陳 華 杜永勝 趙增茹 劉 佳 李永治

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)理學(xué)院 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

1 引言

基于問題學(xué)習(xí)(Problem-Based Learning)的教學(xué)模式(簡稱PBL)最早是由加拿大麥克馬斯特大學(xué)醫(yī)學(xué)院在1969年創(chuàng)設(shè)的新型教學(xué)體驗方式[1].隨后PBL教學(xué)模式被推廣到了500多所高等院校.PBL教學(xué)是一種以學(xué)生為中心，問題為導(dǎo)向的教學(xué)方法[2,3].

物理學(xué)是研究物質(zhì)、能量和它們之間的相互作用的學(xué)科，是一門隨著人類社會實踐發(fā)展而產(chǎn)生的一門學(xué)科[4].物理學(xué)本身就是在解決一個又一個具體問題的過程中發(fā)展起來的.因此，PBL教學(xué)模式非常適用于大學(xué)物理課程教學(xué).

熱學(xué)是研究物質(zhì)熱運動和與熱現(xiàn)象有關(guān)的學(xué)科.熱學(xué)與力學(xué)、電磁學(xué)和光學(xué)共同被稱為經(jīng)典物理的四大基石[5].根據(jù)研究對象和研究方法的特性，熱學(xué)包括兩種特色鮮明的理論，一是主要由觀察和實驗總結(jié)歸納得出的有關(guān)熱現(xiàn)象規(guī)律構(gòu)成的熱學(xué)宏觀理論——熱力學(xué)；二是從原子、分子微觀粒子運動以及它們之間的相互作用出發(fā)，研究熱現(xiàn)象的微觀理論——統(tǒng)計物理學(xué)[6].氣體動理論是從氣體的理想微觀結(jié)構(gòu)模型出發(fā)，利用統(tǒng)計平均方法研究氣體在平衡態(tài)時的性質(zhì)以及從非平衡態(tài)向平衡態(tài)的轉(zhuǎn)變過程[7].該部分的基本概念抽象，知識點繁雜，內(nèi)容體系龐大[8].學(xué)生對氣體動理論抽象模型和基本概念的理解和掌握都較為困難.本文以氣體動理論部分教學(xué)內(nèi)容為例，利用概念圖結(jié)合PBL教學(xué)方法幫助學(xué)生構(gòu)建熱學(xué)概念框架，提升學(xué)生科學(xué)探索的能力.

2 氣體動理論概念圖和PBL教學(xué)問題設(shè)計

概念圖是以圖解的方式由該課程(學(xué)科)中的概念和概念連線構(gòu)成的知識結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò).概念圖最早是由美國康奈爾大學(xué)教育心理學(xué)家Novak教授等人提出[9].結(jié)合Ausubel教授的理論，概念圖于21世紀初在物理教學(xué)過程中被應(yīng)用[10].大學(xué)物理課程中有非常多的基本概念，這些概念既抽象又難以理解.概念圖的應(yīng)用不但可以將課程中的知識進行整合，而且通過連線建立概念之間的聯(lián)系，幫助教師進行教學(xué)，也有助于學(xué)生對知識點的學(xué)習(xí).根據(jù)大學(xué)物理教學(xué)指導(dǎo)委員會針對非物理類理工科大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求，制定了氣體動理論部分的知識點概念圖,如圖1所示.PBL問題設(shè)計是否合理將決定PBL教學(xué)模式的成敗.教學(xué)過程中設(shè)計的PBL問題需要結(jié)合學(xué)生們的學(xué)習(xí)經(jīng)歷和生活經(jīng)驗，既不能太過復(fù)雜，又最好是真實問題，既能調(diào)動學(xué)生的積極性激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，又能符合大學(xué)物理課程中知識點的講解[11].結(jié)合概念圖1中的知識點，圖2設(shè)計總結(jié)了氣體動理論部分相對應(yīng)的PBL教學(xué)問題.

圖1 氣體動理論知識點概念圖

圖2 氣體動理論PBL框架圖

3 PBL教學(xué)模式在教學(xué)中的實施

我們選取了本校礦物加工工程和環(huán)境工程兩個專業(yè)的學(xué)生進行了為期半年的基于概念圖的PBL教學(xué)模式探索.在大學(xué)物理PBL的實際教學(xué)中，教師采用了課前、課中和課后三步走的教學(xué)方式.在課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，教師提前一周將PBL問題上傳到學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)綜合平臺上.比如講解溫度的本質(zhì)內(nèi)容之前，教師上傳討論問題：如何解釋保溫瓶保溫？絕對零度為什么達不到？學(xué)生可以利用電腦、手機登錄自己的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)綜合平臺賬戶，查閱、下載PBL問題.學(xué)生即開始以問題為導(dǎo)向，借助學(xué)校電子圖書館、互聯(lián)網(wǎng)等資源平臺展開課前預(yù)習(xí).為了提升學(xué)生的預(yù)習(xí)效果，教師要求學(xué)生將PBL問題調(diào)研的資料以紙質(zhì)或者電子版的形式帶入課堂.例如：針對保溫瓶如何保溫的問題，有的學(xué)生會閱讀大量關(guān)于保溫瓶制作原理、物質(zhì)散熱方面的文獻、書籍等資料；有的學(xué)生將在中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中下載郎遠濤的暖水瓶熱損失的理論分析的資料帶到教室分享，有的學(xué)生通過閱讀，了解到當(dāng)暖水瓶充滿熱水后其熱量可通過瓶膽夾層氣體對流作用、瓶膽上固體介質(zhì)熱傳導(dǎo)和電磁輻射3種途徑散熱.

