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工科《大學物理》課程PBL教學方案初探

來源:教育教學論壇?????2019-12-30 17:10:59??????點擊:
工科《大學物理》課程PBL教學方案初探
任芳芳 黃曉林 楊燚 葉建東 劉斌 徐駿    
(南京大學  電子科學與工程學院,江蘇,南京,210023)
[摘  要] 隨著教育教學體制的改革,工科《大學物理》課堂的教學也在發生著重大的轉變,不僅在課堂主體上有了轉換,同時對于教學方式、教育理念也有了全新的要求。本研究中,教師結合新形勢下適應性教學的理念,針對百名學生參加的平臺大課,探索了以問題為導向的教學方法,按照“問題驅動->探究學習->協作討論->成果演講->復習總結”的順序和環節,設計課堂教案,引導學生自主探索,從而鍛煉學生的發散性思維,提高學生的研究型學習能力。教師通過三年教學實踐,受到學生廣泛歡迎,教學方案仍在不斷改進,目前已取得較滿意的效果。
 
[關鍵詞] 大學物理、PBL、教學改革    教育教學論壇
A preliminary study on the PBL Teaching Scheme of the course of Engineering Physics
 
Ren Fangfang, Huang Xiaolin, Yang Yi, Ye Jiandong, Liu Bin, Xu Jun
(school of Electronic Science and Engineering, Nanjing University, Jiangsu, Nanjing, 210023)
 
[extract]
 
With the reform of education and teaching system, the teaching of engineering physics is undergoing a great change, not only in the classroom subject, but also in the teaching method. In this study, teachers combined with the concept of adaptive teaching under the new situation, aimed at the platform class attended by 100 students, explored problem-oriented teaching methods. According to the sequence and links of "problem driven > inquiry learning-> cooperative discussion-> achievement speech-> review and summary", we design the classroom teaching plan, guide the students to explore independently, so as to train the students' divergent thinking and improve the students' research-based learning. Ability to learn. Through three years' teaching practice, teachers have been widely welcomed by students, and the teaching scheme is still improving, which has achieved satisfactory results at present.
 
College Physics, PBL, Teaching Reform
[中圖分類號] G642.0
 
1  引言
物理學是對物質世界的構成和運動規律進行研究的學科,是科學的基礎,也是人類認識世界的基礎。物理學作為各個科學的根基,要應用到技術中,再應用到工程產業中。對于每個理工科的學生而言,《大學物理》(又名《普通物理》),是必修基礎課程。
為適應社會需要,國內外對于該課程的改革實踐層出不窮。比如東南大學的葉善專大學物理網絡工作室[1],成功將優質教學資源和現代教學技術相結合,實現了大學物理課程教學的改革與創新。與此類似地,中國科技大學基于網絡,為學生創造了多元化的教學環境,包括仿真實驗和遠程網絡實驗[2,3],節約了教學資源,同時為人才的創新思維和實踐能力提供了個性化的教學模式。美國的麻省理工學院(MIT)在物理學方面的教改非常成功[4]。其極具特色的教學方式是堅持實踐教育、創建信息化校園,以培養學生的探究精神和創新意識。比如開展“本科生研究機會方案”、組織“實驗性學習小組”、發展“獨立活動期項目”等。此外,著名的《費曼物理學講義》就是20世界60年代加州理工大學教學改革的優秀產物。
隨著教育教學體制的改革,在新的教學背景下,理工科的《大學物理》課堂的教學也在發生著重大的轉變,不僅在課堂主體上有了轉換,同時對于教學方式、教育理念也有了全新的要求。通過多次《大學物理》課程的教學實踐,反思現有的教學方案,發現仍存在以下問題有待改善和解決:(1)目前所用的教案多偏于數學推導和理論講解,學生在學習積極性、學習效果方面有待提高。(2)近年來,各校大力提倡教學的改革,包括翻轉課堂的實踐[5],已取得了顯著成效,但由于資源有限,往往只有少部分學生有機會參加《大學物理》翻轉課堂的學習,大多數學生仍局限在普通課堂。(3)對于工科的學生而言,基礎理論知識的學習更應融會貫通于實踐應用,以往的教學方案中缺乏對解決實際問題能力的訓練和培養。(4)語言表達的能力和技巧,尤其是專業語言的表達,在今后的工作中常常發揮關鍵性的作用,但卻在大學課堂中普遍缺乏針對性的訓練。(5)對于今后繼續攻讀研究生的學生而言,科技英語或專業英語的學習相對重要,而照顧到大多數同學的英語水平和學習效果,教師往往僅限于中文教學。
當然,教學改革并不應局限于引入多元化的教學手段和先進教學軟件。西安交通大學的部分基礎課教師參加了2015年境外培訓,他們在加州大學伯克利分校的課堂,看到了這樣的教學景象:“教師始終充滿著無限的激情,不斷運用豐富的肢體動作和幽默的談吐風格調動學生,所有的學生全神貫注,都在認真做筆記。課堂教學的焦點始終圍繞著層層遞進的問題”。他們在感悟中還寫到:“伯克利的教學已不僅限于知識的傳播,更類似一種身心的體驗,師生作為學習的共同體是在享受探索未知時所帶來的愉悅感?!盵6] 這應當是教學改革所希望達到的更高境界。
綜上所述,教學改革是順應時代發展的產物,改革工作任重而道遠。在本研究中,教師以工科《大學物理》課程的課堂教學為試點,根據科學發展現狀,嘗試從適應社會需要出發,采用以問題為導向的教學方法(problem-based learning, PBL)[7],并兼顧學生總體與個體差異,以努力達到提高教學質量的目的。
 
