论文部分内容阅读
摘 要：为适应学生中心、成果导向的教育要求，探索了智能时代以问题为导向（PBL）的多元化教学模式的构建。根据PBL的学习过程和特点，提出了其在高等工程教育中的适用条件;提出了PBL问题设计原则及教学要求。结合数学实践，提出了雨课堂+PBL模式、视频会议线上翻转+PBL模式以及SPOC异步线上授课+PBL模式的适用条件，给出了这些模式基于PBL的建构过程。并以实际教学案例介绍了PBL教学模式的应用情况。
关键词：基于问题的学习（PBL）;学生中心;线上线下混合式教学;问题设计;教学模式
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2021）32-0096-05
Abstract： To meet the requirements of student-centered and achievement-oriented education， this paper explores how to design and construct diversified teaching model based on problem-based learning （PBL） in the age of intelligence. According to PBL learning process， the applicable conditions and occasions of PBL in higher engineering education are put forward. The design principles of PBL problems are put forward and the requirements for teachers and are clarified. On the basis of the practice teaching， the applicable conditions of the rain classroom teaching +PBL mode， video conference online flip+PBL mode， and the teaching mode of SPOC asynchronous online teaching+PBL mode are put forward. The construction process of these models based on PBL is given. And the design and application of PBL mode are introduced with a practical teaching case.
Keywords： Problem-Based Learning （PBL）; student-centered; online and off-line mixed teaching; question design; teaching mode
在互联网普及的时代，信息技术发展改变了传统教育的教学服务模式。在智能化时代，如何利用各种智能终端进行交互式课堂设计是教学的关键。尤其是新冠肺炎疫情的发生，使得高等院校无法进行正常的线下课堂教学，线上教学被广泛采用，各种教学平台和智能设备发挥了极大作用，这种效应延续到了线下教学。无论是线下还是线上教学，核心目的在于人才培养，在于让学生通过高效的课堂组织掌握核心知识点，提高分析和解決问题的能力。
多年的工科创新实践教学与理论教学的相互反馈结果表明，学生得到高分并不意味着他们能够灵活应用知识，究其关键在于传统的课堂重在讲授，缺少了培养学生逐步独立思考的环节。通过精心的教学和教育环境设计，使学生在互动型学习环境中建构知识、拓展思维和能力发展，获得学习的内在动力和内在价值，是当前高等教育的改革方向和要求。而问题导向式学习（problem-oriented learning）或者基于问题的学习（problem-based learning） （本文统称为PBL）与现代教学手段相结合，对于教学目标的达成具有天然的适应性。即使是在单门课程中，也有证据显示PBL可以促进学生学习动力和技能方面的发展[1]。鉴于此，本文重点探讨基于问题的学习在线上线下混合式教学中的应用，以及不同教学模式如何基于PBL进行建构和设计，以期提高学生的独立思考能力和创新能力。
一、以问题为导向的教学模式在高等工程教育中的适用性
