大學物理大班的PBL模式教學改革實踐

摘 要：針對傳統(tǒng)教學的局限性，在理工科本科生大學物理的大班課開展了問題探究式教學（PBL）與傳統(tǒng)講授式教學兩種教學模式相結合的改革實踐，教學過程中，基礎知識仍由教師講授，同時教師設置具有啟發(fā)性和趣味性的與生活、生產或科研密切相關的問題情境。學生借助各種信息平臺課上、課下通過教師啟發(fā)、個人自主學習、分組討論等方式解決問題并提出新問題，從而達到理解知識、建構意義、形成概念并訓練科學思維，達到培養(yǎng)學生科學態(tài)度、質疑能力和團隊合作精神的目的。學生的反饋結果鼓勵教師在更深更廣的范圍進行該模式的教學改革。

關鍵詞：PBL教學；大班；大學物理

大學物理是高等學校理工類本科生必修的一門基礎課。本課程由傳統(tǒng)的課堂教學方法教學，學生有機械學習、吸收效果不好、應用能力薄弱等問題［1］。為了培養(yǎng)學生自主、探究、合作分享的精神和自我指導、合作溝通、解決并善于提出問題的能力，使其成為21世紀具有全球視野和信息素養(yǎng)的能力，這是新時代的大學生所應具備的基本素質，而以個人和小組的自主、探究、合作為基礎的探究式教學，能夠更為充分地培養(yǎng)學生的這些能力與素質［2］。

探究被引入教學，最早可追溯到古希臘時期蘇格拉底的產婆術［3］。隨后，經過約翰·杜威、約瑟夫·施瓦布和杰羅姆·布魯納等人的豐富和發(fā)展，逐漸在世界范圍內產生影響。該教學模式由于教學效果顯著，已被很多學科所采用［1，47］。近年來，大學物理的教學改革如火如荼［810］，不同教改方法側重教育過程的不同方面，而在各種各樣的教學模式及軟硬件技術中，問題驅動是整個教育過程最為基礎且核心的操作元素，抓好了問題驅動這一教改方向，則可以以點帶面推動整個教育進程［3］。

問題驅動的探究式教學模式，重點是創(chuàng)造一個解決復雜的、有意義的問題的學習環(huán)境，充分施展學生的質疑能力、探究能力與思維能力，讓學習者能夠合作解決問題中的隱性知識，培養(yǎng)自主學習能力、解決問題的能力及團隊協(xié)作的能力［1，2，11］。

目前，并沒有關于PBL教學模式在大學物理大班教學中的應用的相關研究，而大班教學是大學物理教學的主要形式，在大班教學中若單純采用問題驅動的探究式教學法，由于該教學模式涉及的分組討論在大班課上完成有很大的困難，而教師希望學生在掌握必要的物理知識的同時，又能得到核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。因此，本文將問題探究式教學法結合傳統(tǒng)講授教學法的教學模式做了初步探索，以期為大班大學物理教學提供一種理想的教學模式。

一、大學物理大班的PBL模式教學改革的可行性分析

大學物理是研究自然界中最基本、最普遍的運動形式及其規(guī)律的學科，是其他自然科學和工程技術的基礎，所以該課程具有很強的適用性；該課程的相關問題與生產、生活和科研密切相關，具有一定的復雜性和實用性；課上采取與傳統(tǒng)講授教學相結合的方式可以讓人數(shù)眾多的大型班級的學生既學習基礎知識又可以實現(xiàn)難度適中的問題的探究，課后學生借助信息平臺以個人或分組討論形式探究難度較大的問題并提出有一定深度的問題，再結合組內、組間及教師評價，最終可以實現(xiàn)知識的構建、核心素養(yǎng)的提升。

二、問題的設置

在創(chuàng)新教學理念下，該教學模式的問題設置滿足大學物理學課程的三維教學目標的要求。

（1）知識目標。理解物理學的基本概念和原理。如位于貴州省平塘縣的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST天眼）和人眼相比，誰的分辨能力更強，如何辨認北極圈內的高緯度地區(qū)的海上航行方向。

（2）能力目標。培養(yǎng)學生科學的分析和解決問題、團隊協(xié)作、自學和吸納新知識及創(chuàng)新等方面的能力。如機械波中探究如何精準測定行駛在路面上的汽車速度的問題，涉及觀察者接收到的頻率與聲源的頻率是否一定相同時分為四種情況逐步深入討論（教師從波源與觀察者相對靜止；波源不動，觀察者相對介質運動；觀察者不動，波源相對介質運動；波源與觀察者同時相對介質運動），最后得出最終結論。再如，講解光電效應時，課上重點探究外光電效應，而對內光電效應以及在光束的垂直方向加磁場又會有什么現(xiàn)象發(fā)生，可以作為思考題，讓學有余力的同學自行探究，延伸探究半徑。

