组织与实施_规模化发展下的研

组织与实施_规模化发展下的研

PBL教学法在《高等光学》课中的设计、组织与实施

光电工程学院　董　威　安　莹

摘　要　文中介绍了PBL教学法及其发展、应用趋势。结合研究生《高等光学》课的我校现有教学体系以及教学计划，探讨了基于PBL教学法下面向研究生的《高等光学》课的设计、组织与实施。最后讨论了PBL教学法在实际设计中应注意的一些问题。

关键词　PBL；高等光学；教学体系；课程设计

教育是构建和谐社会最有效、最根本的要素，不同时代不同国家针对自己的经济、社会发展对教育提出不同的要求。国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010－2020）指出，“教育是民族振兴、社会进步的基石，是提高国民素质、促进人的全面发展的根本途径。强国必先强教。优先发展教育、提高教育现代化水平，对全面实现小康社会目标、建设富强民主文明和谐的社会主义现代化国家具有决定性意义”。美国在20世纪初的教育思路基本上是“从个人教育发展、考虑到整体社会的教育发展。其中所提出的方案是改造个人、适应社会、培养个人的德行操守，以致造就整个社会的安定环境”［1］。传统工程教育侧重以了解并掌握科技发展的节奏为主。然而随着经济全球化的快速发展，国与国之间相互交往以及国际合作形式的多样化。在此背景下，改革传统教学模式、提高工程教育质量，以适应未来社会对工程教育的挑战，已经成为全世界各国教育工作者的核心工作。(www.guayunfan.com)

工程教育改革的内容涉及课程体系、教学大纲及培养目标的制定、教学法、师资培训及教学评估等。文献［2］针对理工科课程教学整体改革指出，在高等教育大众化背景下，考虑到课程性质具有相对静态的特点，以及传统教学中，纵向联系不紧，横向综合不够，缺乏专业特色，少数内容与其他课程交叉重复，学科间衔接关系不明显的问题，提出在制订课程改革整体方案的制定中，以单个教学问题为出发点，实施针对性的局部改革。处理好教材内容与教学内容关系，使教学保持“常教常新、常教常精”。丹麦Aalborg大学的Anette Kolmos教授则从工程师在未来社会的发展中所遇到的来自人类社会伦理道德形成新的挑战角度展开研究，指出未来社会对工程师的知识、竞争力及工作技能的要求是多变的，主要来自于这些工程师们将处于一个不同社会发展水平、高度技术全球化和网络化、区域绿色环保化的社会环境下，与此同时社会发展的快速不断变化，导致未来工程师们将面对的主要挑战是他们在国际工程应用背景下、在具体的工作岗位上如何展示个人的领导能力及解决问题的能力，由此引发出对工程教育的认识［3］。

从某种层面看教师的教学过程，反映出教师的逻辑思维模式和对一种教育理念的认同。如果教师在教学过程的设计、组织与实践中，将注意力放在调动学生的学习积极性、提高学生的思辨能力方面。教师的核心任务就从“教书”转为“问题”设计的专家。从“问题”入手，通过“问题”引导学生有重点、有方向、有计划地展开探讨式学习，并进而激发并调动学生的学习积极性，则学生的学习方式将会由被动转为主动。由于研究生课程大多为小班课，学生人数少，为展开“讨论”创造了有利条件。笔者结合近几年在本科生《专业英语》、《自动控制原理》课的授课经验，尝试在我校研究生《高等光学》课中，阶段性地采取以“问题”及对“问题”的讨论为主的课堂讨论活动。文中以《高等光学》课中某一部分为例，介绍了相关的课程设计、组织与实施。

一、PBL教学法

PBL教学法在20世纪50年代由加拿大McMaster大学医学院提出，并进而在北美地区逐步得到推广应用。之后荷兰的University of Limburg at Maastricht（1975）、澳大利亚的University of Newcastle（1975）、英国的Coventry University and Imperial College（1999）等高校开始尝试将PBL转向工程教育。近几年伴随着经济全球化脚步的加快，各国对高等工程教育的力度不断加大，并形成各具特色的教学方法。其中丹麦的Aalborg大学更是以全新的面貌，展开PBL教学法的研究。学生从入学开始就在PBL环境下展开学习。据欧洲工程教育协会（SEFI）Anette教授介绍，丹麦曾就Aalborg大学毕业生在工业界的表现展开过调查，调查结果表明丹麦工业界十分欢迎Aalborg大学的毕业生。国内方面以我国的中国医科大学在PBL教学方法方面起步较早，并联合全国其他八所医学院校展开PBL教学法的师资培训。

