理工类课程问题导向式翻转课堂教学设计与思考—以勘查技术与工程专业“岩石物理学”课程为例

唐 军

长江大学 地球物理与石油资源学院，湖北 武汉 430100

随着专业的快速发展和教学改革的深入，有限的课堂教学时间与专业知识的推陈出新矛盾日益突显，翻转课堂教学模式是解决这个矛盾的有效途径[1]。翻转课堂2007年前后在美国首先被提出，2010年左右伴随着“可汗学院”的兴起迅速扩展到全球，它将传统的“课堂上听教师讲解，课后回家做作业”授课模式变成“课前在家听看教学视频，课堂上做作业答疑”的新教学模式[2-3]。目前从中央到地方也都在极力推行“互联网+”时代下的新型课堂教学模式、网络教学资源的建设，以推进我国现代化教学改革的深入发展。但不管教学科技技术如何发展，高校为社会主义建设培养高级专门人才的主题不会改变。所以，翻转课堂中学与教的顺序虽然倒置，让学生主动学习去获得知识的实质没有变。如何在改变传统课堂授课模式下,在学习过程中进一步提高学生学习的动力是下一步着重考虑的问题。

理工类课程一般要求学习者具备一定的数学物理基础，较其他课程相比具有抽象、逻辑性强、课程之间衔接紧密等特点。采用翻转课堂教学模式在一定程度上能够刺激学生在课前进行学习，但学习的目的性有待强化。丹麦奥尔堡大学从建校至今，一直以基于问题的学习方法实施教学，在学生培养质量上取得了显著的效果。基于问题的学习（problem-bases learning，英文缩写为PBL）最初由加拿大McMaster University的Don Woods提出，随后在该校医学院进行PBL课程体系改革[4]。尽管PBL实施模式在各个国家、学校存在不同程度的差异，但从实际问题出发，培养学生解决实际问题能力、团队协作能力等受到广泛的认可，现在已广泛地应用到高等教育领域[5]。

根据笔者在丹麦奥尔堡大学对PBL教学模式亲身体验，结合自身从事勘查技术与工程专业“岩石物理学”课程教学所遇到的问题，对如何将问题导向与翻转课堂教育模式结合，展开了一些分析和讨论。本文首先介绍在深化经济发展大背景下，高等理工类专业课程教学与企业需求之间的差距，然后介绍PBL教学模式的优势，在阐述基于问题导向式翻转课堂教学设计的基础上，对一些存在的困难与问题进行分析，以期对准备开展此类教学改革或正在进行类似改革的同仁提供借鉴意义。

一、高校理工类专业课程教学与企业需求存在差距

我国改革开放已走过了40个年头，经济建设取得了长足的进步，随着中国经济进入“新常态”，就业市场的宏观环境也发生了巨大变化，大学生就业再次成为社会关注的热点问题。高校毕业生是否符合社会需要，培养质量是否能够满足用人单位要求，是中国高校普遍面临的一个重要课题。参考美国SCANS标准，麦可思对中国2015年毕业学生进行了就业调查，发现2013、2014、2015连续三届毕业生的基本工作能力水平均都低于工作岗位要求的水平[6]。造成大学毕业生与企业需求存在差距的原因，除了就业市场不健全等外部环境之外，大学生基本素质与专业教育中诸多能力的不足是关键，而这些能力包括实践能力、适应社会环境变化能力、团队协作能力等[7]。在课程教学中，发现学生存在以下几方面问题。

1.专业兴趣不浓厚，就业从业热情不高

高考后大学录取志愿的填写通常情况下是一个家庭共同的决定，考生的意见只是其中之一，而且在多数情况下，最终志愿选择的专业是其他参与人的意见。这样很容易导致学生对专业的盲从。这也是当下很多高年级大学生调整专业时对家长的回答，因为从最开始，这个专业就不是自己喜欢的。调整专业毕竟是少数大学生的选择，更多人选择了接受最初的专业，因为学习不是主动的，所以兴趣也不高。其次，任课教师只负责本门课程的讲授，往往很少花心思在专业兴趣上对学生加强引导。特别是理工类课程，理论性的知识点多，与专业结合的实践性问题少，忽略了对学生专业引导教育。这也导致很多大四毕业生被问到对所学四年专业的感想时，往往用“不讨厌，不喜欢”这样的话语进行描述。所以，学生在就业之后，因为对专业的认同感不高，没有专业热情，直接影响其工作热情。

2.创新思维不足，解决实际问题能力欠缺

笔试被认为是最公正、公平的一种考查学生学习成绩的方式。在进行考题设计时，教师考虑到与知识点的吻合度以及可考查性，往往以离散的概念型、计算型题目为主，这样训练的仅仅是学生的记忆能力和理解能力。按照Blooms对学习目标等级的划分[8]，这种教学目标培养的学生只能达到第四个层次，即能够应用所学的知识对某个概念进行分类与鉴别，而远没有达到重新创新的最高层次。虽然高校一直在宣传大学生创新思维能力的培养，也启动了一些有利的举措，例如近年来兴起的“大学生创新创业训练计划”，但从大学生参与率来看，能够加入类似训练项目的大学生占比很低。创新思维不足直接导致大学生在走向工作岗位后只习惯按照既定程序工作，对一些新出现的、需要对原有工作进行改变的任务无法胜任；或者对实际问题的处理缺乏个体差异性，对企业的创新没有多大贡献。