PBL教学模式的理论假设基于建构主义理论[2-3]，它强调把学习设置到问题情境中，通过学习者的合作探究问题背后的科学知识，形成解决问题的能力。就课程而言，PBL并非适用于每门课程，在一门课程中也并非所有章节均适合采用PBL，应加以评估。如果学生没有学科基础或教学内容太难，问题就可能无法激活相关概念从而影响知识建构的效果;对于学生还没有必要知识储备的课程，学生可能也无法激活记忆中与问题相关的概念及关联性。而对于专业课程或者具有交叉性质的课程，由于有工程背景和基础学科的铺垫，PBL的教学模式是适合的。对于理工科专业课程，将工程实际问题作为教学切入点，通过创设问题情境或分析典型案例的方式进行讨论协作学习，不仅可以加深他们对于工程理论知识的理解，还可以提高解决问题的能力。
目前，工科专业课大多存在学时压缩问题，采用PBL是否可以完成教学任务是很多教师担心的问题。Spiro等人提出的认知弹性理论主张将学习分为高级学习与初级学习。Spiro观点的核心在于促进高级学习，他认为高级学习要求学生把握概念的复杂性，能运用概念去分析、思考问题以及灵活运用这些概念[4]。PBL的学习目标决定了其学习是一种高级学习行为。如果能在有限的课堂时间内集中培养相对复杂和困难的学习能力，把相对容易理解的内容放在课外自学，就可以完成PBL的教学任务。教师应相信学生有能力通过课外自主学习消化部分知识，从而精炼课堂内容，使得PBL教学具有可操作性和实用性。 二、以问题为导向的教学模式课堂组织要求
（一）问题设计原则
PBL问题的构建不是简单地将工程问题中的陈述式的学科知识直接转换成疑问式的表达[5]，而是包括了教学目标、基本概念及关联性的表达，问题设计原则包括以下几点。
1. 问题的匹配性
PBL问题应该与教学目标、内容和进度相匹配且不超纲，问题的解答中应包含着明显的工程问题的相关概念和核心知识点。
2. 问题的真实性
问题应尽量与实际工程项目和实践应用密切联系，围绕着实际工程进行知识建构。
3. 问题的交叉性
PBL的问题设计应连接先前学习的知识，并考虑本节问题与整章、整本教材的联系乃至与其他学科之间的交叉。问题之间的联系可以采用多种类型，如学科知识层层递进的层次型、由中心问题引发多角度分析的发散型、问题相互交叠提升的螺旋型等[6]。
4. 问题的层次性
Atwood等人的研究表明[7]，平均在五个教学问题中，有一个是课堂管理性问题，三个是回忆以前学习过的知识点，只有一个问题是指向学习者更高层次的思维活动。教师应根据教学内容，将问题进行层次分类，从易到难。根据时间安排，将简单问题放在课前预习，将难点放在课堂，循序渐进地启发学生的思维。
5. 问题的聚焦性
PBL的课堂问题应聚焦于少量、重要的信息，以完成知识、能力和情感的传递[8]，确保在课堂上完成教学任务。
6. 问题的难度适中
对于PBL而言，太难的问题或太简单的问题都是无效问题。问题应尽量符合学生的认知水平和规律，以确保PBL教学的顺利进行。
（二）课堂组织要求
1. 明确教学目标
教师必须清楚本门课程教学要达到的目标，这一目标应从问题情境→知识建构→思维拓展→能力培养来构建。
2. 精心进行教学设计
教学设计主要指教学过程设计[9-10]。完整的课程教学设计包括内容设计，教学法设计，教学评价设计，教学技术设计和教学环境设计[11]。问题设计应紧跟教学内容，实际工程情境的描述可借助视频、图像等提出，尽量形象生动。在此基础上教师需将教学内容从概念、关联、方法方面进行系统设计。“概念”是指对问题情境中涉及到的工程核心知识点的梳理和描述，让学生清晰知道需要学什么;“关系”是指各知识点之间的内在联系，让学生清晰知道问题之间的关联和逻辑;“方法”指的是问题解决过程中需要用到的方法或模型，让学生找到解决问题的方法。介绍清楚这些，学生就可以有目标、有思路去进行讨论和交流，从而达到解决问题的目的。
3. 合理安排课内外时间
PBL教学中教师需设计问题让学生思考和讨论，因此需要课前、课中、课后的有效衔接：课前布置预习任务，学生带着问题加入课堂;课中集中培养高级学习能力，教师讲解核心要点，引导学生互动和思考;课后作业提交巩固。
4. 重视过程考核
考核标准是影响学生学习策略的重要因素。PBL会占用一定的课外时间，平时成绩的比重应加大（可以达到50%）。过程中的考核应通过平台记录，作为平时成绩的依据。
5. 确定讨论方式
PBL的部分问题需要学生讨论交流。瞩目等视频会议软件可很好地支持小组会议。教师可根据问题容量确定小组人数。学生自行组队还是老师分配，课堂弹幕互动是否可以完成任务都需要事先确定。
6. 加大支持和帮助力度
线上PBL教学的课外支持必须到位，才能保證PBL学习成效。
三、以问题为导向的多元混合式教学模式的构建
基于PBL的课堂组织要求，以下三种常用的基于PBL的教学建构过程如下。
（一）雨课堂+PBL教学模式
对于需要逐层深入探讨的教学内容，采用雨课堂+PBL教学模式。雨课堂强大的师生互动功能，使得合班大课的PBL模式得以实现。这种模式可线上或线下授课，需要学生利用智能设备进入雨课堂。雨课堂课前、课中、课后的每一个环节都功能强大。雨课堂的数据统计功能可作为课堂教学过程记录、教学效果分析和持续改进的依据。雨课堂+PBL教学模式的建构过程见图1。
