基于智能手机辅助的大学物理PBL教学模式实践探究

2022-11-04何静李霞郜伟

大学·教学与教育 2022年9期

何静李霞郜伟

摘要：为了顺应新工科教学改革的发展要求，文章结合大学物理教学内容，将智能手机的相关软件应用与PBL教学模式相结合，构建基于智能手机辅助的大学物理PBL教学模式，有效扩展教学空间，为研究型学习提供有效手段，充分调动学生积极性，取得了良好的教学效果。

关键词：大学物理；PBL教学模式；智能手机

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1673-7164（2022）26-0103-04

大学物理学是理工科类本科生必修的公共基础课，是培养各专业本科生科学素质、科学思维方法和科学研究能力的核心课程。在新工科背景下，大学物理课在教学实施中将更注重培养学生的核心能力和核心素养［1］，以核心素养为导向的物理教学，不仅要求学生掌握基本的物理概念与知识，更关注学生进行动手操作与解决现实问题的能力以及严谨的科学态度和习惯的培养。在大学物理教学中应用PBL教学模式，可以将学习与问题挂钩，促使学生主动学习和有效获得知识。但是PBL教学在实施过程中遇到很多困难，比如教师与学生对PBL的经验不足，师资与管理缺口严重等［2］，特别是在现有学时的基础上，如何高效地进行PBL教学是需要解决的问题。本研究提出以智能手机为载体，通过线上线下多元化的教学方式进行PBL教学探索，借助智能手机的传感器与物理实验App相结合，增强PBL的教学效果。

一、PBL教学模式介绍

问题驱动教学法（Problem Based Leaning，以下简称PBL）教学模式是一种基于问题的学习及教学模式，该模式以建构主义和人本主义为基础，注重在具体的问题情境中合作学习［3］，最早由美国的巴罗斯（Barrows）教授于1969年在麦克马斯特大学首创，几十年来，该方法已经被广泛应用于世界许多国家和地区。在我国，西安医科大学实施PBL教学模式较早，并取得了丰富的研究成果，随后逐渐被应用到各类各科的教学过程之中。

PBL教学模式强调以问题解决为中心、多种学习途径相整合，在学习的过程中，学生要得到的不是一个简单的答案与结论，而是解决问题的过程与方法［4］，将学习与问题挂钩，使学生投入问题之中，鼓励其自主探究，激发和支持学生的高水平思维，鼓励争论，鼓励对学习内容和过程的反思，通过学生之间的合作来解决问题，从而学习隐含在问题背后的科学知识，形成解决问题的技能和自主学习的能力。PBL旨在使学习者建构起宽厚而灵活的知识基础，发展有效的问题解决技能，发展自主学习和终生学习的技能，成为有效的合作者，并培养学习的内部动机。

PBL教学的具体程序主要体现为创始人巴罗斯（Barrows）教授的五步教学法，包含提出问题、解释问题、设计探究、进行报告、课后反思等一系列的教学流程［5］。授课中以问题为牵引，通过教师授课、学生个人学习、同伴学习、小组讨论、导师指导，逐渐形成对问题的解决方法及方案，学习隐含在问题背后的科学知识，并在学习过程中逐步培养团队合作精神，提高学生的核心能力以及综合素养。

物理教学注重理论与实践的结合，与PBL教学模式的核心思想相吻合，在大学物理课程中应用PBL教学模式，可以有效地改善传统“填鸭式”教学的弊端，调动学生的学习积极性，充分发挥学生的主体作用，在获得知识与形成概念的同时，提升学生以合作探究为代表的物理核心素养水平。结合物理学科特点，教师在进行PBL教学的探索过程中，可探索利用智能手机等信息化教学手段和工具，借助教学平台，通过物理实验App，将智慧教育理念引入教学过程中。

