其實(shí)驗(yàn)思想是將電子的微觀運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成宏觀可控可測(cè)物理量，即在光電管陰極和陽極之間外加電壓，是一種解決問題的物理思維。實(shí)際生活中，光電效應(yīng)原理的應(yīng)用有很多，可以讓學(xué)生自己查資料獲取更多信息[7-8]。

3.6 評(píng)估學(xué)生的能力

評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)是PBL教學(xué)的一項(xiàng)重要衡量標(biāo)準(zhǔn)。我們習(xí)慣于評(píng)價(jià)教師在整個(gè)教學(xué)過程的表現(xiàn)，而忽略對(duì)學(xué)生能力的評(píng)價(jià)，包括學(xué)生的自我評(píng)價(jià)，即自我反思。PBL教學(xué)法更重視學(xué)生能力的評(píng)估，對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)成果的評(píng)價(jià)來自多方面，如教師評(píng)價(jià)、學(xué)生之間互評(píng)、來自其他人員的評(píng)價(jià)，而評(píng)價(jià)的意義是促進(jìn)學(xué)生自我反思與批判精神的養(yǎng)成。如何讓教學(xué)評(píng)價(jià)貫穿整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程當(dāng)中？PBL教學(xué)以學(xué)生為中心，理念是讓每個(gè)同學(xué)都參與到學(xué)習(xí)當(dāng)中。學(xué)生的學(xué)習(xí)成果的評(píng)價(jià)主要來自三方面，即學(xué)生自評(píng)、教師評(píng)價(jià)、學(xué)生互評(píng)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，指導(dǎo)教師的評(píng)價(jià)包括實(shí)踐過程中的即時(shí)評(píng)價(jià)。通過對(duì)學(xué)生能力的評(píng)估反觀教師教學(xué)方法和教學(xué)質(zhì)量。

4 結(jié)論

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)應(yīng)用PBL教學(xué)可行性不言而喻，建設(shè)高質(zhì)量的PBL框架衡量標(biāo)準(zhǔn)是做好PBL教學(xué)非常關(guān)鍵的第一步，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用PBL教學(xué)才能逐漸優(yōu)化迭代出更好的教學(xué)案例。