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摘要：工科专业课的学习，往往放在高年级的本科阶段，经过两到三年基础课程知识的储备，学生已具备一定的专业知识。通过在高年级的专业课讲授中实施基于问题学习的教学方法，学生在解决老师设计的问题过程中，能够有效提高自主学习和查阅收集资料能力，能够实现关联基础课程知识的融会贯通，能够培养学生团队合作与集体意识，塑造创新性与批判性思维，进而提高学生解决问题的能力，增加对专业课的兴趣和认同，使学习效果事半功倍。关键词： 基于问题学习 自主学习 问题设计 问题解决 工科专业课【中图分类号】G640
基于问题学习（Problem-Based Learning 简称PBL）是和填鸭式教学（Spoon-Fed Education）与题海战术（Drill-and-Kill）截然不同的一种学习方法，该法是由美国神经病学教授Barrows于1969年在加拿大首创。其核心思想是学生必须对自己的学习任务怀有高度的责任心，需要在解决问题的时候全心全意投入，强调在整个学习环节必须调动学生的自主性。该方法在构建主义教育改革中，一直是西方学者奉行的一条基本改革思路[1]。由于PBL不再是传统教育中单纯以教师讲授为主，也不再是教师照本宣科的教授方式，其实施的关键是在教学中，教师结合课程学习大纲，用少量的知识构建一个相对复杂的问题，并对问题的最终解决目标做出合理引导，以便学生形成共识[2、3]。在学生探索过程中，往往以小组为单位，形成一个良好的学习讨论氛围，集思广益，以实现任务的分解，资料的收集，所获信息的评判与资料的消化整理等。在问题解决过程中，倡导自主探索，激发学生的高水平思维，鼓励探讨与争论，并对学习的内容和过程进行反思，充分考虑拟解决的问题与其他问题的异同，在概括原有知识体系的基础上，理解新知识新的应用可能，从而达到自主学习的目的[4、5、6]。为了提炼他们所学到的东西，学生们要有意反思问题解决的过程。要考虑这个问题与以前所遇到问题的共同点与不同点，这可以帮助他们概括和理解新知识的应用情境，从而使学生夯实基础知识，发掘解决问题能力，塑造创新性与批判性思维，养成终身学习的习惯[7、8、9]。目前关于PBL在教学中的应用，侧重的是理论上的研究和对某个专业及某个学科的影响，及其在一些具体课程上的实施[3、10]。本文结合作者近几年承担的四川大学材料物理/材料化学专业课程的教学活动，在大三学生群体中实施PBL，强调在教学中以解决问题为中心，引导学生对相关学科知识进行整合，在讨论交流中，发挥支持和引导的作用。通过问题的设计与解决，探索PBL学习方式在高年级工科专业课中的应用模式。
一、 PBL实施
本次实施PBL目的是培养学生主动学习，以团队为单位，在理解、掌握专业课程知识的基础上，形成良好的互动合作学习风气，解决教师设计的各种问题。涉及四川大学材料科学与工程学院材料系大三课程《纳米材料与技术》，具体实施过程如图一所示。
本研究属四川省科技支撑计划资助（2013GZX0145）
①分组：在探索问题之前，学生首先要组成一个学习小组，学生们要互相了解或认识，为合作学习创造一个良好的人际氛围。由于是大三的学生，互相比较了解，小组学习有良好的人际氛围，为不失样本的通用性，本实验按照学号顺序选取60名学生为试验对象，按照4人一组，分为15个小组进行，每个小组安排一个学生作为组长。在实际实验过程，每小组均按照面对同一问题，独立分析解决。
②设计问题：这个环节是实施PBL的关键，决定了PBL教学的可行性和合理性。在设计问题时，作者和几位合作教师反复商讨，结合材料科学系专业培养和《纳米材料与技术》教学大纲要求，尽量为学生设计真实可行，操作性好，能反映学生专业基础知识综合应用的问题。在设计时，尽量用较少的信息传递相对综合复杂的问题，并和学生交流沟通，形成共同的理解。比如其中一题为："原子力显微镜如何推动纳米材料和纳米技术的发展？"
③开始问题：在问题提出时，首先激发学生解答问题的兴趣，做好角色的转变，教师由单一上课者变为问题提出和解决问题的促进者，在开始问题时，做好引导和促进的作用[11]。
④解决问题：在这个过程，小组组长开始发挥作用，负责成员的召集并分解任务，对成员收集的资料进行汇总讨论，甄别信息的来源及是否可靠[12]，及时和教师沟通交流。解决问题的过程，是学生自主学习的重要环节，以上一个问题为例，对于解决"原子力显微镜如何推动纳米材料和纳米技术的发展"问题，由于学生之前学习了《现代材料分析技术》和《现代材料制备科学技术》等课程，对于现代材料的发展和测试分析手段的应用有了知识的储备，在解决问题时，能够较好的应用之前所学的相关知识点。
⑤讨论汇报：对于各小组形成的结论，根据不同小组获取资料、消化资料的方式不同，实验倡导采用多种形式报告。在汇报中，大多数小组能够理清设计问题的目标和课程教学的目标之间的关系，对资料都有较好的消化整理。