二、智能手机辅助教学

智能手机辅助教学（Smartphone Assisted Instruction，以下简称SAI）是在计算机辅助教学（Computer Assisted Instruction，以下简称CAI）的基础上发展而来的［6］。在“互联网+教育”的理念提出之后，CAI研究热度直线上升，确实给教学带来了不少便利，然而由于计算机本身固有的一些特点，也存在着一些不可避免的缺点，最突出的就是无论是台式计算机还是笔记本电脑，都需要有相对固定的位置来放置，教师为了进行操作，活动范围受到限制，不能与学生进行近距离交流。而应用SAI，手机体积小质量轻，师生可以做到人手一部，教师可以直接拿着它进行教学，与学生进行近距离交流，使学生一起参与实验活动。这既能实现师与生、生与生之间的交互，又可进行随机教学，使学生收获意外学习效果。

近几年，智能手机随着科技的发展变得越来越强大，所带有的功能也更加丰富。一方面，教师可以通过智能手机中的超星学习通、雨课堂、钉钉、腾讯课堂、ZOOM 等教学App进行混合式教学，完成从课前预习、课中互动、到课后的拓展一系列教学过程，借助手机的便捷性，学生也可以根据自己的情况随时随地进行学习；另一方面可以利用智能手机中自带的加速度傳感器、磁力传感器、光传感器、压力传感器、声音传感器等多种内置功能，将物理实验软件融入大学物理教学，创建学生自己的“实验室”，自行设计探索整个实验，从而使他们成为主动学习者和问题解决者［7］。在PBL教学中利用智能手机辅助教学，既可以有效地缓解学生自主探究与授课学时不足的矛盾，又可以解决物理实验资源不足的问题，极大地提髙了课堂的教学效率，提升了学生课堂的参与性与主动性，增强了他们的学习动机，优化了移动学习效果，充分发挥PBL教学的优势，有利于增强学生的物理学习动机和自我效能感［8］。

三、大学物理PBL教学模式

（一）以问题为导向的大学物理PBL教学内容

PBL教学模式以问题为学习的起点，问题是学生开展学习活动的中心，问题选择的要素决定了PBL的有效性与可行性，故应创造生活化的问题情境，在学生已有知识的基础上，问题难度符合最近发展区的规律，多个问题之间的排布应具有层次性与逻辑性，使学生可以通过自主探究与教学引导循序渐进地解决现实问题。结合大学物理教学内容，本研究将PBL教学的问题分为概念理解型问题和专题探究型问题，分别从单个知识点的学习和知识体系理解两个层次促进学生学习方式的转变，培养学生研究型学习能力。

1. 概念理解型问题

概念理解能力是物理教学培养的基本能力之一，在传统教学中，概念的引出及讲解多是抽象的、符号化的，学生很多情况下是通过做练习题来获取概念的本质内含，这样一过程既枯燥又艰难，学生被动地向大脑填充概念信息，很难自发主动地进行探究，对本质认识也没有深刻的体会。在PBL 教学中，物理概念不再被当作一组符号和数据传递给学生，学生不仅仅是知识的接受者，而是在问题引导下自主建构知识体系，理解基本概念的实质。例如在“刚体的定轴转动”这章中，“刚体”的概念对学生来说是陌生的，是其在大学物理学习中首次遇到的，但这种建立“刚体”这一模型的研究方法对学生来说却并不陌生，他们可以在对“质点”概念的已有认知能力的基础上自主探究。以递进式问题链的方式呈现如图1所示。

运用SAI教学是将概念理解性问题在课前通过雨课堂等教学平台推送给学生，学生自主进行分析并提交答案。在课堂教学中，教师应引导学生注意模型法、类比法等物理学方法，通过讨论交流加深其对刚体概念的理解，有效提高PBL的教学效能。需要注意的是，概念理解性的自主预习问题不能过于复杂，应尽量使各层次学生都能得出自己的答案，学生理解深度的差异性为课堂上的讨论奠定基础，通过相互的交流讨论，学生逐步认识到概念的本质。

