基于问题式教学法的翻转课堂教学设计与实践

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063)

一、引言

近年来，随着计算机和互联网的发展与普及，人们可以通过各种各样的渠道获取自己想要的信息。这样的改变也冲击着传统的学习和教育方式，课堂教学已经不再是单一的教与学，体现更多的是在师生、生生之间交流互动过程中进行知识传递和能力提升。发生在不同国度的“翻转课堂教学模式(The Flipped Classroom，TFC)”与“问题式教学法(Problem-Based Learning，PBL)”，虽然在不同的社会文化和教育氛围下呈现出不同的现实形态，但二者在改革课堂教学的价值倾向性上具有统一性。当前，“翻转课堂教学模式”和“问题式教学法”的研究蓬勃发展、日渐成熟，但是由于自身的局限性，往往在实施过程中会充斥着质疑和批评。[1-2]其中，大多数研究都是从两者的改革形式或模式出发的，而对于如何有机整合“翻转课堂教学模式”和“问题式教学法”，在国内高等学校工科专业课程教学中的研究与实践尚不多见。[3-4]本文深入分析翻转课堂和问题式教学法存在的不足并提出解决途径，以武汉理工大学“内燃机学”课程为例，探讨整合翻转课堂教学模式和问题式教学法的设计与实践。

二、翻转课堂教学模式

1.翻转课堂与传统课堂的区别

建构主义认为，课程教学流程可以分为知识传授和知识内化两个过程。就传统教学过程而言，知识的传授主要是依靠教师的课堂讲授来完成，而知识的内化则主要通过课后作业、实验操作等来完成。翻转课堂颠覆了传统教学模式，重新规划了课堂学习时间，实现了对传统教学流程的再造。知识的获取是学生利用信息技术在课前自学完成，知识的内化是在课堂中通过老师引导答疑及互动交流来达成。[5]表1对比了传统课堂和翻转课堂各要素的差异。

2.翻转课堂认识上的误区及本质

作为一种全新的教学模式，翻转课堂具有与传统教学流程相颠倒的教学范式，因此教学过程中各个环节也相应发生了改变。目前，我国部分高校工科专业的课程教学理念在翻转课堂的组织实施中出现了认识上的偏差，难以达到预期效果，[6]因而有必要认清翻转课堂教学模式的本质，从课堂讨论中提升学生“吸收、内化”知识的效果。图1根据常见翻转课堂模式分析其认识上的误区，由此分析翻转课堂的本质。

表1 传统课堂与翻转课堂要素对比表

图1 翻转课堂教学模式常见认识误区和本质

3.翻转课堂教学模式存在的问题及解决途径

翻转课堂教学模式颠覆了传统教学中知识传授与知识内化教学过程的顺序，在课前就完成了传统课堂中的知识传授过程，知识的内化过程包括课中的汇报、讨论交流、释疑解惑，以及课后的反思、作业与考试等教学活动。教学实践及调研可见，我国高校在翻转课堂教学组织过程中还存在诸多问题，图2是针对课前、课中和课后教学过程中存在的问题，从教学过程的组织方式上提出的解决途径。

三、问题式教学法

问题式教学法突破传统教学中教师直接讲授知识的教学方式，以学生的知识结构和认知水平为参考，将课程知识点以“问题”的形式呈现在学生的面前，因此教师创设问题情境的“质量”至关重要。图3是针对问题式教学法存在的问题，从课程的过程性评价设计解决措施，以激发学生学习兴趣和质疑热情为目的。

图2 翻转课堂教学模式存在的问题及解决途径

图3 问题式教学法存在的问题及解决措施

四、翻转课堂融入问题式教学法的设计与实践

1.应用实践对象

以武汉理工大学能源与动力工程专业核心课程“内燃机学”(the theory of internal combustion engine)为试点，利用“内燃机学”精品在线开放课程和网络教学平台资源，将“翻转课堂”中所用到的“微课视频”当作“新概念”教材引入，从时间和空间两个维度，采取问题式教学法全方位重构高效课堂。

2.翻转课堂教学模型设计

翻转课堂教学模型设计分为课前、课中(课堂)和课后三部分。贯穿三个部分的是利用信息技术为翻转课堂教学活动创建个性化的学习环境，为知识的传授和内化提供保障。[7]图4是翻转课堂教学模型。

图4 翻转课堂教学模型

3.课前教学模块设计

(1)制作教学视频

在翻转课堂中，教师通常以提供教学视频或者微课来完成知识传授过程。课堂中所用到的教学视频一般来自两种渠道：一种是课堂主讲教师或教学团队亲自录制；另一种则来源于网络上优秀的开放教育资源，如国家或省级精品课程、大学公开课和精品开放课程等。自制视频与开放教学视频的优缺点见表2所列。

