基于智能手機輔助的大學物理PBL教學模式實踐探究

何靜 李霞 郜偉

摘 ?要：為了順應新工科教學改革的發展要求，文章結合大學物理教學內容，將智能手機的相關軟件應用與PBL教學模式相結合，構建基于智能手機輔助的大學物理PBL教學模式，有效擴展教學空間，為研究型學習提供有效手段，充分調動學生積極性，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：大學物理；PBL教學模式；智能手機

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

大學物理學是理工科類本科生必修的公共基礎課，是培養各專業本科生科學素質、科學思維方法和科學研究能力的核心課程。在新工科背景下，大學物理課在教學實施中將更注重培養學生的核心能力和核心素養［1］，以核心素養為導向的物理教學，不僅要求學生掌握基本的物理概念與知識，更關注學生進行動手操作與解決現實問題的能力以及嚴謹的科學態度和習慣的培養。在大學物理教學中應用PBL教學模式，可以將學習與問題掛鉤，促使學生主動學習和有效獲得知識。但是PBL教學在實施過程中遇到很多困難，比如教師與學生對PBL的經驗不足，師資與管理缺口嚴重等［2］，特別是在現有學時的基礎上，如何高效地進行PBL教學是需要解決的問題。本研究提出以智能手機為載體，通過線上線下多元化的教學方式進行PBL教學探索，借助智能手機的傳感器與物理實驗App相結合，增強PBL的教學效果。

一、PBL教學模式介紹

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

PBL教學模式強調以問題解決為中心、多種學習途徑相整合，在學習的過程中，學生要得到的不是一個簡單的答案與結論，而是解決問題的過程與方法［4］，將學習與問題掛鉤，使學生投入問題之中，鼓勵其自主探究，激發和支持學生的高水平思維，鼓勵爭論，鼓勵對學習內容和過程的反思，通過學生之間的合作來解決問題，從而學習隱含在問題背后的科學知識，形成解決問題的技能和自主學習的能力。PBL旨在使學習者建構起寬厚而靈活的知識基礎，發展有效的問題解決技能，發展自主學習和終生學習的技能，成為有效的合作者，并培養學習的內部動機。

PBL教學的具體程序主要體現為創始人巴羅斯（Barrows）教授的五步教學法，包含提出問題、解釋問題、設計探究、進行報告、課后反思等一系列的教學流程［5］。授課中以問題為牽引，通過教師授課、學生個人學習、同伴學習、小組討論、導師指導，逐漸形成對問題的解決方法及方案，學習隱含在問題背后的科學知識，并在學習過程中逐步培養團隊合作精神，提高學生的核心能力以及綜合素養。

物理教學注重理論與實踐的結合，與PBL教學模式的核心思想相吻合，在大學物理課程中應用PBL教學模式，可以有效地改善傳統“填鴨式”教學的弊端，調動學生的學習積極性，充分發揮學生的主體作用，在獲得知識與形成概念的同時，提升學生以合作探究為代表的物理核心素養水平。結合物理學科特點，教師在進行PBL教學的探索過程中，可探索利用智能手機等信息化教學手段和工具，借助教學平臺，通過物理實驗App，將智慧教育理念引入教學過程中。

二、智能手機輔助教學

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

近幾年，智能手機隨著科技的發展變得越來越強大，所帶有的功能也更加豐富。一方面，教師可以通過智能手機中的超星學習通、雨課堂、 釘釘、 騰訊課堂、ZOOM 等教學App進行混合式教學，完成從課前預習、課中互動、到課后的拓展一系列教學過程，借助手機的便捷性，學生也可以根據自己的情況隨時隨地進行學習；另一方面可以利用智能手機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置功能，將物理實驗軟件融入大學物理教學，創建學生自己的“實驗室”，自行設計探索整個實驗，從而使他們成為主動學習者和問題解決者［7］。在PBL教學中利用智能手機輔助教學，既可以有效地緩解學生自主探究與授課學時不足的矛盾，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效率，提升了學生課堂的參與性與主動性，增強了他們的學習動機，優化了移動學習效果，充分發揮PBL教學的優勢，有利于增強學生的物理學習動機和自我效能感［8］。