2. 专题探究型问题

要提升学生的综合分析能力，仅靠单个知识点的学习与运用是不够的，往往需要跨章节甚至是跨学科知识的相互作用。在力、热、光、电磁等知识模块授课结束后，学生已经具有相关知识储备，可给出难度较高的专题探究型问题，以大作业的形式布置给学生小组。专题探究类问题的性质属于结构性不良问题，即问题的初始位置、目标位置、解决方式三个要素不全甚至全部没有，具有灵活的解决标准与自由的解决手段，是现实情境在课堂环境中的映射。这类问题需要将学生从一个被动的信息加工者转化为一个复杂情景的问题解决者，有效地锻炼学生的发散思维能力。

问题的来源主要有两个方面。首先是生活或工程技术中的实际问题，这基于教师多年的资源积累和总结。例如在整个经典力学部分学习结束之后，要求学生研究设计一个定点空投装备，引导学生分析这个现实问题可以转化为什么样的物理模型，会涉及哪些概念和定理定律，针对实际问题要求的准确性和稳定性如何进行理论分析及实验验证，鼓励他们进行自主探究。另一个来源是高水平的物理竞赛类题目，比如中国大学生物理学术竞赛。在刚体内容结束后，可布置竞赛题目“如何用非损伤的方法来检测鸡蛋煮熟的程度”，引导学生思考是否可以从分析鸡蛋的转动惯量入手，探究鸡蛋煮熟的程度，除此之外还有什么方法能够无损检测，将探究过程中收集到的数据验证物理概念与规律，培养学生创新思维和创新能力，鼓励他们参加竞赛并将得出的成果进行汇报。无论哪种来源的题目，都需要学生利用所学物理学方法进行分析，学生以小组为单位，自主制定实验方案，收集分析信息，利用生活的材料进行实验探究，促进合作学习能力和创新能力的提高。

科学探究能力并不是通过短时间的课程教学就能培养完成的，需要持续的探究积累。为此在学生进行 PBL 模式的探究活动时，教师只是引导和辅助，不要主导或直接给出结论，要使学生充分经历探究阶段的各个环节，探究阶段结束后，让学生分享小组的探究过程，进行交流与辩论，对自身的探究结果进行反思和总结。

（二）以手机为载体的大学物理 PBL教学实践

1. 利用移动网络教学平台保障PBL教学实施

按照Barrows教授的五步教学法，单纯依靠课堂上有限的时间开展 PBL 教学难以达到理想的教学效果。同时，参与小组讨论的学生课后很难集中进行讨论交流，教师也无法对学生的讨论进行及时的引导。利用智能手机中的即时通信工具及网络教学App进行PBL 教学，可以克服上述的缺点，显著提升教学效果，实现线上与线下融合，覆盖“课前—课上—课后”的每一个环节。

2. 利用手机传感器和实验App进行PBL教学实践

學生对概念理解型问题，单靠符号化、抽象的概念是很难进行理解的，为此教师可在教学中加入实验探究环节，进一步加深学生对概念的认识。比如“转动惯量”这一概念，为什么研究刚体要引入转动惯量、它与什么有关、对刚体的运动状态有什么影响。这些问题都是首次接触这一概念的学生不容易理解的部分。教师可利用智能手机中的Phyphox、Physics Toolbox AndroSensor 等物理实验App，对物体的转动惯量进行测量，探究质量、质量分布以及不同的旋转轴对转动惯量的影响，通过简单方便的实验，使概念不再是枯燥的符号，培养了学生研究型学习的能力。

在解决专题探究型问题的过程中，更需要学生运用所学知识，自主进行实验设计，在判断问题、分析数据、实验验证和问题解决的过程中，发展他们自身解决问题的能力和协作的技能。教师在学生实验过程中，要引导学生对数据进行总结分析，通过汇总表格，绘制图表等数据处理方法，使他们了解科学研究的过程，形成清晰的物理观念。