表2 教学视频不同来源的优缺点对比

“内燃机学”翻转课堂教学同时提供了表2中的两种教学视频。首先按照课程教学大纲中的教学目标和内容，在学校教务处的支持下，高清录制了“内燃机学”全十章节共142个知识点的微课视频，每个知识点视频长度15～20 min。其次，引入内燃机行业协会和企业提供的涉及内燃机设计、制造、拆装、检验和试验等视频资源，以及国家资源共享课和在线开放课程相关视频资源等，作为课程学习的补充素材。两种视频资源存储在学校网络教学平台和“优慕课”在线课程平台上，免费下载和在线学习。

课程教学团队在录制“内燃机学”教学视频前，任课教师制作的教学课件紧扣教学目标和要求来组织教学内容，对课件的结构设计、知识点的重点难点把握、幻灯片的视觉效果和互动策略等进行精细的组织。在后期的微课视频制作时，聘请了专业视频制作公司和专家团队对教学视频(微课)的配色等视觉效果、互动性方式和时间长度等进行编辑优化，为学生提供内容丰富、形式多样和使用便捷的交流互动学习平台，以提高学生的学习参与度、积极性和自学效果。

开展“内燃机学”翻转课堂教学的难点在于如何吸引学生积极主动完成课前的微课视频自学。以能源与动力工程专业的学生为例，学生在观看微课视频自学时，主要精力不是用于认真听讲而是在做笔记。为此，在网络教学平台上为学生提供各知识点教学视频配套的课件副本，使学生可以集中精力听讲和思考内嵌视频中的问题。

(2)设计针对性练习题

每一门课程通常包含若干个知识点，并通过其内在规律和关系组成一个系统的知识体系。每个知识点则可以通过提出几个相关的问题，由表及里、从现象到本质一步一步进行阐述，剖析相关的知识体系。通过“问题”来引导启发学生，可有效激发学生的求知欲望。

在“内燃机学”教学视频中内置了丰富有趣的针对性习题，从问题开始讲授知识，通过提出问题、展开分析问题和解决问题三步走的方法，进一步引申出其他相关问题，努力使学生在课前自学过程中专注于知识点的讲解，不断地去思考和表达。实践表明，课前针对性的“问题”，能够充分激发学生的学习动机、兴趣和学习潜力，极大地调动了学生学习的积极性和主动性，让学生在轻松愉快的学习氛围中获得良好的自学效果。如在讲授内燃机污染物的排放控制时，先从日常生活的空气质量来谈环境污染，由此分析内燃机的主要污染物组成；然后要求学生理解污染物的产生机理和影响因素，为什么汽油机和柴油机会有这些不同表现以及工况变化对污染物排放量的影响等问题。让学生从自己的日常生活感受出发，引导学生主动去看书、查阅资料，为上课讨论交流提供素材，激发学生的学习兴趣和动力。因此学生在自学和相互讨论中便掌握了污染物的生成机理，又可以将影响因素和控制方法及技术紧密联系起来，使理论知识与实际应用紧密结合，让学生既学到知识又锻炼了能力，达到事半功倍的效果。

(3)搭建学习交流与监控平台

学生在课前的微课(视频)自学过程中，难免会有疑问，教师可通过网络教学平台或精品在线开放课程网站提供的网络交流功能进行答疑解惑。老师和学生、学生与学生之间可以通过论坛、留言板、教学邮件、答疑室等网络交流工具进行互动讨论和评价，分享学习经验和收获，共享学习成果，实现共同进步。同时，通过参与和监控学生间问题交流并解答学生学习过程中遇到的问题，老师也可以及时掌握学生的学习状态，为课堂教学活动设计提供依据。通过搭建学习交流与监控平台，师生间交流高效快捷，突破了时间和空间的约束。

4.课中(课堂活动)教学模块设计

在翻转课堂教学模式下，课前通过教学视频完成了基础知识的传授。课堂活动设计主要围绕知识的内化，应利用质疑、假设、情境、协作、讨论、论证和总结等要素充分发挥学生的主体作用，完成对所学知识的深化和内化，以提高学生分析和解决问题的能力。

(1)确定问题

根据课程教学目标与要求，参考学生课前自学的知识掌握程度和课前练习完成情况，对课堂所要讨论的问题进行优化设计，总结出一些更有针对性和探究价值的问题，使讨论更贴近学情实际。同时，应该提前让学生熟悉本知识点学习重点和难点，了解问题的内容、分析问题的方法和解决问题的途径等。学生在老师的指导下，根据各自兴趣和能力选择相应的探究题目进行分组。

