何靜 李霞 郜偉

摘 ?要：為了順應(yīng)新工科教學(xué)改革的發(fā)展要求，文章結(jié)合大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容，將智能手機(jī)的相關(guān)軟件應(yīng)用與PBL教學(xué)模式相結(jié)合，構(gòu)建基于智能手機(jī)輔助的大學(xué)物理PBL教學(xué)模式，有效擴(kuò)展教學(xué)空間，為研究型學(xué)習(xí)提供有效手段，充分調(diào)動學(xué)生積極性，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理；PBL教學(xué)模式；智能手機(jī)

中圖分類號：G642.0 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1673-7164（2022）26-0103-04

大學(xué)物理學(xué)是理工科類本科生必修的公共基礎(chǔ)課，是培養(yǎng)各專業(yè)本科生科學(xué)素質(zhì)、科學(xué)思維方法和科學(xué)研究能力的核心課程。在新工科背景下，大學(xué)物理課在教學(xué)實施中將更注重培養(yǎng)學(xué)生的核心能力和核心素養(yǎng)［1］，以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的物理教學(xué)，不僅要求學(xué)生掌握基本的物理概念與知識，更關(guān)注學(xué)生進(jìn)行動手操作與解決現(xiàn)實問題的能力以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和習(xí)慣的培養(yǎng)。在大學(xué)物理教學(xué)中應(yīng)用PBL教學(xué)模式，可以將學(xué)習(xí)與問題掛鉤，促使學(xué)生主動學(xué)習(xí)和有效獲得知識。但是PBL教學(xué)在實施過程中遇到很多困難，比如教師與學(xué)生對PBL的經(jīng)驗不足，師資與管理缺口嚴(yán)重等［2］，特別是在現(xiàn)有學(xué)時的基礎(chǔ)上，如何高效地進(jìn)行PBL教學(xué)是需要解決的問題。本研究提出以智能手機(jī)為載體，通過線上線下多元化的教學(xué)方式進(jìn)行PBL教學(xué)探索，借助智能手機(jī)的傳感器與物理實驗App相結(jié)合，增強(qiáng)PBL的教學(xué)效果。

一、PBL教學(xué)模式介紹

問題驅(qū)動教學(xué)法（Problem Based Leaning，以下簡稱PBL）教學(xué)模式是一種基于問題的學(xué)習(xí)及教學(xué)模式，該模式以建構(gòu)主義和人本主義為基礎(chǔ)，注重在具體的問題情境中合作學(xué)習(xí)［3］，最早由美國的巴羅斯（Barrows）教授于1969年在麥克馬斯特大學(xué)首創(chuàng)，幾十年來，該方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于世界許多國家和地區(qū)。在我國，西安醫(yī)科大學(xué)實施PBL教學(xué)模式較早，并取得了豐富的研究成果，隨后逐漸被應(yīng)用到各類各科的教學(xué)過程之中。

PBL教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)以問題解決為中心、多種學(xué)習(xí)途徑相整合，在學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)生要得到的不是一個簡單的答案與結(jié)論，而是解決問題的過程與方法［4］，將學(xué)習(xí)與問題掛鉤，使學(xué)生投入問題之中，鼓勵其自主探究，激發(fā)和支持學(xué)生的高水平思維，鼓勵爭論，鼓勵對學(xué)習(xí)內(nèi)容和過程的反思，通過學(xué)生之間的合作來解決問題，從而學(xué)習(xí)隱含在問題背后的科學(xué)知識，形成解決問題的技能和自主學(xué)習(xí)的能力。PBL旨在使學(xué)習(xí)者建構(gòu)起寬厚而靈活的知識基礎(chǔ)，發(fā)展有效的問題解決技能，發(fā)展自主學(xué)習(xí)和終生學(xué)習(xí)的技能，成為有效的合作者，并培養(yǎng)學(xué)習(xí)的內(nèi)部動機(jī)。