（二）视频会议线上翻转+PBL教学模式
对于需要分组讨论、交流学习的教学内容，采用视频会议线上翻转+PBL教学模式。视频会议软件如瞩目等可以将学生分组在各个独立的云房间，学生通过视频方式交流讨论。时间到了教师结束分组回到授课大房间，进行总结。翻转课堂需要老师事先发布资料，学生提前熟悉或查找文献，否则在翻转云课堂上的讨论会流于形式或不够深入，也会有同学不积极参与。视频会议线上翻转+PBL教学模式的建构过程见图2。
（三）SPOC异步线上授课+PBL教学模式
对于可以充分利用MOOC资源的章节，可以采取SPOC异步线上授课+PBL教学模式。教师根据授课计划定期布置MOOC视频学习任务、作业和组织线上讨论。学生需要在时间节点内自主完成MOOC的视频学习、作业和参加课堂讨论[12]。SPOC功能使得教师将时间和精力转向更高价值、更为复杂的高阶教学活动中，如就难点和重点内容进行深入剖析、组织讨论等。SPOC异步线上授课+PBL教学模式的建构过程见图3。
四、以问题为导向的教学设计案例
工程事故分析及处理课程是长安大学土木工程专业（建筑工程方向）的专业选修课，课程通过典型工程事故实例，阐述土木工程中各类事故调查、分析、处理和预防的原则与基本方法。在钢筋混凝土强度不足引发的事故分析中采用问题导向模式混合教学，按照问题情境——知识建构——思维拓展来进行教学设计，见表1。
五、结束语 在指导大学生创新实践活动的过程中，发现问题导向式方法对于提高大学生独立思考和创新能力效果明显，在此基础上探索了将PBL模式用于理论课程教学的组织方法。在智能化时代，利用智能终端进行交互式学习是现代技术发展的必然结果。随着人工智能的快速发展，远程线上教学将会越来越多，特别是全球疫情发展的不确定性，使得高等教育必须探索以学生为中心的线上线下混合教学模式。本文探讨了基于PBL的线上线下混合式教学的构建过程，以期为类似课程的混合式教学提供思路和方法，也为提高大学生分析和解决问题的能力提供借鉴。
参考文献：
[1]杜翔云，Anette Kolmos，Jette Egelund Holgaard.PBL：大學课程的改革与创新[J].高等工程教育研究，2009（3）：29-35.
[2]刘儒德.问题式学习：一条集中体现建构主义思想的教学改革思路[J].教育理论与实践，2001（5）：53-56.
[3]JOHNRSAVERY. Overview of Problem-based Learning： Definitions and Distinctions[J]. Interdisciplinary Journal of Problem-based Learning，2006（1）：12.
[4]RJ Spiro，BP Collins，JJ Thota，et al. Cognitive Flexibility Theory： Hypermedia for Complex Learning， Adaptive Knowledge Application， and Experience Acceleration[J]. Educational Technology，2003（5）：5-10.
[5]Christina，De，Simone. Problem-Based Learning：a framework for prospective teachers， pedagogical problem solving[J]. Teacher Development，2008（8）：179-191.
[6]W Hung. The 9-step problem design process for Problem-Based Learning： Application of the 3C3R model[J]. Educational Research Review，2009（2）：118-141.
[7]Atwood V A， Wilen W W. Wait Time and Effective Social Studies Instruction： What Can Research in Science Education Tell Us？[J]. Social Education，1991（3）：179-181.
[8]杨成群，高海波，熊芳.PBL方法问题设计的三个关键[J].计算机教育，2016（11）：79-82.
[9]赵炬明.聚焦设计：实践与方法（上）——美国“以学生为中心”的本科教学改革研究之三[J].高等工程教育研究，2018（2）：30-44.
[10]赵炬明.什么是好的课程设计[J].高等教育研究，2020，41（9）：84-87.