PBL教学法与传统教学法的最大不同在于，传统教学法中教师的作用如同一辆运载“信息”的大货车，教师对课程的设计重点在于讲，以教师为主；而PBL教学法则强调学生的主动参与，以学生为主。一门基于PBL的课，按照McMaster大学的Don Woods教授的观点，从宏观上应包括以下内容（注：Don Wood是医学方面的教授，其观点也针对医学院校学生，但理念上与工程教育是相通的）：

A vision on mankind and society

A vision on the medical profession and its role in society

A vision on education

在这一指导原则下，什么是“问题”，很多学者从不同角度给出PBL的特征如：

A problem in PBL is an incentive for students，A challenge to start them off on their learning process.（Norman，1986）

Implementing a PBL curriculum involves a process of gradual adaptation to local conditions.Furthermore，each curriculum has its own evolution，adding specific elements to the characteristics of PBL.（Schmidt，1992）

An approach to learn where the curricula are designed with the problem scenarios as central to student learning in each component of the curriculum（modules/units）.The lectures，seminars，workshops or laboratories support the inquiry process rather than transmitting subject－based knowledge.（Maggi Savin－Baden）

The learning approach as problem and project－based learning means that learning is organized around problems.It is a central principle for the development of motivation.A problem makes up the starting point for the learning processes and places learning in context and base learning on the learner＇s experience.The contents approach concerns especially interdisciplinary learning，which may span across traditional subject－related boundaries and methods.Exemplary practice in the sense that learning outcome is exemplary to the overall objectives.The social approach is team－based learning.The team learning aspect underpins the learning process as a social act where learning lakes place through dialogue and communication.（Erik de Graaff，2009）

上述观点来自世界知名PBL研究学者，此外还有一些观点如：

Exploring the relationship between research and undergraduate education.（Linkoping University；1995）

PBL is an instructional strategy or as a curriculum design.Instructional strategy is where problem－based learning is largely seen as another teaching approach that can be mixed in with other approaches.It tends to be used within a subject or as a component of a program or module，where other subjects may be delivered through lectures.In an integrated problem－based learning curriculum，there is a sense of problem－based learning being a philosophy of curriculum design that promotes an integrated approach to both curriculum design and learning.（Conway and Little，2000）

不论以何种方式或要素定义PBL的特征，PBL教学法的基本出发点仍然是“问题”。在授课环节中，通过对“问题”的设计帮助并改变学生的学习方法，使学生成为独立的“问题”提出者。从课程设计角度看，基于PBL的课程设计由以下四个环节组成（参见图1）。文中仅以《高等光学》课为例，重点放在其中第二层面，也就是教学环节。

图1　PBL教学设计结构示意框图

二、《高等光学》课的特点及课程设计

《高等光学》是我校光学工程、仪器科学与技术方向的研究生专业基础课，其教学目的和要求是：“建立现代光学学科的基础理论，通过本课程学习，培养学生独立思考及对问题的分析、解决能力。要求学生基本掌握电磁场理论基础与麦克斯韦方程，了解电磁波在介质中的传播规律以及电磁波在分层介质中的传播，掌握电磁波在金属波导和介质波导中的传播规律。”学时为40个学时，要求先修课程为《物理光学》和《应用光学》。这门课的最大特点是以场方程的求解与分析，描述并解释光学现象。这样在《高等光学》课教学背后的最大挑战来自于如何借助抽象概念描述微观世界，以“可测”的宏观物理参数表征微观不可测的物理过程。以表达式和符号这种抽象语言描述“看不见”的客观存在。因此在实际教学中，使学生逐步适应抽象思维并学会以场方程表述微观物理世界，成为这门课教学设计中所考虑的关键因素。