三、大學物理PBL教學模式

（一）以問題為導向的大學物理PBL教學內容

PBL教學模式以問題為學習的起點，問題是學生開展學習活動的中心，問題選擇的要素決定了PBL的有效性與可行性，故應創造生活化的問題情境，在學生已有知識的基礎上，問題難度符合最近發展區的規律，多個問題之間的排布應具有層次性與邏輯性，使學生可以通過自主探究與教學引導循序漸進地解決現實問題。結合大學物理教學內容，本研究將PBL教學的問題分為概念理解型問題和專題探究型問題，分別從單個知識點的學習和知識體系理解兩個層次促進學生學習方式的轉變，培養學生研究型學習能力。

1. 概念理解型問題

概念理解能力是物理教學培養的基本能力之一，在傳統教學中，概念的引出及講解多是抽象的、符號化的，學生很多情況下是通過做練習題來獲取概念的本質內含，這樣一過程既枯燥又艱難，學生被動地向大腦填充概念信息，很難自發主動地進行探究，對本質認識也沒有深刻的體會。在PBL 教學中，物理概念不再被當作一組符號和數據傳遞給學生，學生不僅僅是知識的接受者，而是在問題引導下自主建構知識體系，理解基本概念的實質。例如在“剛體的定軸轉動”這章中，“剛體”的概念對學生來說是陌生的，是其在大學物理學習中首次遇到的，但這種建立“剛體”這一模型的研究方法對學生來說卻并不陌生，他們可以在對“質點”概念的已有認知能力的基礎上自主探究。以遞進式問題鏈的方式呈現如圖1所示。

運用SAI教學是將概念理解性問題在課前通過雨課堂等教學平臺推送給學生，學生自主進行分析并提交答案。在課堂教學中，教師應引導學生注意模型法、類比法等物理學方法，通過討論交流加深其對剛體概念的理解，有效提高PBL的教學效能。需要注意的是，概念理解性的自主預習問題不能過于復雜，應盡量使各層次學生都能得出自己的答案，學生理解深度的差異性為課堂上的討論奠定基礎，通過相互的交流討論，學生逐步認識到概念的本質。

2. 專題探究型問題

要提升學生的綜合分析能力，僅靠單個知識點的學習與運用是不夠的，往往需要跨章節甚至是跨學科知識的相互作用。在力、熱、光、電磁等知識模塊授課結束后，學生已經具有相關知識儲備，可給出難度較高的專題探究型問題，以大作業的形式布置給學生小組。專題探究類問題的性質屬于結構性不良問題，即問題的初始位置、目標位置、解決方式三個要素不全甚至全部沒有，具有靈活的解決標準與自由的解決手段，是現實情境在課堂環境中的映射。這類問題需要將學生從一個被動的信息加工者轉化為一個復雜情景的問題解決者，有效地鍛煉學生的發散思維能力。

問題的來源主要有兩個方面。首先是生活或工程技術中的實際問題，這基于教師多年的資源積累和總結。例如在整個經典力學部分學習結束之后，要求學生研究設計一個定點空投裝備，引導學生分析這個現實問題可以轉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確性和穩定性如何進行理論分析及實驗驗證，鼓勵他們進行自主探究。另一個來源是高水平的物理競賽類題目，比如中國大學生物理學術競賽。在剛體內容結束后，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”，引導學生思考是否可以從分析雞蛋的轉動慣量入手，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據驗證物理概念與規律，培養學生創新思維和創新能力，鼓勵他們參加競賽并將得出的成果進行匯報。無論哪種來源的題目，都需要學生利用所學物理學方法進行分析，學生以小組為單位，自主制定實驗方案，收集分析信息，利用生活的材料進行實驗探究，促進合作學習能力和創新能力的提高。

科學探究能力并不是通過短時間的課程教學就能培養完成的，需要持續的探究積累。為此在學生進行 PBL 模式的探究活動時，教師只是引導和輔助，不要主導或直接給出結論，要使學生充分經歷探究階段的各個環節，探究階段結束后，讓學生分享小組的探究過程，進行交流與辯論，對自身的探究結果進行反思和總結。