⑥反思：这是PBL学习和其他教学方法最大的区别，是一种高层次的思维活动，是自我调节构建知识而进行的思维[13]。通过反思，可以培养学生批判性和创造性思维，能够将在解决问题过程中获得的资料进行升华，提炼出有益的知识，找到《纳米材料与技术》课堂中的问题和其他课程的相同之处和不同的地方，通过反思，可以明确问题的解决与否，是否需要重新进行问题的解决，即重新收集资料，梳理资料，解决问题[14]。
二、结果分析
前后设计了五个问题，对于PBL的应用，学生经历了从陌生到熟悉的过程，从被动接受到主动承担的过程。经过与合作教师商讨，问题解决的最终评判标准来自六个方面，包括基础知识的应用、收集资料的来源、收集资料的可靠性、分析资料的能力、协作能力以及对问题的反思。表一给出了各标准所占比例。图二给出了五个问题学生解决的结果。
为了更好地研究结果的可行性，利用下面的公式计算了试验结果的均方根平均值σ（其中A为单次解决问题的平均分），其分布情况见图三。 从PBL实施情况来看，对于第一个问题的提出，"原子力显微镜如何推动纳米材料和纳米技术的发展"，由于学生对于PBL实施细则了解不多，解决问题沿袭传统的解答作业的方式进行，在收集资料的可靠性、分析资料、协作能力以及对问题的反思方面没有进行良好的探索，大多数学生借助网络资源收集资料，基本没有分析的过程，对资料的来源没有甄别，小组成员之间相互沟通协作欠缺，在讨论汇报环节缺少默契，尤其在对问题反思的过程中，没有把握教师设计问题的目标，而是泛泛而谈，造成问题的解决不甚如意，导致结果的均方根平均值比较大，超过10。经过教师和学生沟通，并强调PBL实施的细则，在设计和解决第二个问题时，情况有好的变化，首先从图二看出，小组得分情况有所好转，平均分达到78分，结果的均方根平均值也出现大幅的下降（从10降至4），这意味着不同小组的学生对于PBL实施的细则已经较好的掌握，能够按照教师设计的题目和预设的目标进行主动解决问题。在第三道题的设计上，教师在解题之初就鼓励学生积极进行自主探索，受各学生基础知识掌握情况差异的影响，结果的σ值出现一定幅度的上升，但总体情况（得分）有好转，平均分达到82分。后面三道问题的解决基本上都体现了问题设计目标，学生对PBL这种以解决问题为导向的教学方法基本掌握，能够按照设计要求主动，协作的解答问题。
三、PBL实施过程中的得与失
在本次PBL教学实验中，通过给学生设计问题，引导学生主动解决问题，采用讨论汇报的形式让学生在查阅资料、分析资料的基础上，学会对问题进行反思，做到举一反三，触类旁通，培养学生主动学习的习惯。经过一学期有针对性的实施PBL教学方法，学生对于纳米材料与技术课程的学习热情高涨，从被动的问题解决者逐渐过渡为问题的主动分析者甚至设计者；通过实施PBL教学方法，学生对过去学习的知识有了全新的认识，在新的专业课学习中融会贯通，从应用出发，将理论知识和学科发展有机结合起来，这对于高年级的工科生专业课的学习非常必要。
在实施PBL时也发现，学生在大学前几年，基本受到的都是课堂教学为主的授课方式，对于以问题为导向，提倡自主学习的PBL教学方法了解不多，造成这种现象的原因是多方面的[15、16]，首先问题的设计者--教师需要有高水平的专业知识、宽广的专业视野和丰富的专业应用经验，本身应该接受过PBL专门的知识，这样才能在教学中扮演好促进者和引导着的角色；其次是学生的惯性思维，在实施过程中发现，即使在解决问题方面得分较高的小组，在面对主动学习的要求时，往往也趋于被动，一些小组在解决第四个问题时才逐渐对PBL的模式有所了解；再次是没有一个系统的考核机制，在整个PBL实施过程中，教师和学生的主观观察很重要，缺乏一个科学的评价体系，对于评判标准的选择尚需进一步研讨。
作者及其合作者将在这次实验的基础上，继续在其他课程中推进PBL的实施，致力于从课堂出发，促进学生自主学习，引导学生养成良好的解决问题习惯，提高学生资料获得能力、问题解决能力和终身学习能力，将这些行为能力渗透到学生学习、生活、工作当中，使学生终身受益。
