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工科《大学物理》课程PBL教学方案初探

来源:教育教学论坛     2019-12-30 17:10:59      点击:
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    
(南京大学  电子科学与工程学院,江苏,南京,210023)
[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    教育教学论坛
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
[中图分类号] G642.0
 
1  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。与此类似地,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世界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,基础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”。他们在感悟中还写到:“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。
 
2  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(包括设想)更多的应用。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。
 
图1 PBL教学方法简要流程
 
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;第三,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。
 
3  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理,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作出自我评估,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上一次讲台的机会。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。
 
图2“光的偏振”章节PBL教学流程
 
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,学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。三个学年的教学改革实践表明,学生出勤率
 
4  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. 《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. 《上海物理教育》绿色学习网 2011年6月22日.
[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?《西安交通大学发展研究报告》42-47.
[7] Edens, Kellah M. Preparing problem solvers for the 21st century through problem-based learning. Col Teach, 2000, 48: 55-60
作者简介:任芳芳,博士,副教授,博导
通信作者:任芳芳,  
收稿日期:2019-1-23


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