在授課環(huán)節(jié)，教師在講解知識點之前，給學(xué)生3 min時間，學(xué)生自行組成3～5人的小組，可以結(jié)合課前預(yù)習(xí)以及書本中的知識對給定問題進行討論.討論過程中教師負責(zé)引導(dǎo)和答疑解惑.學(xué)生也可以利用這3 min展示課前整理的資料信息.例如,圖3為潘鑫龍同學(xué)調(diào)研的關(guān)于保溫瓶散熱的資料展示.從圖3中可知學(xué)生不但調(diào)研了保溫瓶的發(fā)展歷史，還查閱了保溫瓶散熱的原因以及解決的措施.

圖3 PBL教學(xué)學(xué)生整理資料信息實例

在討論和展示環(huán)節(jié)，學(xué)生明確本節(jié)課要解決的問題，教師也掌握了學(xué)生預(yù)習(xí)中的薄弱環(huán)節(jié)和理解難點.在接下來的授課過程中，教師能夠更有針對性地對溫度的微觀本質(zhì)、氣體分子如何通過碰撞交換熱量等知識點進行深入講解.在課后復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)，學(xué)生根據(jù)本節(jié)課的學(xué)習(xí)對PBL問題再次進行解答，并列出和本節(jié)課程相關(guān)的知識點、公式.

4 PBL教學(xué)效果

針對PBL教學(xué)模式在大學(xué)物理教學(xué)過程中的效果，教師選取了本校礦物加工工程、環(huán)境工程和土木工程3個專業(yè)的學(xué)生進行對比研究.其中礦物加工工程和環(huán)境工程采用PBL教學(xué)模式進行教學(xué)，而土木工程采用傳統(tǒng)的講授式教學(xué)模式.這3個專業(yè)的學(xué)生在本科招生考試中的成績比較接近，3個專業(yè)的大學(xué)物理課程均采取大班形式授課，因此，可對比性比較強.

經(jīng)過一個學(xué)期的基于概念圖的PBL教學(xué)方法對比研究.學(xué)生期末成績分布如圖4所示.

圖4 PBL教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)成績分布比較圖

從圖中可知3個大班的成績均屬正態(tài)分布.其中采用PBL教學(xué)模式的班級的高分人數(shù)明顯多于傳統(tǒng)教學(xué)班級.這說明PBL教學(xué)模式有利于拔尖人才的培養(yǎng).因為在PBL教學(xué)模式中是以學(xué)生為主體的，學(xué)生根據(jù)教師提出的問題，自主查閱資料、收集整合信息.例如：考試卷中有一道開放式考題，請列舉出熱機種類.對于傳統(tǒng)授課的學(xué)生一般會回答卡諾熱機、蒸汽機.而對于PBL教學(xué)班級的學(xué)生至少能答上來蒸汽機、內(nèi)燃機、汽輪機、燃氣輪機等.除了這4種熱機還有的學(xué)生可以回答出噴氣發(fā)動機、熱聲熱機等，甚至有的學(xué)生還羅列了奧托循環(huán)、郎肯循環(huán)、狄賽爾循環(huán)等熱機的循環(huán)過程.可以看出在PBL教學(xué)過程中拔尖學(xué)生不但能夠融會貫通大學(xué)物理的知識和概念，還能夠調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主動性和積極性，自主探索未知的問題.因此，在實施PBL教學(xué)模式的班級里報名參加大學(xué)生物理競賽的學(xué)生人數(shù)明顯多于傳統(tǒng)模式授課的班級.

另一方面從圖4可知，采用PBL教學(xué)模式班級的學(xué)生大學(xué)物理成績及格率普遍高于傳統(tǒng)模式教學(xué)的班級.這說明PBL教學(xué)模式有效地調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，只有學(xué)生自己想好好學(xué)習(xí)，想通過考試，才能順利完成學(xué)業(yè)考試.而傳統(tǒng)的以講授為主的教學(xué)班級，學(xué)生只是被動地學(xué)習(xí)教師講授的知識，這樣的教學(xué)模式中只有自覺的學(xué)生才能夠跟上教師的節(jié)奏完成課程的學(xué)習(xí)，而對于一些主動性學(xué)習(xí)相對較弱的學(xué)生，學(xué)習(xí)的效果就令人不太滿意了.因此，采用PBL教學(xué)模式的班級,學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性被間接的調(diào)動起來，部分學(xué)生掌握了針對PBL問題通過閱讀教材、查閱資料和團隊合作的方式自主找到答案，掌握該部分的物理知識，從而培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力.通過大學(xué)物理PBL教學(xué)模式的培養(yǎng)，學(xué)生具備自主學(xué)習(xí)能力和探索精神后，對于后續(xù)課程、研究生階段的學(xué)習(xí)乃至工作以后的學(xué)習(xí)都會受益.

5 結(jié)束語

PBL教學(xué)模式和國家提出的堅持以問題為導(dǎo)向的方針殊途同歸.針對概念圖構(gòu)建的PBL教學(xué)模式的初步實踐證明，在大學(xué)物理教學(xué)過程中，新的PBL教學(xué)模式有利于激發(fā)學(xué)生對未知問題的探索和學(xué)習(xí)的興趣，有利于建立學(xué)生自主調(diào)研和團隊合作的思維方式與行為習(xí)慣，從而有助于培養(yǎng)學(xué)生探索未知和解決問題的能力.