工科《大学物理》课程PBL教学方案初探

任芳芳 黄晓林 杨燚 叶建东 刘斌 徐骏

摘要：随着教育教学体制的改革，工科《大学物理》课堂的教学也在发生着重大的转变，不仅在课堂主体上有了转换，同时对于教学方式、教育理念也有了全新的要求。本研究中，教师结合新形势下适应性教学的理念，针对百名学生参加的平台大课，探索了以问题为导向的教学方法，按照“问题驱动→探究学习→协作讨论→成果演讲→复习总结”的顺序和环节，设计课堂教案，引导学生自主探索，从而锻炼学生的发散性思维，提高学生的研究型学习能力。教师通过三年教学实践，受到学生广泛欢迎，教学方案仍在不断改进，目前已取得较满意的效果。

关键词：大学物理;PBL;教学改革

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）51-0169-03

一、引言

物理学是对物质世界的构成和运动规律进行研究的学科，是科学的基础，也是人类认识世界的基础。物理学作为各个科学的根基，要应用到技术中，再应用到工程产业中。对于每个理工科的学生而言，《大学物理》（又名《普通物理》），是必修基础课程。

为适应社会需要，国内外对于该课程的改革实践层出不穷。比如东南大学的叶善专大学物理网络工作室[1]，成功将优质教学资源和现代教学技术相结合，实现了大学物理课程教学的改革与创新。与此类似，中国科技大学基于网络，为学生创造了多元化的教学环境，包括仿真实验和远程网络实验[2，3]，节约了教学资源，同时为人才的创新思维和实践能力提供了个性化的教学模式。美国的麻省理工学院（MIT）在物理学方面的教改非常成功[4]。其极具特色的教学方式是坚持实践教育、创建信息化校园，以培养学生的探究精神和创新意识。比如开展“本科生研究机会方案”、组织“实验性学习小组”、发展“独立活动期项目”等。此外，著名的《费曼物理学讲义》就是20世纪60年代加州理工大学教学改革的优秀产物。

随着教育教学体制的改革，在新的教学背景下，理工科的《大学物理》课堂的教学也在发生着重大的转变，不仅在课堂主体上有了转换，同时对于教学方式、教育理念也有了全新的要求。通过多次《大学物理》课程的教学实践，反思现有的教学方案，发现仍存在以下问题有待改善和解决：（1）目前所用的教案多偏于数学推导和理论讲解，学生在学习积极性、学习效果方面有待提高。（2）近年来，各校大力提倡教学的改革，包括翻转课堂的实践[5]，已取得了显著成效，但由于资源有限，往往只有少部分学生有机会参加《大学物理》翻转课堂的学习，大多数学生仍局限在普通课堂。（3）对于工科的学生而言，基礎理论知识的学习更应融会贯通于实践应用，以往的教学方案中缺乏对解决实际问题能力的训练和培养。（4）语言表达的能力和技巧，尤其是专业语言的表达，在今后的工作中常常发挥关键性的作用，但却在大学课堂中普遍缺乏针对性的训练。（5）对于今后继续攻读研究生的学生而言，科技英语或专业英语的学习相对重要，而为了照顾到大多数同学的英语水平和学习效果，教师往往仅限于中文教学。

当然，教学改革并不应局限于引入多元化的教学手段和先进教学软件。西安交通大学的部分基础课教师参加了2015年境外培训，他们在加州大学伯克利分校的课堂看到了这样的教学景象：“教师始终充满着无限的激情，不断运用丰富的肢体动作和幽默的谈吐风格调动学生，所有的学生全神贯注，都在认真做笔记。课堂教学的焦点始终围绕着层层递进的问题。”他们在感悟中还写道：“伯克利的教学已不仅限于知识的传播，更类似一种身心的体验，师生作为学习的共同体是在享受探索未知时所带来的愉悦感。”[6]这应当是教学改革所希望达到的更高境界。

综上所述，教学改革是顺应时代发展的产物，改革工作任重而道远。在本研究中，教师以工科《大学物理》课程的课堂教学为试点，根据科学发展现状，尝试从适应社会需要出发，采用以问题为导向的教学方法（problem-based learning，PBL）[7]，并兼顾学生总体与个体差异，以努力达到提高教学质量的目的。

二、方法

结合教学实践，PBL教学方法的主要步骤可大致设计为：问题驱动→探究学习→协作讨论→成果演讲→复习总结。第一步，教师对概念有清晰、准确的认识，准备好一系列需要解决的“问题”，在课堂中抛出来，投石问路，并帮助同学界定“问题”，同时激发学生学习理论知识的浓厚兴趣。第二步，教师给学生讲解相关物理概念、逻辑和公式推导，使学生获得理论基础。第三步，回到一开始提出的“问题”，请同学课后通过网络等资源，搜索相关解决方案，并协同小组讨论，鼓励头脑风暴（对可能的假设、解释、应用进行集体讨论）。通过深入讨论，重新结构化“问题”，并总结出一张powerpoint（PPT），用于展示自己对“问题”的理解以及介绍更多的应用（包括设想）。第四步，成果演讲，学生以小组为单位，选出一名代表，走上讲台，用尽量学术的语言，在3分钟之内讲述整个“问题”的解答，包括自由拓展的应用探索。出于最大限度发挥学生语言（包括肢体语言）表现力方面的考虑，PPT要求不含动画和视频。第五步，教师以例题讲解和习题解答为主的形式，为学生复习和总结知识要点。后面四步一脉相承，最终反馈于“问题”。主要流程可以用图1来简单表示。

在PBL教学方案中，学生除了学习者的身份，还增加了合作者和研究者的角色。学生需要做的事情除了课堂听讲之外，还包括：（1）针对“问题”，进行调研、收集资料、记录信息。（2）与团队合作，展开讨论，头脑风暴，持续探究可能的解答方案。（3）对结果进行评估和修改。（4）向其他同学甚至公众展示成果。