PBL教學(xué)的具體程序主要體現(xiàn)為創(chuàng)始人巴羅斯（Barrows）教授的五步教學(xué)法，包含提出問題、解釋問題、設(shè)計探究、進(jìn)行報告、課后反思等一系列的教學(xué)流程［5］。授課中以問題為牽引，通過教師授課、學(xué)生個人學(xué)習(xí)、同伴學(xué)習(xí)、小組討論、導(dǎo)師指導(dǎo)，逐漸形成對問題的解決方法及方案，學(xué)習(xí)隱含在問題背后的科學(xué)知識，并在學(xué)習(xí)過程中逐步培養(yǎng)團(tuán)隊合作精神，提高學(xué)生的核心能力以及綜合素養(yǎng)。

物理教學(xué)注重理論與實踐的結(jié)合，與PBL教學(xué)模式的核心思想相吻合，在大學(xué)物理課程中應(yīng)用PBL教學(xué)模式，可以有效地改善傳統(tǒng)“填鴨式”教學(xué)的弊端，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，在獲得知識與形成概念的同時，提升學(xué)生以合作探究為代表的物理核心素養(yǎng)水平。結(jié)合物理學(xué)科特點(diǎn)，教師在進(jìn)行PBL教學(xué)的探索過程中，可探索利用智能手機(jī)等信息化教學(xué)手段和工具，借助教學(xué)平臺，通過物理實驗App，將智慧教育理念引入教學(xué)過程中。

二、智能手機(jī)輔助教學(xué)

智能手機(jī)輔助教學(xué)（Smartphone Assisted Instruction，以下簡稱SAI）是在計算機(jī)輔助教學(xué)（Computer Assisted Instruction，以下簡稱CAI）的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的［6］。在“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的理念提出之后，CAI研究熱度直線上升，確實給教學(xué)帶來了不少便利，然而由于計算機(jī)本身固有的一些特點(diǎn)，也存在著一些不可避免的缺點(diǎn)，最突出的就是無論是臺式計算機(jī)還是筆記本電腦，都需要有相對固定的位置來放置，教師為了進(jìn)行操作，活動范圍受到限制，不能與學(xué)生進(jìn)行近距離交流。而應(yīng)用SAI，手機(jī)體積小質(zhì)量輕，師生可以做到人手一部，教師可以直接拿著它進(jìn)行教學(xué)，與學(xué)生進(jìn)行近距離交流，使學(xué)生一起參與實驗活動。這既能實現(xiàn)師與生、生與生之間的交互，又可進(jìn)行隨機(jī)教學(xué)，使學(xué)生收獲意外學(xué)習(xí)效果。

近幾年，智能手機(jī)隨著科技的發(fā)展變得越來越強(qiáng)大，所帶有的功能也更加豐富。一方面，教師可以通過智能手機(jī)中的超星學(xué)習(xí)通、雨課堂、 釘釘、 騰訊課堂、ZOOM 等教學(xué)App進(jìn)行混合式教學(xué)，完成從課前預(yù)習(xí)、課中互動、到課后的拓展一系列教學(xué)過程，借助手機(jī)的便捷性，學(xué)生也可以根據(jù)自己的情況隨時隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)；另一方面可以利用智能手機(jī)中自帶的加速度傳感器、磁力傳感器、光傳感器、壓力傳感器、聲音傳感器等多種內(nèi)置功能，將物理實驗軟件融入大學(xué)物理教學(xué)，創(chuàng)建學(xué)生自己的“實驗室”，自行設(shè)計探索整個實驗，從而使他們成為主動學(xué)習(xí)者和問題解決者［7］。在PBL教學(xué)中利用智能手機(jī)輔助教學(xué)，既可以有效地緩解學(xué)生自主探究與授課學(xué)時不足的矛盾，又可以解決物理實驗資源不足的問題，極大地提髙了課堂的教學(xué)效率，提升了學(xué)生課堂的參與性與主動性，增強(qiáng)了他們的學(xué)習(xí)動機(jī)，優(yōu)化了移動學(xué)習(xí)效果，充分發(fā)揮PBL教學(xué)的優(yōu)勢，有利于增強(qiáng)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)動機(jī)和自我效能感［8］。