（二）以手機為載體的大學物理 PBL教學實踐

1. 利用移動網絡教學平臺保障PBL教學實施

按照Barrows教授的五步教學法，單純依靠課堂上有限的時間開展 PBL 教學難以達到理想的教學效果。同時，參與小組討論的學生課后很難集中進行討論交流，教師也無法對學生的討論進行及時的引導。利用智能手機中的即時通信工具及網絡教學App進行PBL 教學，可以克服上述的缺點，顯著提升教學效果，實現線上與線下融合，覆蓋“課前—課上—課后”的每一個環節。

2. 利用手機傳感器和實驗App進行PBL教學實踐

學生對概念理解型問題，單靠符號化、抽象的概念是很難進行理解的，為此教師可在教學中加入實驗探究環節，進一步加深學生對概念的認識。比如“轉動慣量”這一概念，為什么研究剛體要引入轉動慣量、它與什么有關、對剛體的運動狀態有什么影響。這些問題都是首次接觸這一概念的學生不容易理解的部分。教師可利用智能手機中的Phyphox、Physics Toolbox AndroSensor 等物理實驗App，對物體的轉動慣量進行測量，探究質量、質量分布以及不同的旋轉軸對轉動慣量的影響，通過簡單方便的實驗，使概念不再是枯燥的符號，培養了學生研究型學習的能力。

在解決專題探究型問題的過程中，更需要學生運用所學知識，自主進行實驗設計，在判斷問題、分析數據、實驗驗證和問題解決的過程中，發展他們自身解決問題的能力和協作的技能。教師在學生實驗過程中，要引導學生對數據進行總結分析，通過匯總表格，繪制圖表等數據處理方法，使他們了解科學研究的過程，形成清晰的物理觀念。

在PBL教學中應用物理實驗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使其作為教學媒介，可極大地提髙課堂的教學效率，提升學生課堂的參與性與主動性，增強他們的學習動機，優化移動學習效果，轉變學習方式，提升綜合素質。

四、教學效果反饋

為了解學生對PBL教學模式的認可度以及經過PBL教學的收獲，在一學期教學結束之后，本研究對學生進行了問卷調查。

（一）學生對PBL模式下的大學物理教學表示滿意

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

（二）學生對智能手機應用于大學物理教學表示贊同

在對智能手機App的使用中，有87.62%的學生對實驗結果感到滿意，學生在學習活動中態度積極，希望老師在后續上課的時候可以繼續將智能手機應用于課堂，有57.73%的學生認為在教學中應用智能手機輔助的最大優勢是實驗效果更明顯，有助于掌握知識：認為在完成自己學習任務的同時能欣賞其他小組的學習成果的學生占到69.07%，這也間接形成了一個組間評價。還有85.57%的學生認為在大學物理中應用智能手機輔助的最大優勢是可增加他們的學習興趣。由此可見，大部分學生對在大學物理教學中應用智能手機有很大的興趣，并且希望可以在以后的學習中繼續使用。?

通過問卷調查可以看出， PBL教學能夠提升學生的學習能力以及自主探究能力。但受傳統應試教學的影響，由被動地接受知識到自主構建知識需要教師進行更細致的引導和幫助，加強小組間的交流和表達。

五、結語

基于學生核心能力和核心素質的培養，開展PBL教學的內容、實踐及效果研究，構建基于智能手機輔助的大學物理PBL教學模式，可以拓展物理課外實驗的范圍，充分發揮PBL教學的優勢，增強學生的物理學習動機，提高學生解決問題的技能和自主學習的能力，促進學生學習方式由“接收型學習”向“探究型學習”轉變。

參考文獻：

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［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，黃曉林，楊燚，等. 工科《大學物理》課程PBL教學方案初探［J］. 教育教學論壇，2019，51（12）：169-171.

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［6］ 丁益民，張余夢，章天金，等. 面向智慧教育的智能手機輔助教學研究——以《聲音的產生與傳播》教學實踐為例［J］. 中國教育信息化，2021（10）：83-86.

［7］ 康賢明. 借Phyphox軟件用手機做物理實驗［J］. 物理之友，2019，35（03）：36-39.

［8］ 趙翠蘭，祁珺，香蓮，等. Mathstudio在ISEC理工科課程中的應用［J］. 大學物理實驗，2019，32（06）：108-111.

（薦稿人：馮向華，戰略支援部隊信息工程大學基礎部教授）

（責任編輯：向志莉）