(2)独立探索

翻转课堂的课堂教学活动应该注重培养学生独立学习的能力、分析并解决问题的能力和创新性思维。针对每一个知识点，以“问题”为导向，在教师的启发诱导下，以“内燃机学”教材和微课视频资源为参考资料，学生通过自主学习和独立思考，部分或全部解决学习过程中的疑问。对尚不能完全解决的疑惑，可通过师生互动、小组讨论、班级交流等多种解难释疑尝试活动，为学生提供充分自由表达、质疑、探究、讨论学习的机会，让学生将自己所学知识应用于解决实际问题。实践表明，在整个课程教学设计中，由于杜绝了“一刀切”式教育，充分尊重并给予学生独立探究的机会，因材施教，学生在独立学习中不断实现知识的内化，从而构建自己的知识体系。

(3)协作学习

协作学习是在生生、师生之间，采用多种形式，如陈述、商讨、反问和辩论等，对所研究问题进行充分论证，以实现知识的深化和内化。通过协作学习的活动形式，学生的交流沟通能力、协调能力及相互理解包容的心态都将得到提升，也有助于学生形成批判性思维、发散性思维及创新性思维。因此，在翻转课堂的教学设计中应加强交流互动环节，突出交互协作学习。[8]

学习小组是翻转课堂上协作学习活动的基本组成模块。分组协作学习的优势是每个学生都可以参与到教学活动中，通过与同学的交流，学生可随时验证自己的认识和想法是否正确，同时可提供更多方法和途径来解决问题，群策群力、集思广益。在“内燃机学”课程的协作学习中，按照理论与实践、原理与结构、性能仿真与匹配优化等模块进行学习小组的细化，使协作学习形成一个积木组合式学习团队。其分组结构如图5所示。

图5 “内燃机学”课程协作学习分组

对于学生的分组，教师需要随时捕捉学生的动态并及时加以调整和指导，如根据学生的认知水平、交流能力和个性特点，选择合适的交互策略，保证小组活动的有效开展。

(4)成果交流

课堂教学是学生获取知识的重要渠道，也是激发学生学习兴趣，提高科学及人文素养和获得先进思想与方法的重要途径。经过自学、针对性练习、质疑、独立探索、协作学习等一系列过程，每位学生或者各学习小组都会有各自的体会、经验、教训等学习收获。课堂教学中需要给学生提供展示与交流的机会和舞台，学生可以在课堂上汇报学习成果、交流学习体验，并与大家分享作品制作成功的喜悦。成果交流形式可丰富多样，如作品展览会、项目研究报告会、问题辩论会、实践技能大比拼和课题小型比赛等。参与成果交流活动的人员无须局限于本班师生，还可邀请同行专家学者、杰出校友、兄弟学校师生、学生家长等。

参照翻转课堂教学模式，除了在课堂上进行学习汇报、成果交流，也可以进行“翻转”，即学生在课前将自己学习成果、作品预先上传至网络教学平台，老师和同学在课前观摩、了解其作品或成果后，在课堂上进行讨论、质疑和评价。

(5)反馈评价

传统教学模式下的学生学习评价通常采用考试、课堂考勤和课程实验等环节来评定课程成绩。教师在教学过程中不能随时跟踪了解学生的学习情况，也就无法及时改进教学方法和调整课程教学进程。老师只能按照自己制订的教学计划按部就班地完成“教”的任务。

翻转课堂教学模式下的学生学习评价，由同行专家学者、校友、老师、同学以及学生本人共同完成。[9]评价主体的多元化有利于保证评价的公平公正。评价内容主要是学习过程和学习成果两方面。“内燃机学”课程翻转课堂教学的评价与反馈包括以下三个环节：

第一，平时学习表现(基本环节)。评价内容包括课前微课等教学视频资源的自学记录、针对性练习题的完成情况，也包括课堂上学习汇报、探索学习及协作学习过程中的表现、学习计划安排与执行情况、学习成果展示及学习积极性等方面。

第二，课程问题回答与反问质量(重点环节)。在课程知识点相关的“针对性问题”回答评价环节，教师根据学生回答次数(每个学生机会均等)和答案质量来评判其学习态度和基础知识的掌握情况。在翻转课堂中“反问质疑”评价环节，每个学习小组每次课必须向教师提出若干个与本知识点相关的问题或案例，教师可以对“反问问题”的质量进行评分。