三、大學(xué)物理PBL教學(xué)模式

（一）以問題為導(dǎo)向的大學(xué)物理PBL教學(xué)內(nèi)容

PBL教學(xué)模式以問題為學(xué)習(xí)的起點(diǎn)，問題是學(xué)生開展學(xué)習(xí)活動的中心，問題選擇的要素決定了PBL的有效性與可行性，故應(yīng)創(chuàng)造生活化的問題情境，在學(xué)生已有知識的基礎(chǔ)上，問題難度符合最近發(fā)展區(qū)的規(guī)律，多個問題之間的排布應(yīng)具有層次性與邏輯性，使學(xué)生可以通過自主探究與教學(xué)引導(dǎo)循序漸進(jìn)地解決現(xiàn)實問題。結(jié)合大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容，本研究將PBL教學(xué)的問題分為概念理解型問題和專題探究型問題，分別從單個知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)和知識體系理解兩個層次促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)學(xué)生研究型學(xué)習(xí)能力。

1. 概念理解型問題

概念理解能力是物理教學(xué)培養(yǎng)的基本能力之一，在傳統(tǒng)教學(xué)中，概念的引出及講解多是抽象的、符號化的，學(xué)生很多情況下是通過做練習(xí)題來獲取概念的本質(zhì)內(nèi)含，這樣一過程既枯燥又艱難，學(xué)生被動地向大腦填充概念信息，很難自發(fā)主動地進(jìn)行探究，對本質(zhì)認(rèn)識也沒有深刻的體會。在PBL 教學(xué)中，物理概念不再被當(dāng)作一組符號和數(shù)據(jù)傳遞給學(xué)生，學(xué)生不僅僅是知識的接受者，而是在問題引導(dǎo)下自主建構(gòu)知識體系，理解基本概念的實質(zhì)。例如在“剛體的定軸轉(zhuǎn)動”這章中，“剛體”的概念對學(xué)生來說是陌生的，是其在大學(xué)物理學(xué)習(xí)中首次遇到的，但這種建立“剛體”這一模型的研究方法對學(xué)生來說卻并不陌生，他們可以在對“質(zhì)點(diǎn)”概念的已有認(rèn)知能力的基礎(chǔ)上自主探究。以遞進(jìn)式問題鏈的方式呈現(xiàn)如圖1所示。

運(yùn)用SAI教學(xué)是將概念理解性問題在課前通過雨課堂等教學(xué)平臺推送給學(xué)生，學(xué)生自主進(jìn)行分析并提交答案。在課堂教學(xué)中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生注意模型法、類比法等物理學(xué)方法，通過討論交流加深其對剛體概念的理解，有效提高PBL的教學(xué)效能。需要注意的是，概念理解性的自主預(yù)習(xí)問題不能過于復(fù)雜，應(yīng)盡量使各層次學(xué)生都能得出自己的答案，學(xué)生理解深度的差異性為課堂上的討論奠定基礎(chǔ)，通過相互的交流討論，學(xué)生逐步認(rèn)識到概念的本質(zhì)。

2. 專題探究型問題

要提升學(xué)生的綜合分析能力，僅靠單個知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)與運(yùn)用是不夠的，往往需要跨章節(jié)甚至是跨學(xué)科知識的相互作用。在力、熱、光、電磁等知識模塊授課結(jié)束后，學(xué)生已經(jīng)具有相關(guān)知識儲備，可給出難度較高的專題探究型問題，以大作業(yè)的形式布置給學(xué)生小組。專題探究類問題的性質(zhì)屬于結(jié)構(gòu)性不良問題，即問題的初始位置、目標(biāo)位置、解決方式三個要素不全甚至全部沒有，具有靈活的解決標(biāo)準(zhǔn)與自由的解決手段，是現(xiàn)實情境在課堂環(huán)境中的映射。這類問題需要將學(xué)生從一個被動的信息加工者轉(zhuǎn)化為一個復(fù)雜情景的問題解決者，有效地鍛煉學(xué)生的發(fā)散思維能力。