2  方法
結合教學實踐,PBL教學方法的主要步驟可大致設計為:問題驅動—>探究學習->協作討論->成果演講->復習總結。第一步,教師對概念有清晰、準確的認識,準備好一系列需要解決的“問題”,在課堂中拋出來,投石問路,并幫助同學界定“問題”,同時激發學生學習理論知識的濃厚興趣。第二步,教師給學生講解相關物理概念、邏輯和公式推導,使學生獲得理論基礎。第三步,回到一開始提出的“問題”,請同學課后通過網絡等資源,搜索相關解決方案,并協同小組討論,鼓勵頭腦風暴(對可能的假設、解釋、應用進行集體討論)。通過深入討論,重新結構化“問題”,并總結出一張powerpoint(PPT),用于展示自己對“問題”的理解以及介紹(包括設想)更多的應用。第四步,成果演講,學生以小組為單位,選出一名代表,走上講臺,用盡量學術的語言,在3分鐘之內講述整個“問題”的解答,包括自由拓展的應用探索。出于最大限度發揮學生語言(包括肢體語言)表現力方面的考慮,PPT要求不含動畫和視頻。第五步,教師以例題講解和習題解答為主的形式,為學生復習和總結知識要點。后面四步一脈相承,最終反饋于“問題”。主要流程可以用圖1來簡單表示。
 
圖1 PBL教學方法簡要流程
 
在PBL教學方案中,學生除了學習者的身份,還增加了合作者和研究者的角色。學生需要做的事情除了課堂聽講之外,還包括:(1)針對“問題”,進行調研、收集資料、記錄信息;(2)與團隊合作,展開討論、頭腦風暴、持續探究可能的解答方案;(3)對結果進行評估和修改;(4)向其他同學甚至公眾展示成果。
對學生而言,PBL教學方法的好處顯而易見。首先,打破傳統的“上課-作業-復習”學習法,教師在課堂上為學生營造了輕松而主動的學習氛圍,提高了學生學習的熱情。其次,學生在課堂上以及課后能自主、積極地發散性思考,并有機會充分表達自己的見解,同時能暴露自己學習中的弱點,或是理解有誤的地方,通過與同學、教師的交流,獲得及時糾正,使記憶更加深刻;第三,鍛煉了查閱資料、闡述觀點、歸納總結、邏輯推理、團隊合作、口頭表達的能力。
 