参考文献：1 刘儒德 基于问题学习对教学改革的启示 教育研究 2002 265（2）：73-772 Vernon， D T； Blake， R L Does problem-based learning work？ A meta-analysis of evaluative research，Academic medicine ： journal of the Association of American Medical Colleges，1993 68（7）：550-5633 Maudsley， G Do we all mean the same thing by "problem-based learning？" - A review of the concepts and a formulation of the ground rules ACADEMIC MEDICINE 1999 74（2）： 178-1854 Hmelo-Silver， CE Problem-based learning： What and how do students learn？ EDUCATIONAL PSYCHOLOGY REVIEW 2004 16（3）： 235-2665 Norman， G R Problem-solving skills， solving problems and problem-based learning. Medical education 1988 22（4）： 279-866 黄斌 PBL与我国的教育现实 现代教育科学 2005 6：7-97 Colliver， JA Effectiveness of problem-based learning curricula： Research and theory ACADEMIC MEDICINE 2000 75（3）： 259-2668 Albanese， M A； Mitchell， S Problem-based learning： a review of literature on its outcomes and implementation issues Academic medicine ： journal of the Association of American Medical Colleges 1993 68（1）：52-819 Pourshafie， T （Pourshafie， Tahereh）[ 1 ] ； Murray-Harvey， R （Murray-Harvey， Rosalind）[ 2 ] Facilitating problem-based learning in teacher education： getting the challenge right JOURNAL OF EDUCATION FOR TEACHING 2013 39（2）：169-18010 Massa， NM （Massa， Nicholas M.）[ 1 ] ； Dischino， M （Dischino， Michele）； Donnelly， J （Donnelly， Judith）； Hanes， F （Hanes， Fenna） Problem-Based Learning in Photonics Technology Education NOVEL OPTICAL SYSTEMS DESIGN AND OPTIMIZATION XI 2008 7061：DOI： 10.1117/12.79713511 汤丰林； 申继亮 基于问题的学习与我国的教育现实 比较教育研究 2005 176：73-7712 Gibbon， C.； McLoughlin， M. The interface of problem-based learning and technology： the SONIC experience The IASTED International Conference on Education and Technology Calgary， Alta.， Canada， 2006 242-613 Resnick： B. .Education and learning to think. Washington，DC：National Academy Press.）， 198714 Gurpinar， Erol； Kulac， Esin； Tetik， Cihat； Akdogan， Ilgaz； Mamakli， Sumer Do learning approaches of medical students affect their satisfaction with problem-based learning？ Advances in physiology education 2013 37（1）： 85-815 Dochy， F （Dochy， F）； Segers， M （Segers， M）； Van den Bossche， P （Van den Bossche， P）； Gijbels， D （Gijbels， D） Effects of problem-based learning： a meta-analysis LEARNING AND INSTRUCTION 2003 13（5）： 533-56816 Finucane， PM （Finucane， PM）； Johnson， SM （Johnson， SM）； Prideaux， DJ （Prideaux， DJ） Problem-based learning： its rationale and efficacy MEDICAL JOURNAL OF AUSTRALIA 1998 168（9）： 445-448