（3）素質目標。提升學生的科學情懷和人文素養(yǎng)，建立科學的世界觀和方法論及認識論，增強學生的民族自豪感和自信心。如了解閃耀光柵，我國大尺寸中階梯精密光柵刻劃機的研制歷程，了解具有中國獨立自主知識產權的FAST天眼項目的創(chuàng)新點、科研發(fā)現(xiàn)和應用價值，以及如何通過衍射方法進行光譜分析、測定晶體的結構等。

三、教學流程

教學流程有如下內容。課前在雨課堂發(fā)布預習課件。課上對基礎知識采取傳統(tǒng)的講授式，其中穿插難度適中的問題，學生經過簡單思考后可以直接回答或通過教師引導給出結果。而課后布置有一定難度的探究問題，分兩種形式完成。一種是學生個人探究，教師將問題發(fā)布在學習通的討論區(qū)，學生將個人探究結果發(fā)布其上，如此，學生既能有個人思考，也可以學習其他同學的結論，達到啟發(fā)思維的目的；另一種是大作業(yè)，在學期的中后段布置，探究問題有一定難度，學生無法獨立完成。可以實行分組討論，學生通過查閱資料、借助各種信息技術，通過團隊合作完成問題的探究，同時提出有深度的問題，最后進行組內、組間和教師評價，評價標準及分值見表1。

四、案例

（一）課上探究情形

以法拉第電磁感應定律發(fā)現(xiàn)過程為例。該案例的結論學生在中學階段已學過，但該規(guī)律是如何通過一系列實驗探究出它的本質，學生并不了解，所以通過介紹相關的一系列實驗，根據實驗現(xiàn)象，提出探究問題，學生通過思考、討論交流得出結論，從而培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

首先，提出三個層層遞進的探究問題：一是變化的電流還是穩(wěn)定的電流會在另一線圈中產生感應電流。二是變化的磁場還是變化的電流產生感應電流。三是變化的磁通還是變化的磁場產生感應電流更本質。

其次，演示如圖1（a）—（c）所示的三個實驗的實驗過程：通電線圈的電鍵K的瞬時開、合或始終保持穩(wěn)定狀態(tài)，磁棒（或載有穩(wěn)恒電流的線圈）和金屬導體回路CDEF中EF導體棒朝不同方向的運動或始終保持靜止。讓學生觀察線圈附近的小磁針或線圈中的電流計的指針的偏轉情況。通過觀察到的不同的實驗現(xiàn)象激發(fā)學生自主思考和探索的欲望，并通過討論交流及教師的追問、點撥下逐步得出階段性結論——變化的磁通產生感應電流更本質。

（a）電鍵K的瞬時開、合或始終保持穩(wěn)定狀態(tài)" （b）磁棒朝不同方向運動""" （c）EF導體棒朝不同方向運動

圖1 法拉第電磁感應系列實驗裝置圖

再結合傳統(tǒng)授課模式講述：1832年，英國物理學家法拉第用實驗證明，其他條件相同的情況下，大小、幾何形狀相同而電阻不同的受感應線圈，感應電流的大小與線圈的電阻成反比，即I∝1/R。

提出第四個探究問題：從本質上來說，變化的磁通在導體中產生的是感應電流還是感應電動勢。

學生思考給出不同結論后，教師給出法拉第的思考結果：感應電動勢與導體性質無關，這些線圈的感應電動勢應該相同；感應電流滿足歐姆定律便會有上面的結果，所以變化的磁通在導體中產生的是感應電動勢，而感應電流是由與導體性質無關的感應電動勢產生的。

教師通過這種難易結合，與傳統(tǒng)教學模式相結合的探究模式總結出法拉第電磁感應定律：當回路所圍面積的磁通量發(fā)生變化時，該回路中會產生感應電動勢；若該回路為導體回路則產生感應電流。

這樣的探究式教學例子還有很多，貫穿于整個學期的教學過程中。由于是課上探究，所以以探究難度適中的問題為主。對于此案例，學生是已清楚結論的，但他們又對該規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程不了解，進而對該規(guī)律的本質認識不清，如此探究使學生對傳統(tǒng)的物理內容有了更深入的理解，使枯燥的大學物理教學變得充滿魅力，能夠激發(fā)起學生真正的興趣和探究精神。

以上是課上探究案例。課后問題重點介紹大作業(yè)的探究情況，教師對多而復雜的光學問題利用信息技術（學習通平臺）及團隊優(yōu)勢進行了深入的分組探究，而對碎片化問題則布置成課后個人思考題。本文對力學、熱學、電磁學、光學及近代物理方面的一部分探究問題作了展示，見表2。

（二）課后分組討論探究情形

以光學問題為例，教師從光的干涉、衍射和偏振內容中提煉出數(shù)十道A、B、C三個難度等級的探究問題。A等級涉及光學基礎知識的簡單實際應用；B等級涉及光學知識的綜合應用；C等級涉及與科研或者與實際生產生活相關的應用。

