大学物理实验项目式教学(PBL)框架衡量标准的研究

2024-05-23沈延群彭小龙

长春大学学报 2024年4期

沈延群，彭小龙

(长春大学材料科学与工程学院，长春 130022)

PBL在不同的研究中被翻译成项目式教学法(Project based learning)或“问题驱动”教学法(Problem based learning)，还可以翻译成“以人为本”的教学法(People based learning)。本研究倾向项目式教学法。PBL教学模式由美国教授Barrows于1969年在加拿大的McMaster大学首创，经过50多年的研究，PBL黄金标准由美国项目研究所、约翰·摩根多尔与约翰·拉尔默联合提出。目前，PBL成为美国一项重要的教学策略，已有很多成功的教学实践案例，许多教学经验值得我们借鉴和学习[1]。

基于传统教学模式改进教学方法，虽然已融合了信息化，大学物理实验教学出现了翻转课堂、微格教学，也出现了PBL教学法与翻转课堂融合，但基本是教学手段上的改革。目前，物理实验PBL教学仍在理论研究与探索阶段，教学实践成功案例需要很多复杂因素，如团队教学理念、实验项目建设、实验教学文化的建设、如何评估学生的学习、学校资源的就位等等。不严谨的PBL对学生的学习效果会有影响，会增加教师工作量，浪费时间，同时让老师感到无奈和不解[2]。

1 大学物理实验PBL教学法的可行性

PBL教学法传入我国已有近20年，项目式教学(PBL)的核心是培养学生协作能力、探究能力、解决问题的能力及批判精神。对于本科课程项目式教学法的研究，有不同程度的探索和实践，也有很多学者提出本科课程教学是否可以采用项目式教学。笔者通过文献调研及同行们的项目式教学案例分享，结合本科课程教学的特点与实际情况，可以确定项目式教学法应用在大学物理实验课程教学是可行的，本文不再赘述。在大学物理实验教学过程中采用PBL教学法，核心是培养学生解决问题的能力、协作能力、批判精神、文化自信。其中包含了我们强调的课程思政，其理念又与OBE理念不谋而合。可见，PBL教学法值得我们探索并实践[3-4]。

2 大学物理实验教学现状

通过调研发现，多数普通院校的大学物理实验教学模式大同小异：学生通过预习、按照实验要求操作步骤进行实验的数据测量和数据处理，也是对基本实验方法的应用和实践；对学生的成绩评定包括预习、实践、数据处理的评定。当代大学生早已进入信息时代，他们经历了小学、初中、高中的教改，而我们本科教学改革教学理念应与时俱进，传统实验项目的教学目标较难改变，更多是为了完成实验测量任务。我们是否在大学物理实验教学中设定了学生的能力目标？实验教学最终是否达到能力目标要求？

为此，笔者从知识目标、能力目标两个维度设计了调查问卷，A-N共13个指标，在超星网络教学平台针对所有开设大学物理实验课程的学生发放了问卷调查，其结果如图1所示。

图1 问卷调查统计图

13个指标的具体内容如下：

A 我愿意在实验前了解与实验原理相关的所有理论知识。

B 了解实验探索过程很有趣，我希望了解更多与实验相关的历史过程。

C 实验原理不用讲，直接做实验就可以。

D 实验操作最好让我们自由探索，老师指点。

E 实验课就是让学生自己动手，不喜欢老师说得太多。

F 教师有必要讲实验仪器的使用，学生自己做。

G 实验课上应该让我们先自己探索仪器的使用方法，然后老师再答疑。

H 每个物理实验都有实验探索史，教师可以多介绍。

I 每个实验探索史，完全可以让学生自己查阅资料，不用老师讲太多。

J 实验报告书写不应拘于统一格式，我想按照自己的想法写更多的内容。

L 我愿意独立探索生活中的物理现象，开展实际测量和分析。

M 我希望能掌握测量方法或实验思想，应用到生活实践或科学研究当中。

N 在实验中遇到问题，我愿意独立查找问题症结予在并解决问题。

在长春大学理工类本科生调查问卷中，共有208人提交了问卷。其中：有66.5%的同学希望通过物理实验课掌握实验方法并能够应用到生活实践和科学探究当中；对实验探索历史、实验思想感兴趣的同学达到61.5%；对实验设备充满好奇，希望掌握实验仪器使用方法的达到55.8%，希望自己在实验之前了解实验相关的理论基础的同学占53.8%；希望能按照自己的想法来设计完成实验报告的同学占34.6%，实验报告不拘于统一格式，通过学生学习成果的展示，体现不同个体的差异；有7.7%的同学认为实验根本不用老师讲，老师负责答疑就可以。调查结果表明，目前的教学方法不能满足所有学生，有部分学生需要激发学习兴趣。

虽然大学物理实验教学在不同角度的教学总结出很多创新思维，在实际教学中，还缺乏实质性改变，而我们的目标是尽量让所有同学都能够主动探索。这需要团队不断更新教学理念，定期参加教学培训、交流、研讨活动等，在原有的基础上强化教学过程的求异、追问、探究、诊断意识。

3 PBL教学框架建设

根据我们课题研究要解决的实际问题，针对PBL教学的核心要点，首先建设大学物理实验PBL框架，包括团队理念、学习目标、教学文化、评估学生的学习等，高质量的PBL教学，是有完整的PBL框架衡量标准体系的。PBL框架也是项目式教学法不断优化迭代的结果，通过团队实践总结，结合课程教学特点，大学物理实验教学高质量PBL框架应具有如下六项衡量标准(如图2)：