3.缺乏团队协作精神，融入企业文化时间长

企业的持续发展，在于员工具有优秀的品质和积极协作的团队，其中最为关键的是，弥漫在组织中的团队积极的合作精神[9]。与此同时，在大学里面通过开展团队学习的方式，有利于学生形成批判性思维，自我创新以及学会如何与人相处[10]。在大学学习时间里学生们需要养成的品质也正是现代化的、具有竞争实力企业所必备的。而现实情况是，受家庭经济状况持续变好、独生子女、个体争当第一等教育大环境的影响，大学毕业生在企业开始工作时更适合“单兵作战”，不想也不知道如何去与同事协作。在社会化大生产背景下，企业也是社会一分子，其内部构成必定是分工明确，协同进步的。虽然不同企业存在不同的协作运行模式，但懂得分享，学会团队工作的本质都是一样的。所以，一个不知道如何与同事、领导沟通、协作的新员工需要花很长的时间去习惯、去融入，这个过程越长，浪费的企业资源也越多。

二、基于问题学习方法的优势

从1965年到1975年间，为应对工业界对学生质量提出的新要求，教育界提出了许多新的教学理念，例如自我导向学习（self-directed-learning）、基于案例的学习（case-based learning）、探究式学习（inquiry based learning）、 实验性学习（experiential learning）、 服务学习（service learning）、 基于项目的学习（project-based learning），等等，而这些其实都可以归属到以学生为中心的学习模式上去[11]。PBL也是在这一时期被提出并运用到高等教育中去。丹麦的两个以工程为主的奥尔堡大学和洛斯基勒大学从一开始就在全校范围内采用PBL教学。特别是奥尔堡大学，从1974年建校到2000年，短短的二十几年，该校工程专业学科实力排名已跃居欧洲前三，其毕业生也受到工业界青睐[12]。较以往教学方法，PBL在满足现代化企业员工素质方面具有以下两个明显的优势。

1.通过问题导向式的学习，提高学生自主学习能力，与企业创新智库的建设目标相契合

现代工程技术使我们的生活更加舒适和方便，但新技术可能会带来新的问题，未来的工程师就会面临更多复杂的、从未碰到的困难与挑战[13]。在奥尔堡大学，PBL的问题贯穿整个教学活动。问题导向就是指用问题来确定学习方法，用问题来指导具体实践。学生在实践过程中，能够真实体会现实工作中存在的问题是如何一步一步逐渐解决的。所以，为了进一步细化学生在分析问题、解决问题中的能力水平，奥尔堡大学将学生实践的课题分成了三个层次：作业型课题（assignment project）,可执行课题（subject project）以及开放性课题（problem project）[14]。在这三个层次的课题中，学生的自主性逐渐增大，而教师的作用越来越小。这种问题导向式的学习过程能够激发学生学习的热情，提高他们对问题的分析能力和寻求解决方法的能力。

随着越来越多的中国企业步入全球化市场，从战略发展角度出发，智库建设对企业的持续核心竞争力起到决定性的作用[15]。对于工程领域的企业而言，具有创新思维能力、批判精神以及独立工作能力的高素质人才是形成智库的基础[16-17]。虽然通过企业后期的培训，能够在一定程度上提高企业员工的个人素质，但大学是培养青年人才创新思维的黄金阶段。所以，将实际问题引入高校课堂，能够为工程类企业输送更多具有高水平创新能力的人才。

2.通过团队学习的方式，提高学生合作精神，满足企业社会化分工协作的需求

员工团队协作能力决定着企业的凝聚力和向心力[18]，是生产力的直接体现。交流是促进团队工作顺利开展的有力工具。通过3～5年的团队学习训练，学生普遍具备了能够适应企业需求的协作能力[19]。奥尔堡大学每个学期都会安排学生参与一个以小组形式实施的项目，项目的选择取决于学生的兴趣，一般每个小组3～5人，每个小组配备两名导师。项目一般是与专业相关的现实问题，导师只是处于帮助者的角色，不设定目标，即整个项目的完成情况、实施细节都由小组学生自己决定，导师根据书面报告、答辩以及回答问题情况给学生评定分数，既有小组报告的成绩，也有学生个人的成绩。调查发现，若学生要在小组项目研究中取得好的成绩，必须关注三个方面的内容：以小组为单位的反思性实践；小组实施整个项目中的逻辑以及保证学习质量的小组决策过程[20]。学生在以小组形式思考问题、解决问题过程中，需要进行广泛深入的讨论，需要学会个人意愿服从小组意愿，不仅学会了如何表达自己的想法，更重要的是学会了与人交流，当出现分歧时，能够达成一致意见并最终完成任务。这正是现代企业需要的协作精神的内涵。所以，将小组学习引入教学环节，有助于学生提高团队协作能力，提高自己的就业从业质量。