學生自行分組，每組8位學生，每組在這些問題中選擇一道C難度的問題和一道A或B難度的問題，通過組內討論給出這兩個問題的討論結果。另外，每位同學需提出至少一個對光學有困惑或感興趣的問題，并由每組組長統(tǒng)一提交。教師對學生討論結果給出反饋意見并按照評價標準進行教師評價（占比33%），然后結合組內（占比33%）及組間評價（占比34%）選出討論清晰、結論準確的組別。

小組在解決問題時，首先組內交流提出猜想假設，然后通過教材、網絡完成資料的收集，之后對收集的資料進行篩選，經討論驗證猜想假設，從而得以解決問題。

關于組內、組間及教師評價。通過評價對學生的學習有督促作用，為了形成有效的探究效果，需要學生評價必須完成。對于組間評價，教師要求每組評價3組，評價前邊組號的小組，以及評價該組認為討論質量較好和較差的組別，這樣操作的目的，一是起到相互督促的作用，二是為了相互借鑒學習。

問題探究式教學不僅是要解決問題，更重要的是可以提出創(chuàng)新和實踐的問題。學生在解決問題時不斷思考、反復分析從而激發(fā)和提出新問題，如此不斷往復循環(huán)則推進了學習和教育進程［3］。所以在問題的探究過程中除了讓學生解決問題，還有意識地要求學生提出問題，并把學生提出的大量問題統(tǒng)一貼在學習通的討論區(qū)。問題探究流程圖見圖2。

（三）課后個人思考探究情形

對影響課上授課進程不適宜課上討論，但難度不大又不需要課后分組討論的一些問題，教師發(fā)布在學習通信息平臺的討論區(qū)，學生根據個人興趣和能力回答不同的問題。這樣既可以滿足學生差異化需求，學生還可以看到他人的思考結果。比如，能均分定理是否普適，根據分子動理論的知識解釋為什么大氣中的分子可以飄在空中，而樹上的蘋果卻是落在地上等問題。

五、教學效果評價

通過對2022年春季的和2023年秋季的材料物理專業(yè)以該教學模式分別學習大學物理AI和AII的學生（分別為106人、66人）以雨課堂投票形式進行對此教學模式的評價的調研：個人或小組探究大學物理中的各類難易程度不同的問題是否對你學習大學物理，自己能有意識地提出并解決感興趣的物理問題有一點啟發(fā)作用？其中認為問題探究有一定啟發(fā)作用的學生人數(shù)分別為29人、23人，有很大啟發(fā)作用的學生人數(shù)分別為65人、32人，完全沒有啟發(fā)作用的學生人數(shù)分別為2人、2人，未答題人數(shù)分別為10人、9人。其中有一定或很大啟發(fā)作用的學生人數(shù)占總學生人數(shù)的比例分別為88.7%、83.3%。這些數(shù)據說明大多數(shù)學生認可該教學模式，其認可的主要原因如下。

（一）學生的知識水平明顯提高

對給出的問題，學生無論是個人探究還是團隊合作探究，都需要多次的頭腦風暴或生生、師生思想碰撞，在不斷解決遇到的各種疑難問題之后才能得出結論。這樣的反復思考、分析過程對學生深入理解相應的知識有很大的幫助。

（二）學生的學習熱情顯著提高

學生探索物理學家發(fā)現(xiàn)實驗規(guī)律的歷程，探究解決生產、生活和科研上的實際問題，從中體會物理學家提出理論的思維方式以及物理知識在現(xiàn)實中的重要作用，從而極大地激發(fā)了他們的學習興趣。

（三）學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的意識及能力提高

當學生遇到困惑的問題時，首先進行各種猜測、推理和分析找出解決問題的方向，然后通過教材和網絡等途徑收集相關資料，通過對這些資料進行比較、歸納和分析得出初步結論，最后經過討論交流得到進一步的解釋。此過程中學生又會發(fā)現(xiàn)新的問題，進而對新問題進行更深入的探究。顯然，如此探究過程可以培養(yǎng)學生自主提出問題的意識，提高學生解決問題的能力。

（四）學生的團隊合作能力增強

各組在組內進行任務分解，每位同學首先完成自己的任務，然后通過討論交流共同解決復雜問題，所有這些都讓學生在參與的過程中感受到團隊合作的力量。

結語

本文對“基于問題的探究式教學法+傳統(tǒng)講授教學法”的教學模式在大學物理大班教學中的應用作了初步探索，無論是課上教學還是課后延伸都取得了良好的教學效果，因此，該教學方法改革在本課程中可以進行的更深更廣，并逐步推廣到其他課程中。

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基金項目：“天津理工大學教學基金”項目資助（項目編號：YB2424）

*通信作者：段秀麗（1978— ），女，漢族，山西大同人，碩士研究生，講師，研究方向為磁性材料等。

作者簡介：陸翠敏（1978— ），女，漢族，河北滄州人，博士研究生，副教授，研究方向為電子材料等。