图2 大学物理PBL教学框架衡量标准

3.1 教学目标的设计

实验教学目标同样包括知识目标和能力目标(如图3)。PBL教学是以学生为中心，培养学生协作能力、解决问题能力、探究能力及批判精神等，是符合教学改革的优秀教学方法。在此过程中，学生的协作能力、批判精神如何呈现，以什么方式呈现？对于教师的驱动问题，还有多大程度激起学生的好奇心、求知欲？有多少同学在问题驱使下，主动进行实验探究？培养学生的成功素养，有积极探索的动力，我们物理实验的教学目标就不仅仅是完成测量内容和数据分析，团队成员有改革势在必行的共识，真实培养学生在掌握基础知识的基础上，具有独立解决问题的思维及探究能力[5-6]。

图3 教学目标的设计

在太阳能电池特性测量实验中，学生了解半导体器件工作原理，掌握测量开路电压和短路电流的方法，以及填充因数F、最大输出功率Pmax的测量技能。实验测量内容完成后，如何提高半导体器件的光电转换效率？生活中是否可以利用手机app软件对半导体器件的一些基本特性进行测量？学生会在这些挑战性、驱动性问题的引导下展开持续探究，引导学生查阅和设计离网发电和并网发电的实验，持续探究光伏发电工程。每个实验项目的持续探究题目可以根据学生的具体情况和兴趣来设定，不同的学生兴趣点不同，持续探究项目也可以不同。

在毕奥萨法尔实验教学中，测量通电圆环导体和直导体在周围空间任意一点激发的磁场，待学生完成测量任务，教师可以通过问题驱动，引导学生持续探究，设计探究实验。如测地球磁场、家用电器磁场、手机磁场等等。实验目的是让学生把掌握、领会的思想形成科学思维，应用到需要的地方，加以实践。实验教学最终成果以什么方式体现，可以让学生自由发挥，不统一要求实验报告的撰写格式，应更多体现持续探究的过程、成果。

3.2 实验室文化建设

实验室文化建设包括制度建设、功能区的划分、日常管理、实验课堂惯例、师生公约等。良好的实验室文化对于高质量PBL教学是非常重要的，其融入了团队教学理念，体现物理实验室特定的环境与精神氛围，是物质文化和精神文化的总和，是实验室内涵建设重要内容之一，关系到我们在实验教学过程中渗透给学生的价值观、信仰及行为规范。

3.3 物理实验综合管理平台建设

平台建设是线上线下混合式教学的保障，是高质量的PBL教学必备条件，是师生互动、评价反馈，作业成果展示的重要途径。大学物理实验综合管理包括：学生选课，网上预习，实验项目建设，仿真实验资源建设，学生学习成果展示，评价与反馈，师生互动等。符合数字化、信息化教学发展需求，利于实验教学改革与发展，加强并完善“大学物理实验综合管理平台”的建设，不仅节约资源、提高效率，也是开展大学物理实验PBL教学的重要保障，促进混合式教学的发展，便于师生互动交流、评价与反馈、作业成果展示等。

3.4 物理实验项目建设

大学物理实验项目建设，是以大学物理为理论基础的，随着科学技术与社会的发展，大学物理实验项目的建设也经常在变化，并不是为了创新而抛弃原有的体系，而是在原来的基础上理念更新、方法创新。实验项目的建设由基础性实验、综合性实验、设计性实验、探究性实验形成完整的体系。学生通过实验，了解实验探索史和实验思想，以及基本操作技能和方法的训练与实践，在教师的引导下，进行持续探究的项目内容与设计。以学生的产出成果导向教育，来改进教学方法、教学策略，增强实验项目的趣味性、探索性、创新性。每个实验项目的知识目标和能力目标，目的是让学生能够通过实验思想和测量方法形成物理学思维，应用于解决生活实际问题和科学探究当中。

3.5 物理实验与客观世界

充分挖掘大学物理实验的相关的中国文化、实验探索史及科技前沿。将大学物理实验与科学技术发展相结合，将物理思维和实验方法应用于解决实际问题和科学研究中。很多大学物理实验项目来自科学技术，来自生活。如太阳能电池的特性测量实验，光伏效应已被广泛应用，在光伏发电技术领域，如何提高半导体器件的转换效率？如何提高材料的填充因数？学生通过查阅光伏发电工程建设情况及未来发展前景，学生意识到半导体器件的发展与我们的社会、生活分不开的，我国在半导体领域起步晚，但发展迅猛，这会增强学生的民族自信心。同样，光电效应法测普朗克常量，其实验思想是将电子的微观运动转化成宏观可控可测物理量，即在光电管阴极和阳极之间外加电压，是一种解决问题的物理思维。实际生活中，光电效应原理的应用有很多，可以让学生自己查资料获取更多信息[7-8]。

3.6 评估学生的能力

评估学生的学习是PBL教学的一项重要衡量标准。我们习惯于评价教师在整个教学过程的表现，而忽略对学生能力的评价，包括学生的自我评价，即自我反思。PBL教学法更重视学生能力的评估，对于学生的学习成果的评价来自多方面，如教师评价、学生之间互评、来自其他人员的评价，而评价的意义是促进学生自我反思与批判精神的养成。如何让教学评价贯穿整个实验教学过程当中？PBL教学以学生为中心，理念是让每个同学都参与到学习当中。学生的学习成果的评价主要来自三方面，即学生自评、教师评价、学生互评。在实验教学过程中，指导教师的评价包括实践过程中的即时评价。通过对学生能力的评估反观教师教学方法和教学质量。