在PBL教学中应用物理实验App，可以有效解决物理实验资源不足的问题。合理有效地利用智能手机使其作为教学媒介，可极大地提髙课堂的教学效率，提升学生课堂的参与性与主动性，增强他们的学习动机，优化移动学习效果，转变学习方式，提升综合素质。

四、教学效果反馈

为了解学生对PBL教学模式的认可度以及经过PBL教学的收获，在一学期教学结束之后，本研究对学生进行了问卷调查。

（一）学生对PBL模式下的大学物理教学表示满意

绝大多数学生能够认可和接受PBL教学。有89.7%的学生认为提高了自己对大学物理课程的学习兴趣，91.32%的学生可以获得更为愉悦的课堂体验感，73.89%的学生愿意参与小组间的合作与交流，76.79%的学生认为能够加深对专业知识的理解和应用。在对PBL探究式教学和传统讲授式教学形式的比较上，有76.57%的学生更喜欢这种新的教学模式，另有9.3%的学生还是更喜欢传统的讲授式教学，不过有14.13%的学生认为两种教学方法都不错，79.38%的学生认为基于问题的学习对于突破重难点有帮助。其中在PBL教学中的困难，主要集中在自主学习过程中不知如何下手（占26.45%）以及不习惯发言环节（占13.84%）。?

（二）学生对智能手机应用于大学物理教学表示赞同

在对智能手机App的使用中，有87.62%的学生对实验结果感到满意，学生在学习活动中态度积极，希望老师在后续上课的时候可以继续将智能手机应用于课堂，有57.73%的学生认为在教学中应用智能手机辅助的最大优势是实验效果更明显，有助于掌握知识：认为在完成自己学习任务的同时能欣赏其他小组的学习成果的学生占到69.07%，这也间接形成了一个组间评价。还有85.57%的学生认为在大学物理中应用智能手机辅助的最大优势是可增加他们的学习兴趣。由此可见，大部分学生对在大学物理教学中应用智能手机有很大的兴趣，并且希望可以在以后的学习中继续使用。?

通过问卷调查可以看出， PBL教学能够提升学生的学习能力以及自主探究能力。但受传统应试教学的影响，由被动地接受知识到自主构建知识需要教师进行更细致的引导和帮助，加强小组间的交流和表达。

五、结语

基于学生核心能力和核心素质的培养，开展PBL教学的内容、实践及效果研究，构建基于智能手机辅助的大学物理PBL教学模式，可以拓展物理课外实验的范围，充分发挥PBL教学的优势，增强学生的物理学习动机，提高学生解决问题的技能和自主学习的能力，促进学生学习方式由“接收型学习”向“探究型学习”转变。

参考文献：

［1］周开发，曾玉珍. 新工科的核心能力与教学模式探索［J］. 重庆高教研究，2017，5（03）：22-35.

［2］黄斌. PBL与我国的教育现实［J］. 现代教育科学，2005（12）：7-9.

［3］ Hmelo-Silver，C.E.. Problem-based Learning：What and how do Students Learn？［J］. Educational Psychology Review，2004， 16（03）：235-266.

［4］任芳芳，黃晓林，杨燚，等. 工科《大学物理》课程PBL教学方案初探［J］. 教育教学论坛，2019，51（12）：169-171.

［5］辛赜. PBL模式在中学物理教学设计中的探究——以高中物理“重心与平衡”为例［D］. 桂林：广西师范大学，2020.

［6］丁益民，张余梦，章天金，等. 面向智慧教育的智能手机辅助教学研究——以《声音的产生与传播》教学实践为例［J］. 中国教育信息化，2021（10）：83-86.

［7］康贤明. 借Phyphox软件用手机做物理实验［J］. 物理之友，2019，35（03）：36-39.

［8］赵翠兰，祁珺，香莲，等. Mathstudio在ISEC理工科课程中的应用［J］. 大学物理实验，2019，32（06）：108-111.