問題的來源主要有兩個方面。首先是生活或工程技術(shù)中的實際問題，這基于教師多年的資源積累和總結(jié)。例如在整個經(jīng)典力學(xué)部分學(xué)習(xí)結(jié)束之后，要求學(xué)生研究設(shè)計一個定點(diǎn)空投裝備，引導(dǎo)學(xué)生分析這個現(xiàn)實問題可以轉(zhuǎn)化為什么樣的物理模型，會涉及哪些概念和定理定律，針對實際問題要求的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性如何進(jìn)行理論分析及實驗驗證，鼓勵他們進(jìn)行自主探究。另一個來源是高水平的物理競賽類題目，比如中國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽。在剛體內(nèi)容結(jié)束后，可布置競賽題目“如何用非損傷的方法來檢測雞蛋煮熟的程度”，引導(dǎo)學(xué)生思考是否可以從分析雞蛋的轉(zhuǎn)動慣量入手，探究雞蛋煮熟的程度，除此之外還有什么方法能夠無損檢測，將探究過程中收集到的數(shù)據(jù)驗證物理概念與規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，鼓勵他們參加競賽并將得出的成果進(jìn)行匯報。無論哪種來源的題目，都需要學(xué)生利用所學(xué)物理學(xué)方法進(jìn)行分析，學(xué)生以小組為單位，自主制定實驗方案，收集分析信息，利用生活的材料進(jìn)行實驗探究，促進(jìn)合作學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的提高。

科學(xué)探究能力并不是通過短時間的課程教學(xué)就能培養(yǎng)完成的，需要持續(xù)的探究積累。為此在學(xué)生進(jìn)行 PBL 模式的探究活動時，教師只是引導(dǎo)和輔助，不要主導(dǎo)或直接給出結(jié)論，要使學(xué)生充分經(jīng)歷探究階段的各個環(huán)節(jié)，探究階段結(jié)束后，讓學(xué)生分享小組的探究過程，進(jìn)行交流與辯論，對自身的探究結(jié)果進(jìn)行反思和總結(jié)。

（二）以手機(jī)為載體的大學(xué)物理 PBL教學(xué)實踐

1. 利用移動網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺保障PBL教學(xué)實施

按照Barrows教授的五步教學(xué)法，單純依靠課堂上有限的時間開展 PBL 教學(xué)難以達(dá)到理想的教學(xué)效果。同時，參與小組討論的學(xué)生課后很難集中進(jìn)行討論交流，教師也無法對學(xué)生的討論進(jìn)行及時的引導(dǎo)。利用智能手機(jī)中的即時通信工具及網(wǎng)絡(luò)教學(xué)App進(jìn)行PBL 教學(xué)，可以克服上述的缺點(diǎn)，顯著提升教學(xué)效果，實現(xiàn)線上與線下融合，覆蓋“課前—課上—課后”的每一個環(huán)節(jié)。

2. 利用手機(jī)傳感器和實驗App進(jìn)行PBL教學(xué)實踐

學(xué)生對概念理解型問題，單靠符號化、抽象的概念是很難進(jìn)行理解的，為此教師可在教學(xué)中加入實驗探究環(huán)節(jié)，進(jìn)一步加深學(xué)生對概念的認(rèn)識。比如“轉(zhuǎn)動慣量”這一概念，為什么研究剛體要引入轉(zhuǎn)動慣量、它與什么有關(guān)、對剛體的運(yùn)動狀態(tài)有什么影響。這些問題都是首次接觸這一概念的學(xué)生不容易理解的部分。教師可利用智能手機(jī)中的Phyphox、Physics Toolbox AndroSensor 等物理實驗App，對物體的轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行測量，探究質(zhì)量、質(zhì)量分布以及不同的旋轉(zhuǎn)軸對轉(zhuǎn)動慣量的影響，通過簡單方便的實驗，使概念不再是枯燥的符號，培養(yǎng)了學(xué)生研究型學(xué)習(xí)的能力。

在解決專題探究型問題的過程中，更需要學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識，自主進(jìn)行實驗設(shè)計，在判斷問題、分析數(shù)據(jù)、實驗驗證和問題解決的過程中，發(fā)展他們自身解決問題的能力和協(xié)作的技能。教師在學(xué)生實驗過程中，要引導(dǎo)學(xué)生對數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)分析，通過匯總表格，繪制圖表等數(shù)據(jù)處理方法，使他們了解科學(xué)研究的過程，形成清晰的物理觀念。