基于问题学习（Problem-Based Learning 简称PBL）是和填鸭式教学（Spoon-Fed Education）与题海战术（Drill-and-Kill）截然不同的一种学习方法，该法是由美国神经病学教授Barrows于1969年在加拿大首创。其核心思想是学生必须对自己的学习任务怀有高度的责任心，需要在解决问题的时候全心全意投入，强调在整个学习环节必须调动学生的自主性。该方法在构建主义教育改革中，一直是西方学者奉行的一条基本改革思路[1]。由于PBL不再是传统教育中单纯以教师讲授为主，也不再是教师照本宣科的教授方式，其实施的关键是在教学中，教师结合课程学习大纲，用少量的知识构建一个相对复杂的问题，并对问题的最终解决目标做出合理引导，以便学生形成共识[2、3]。在学生探索过程中，往往以小组为单位，形成一个良好的学习讨论氛围，集思广益，以实现任务的分解，资料的收集，所获信息的评判与资料的消化整理等。在问题解决过程中，倡导自主探索，激发学生的高水平思维，鼓励探讨与争论，并对学习的内容和过程进行反思，充分考虑拟解决的问题与其他问题的异同，在概括原有知识体系的基础上，理解新知识新的应用可能，从而达到自主学习的目的[4、5、6]。为了提炼他们所学到的东西，学生们要有意反思问题解决的过程。要考虑这个问题与以前所遇到问题的共同点与不同点，这可以帮助他们概括和理解新知识的应用情境，从而使学生夯实基础知识，发掘解决问题能力，塑造创新性与批判性思维，养成终身学习的习惯[7、8、9]。目前关于PBL在教学中的应用，侧重的是理论上的研究和对某个专业及某个学科的影响，及其在一些具体课程上的实施[3、10]。本文结合作者近几年承担的四川大学材料物理/材料化学专业课程的教学活动，在大三学生群体中实施PBL，强调在教学中以解决问题为中心，引导学生对相关学科知识进行整合，在讨论交流中，发挥支持和引导的作用。通过问题的设计与解决，探索PBL学习方式在高年级工科专业课中的应用模式。
一、 PBL实施
本次实施PBL目的是培养学生主动学习，以团队为单位，在理解、掌握专业课程知识的基础上，形成良好的互动合作学习风气，解决教师设计的各种问题。涉及四川大学材料科学与工程学院材料系大三课程《纳米材料与技术》，具体实施过程如图一所示。
本研究属四川省科技支撑计划资助（2013GZX0145）
①分组：在探索问题之前，学生首先要组成一个学习小组，学生们要互相了解或认识，为合作学习创造一个良好的人际氛围。由于是大三的学生，互相比较了解，小组学习有良好的人际氛围，为不失样本的通用性，本实验按照学号顺序选取60名学生为试验对象，按照4人一组，分为15个小组进行，每个小组安排一个学生作为组长。在实际实验过程，每小组均按照面对同一问题，独立分析解决。
②设计问题：这个环节是实施PBL的关键，决定了PBL教学的可行性和合理性。在设计问题时，作者和几位合作教师反复商讨，结合材料科学系专业培养和《纳米材料与技术》教学大纲要求，尽量为学生设计真实可行，操作性好，能反映学生专业基础知识综合应用的问题。在设计时，尽量用较少的信息传递相对综合复杂的问题，并和学生交流沟通，形成共同的理解。比如其中一题为："原子力显微镜如何推动纳米材料和纳米技术的发展？"
③开始问题：在问题提出时，首先激发学生解答问题的兴趣，做好角色的转变，教师由单一上课者变为问题提出和解决问题的促进者，在开始问题时，做好引导和促进的作用[11]。
④解决问题：在这个过程，小组组长开始发挥作用，负责成员的召集并分解任务，对成员收集的资料进行汇总讨论，甄别信息的来源及是否可靠[12]，及时和教师沟通交流。解决问题的过程，是学生自主学习的重要环节，以上一个问题为例，对于解决"原子力显微镜如何推动纳米材料和纳米技术的发展"问题，由于学生之前学习了《现代材料分析技术》和《现代材料制备科学技术》等课程，对于现代材料的发展和测试分析手段的应用有了知识的储备，在解决问题时，能够较好的应用之前所学的相关知识点。
⑤讨论汇报：对于各小组形成的结论，根据不同小组获取资料、消化资料的方式不同，实验倡导采用多种形式报告。在汇报中，大多数小组能够理清设计问题的目标和课程教学的目标之间的关系，对资料都有较好的消化整理。
⑥反思：这是PBL学习和其他教学方法最大的区别，是一种高层次的思维活动，是自我调节构建知识而进行的思维[13]。通过反思，可以培养学生批判性和创造性思维，能够将在解决问题过程中获得的资料进行升华，提炼出有益的知识，找到《纳米材料与技术》课堂中的问题和其他课程的相同之处和不同的地方，通过反思，可以明确问题的解决与否，是否需要重新进行问题的解决，即重新收集资料，梳理资料，解决问题[14]。