[11]赵炬明，高筱卉.关于实施“以学生为中心”的本科教学改革的思考[J].中国高教研究，2017（8）：36-40.
[12]小规模限制性在线课程[EB/OL].https：//baike.baidu.com/item/spoc/599393？fr=aladdin.
关键词：基于问题的学习（PBL）;学生中心;线上线下混合式教学;问题设计;教学模式
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2021）32-0096-05
Abstract： To meet the requirements of student-centered and achievement-oriented education， this paper explores how to design and construct diversified teaching model based on problem-based learning （PBL） in the age of intelligence. According to PBL learning process， the applicable conditions and occasions of PBL in higher engineering education are put forward. The design principles of PBL problems are put forward and the requirements for teachers and are clarified. On the basis of the practice teaching， the applicable conditions of the rain classroom teaching +PBL mode， video conference online flip+PBL mode， and the teaching mode of SPOC asynchronous online teaching+PBL mode are put forward. The construction process of these models based on PBL is given. And the design and application of PBL mode are introduced with a practical teaching case.
Keywords： Problem-Based Learning （PBL）; student-centered; online and off-line mixed teaching; question design; teaching mode
在互联网普及的时代，信息技术发展改变了传统教育的教学服务模式。在智能化时代，如何利用各种智能终端进行交互式课堂设计是教学的关键。尤其是新冠肺炎疫情的发生，使得高等院校无法进行正常的线下课堂教学，线上教学被广泛采用，各种教学平台和智能设备发挥了极大作用，这种效应延续到了线下教学。无论是线下还是线上教学，核心目的在于人才培养，在于让学生通过高效的课堂组织掌握核心知识点，提高分析和解決问题的能力。
多年的工科创新实践教学与理论教学的相互反馈结果表明，学生得到高分并不意味着他们能够灵活应用知识，究其关键在于传统的课堂重在讲授，缺少了培养学生逐步独立思考的环节。通过精心的教学和教育环境设计，使学生在互动型学习环境中建构知识、拓展思维和能力发展，获得学习的内在动力和内在价值，是当前高等教育的改革方向和要求。而问题导向式学习（problem-oriented learning）或者基于问题的学习（problem-based learning） （本文统称为PBL）与现代教学手段相结合，对于教学目标的达成具有天然的适应性。即使是在单门课程中，也有证据显示PBL可以促进学生学习动力和技能方面的发展[1]。鉴于此，本文重点探讨基于问题的学习在线上线下混合式教学中的应用，以及不同教学模式如何基于PBL进行建构和设计，以期提高学生的独立思考能力和创新能力。
一、以问题为导向的教学模式在高等工程教育中的适用性
PBL教学模式的理论假设基于建构主义理论[2-3]，它强调把学习设置到问题情境中，通过学习者的合作探究问题背后的科学知识，形成解决问题的能力。就课程而言，PBL并非适用于每门课程，在一门课程中也并非所有章节均适合采用PBL，应加以评估。如果学生没有学科基础或教学内容太难，问题就可能无法激活相关概念从而影响知识建构的效果;对于学生还没有必要知识储备的课程，学生可能也无法激活记忆中与问题相关的概念及关联性。而对于专业课程或者具有交叉性质的课程，由于有工程背景和基础学科的铺垫，PBL的教学模式是适合的。对于理工科专业课程，将工程实际问题作为教学切入点，通过创设问题情境或分析典型案例的方式进行讨论协作学习，不仅可以加深他们对于工程理论知识的理解，还可以提高解决问题的能力。