考虑到PBL模式下学生的适应性，本课结合学生特点和内容，分三个阶段组织、实施。第一阶段以传统教学模式为主，但注重内容方面的整体逻辑联系；第二阶段以几个基本“问题”为出发点；围绕前述内容，以“问题”为出发点，侧重前后内容的关联性，帮助学生适应以抽象的场方程展开对相关“问题”的分析。第三阶段以小组学习的“讨论”模式为主。小组成员的分组是基于前期学生的课堂表现，同时兼顾及学生在大学时的专业背景以及男女学生比例。每组成员5－7名，每次讨论之前各组组长将小组讨论的结果以及存在的“问题”以邮件方式发给教师。这样上课后教师可更有针对性地组织讨论。

第一阶段：以内容的逻辑结构联系为主。

针对“电磁场理论基础及Maxwell方程和电磁波在无限大均匀介质中的传播”这两部分内容，归结为如下主线（参见图2）：

图2　《高等光学》课在第一阶段的授课“主线”

第二阶段：以几个基本“问题”为出发点。

这部分的教学重点放在引导学生逐步适应小组讨论为主的教学模式，启发学生有针对性地提出“问题”。这部分内容的展开以第一章、第二章及第三章内容为主，在教学中注意开始阶段对“问题”难度的选择。学生需要有逐步适应的过程，有自信心建立的过程，要由浅入深。以某一阶段教学内容为例，涉及的类似“问题”如：

为什么要引入“相速度”、“群速度”？

为什么要引入“位相”？

为什么从反射系数表达式中看不到相位突变？

为什么讨论的出发点总是从如下平面波解入手？

在求解有界电磁场分布时，金属与电介质条件下的边界条件有何共同点和不同点？

第三阶段：以学生自主学习为主。

学生自主学习并不是教师放任学生，让学生“自学”，相反教师要参与其中，从前面的“问题”设计转为对小组学习过程的管理。尤其注重学生在学习过程中的能力训练，具体表现为“听、说、读、写、做”这五个方面。“听”指学生对其他同学发言内容的概括能力；“说”表现为学生根据自己的知识结构对所涉及的内容的逻辑表述能力；“读”表现为学生的阅读能力；“写”指的是学生的文字表达能力；“做”主要指实验动手能力，限于实际条件，本课没有涉及这方面能力的训练。

三、讨论

《高等光学》课的核心内容是关于Maxwell方程在不同边界条件下的求解及对方程解的分析，具体而言就是求波矢。由于介质及边界条件不同，其间涉及大量复杂、繁琐的数学推导。如果把重点放在数学推导，则占用大量教学时间，相反如果将相关的数学推导内容放到课下小组讨论，一方面为课堂讨论打下相应的基础；另一方面教师也可集中精力对重点问题展开讨论。从本课教学经验看，对于认真准备的学生而言，这种方法是有效的，学生们是欢迎的。但对没有准备或者准备不足的学生而言，学生会失去学习的兴趣。从近几年的教学经验看，任何一门课，总有学生对本门课的学习失去兴趣，在小组讨论中不发言或少发言，但总体上讲这种方式的教学模式还是得到学生们认可的。此外，以PBL教学模式展开教学，并不意味着教师放下学生不管，相反教师要花大量时间去思考教学设计，通过“问题”引出一系列的主题，进而引导学生自主学习。

PBL教学法尽管在20世纪50年代就提出，但面对不同的授课内容、授课对象、教学时间以及教师的工作经验等等，特别是在现有教学大环境下展开相关的以PBL教学法为主的教学模式，这种方法的实施仍然是一项复杂而艰巨的工作。Schmidt and Moust（1995）及Abrandt（1998）都曾分别指出有效的PBL教学法的实施必须注意以下几点：

A suitable level of knowledge

A willingness to engage with students in an authentic way

An ability to express themselves in a way understood by students

参考文献：

［1］　孙建荣，冯建平.憧憬与迷惑的事业［M］.北京：中国社会科学出版社，2000.

［2］　卢洁，冯家勋.理工科课程教学整理改革探索.高等工程教育研究，2009（2）：137.

［3］　Jens Christensen，Lars Bo Henriksen，Anette Kolmos，Engineering Science，Skills，and Bildung，Aalborg University Press，2006.

［4］　J.C.Fernandes Teixeira，J.Ferreira Da Silva and P.Flores，Development of Mechanical Engineering Curricula at the University of Minho［J］.European Journal of Engineering Education，2007，32（5）：539.