3  實驗對象和實施舉例
教師在南京大學電子科學與工程學院的《大學物理》課程試行了上述改革。該課程面向統招本科一年級學生。班級學生人數90人左右,大班上課,存在很多改革的局限性。以下以“光的偏振”章節的教學為例說明具體的教學實施過程。
第一環節,問題驅動。教師給出一系列具有推進關系的具體問題,引起學生的學習興趣,激發學生的探究動力。
(1)教師提問:你看過3D電影嗎?學生大多回答:看過。
(2)教師提問:佩戴的3D眼鏡有什么樣的功能?部分學生知道與偏振光有關。
(3)教師提問:3D電影的原理是什么?大多數學生不清楚。
(4)接著,教師讓學生將雙手食指按前后順序置于眼前,但只用單眼觀察。學生一般反應:較難判斷先后位置。
(5)教師再請學生睜開雙眼,再繼續觀察雙手食指的前后位置。學生一般反應:可以很容易判斷先后位置。
(6)教師總結雙眼立體視覺判斷事物深度信息的原理,并引導學生思考3D電影中光學偏振的相關應用。
第二環節,探究學習。教師講解光的偏振知識。在講解中,適當使用“課立方”綜合教學模式,進行課堂小測驗、提問,以提高課堂反饋效率、發揮學生的積極性。適當引入雙語教學的內容??紤]到學生對英語專有名詞的認識水平不同、聽力水平參差不齊,教師在教改實驗初期,只將英文講解環節放在每次課結束前的總結和概括部分,此后根據學生適應情況,逐步增加英語講解時間,但前提會保證學生對知識的充分理解。本次課堂最后,布置習題和小項目——《3D電影中的光偏振》。小項目的執行按事先分好的小組進行??紤]到一個班大約有90名學生,可將學生分成9組,每組大約10人。
第三環節,協作討論。教師通過線上教學平臺,引導學生課后利用網絡、圖書等資源進行調研,并以小組為單位,開展頭腦風暴式討論。學生需要在討論中結合所學基礎知識、對調研結果的綜合理解,提出可能的解決問題的答案以及潛在的應用設想。學生還需要反過來對自己調研的結果作出自我評估,并在小組討論中口頭反饋。該環節限定兩周內完成,各小組研究成果以一張PPT的形式提交。
第四環節,成果演講。針對以上PPT,參照澳大利亞國立大學(ANU)研究生的“3分鐘演講”模式,請小組派出一名代表,在課堂上匯報項目完成情況,重點闡述3D電影的拍攝和播放過程,以及光的偏振現象還有哪些潛在的應用,每組匯報時間3分鐘。如課時有限,教師可根據提交PPT的情況,選擇較為優秀的合作小組進行演講。另外,小組內負責演講的同學,按照不同項目,組內輪換,盡量使所有同學都有上一次講臺的機會。通過該活動的開展,可非常有效地鍛煉學生的科學語言表達能力,以及舞臺展現能力。
第五環節,復習總結。教師歸納知識要點,總結小項目完成中存在的問題,講解習題。
 
圖2“光的偏振”章節PBL教學流程
 
以上五項環節的教學流程可用圖2表示。學生通過整個任務的執行,不僅掌握了光偏振的基本概念和運用,還與具體實際應用聯系起來,加深了理解。更重要的是,學生體驗了研究型學習的樂趣,在認知結構、語言、學習態度和方法等各個層面都會有不同程度的提升。三個學年的教學改革實踐表明,學生出勤率
 
4  總結
南京大學電子科學與工程學院的教師針對工科《大學物理》大課堂教學嘗試了改革,作為小課堂翻轉教學模式的平行試點。教師改變傳統的以公式推導為主的教學方式,轉向以問題為導向的PBL教學方案,還原人們探索問題、追求真諦的本來邏輯。教學實踐以激發學生學習興趣為先導,以解決實際問題為根本,引導學生培養研究型學習的能力、發展創造性思維,不斷增強學生的知識自信、思維自信和語言自信。教師將根據全國教育大會精神,進一步探索和嘗試更優化的改革方案,以適應現代社會對人才培養的需求。
參考文獻
[1] 朱延技, 葉善專, 殷實. 具有典型示范意義的課程網絡教學平臺--葉善專大學物理工作室的研制. 《物理與工程》 2007, 17(6):49-51,59.
[2] 霍劍青, 王曉蒲, 湯家駿, 等.分層次的物理實驗教學研究[J].《實驗室研究與探索》 2009, 28(4): 232- 235.
[3] 霍劍青, 王曉蒲. 大學物理仿真實驗2.0 for windows[M].北京:中國科學技術大學出版社, 1999.
[4] 涂成厚, 張立彬. 美國著名高校物理教育模式與特色分析及其借鑒意義探討. 《上海物理教育》綠色學習網 2011年6月22日.
[5] 王自強, 康琳, 張麗敏. 南京大學:以學習小組的形式進行翻轉課堂[J]. 《中國教育網絡》 2015(5): 58-59.
[6] 李遠康, 鈔秋玲. 世界一流大學的本科教學是怎樣的?《西安交通大學發展研究報告》42-47.
[7] Edens, Kellah M. Preparing problem solvers for the 21st century through problem-based learning. Col Teach, 2000, 48: 55-60
作者簡介:任芳芳,博士,副教授,博導
通信作者:任芳芳,  
收稿日期:2019-1-23


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