目前，工科专业课大多存在学时压缩问题，采用PBL是否可以完成教学任务是很多教师担心的问题。Spiro等人提出的认知弹性理论主张将学习分为高级学习与初级学习。Spiro观点的核心在于促进高级学习，他认为高级学习要求学生把握概念的复杂性，能运用概念去分析、思考问题以及灵活运用这些概念[4]。PBL的学习目标决定了其学习是一种高级学习行为。如果能在有限的课堂时间内集中培养相对复杂和困难的学习能力，把相对容易理解的内容放在课外自学，就可以完成PBL的教学任务。教师应相信学生有能力通过课外自主学习消化部分知识，从而精炼课堂内容，使得PBL教学具有可操作性和实用性。 二、以问题为导向的教学模式课堂组织要求
（一）问题设计原则
PBL问题的构建不是简单地将工程问题中的陈述式的学科知识直接转换成疑问式的表达[5]，而是包括了教学目标、基本概念及关联性的表达，问题设计原则包括以下几点。
1. 问题的匹配性
PBL问题应该与教学目标、内容和进度相匹配且不超纲，问题的解答中应包含着明显的工程问题的相关概念和核心知识点。
2. 问题的真实性
问题应尽量与实际工程项目和实践应用密切联系，围绕着实际工程进行知识建构。
3. 问题的交叉性
PBL的问题设计应连接先前学习的知识，并考虑本节问题与整章、整本教材的联系乃至与其他学科之间的交叉。问题之间的联系可以采用多种类型，如学科知识层层递进的层次型、由中心问题引发多角度分析的发散型、问题相互交叠提升的螺旋型等[6]。
4. 问题的层次性
Atwood等人的研究表明[7]，平均在五个教学问题中，有一个是课堂管理性问题，三个是回忆以前学习过的知识点，只有一个问题是指向学习者更高层次的思维活动。教师应根据教学内容，将问题进行层次分类，从易到难。根据时间安排，将简单问题放在课前预习，将难点放在课堂，循序渐进地启发学生的思维。
5. 问题的聚焦性
PBL的课堂问题应聚焦于少量、重要的信息，以完成知识、能力和情感的传递[8]，确保在课堂上完成教学任务。
6. 问题的难度适中
对于PBL而言，太难的问题或太简单的问题都是无效问题。问题应尽量符合学生的认知水平和规律，以确保PBL教学的顺利进行。
（二）课堂组织要求
1. 明确教学目标
教师必须清楚本门课程教学要达到的目标，这一目标应从问题情境→知识建构→思维拓展→能力培养来构建。
2. 精心进行教学设计
教学设计主要指教学过程设计[9-10]。完整的课程教学设计包括内容设计，教学法设计，教学评价设计，教学技术设计和教学环境设计[11]。问题设计应紧跟教学内容，实际工程情境的描述可借助视频、图像等提出，尽量形象生动。在此基础上教师需将教学内容从概念、关联、方法方面进行系统设计。“概念”是指对问题情境中涉及到的工程核心知识点的梳理和描述，让学生清晰知道需要学什么;“关系”是指各知识点之间的内在联系，让学生清晰知道问题之间的关联和逻辑;“方法”指的是问题解决过程中需要用到的方法或模型，让学生找到解决问题的方法。介绍清楚这些，学生就可以有目标、有思路去进行讨论和交流，从而达到解决问题的目的。
3. 合理安排课内外时间
PBL教学中教师需设计问题让学生思考和讨论，因此需要课前、课中、课后的有效衔接：课前布置预习任务，学生带着问题加入课堂;课中集中培养高级学习能力，教师讲解核心要点，引导学生互动和思考;课后作业提交巩固。
4. 重视过程考核
考核标准是影响学生学习策略的重要因素。PBL会占用一定的课外时间，平时成绩的比重应加大（可以达到50%）。过程中的考核应通过平台记录，作为平时成绩的依据。
5. 确定讨论方式
PBL的部分问题需要学生讨论交流。瞩目等视频会议软件可很好地支持小组会议。教师可根据问题容量确定小组人数。学生自行组队还是老师分配，课堂弹幕互动是否可以完成任务都需要事先确定。
6. 加大支持和帮助力度
线上PBL教学的课外支持必须到位，才能保證PBL学习成效。
三、以问题为导向的多元混合式教学模式的构建
基于PBL的课堂组织要求，以下三种常用的基于PBL的教学建构过程如下。
（一）雨课堂+PBL教学模式
对于需要逐层深入探讨的教学内容，采用雨课堂+PBL教学模式。雨课堂强大的师生互动功能，使得合班大课的PBL模式得以实现。这种模式可线上或线下授课，需要学生利用智能设备进入雨课堂。雨课堂课前、课中、课后的每一个环节都功能强大。雨课堂的数据统计功能可作为课堂教学过程记录、教学效果分析和持续改进的依据。雨课堂+PBL教学模式的建构过程见图1。
（二）视频会议线上翻转+PBL教学模式