在PBL教學(xué)中應(yīng)用物理實驗App，可以有效解決物理實驗資源不足的問題。合理有效地利用智能手機(jī)使其作為教學(xué)媒介，可極大地提髙課堂的教學(xué)效率，提升學(xué)生課堂的參與性與主動性，增強(qiáng)他們的學(xué)習(xí)動機(jī)，優(yōu)化移動學(xué)習(xí)效果，轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式，提升綜合素質(zhì)。

四、教學(xué)效果反饋

為了解學(xué)生對PBL教學(xué)模式的認(rèn)可度以及經(jīng)過PBL教學(xué)的收獲，在一學(xué)期教學(xué)結(jié)束之后，本研究對學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查。

（一）學(xué)生對PBL模式下的大學(xué)物理教學(xué)表示滿意

絕大多數(shù)學(xué)生能夠認(rèn)可和接受PBL教學(xué)。有89.7%的學(xué)生認(rèn)為提高了自己對大學(xué)物理課程的學(xué)習(xí)興趣，91.32%的學(xué)生可以獲得更為愉悅的課堂體驗感，73.89%的學(xué)生愿意參與小組間的合作與交流，76.79%的學(xué)生認(rèn)為能夠加深對專業(yè)知識的理解和應(yīng)用。在對PBL探究式教學(xué)和傳統(tǒng)講授式教學(xué)形式的比較上，有76.57%的學(xué)生更喜歡這種新的教學(xué)模式，另有9.3%的學(xué)生還是更喜歡傳統(tǒng)的講授式教學(xué)，不過有14.13%的學(xué)生認(rèn)為兩種教學(xué)方法都不錯，79.38%的學(xué)生認(rèn)為基于問題的學(xué)習(xí)對于突破重難點(diǎn)有幫助。其中在PBL教學(xué)中的困難，主要集中在自主學(xué)習(xí)過程中不知如何下手（占26.45%）以及不習(xí)慣發(fā)言環(huán)節(jié)（占13.84%）。?

（二）學(xué)生對智能手機(jī)應(yīng)用于大學(xué)物理教學(xué)表示贊同

在對智能手機(jī)App的使用中，有87.62%的學(xué)生對實驗結(jié)果感到滿意，學(xué)生在學(xué)習(xí)活動中態(tài)度積極，希望老師在后續(xù)上課的時候可以繼續(xù)將智能手機(jī)應(yīng)用于課堂，有57.73%的學(xué)生認(rèn)為在教學(xué)中應(yīng)用智能手機(jī)輔助的最大優(yōu)勢是實驗效果更明顯，有助于掌握知識：認(rèn)為在完成自己學(xué)習(xí)任務(wù)的同時能欣賞其他小組的學(xué)習(xí)成果的學(xué)生占到69.07%，這也間接形成了一個組間評價。還有85.57%的學(xué)生認(rèn)為在大學(xué)物理中應(yīng)用智能手機(jī)輔助的最大優(yōu)勢是可增加他們的學(xué)習(xí)興趣。由此可見，大部分學(xué)生對在大學(xué)物理教學(xué)中應(yīng)用智能手機(jī)有很大的興趣，并且希望可以在以后的學(xué)習(xí)中繼續(xù)使用。?

通過問卷調(diào)查可以看出， PBL教學(xué)能夠提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力以及自主探究能力。但受傳統(tǒng)應(yīng)試教學(xué)的影響，由被動地接受知識到自主構(gòu)建知識需要教師進(jìn)行更細(xì)致的引導(dǎo)和幫助，加強(qiáng)小組間的交流和表達(dá)。

五、結(jié)語

基于學(xué)生核心能力和核心素質(zhì)的培養(yǎng)，開展PBL教學(xué)的內(nèi)容、實踐及效果研究，構(gòu)建基于智能手機(jī)輔助的大學(xué)物理PBL教學(xué)模式，可以拓展物理課外實驗的范圍，充分發(fā)揮PBL教學(xué)的優(yōu)勢，增強(qiáng)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)動機(jī)，提高學(xué)生解決問題的技能和自主學(xué)習(xí)的能力，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式由“接收型學(xué)習(xí)”向“探究型學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)變。

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（薦稿人：馮向華，戰(zhàn)略支援部隊信息工程大學(xué)基礎(chǔ)部教授）

（責(zé)任編輯：向志莉）