对学生而言，PBL教学方法的好处显而易见。首先，打破传统的“上课—作业—复习”学习法，教师在课堂上为学生营造了轻松而主动的学习氛围，提高了学生学习的热情。其次，学生在课堂上以及课后能自主、积极地发散性思考，并有机会充分表达自己的见解，同时能暴露自己学习中的弱点，或是理解有误的地方，通过与同学、教师的交流，获得及时纠正，使记忆更加深刻。最后，锻炼了查阅资料、阐述观点、归纳总结、逻辑推理、团队合作、口头表达的能力。

三、实验对象和实施举例

教师在南京大学电子科学与工程学院的《大学物理》课程试行了上述改革。该课程面向统招本科一年级学生。班级学生人数90人左右，大班上课，存在很多改革的局限性。以下以“光的偏振”章节的教学为例说明具体的教学实施过程。

第一环节，问题驱动。教师给出一系列具有推进关系的具体问题，引起学生的学习兴趣，激发学生的探究动力。

（1）教师提问：你看过3D电影吗？学生大多回答：看过。

（2）教师提问：佩戴的3D眼镜有什么样的功能？部分学生知道与偏振光有关。

（3）教师提问：3D电影的原理是什么？大多数学生不清楚。

（4）接着，教师让学生将双手食指按前后顺序置于眼前，但只用单眼观察。学生一般反应：较难判断先后位置。

（5）教师再请学生睁开双眼，再继续观察理双手食指的前后位置。学生一般反应：可以很容易判断先后位置。

（6）教师总结双眼立体视觉判断事物深度信息的原，并引导学生思考3D电影中光学偏振的相关应用。

第二环节，探究学习。教师讲解光的偏振知识。在讲解中，适当使用“课立方”综合教学模式，进行课堂小测验、提问，以提高课堂反馈效率、发挥学生的积极性。适当引入双语教学的内容。考虑到学生对英语专有名词的认识水平不同、听力水平参差不齐，教师在教改实验初期，只将英文讲解环节放在每次课结束前的总结和概括部分，此后根据学生适应情况，逐步增加英语讲解时间，但前提会保证学生对知识的充分理解。本次课堂最后，布置习题和小项目——《3D电影中的光偏振》。小项目的执行按事先分好的小组进行。考虑到一个班大约有90名学生，可将学生分成9组，每组大约10人。

第三环节，协作讨论。教师通过线上教学平台，引导学生课后利用网络、图书等资源进行调研，并以小组为单位，开展头脑风暴式讨论。学生需要在讨论中结合所学基础知识、对调研结果的综合理解，提出可能的解决问题的答案以及潜在的应用设想。学生还需要反过来对自己调研的结果做出自我评估，并在小组讨论中口头反馈。该环节限定两周内完成，各小组研究成果以一张PPT的形式提交。

第四环节，成果演讲。针对以上PPT，参照澳大利亚国立大学（ANU）研究生的“3分钟演讲”模式，请小组派出一名代表，在课堂上汇报项目完成情况，重点阐述3D电影的拍摄和播放过程，以及光的偏振现象还有哪些潜在的应用，每组汇报时间3分钟。如课时有限，教师可根据提交PPT的情况，选择较为优秀的合作小组进行演讲。另外，小组内负责演讲的同学，按照不同项目，组内轮换，尽量使所有同学都有一次上讲台的机会。通过该活动的开展，可非常有效地锻炼学生的科学语言表达能力，以及舞台展现能力。

第五环节，复习总结。教师归纳知识要点，总结小项目完成中存在的问题，讲解习题。

以上五项环节的教学流程可用图2表示。学生通过整个任务的执行，不仅掌握了光偏振的基本概念和运用，还与具体实际应用联系起来，加深了理解。更重要的是，學生体验了研究型学习的乐趣，在认知结构、语言、学习态度和方法等各个层面都会有不同程度的提升。

四、总结

南京大学电子科学与工程学院的教师针对工科《大学物理》大课堂教学尝试了改革，作为小课堂翻转教学模式的平行试点。教师改变传统的以公式推导为主的教学方式，转向以问题为导向的PBL教学方案，还原人们探索问题、追求真谛的本来逻辑。教学实践以激发学生学习兴趣为先导，以解决实际问题为根本，引导学生培养研究型学习的能力、发展创造性思维，不断增强学生的知识自信、思维自信和语言自信。教师将根据全国教育大会精神，进一步探索和尝试更优化的改革方案，以适应现代社会对人才培养的需求。

参考文献：

[1]朱延技，叶善专，殷实.具有典型示范意义的课程网络教学平台——叶善专大学物理工作室的研制[J].物理与工程，2007，17（6）：49-51，59.

[2]霍剑青，王晓蒲，汤家骏，等.分层次的物理实验教学研究[J].实验室研究与探索，2009，28（4）：232-235.

[3]霍剑青，王晓蒲.大学物理仿真实验2.0 for windows[M].北京：中国科学技术大学出版社，1999.

[4]涂成厚，张立彬.美国著名高校物理教育模式与特色分析及其借鉴意义探讨[EB/OL].《上海物理教育》绿色学习网，2011-06-22.

[5]王自强，康琳，张丽敏.南京大学：以学习小组的形式进行翻转课堂[J].中国教育网络，2015，（5）：58-59.

[6]李远康，钞秋玲.世界一流大学的本科教学是怎样的？[R].西安交通大学发展研究报告：42-47.

[7]Edens，Kellah M.Preparing problem solvers for the 21stcentury through problem-based learning.Col Teach，2000，（48）：55-60.