二、结果分析
前后设计了五个问题，对于PBL的应用，学生经历了从陌生到熟悉的过程，从被动接受到主动承担的过程。经过与合作教师商讨，问题解决的最终评判标准来自六个方面，包括基础知识的应用、收集资料的来源、收集资料的可靠性、分析资料的能力、协作能力以及对问题的反思。表一给出了各标准所占比例。图二给出了五个问题学生解决的结果。
为了更好地研究结果的可行性，利用下面的公式计算了试验结果的均方根平均值σ（其中A为单次解决问题的平均分），其分布情况见图三。 从PBL实施情况来看，对于第一个问题的提出，"原子力显微镜如何推动纳米材料和纳米技术的发展"，由于学生对于PBL实施细则了解不多，解决问题沿袭传统的解答作业的方式进行，在收集资料的可靠性、分析资料、协作能力以及对问题的反思方面没有进行良好的探索，大多数学生借助网络资源收集资料，基本没有分析的过程，对资料的来源没有甄别，小组成员之间相互沟通协作欠缺，在讨论汇报环节缺少默契，尤其在对问题反思的过程中，没有把握教师设计问题的目标，而是泛泛而谈，造成问题的解决不甚如意，导致结果的均方根平均值比较大，超过10。经过教师和学生沟通，并强调PBL实施的细则，在设计和解决第二个问题时，情况有好的变化，首先从图二看出，小组得分情况有所好转，平均分达到78分，结果的均方根平均值也出现大幅的下降（从10降至4），这意味着不同小组的学生对于PBL实施的细则已经较好的掌握，能够按照教师设计的题目和预设的目标进行主动解决问题。在第三道题的设计上，教师在解题之初就鼓励学生积极进行自主探索，受各学生基础知识掌握情况差异的影响，结果的σ值出现一定幅度的上升，但总体情况（得分）有好转，平均分达到82分。后面三道问题的解决基本上都体现了问题设计目标，学生对PBL这种以解决问题为导向的教学方法基本掌握，能够按照设计要求主动，协作的解答问题。
三、PBL实施过程中的得与失
在本次PBL教学实验中，通过给学生设计问题，引导学生主动解决问题，采用讨论汇报的形式让学生在查阅资料、分析资料的基础上，学会对问题进行反思，做到举一反三，触类旁通，培养学生主动学习的习惯。经过一学期有针对性的实施PBL教学方法，学生对于纳米材料与技术课程的学习热情高涨，从被动的问题解决者逐渐过渡为问题的主动分析者甚至设计者；通过实施PBL教学方法，学生对过去学习的知识有了全新的认识，在新的专业课学习中融会贯通，从应用出发，将理论知识和学科发展有机结合起来，这对于高年级的工科生专业课的学习非常必要。
在实施PBL时也发现，学生在大学前几年，基本受到的都是课堂教学为主的授课方式，对于以问题为导向，提倡自主学习的PBL教学方法了解不多，造成这种现象的原因是多方面的[15、16]，首先问题的设计者--教师需要有高水平的专业知识、宽广的专业视野和丰富的专业应用经验，本身应该接受过PBL专门的知识，这样才能在教学中扮演好促进者和引导着的角色；其次是学生的惯性思维，在实施过程中发现，即使在解决问题方面得分较高的小组，在面对主动学习的要求时，往往也趋于被动，一些小组在解决第四个问题时才逐渐对PBL的模式有所了解；再次是没有一个系统的考核机制，在整个PBL实施过程中，教师和学生的主观观察很重要，缺乏一个科学的评价体系，对于评判标准的选择尚需进一步研讨。
作者及其合作者将在这次实验的基础上，继续在其他课程中推进PBL的实施，致力于从课堂出发，促进学生自主学习，引导学生养成良好的解决问题习惯，提高学生资料获得能力、问题解决能力和终身学习能力，将这些行为能力渗透到学生学习、生活、工作当中，使学生终身受益。
参考文献：1 刘儒德 基于问题学习对教学改革的启示 教育研究 2002 265（2）：73-772 Vernon， D T； Blake， R L Does problem-based learning work？ A meta-analysis of evaluative research，Academic medicine ： journal of the Association of American Medical Colleges，1993 68（7）：550-5633 Maudsley， G Do we all mean the same thing by "problem-based learning？" - A review of the concepts and a formulation of the ground rules ACADEMIC MEDICINE 1999 74（2）： 178-1854 Hmelo-Silver， CE Problem-based learning： What and how do students learn？ EDUCATIONAL PSYCHOLOGY REVIEW 2004 16（3）： 235-2665 Norman， G R Problem-solving skills， solving problems and problem-based learning. Medical education 1988 22（4）： 279-866 黄斌 PBL与我国的教育现实 现代教育科学 2005 6：7-97 Colliver， JA Effectiveness of problem-based learning curricula： Research and theory ACADEMIC MEDICINE 2000 75（3）： 259-2668 Albanese， M A； Mitchell， S Problem-based learning： a review of literature on its outcomes and implementation issues Academic medicine ： journal of the Association of American Medical Colleges 1993 68（1）：52-819 Pourshafie， T （Pourshafie， Tahereh）[ 1 ] ； Murray-Harvey， R （Murray-Harvey， Rosalind）[ 2 ] Facilitating problem-based learning in teacher education： getting the challenge right JOURNAL OF EDUCATION FOR TEACHING 2013 39（2）：169-18010 Massa， NM （Massa， Nicholas M.）[ 1 ] ； Dischino， M （Dischino， Michele）； Donnelly， J （Donnelly， Judith）； Hanes， F （Hanes， Fenna） Problem-Based Learning in Photonics Technology Education NOVEL OPTICAL SYSTEMS DESIGN AND OPTIMIZATION XI 2008 7061：DOI： 10.1117/12.79713511 汤丰林； 申继亮 基于问题的学习与我国的教育现实 比较教育研究 2005 176：73-7712 Gibbon， C.； McLoughlin， M. The interface of problem-based learning and technology： the SONIC experience The IASTED International Conference on Education and Technology Calgary， Alta.， Canada， 2006 242-613 Resnick： B. .Education and learning to think. Washington，DC：National Academy Press.）， 198714 Gurpinar， Erol； Kulac， Esin； Tetik， Cihat； Akdogan， Ilgaz； Mamakli， Sumer Do learning approaches of medical students affect their satisfaction with problem-based learning？ Advances in physiology education 2013 37（1）： 85-815 Dochy， F （Dochy， F）； Segers， M （Segers， M）； Van den Bossche， P （Van den Bossche， P）； Gijbels， D （Gijbels， D） Effects of problem-based learning： a meta-analysis LEARNING AND INSTRUCTION 2003 13（5）： 533-56816 Finucane， PM （Finucane， PM）； Johnson， SM （Johnson， SM）； Prideaux， DJ （Prideaux， DJ） Problem-based learning： its rationale and efficacy MEDICAL JOURNAL OF AUSTRALIA 1998 168（9）： 445-448