对于需要分组讨论、交流学习的教学内容，采用视频会议线上翻转+PBL教学模式。视频会议软件如瞩目等可以将学生分组在各个独立的云房间，学生通过视频方式交流讨论。时间到了教师结束分组回到授课大房间，进行总结。翻转课堂需要老师事先发布资料，学生提前熟悉或查找文献，否则在翻转云课堂上的讨论会流于形式或不够深入，也会有同学不积极参与。视频会议线上翻转+PBL教学模式的建构过程见图2。
（三）SPOC异步线上授课+PBL教学模式
对于可以充分利用MOOC资源的章节，可以采取SPOC异步线上授课+PBL教学模式。教师根据授课计划定期布置MOOC视频学习任务、作业和组织线上讨论。学生需要在时间节点内自主完成MOOC的视频学习、作业和参加课堂讨论[12]。SPOC功能使得教师将时间和精力转向更高价值、更为复杂的高阶教学活动中，如就难点和重点内容进行深入剖析、组织讨论等。SPOC异步线上授课+PBL教学模式的建构过程见图3。
四、以问题为导向的教学设计案例
工程事故分析及处理课程是长安大学土木工程专业（建筑工程方向）的专业选修课，课程通过典型工程事故实例，阐述土木工程中各类事故调查、分析、处理和预防的原则与基本方法。在钢筋混凝土强度不足引发的事故分析中采用问题导向模式混合教学，按照问题情境——知识建构——思维拓展来进行教学设计，见表1。
五、结束语 在指导大学生创新实践活动的过程中，发现问题导向式方法对于提高大学生独立思考和创新能力效果明显，在此基础上探索了将PBL模式用于理论课程教学的组织方法。在智能化时代，利用智能终端进行交互式学习是现代技术发展的必然结果。随着人工智能的快速发展，远程线上教学将会越来越多，特别是全球疫情发展的不确定性，使得高等教育必须探索以学生为中心的线上线下混合教学模式。本文探讨了基于PBL的线上线下混合式教学的构建过程，以期为类似课程的混合式教学提供思路和方法，也为提高大学生分析和解决问题的能力提供借鉴。
参考文献：
[1]杜翔云，Anette Kolmos，Jette Egelund Holgaard.PBL：大學课程的改革与创新[J].高等工程教育研究，2009（3）：29-35.
[2]刘儒德.问题式学习：一条集中体现建构主义思想的教学改革思路[J].教育理论与实践，2001（5）：53-56.
[3]JOHNRSAVERY. Overview of Problem-based Learning： Definitions and Distinctions[J]. Interdisciplinary Journal of Problem-based Learning，2006（1）：12.
[4]RJ Spiro，BP Collins，JJ Thota，et al. Cognitive Flexibility Theory： Hypermedia for Complex Learning， Adaptive Knowledge Application， and Experience Acceleration[J]. Educational Technology，2003（5）：5-10.
[5]Christina，De，Simone. Problem-Based Learning：a framework for prospective teachers， pedagogical problem solving[J]. Teacher Development，2008（8）：179-191.
[6]W Hung. The 9-step problem design process for Problem-Based Learning： Application of the 3C3R model[J]. Educational Research Review，2009（2）：118-141.
[7]Atwood V A， Wilen W W. Wait Time and Effective Social Studies Instruction： What Can Research in Science Education Tell Us？[J]. Social Education，1991（3）：179-181.
[8]杨成群，高海波，熊芳.PBL方法问题设计的三个关键[J].计算机教育，2016（11）：79-82.
[9]赵炬明.聚焦设计：实践与方法（上）——美国“以学生为中心”的本科教学改革研究之三[J].高等工程教育研究，2018（2）：30-44.
[10]赵炬明.什么是好的课程设计[J].高等教育研究，2020，41（9）：84-87.
[11]赵炬明，高筱卉.关于实施“以学生为中心”的本科教学改革的思考[J].中国高教研究，2017（8）：36-40.
[12]小规模限制性在线课程[EB/OL].https：//baike.baidu.com/item/spoc/599393？fr=aladdin.