第三，学习成果展示(核心环节)。主要评价学生对课程知识的熟练掌握程度，以及综合运用所学知识分析并解决工程技术或案例问题的能力。邀请专业教师或行业专家，对学生诸如课程实验报告、课程设计报告、文献阅读综述及仿真计算报告等作品进行评价，让学生在课程作品设计、分析等过程中完成知识到能力的转化和提升。

5.课后教学模块设计

课后教学模块的设计主要围绕知识的深化、能力的提升、学习效果检查与反馈。学生通过课后归纳总结、反思和必要的巩固性练习题，将自主学习、讨论交流和老师指导的知识点融入自己原有的知识体系中，进而对其消化和吸收。在“习得”这些知识的基础上，还要继续深入思考，找出那些没有完全理解的内容，想办法进一步弄懂会用，对于那些已经理解的内容要时常巩固复习。这些课后学习环节将会对知识整合起到承前启后的作用。

(1)课后巩固性练习

通过课后巩固性练习，不仅能够让学过的知识得到巩固与加强，而且还能产生新的认识和想法。学生在课程学习中，常常会有些未读透的地方，也会有被忽视的重要内容，而通过课后巩固性练习，不仅能学习到那些被忽视的知识，而且对于理解不深的地方也可以加深理解，对那些模糊的概念也会有更深刻的印象。课后巩固性练习还可以整合新旧知识体系，从而在脑海中建立良好的知识架构。新旧知识之间本不存在什么鸿沟，但由于课程学习是分不同的阶段来进行的，因此这就让新旧知识之间好像隔了一堵墙，而通过对习题的多次练习和复习，能使旧知识掌握得更好，新知识的吸收运用能力得到增强，从而使新旧知识融为一体，即所谓“温故而知新”。

在“内燃机学”网络教学平台上，针对每一知识点都设置有课后巩固性练习，每一章节设置有自测题，并提供了标准(参考)答案，供学生自测检查和复习思考。除此之外，平台上还提供了大量的配套教辅资源，如内燃机新技术、学科前沿及行业动态等，可以博采众长并加深对原有知识点的理解，起到扩充和引伸知识点的作用。

(2)答疑辅导

课后答疑辅导是课堂教学的延伸和补充。通过答疑辅导，不仅完善课堂教学内容，解决学生在学习中产生的疑难问题，还可以引导学生自学和思考，改进学习方法。教师通过答疑辅导检验教学效果，通过教学相长提高教学质量。“内燃机学”课程答疑辅导的形式包括每周一次固定时间的面授答疑、网络教学平台论坛答疑、班级QQ群技术交流、教学邮箱答疑等。对于共性问题，可采用教学论坛、QQ群或答疑室集体解答；对于个别学生的问题，可在教学邮箱或面授答疑。

(3)反问问题

在教学活动后期，当学生对知识点有一定理解后，其知识认知会在头脑中发生冲突，这将使学生的思维进一步发展和完善，而产生这种知识认知冲突主要表现为质疑、假设和反问等行为。教师应充分关注和利用学生的这种逆向思维和反问疑惑，及时开展因材施教，善于设计悬念、激发“矛盾”，让学生的思维在假设、质疑、困惑中撞击，从而提升其学习热情和学习能力。

内燃机技术的发展历程中，早期追求的是动力性和可靠性，20世纪末的优化目标是燃油经济性，而现在更多是强调低排放性能。不同章节的学习目标会有差异，需要用发展的、动态的观点分析问题，同时要善于总结和理清思路，多因素、多参数地综合分析；在分析出现矛盾的时候需要有优化、折衷、合理匹配的辨证观念。

在“内燃机学”的教学过程中要特别注重启发学生独立思考、对比分析和换角度看问题，激发学生开拓创新，即创设质疑情境，引导学生“会疑”。积极鼓励学生敢于和善于质疑、反问问题，培养学生质疑的勇气和精神及创新意识，即营造和谐氛围，鼓励学生“敢疑”。增强学生发现问题的能力，为最终分析、解决问题奠定良好的基础，即构建自主探索，培养学生“善问”。

(4)能力与素质提升

知识的传授无疑是重要的，但若只是单纯接受知识而不能有效内化并加以综合运用，那么即使学会了也只能成为无用的知识。讲授课程的过程只是知识的传授，但与此同时学生的能力和素质还需要得到培养和发展，不仅要培养他们积极主动去获取知识、运用知识的能力，而且还要培养他们运用知识去发现问题、分析问题并最终解决问题的能力。“内燃机学”课程主要讲授的是往复活塞式内燃机的共性问题，如动力如何获取和输出，能量如何消耗和利用，以及两种典型内燃机(汽油机和柴油机)的燃料供给、混合气形成、着火和燃烧、内燃机运行特性、排放与性能调控等基本理论等。这些内容是能源与动力工程专业知识结构中不可缺少的重要组成部分。课程的教学仅仅向学生传授这些知识点是远远不够的，必须在此基础上培养学生综合运用知识，能够分析内燃机工作过程的规律与原理(what)、与内燃机工作过程有关的性能分析(why)以及影响性能各因素及参数的优选、匹配原理与方法(how)等。

(5)课程考核

传统教学模式的课程考核重点考查学生对课程知识点的熟练掌握程度，多停留在知识点的记忆和理解层面，不能充分反映学生能力上的差异。在翻转课堂模式下的课程考核主张学习在于平时知识的积累，重点在于知识的综合分析与应用，反对考前突击和死记硬背。“内燃机学”课程考核包括过程性评价和终结性评价两部分。过程性评价的目的是为了推动学生独立思考，提高学生掌握和运用所学知识的能力，引导学生学会分析问题、探究问题和解决问题，以及理论联系实际、活学活用知识的习惯。终结性评价如期中、期末考试，目的是考查学生对知识的掌握程度、知识综合运用能力、自主学习能力、学科前沿及新技术的了解情况、理论结合工程实践的能力等。

五、教学改革成果分析

翻转课堂将学习的主动权交给学生，对于学习自觉和自律的学生而言可显著提高学习质量，但目前国内大部分大学生的学习主动性不强、自律性不够，不愿思考问题也不善于提问，另一方面，翻转课堂的组织也对老师的教学水平和课堂掌控能力提出了挑战。这些现实情况都会影响翻转课堂的效果。“基于问题式教学法的翻转课堂”是通过“问题”组织课堂，最大限度地优化教学效果，提高教育教学质量。

1.从学生角度

传统教育在发挥教师主导作用、学科知识的系统传授、师生间的情感交流等方面确有优势。但传统教育以教师为中心，以知识传递为主，重规范、轻创新，以板书讲授为主的教学模式，教师对教学目标、内容、方法、进程、结果和质量评定都实施严格的控制，教学过于程序化和模式化，教师与学生缺乏双向信息交流，教学效率低。教师对学生的学习能力、学习方法、价值观的形成关注不够，不利于培养学生的自主学习能力、工程实践能力和创新能力。翻转课堂教学模式突出以学生为中心，通过在线学习与面对面教学的有机融合，实现因材施教的个性化掌控式学习，使传统的教学流程、教学理念、师生角色、教学模式等发生“翻转”，可以提升学生学习的高阶性、创新性和挑战度。

2.从教师的角度

在翻转课堂教学中，教师的引导、答疑解惑、交流互动、高效课堂组织和学习评价等都非常重要，可以说教师的角色并没有淡化，相反还在某种程度上有所加强。在翻转课堂教学模式下，老师可以利用网络教学平台上传微课视频等教学资源，创设问题；在课堂上与学生进行讨论、答疑互动；通过课后的自测卷与巩固性练习等，可分析和把握教与学的效果。与传统的教学模式相比，翻转课堂教学使老师从主动变为被动，从主导变为引导，这些对教师的职业素质和业务能力有着更高的要求，也促进教书育人水平和能力的提升。

六、结束语

与传统课堂教学模式不同，翻转课堂教学是将学生的学习放在课外，学生在教师导学案或微视频的指引下，通过自主学习，完成教师设计好的课前学习任务；教师通过课前学习的反馈，了解学生的学习状况和学生困难所在，然后以学生的“问题”为牵引，精心设计课堂教学和讨论内容，开展小组合作或者进行项目学习；最后在课后完成作业、测试、拓展训练和教学反思与反馈等，完成知识的建构、吸收和内化。实践表明，基于问题式教学法的翻转课堂教学模式可以达到非常好的教育教学效果，并可以满足学生个性化的需求。

以武汉理工大学能源与动力工程专业核心课程“内燃机学”为试点，利用“内燃机学”精品在线开放课程网络教学平台，把“翻转课堂”所需要的“教学视频”作为一种“新概念”教材引入，采用问题式教学法重构课堂教学流程，在实际工程实践项目中检验学习成果的完成质量，并利用网络教学平台进行全程展示和监管。实践表明，翻转课堂教学模式和问题式教学法打破了传统教学中教师“一言堂”的教学模式，培养和锻炼了教师队伍，切实提升了能源与动力工程专业教学质量及实践效果。