三、基于问题导向式翻转课堂教学设计思路

既然PBL教学法能够训练并且提高现代企业亟须的解决实际问题、团队协作能力，那么如何在工程类翻转课堂教学中实现呢？笔者根据自己在丹麦奥尔堡大学切身体会，以勘查技术工程专业的“岩石物理学”中岩石的弹性这一知识点的授课为例，详细阐述基于问题导向式翻转课堂教学设计思路。

1.问题设计

整个翻转课堂的实施过程如下：在课程开始讲授前，要求学生关注三个问题:（1）How,如何描述岩石的弹性；（2）What,影响岩石弹性的因素有哪些；（3）Where,在地质工程领域，有哪些地方可以用到岩石的弹性性质？围绕这三个问题，学生首先以小组为单位自学该知识点，然后完成小组报告。让学生带着问题进行小组形式的学习，学习目标更明确。

2.课堂教学过程设计

在整个课堂教学过程中，以学生汇报、学生之间的讨论、教师与学生的讨论为主，核心仍是围绕之前提出的三个问题进行。以一个教学时间单位90分钟为例，前45分钟，各学习小组完成汇报以及对立小组提问与回答，主要解决How与What的问题，因为从知识层次来看，这两个属于理解、概念型的问题，所以通过学生之间的问与答，应该可以达到预期的教学效果。后45分钟，主要是教师与学生的互动，在这个环节中有两个核心任务：第一个任务是对于在第一阶段中出现的问题进行明确，强化知识点的掌握；第二个任务是通过学生问，教师答的方式，让学生主动掌握岩石弹性性质在地质工程领域内的应用。因为问题是学生自己提出的，所以能够强化记忆与理解，相比传统授课方式，更容易让学生掌握。同时，教师也可以根据学生提出的问题进行拓展和延伸，举一反三，扩大学生的知识面。

3.教学反思与改进

教学是教师创造性的活动，适时地反思教学过程中存在的问题，有利于提高教师的教学水平[21]。理工类课程与社会生产联系密切，通过教学反思，教师能够更好地将课堂的理论教学与行业发展动向连接起来，这也能够起到激发学生关注本专业，从而对本专业产生更大兴趣的目的。

在整个以问题为导向的翻转课堂教学设计过程中，有两个关键点要格外注意：一是在上课之前问题的设计；二是教师对学生所提问题的拓展和延伸。第一个关键点掌握的不好，就容易将学生的兴趣点引到与知识点衔接不紧密的方向上去，所以设计的问题既要有一定的自由度，让学生有发挥的空间，能够引起学习的兴趣，又要有一定的限定范围，不能太过宽泛。所以根据课堂上学生对问题的理解和准备情况，教师可以对原有设计问题的内容、表述方式进行进一步凝练。第二个关键点是对于知识点的较高层次的把握，在进行该层次的问题交流时，对教师的能力要求较高。所以，对于课堂上提出的问题，教师可以记录下来，通过整理与反思，在夯实自己个人专业知识的同时，提高授课质量，让学生收获更丰富。

四、问题导向式翻转课堂教学存在困难的原因分析

问题导向式翻转课堂的建设是一个系统工程，除了改变传统授课模式之外，更重要的是提供问题教学方法的外部环境，包括教学法规与政策，学校能够提供的教学资源，教师个人能力水平，学生之间的信任程度，等等[22]。在PBL中国化的过程中，也出现了一些积极的讨论和实践[23-24]，但总体来看，难度很大。

1.教学理念与当地的社会人文环境密切相关，中国本土社会环境与P B L教学模式存在差异

第一，教育对大多数人而言是一种对已有知识的传递，所以教学理念符合国情现状、文化特点是一个前提。以丹麦为例，从幼儿园开始，学校就提供了让学生分组讨论的教学设施，校园内供学生小组讨论的桌椅随处可见；学生在课堂上也可以进行小组讨论而不用理会老师。小学一年级学生就有“真刀真枪”的手工课，三年级就要自己开始学着做饭。在丹麦，高中毕业后学生就要与父母分开居住，而且自己要负责自己的生活费。所以，在整个学习生涯中，学习是学生自己的事情，老师、家长只是处于帮助者的角色；第二，合作意识、小组分工也是在低年级阶段就形成。正是有了这些潜移默化的熏陶，丹麦大学生很容易接受这种教学方式。然而中国的学前教育、小学教育、中学教育没有提供这种土壤，如果很突兀的在高等教育阶段完全实现PBL教学，效果肯定不乐观。所以，在PBL的中国化进程中，应该根据中国基础教育现状、大学生学习特点进行适当引入，切忌照搬。

2.相比西方发达国家，我国人均教学资源少是制约 “小班教学”的重要因素

问题导向的翻转课堂教学设计中，要以小组为单位开展学习，每个小组都应配套相应的教学资源，包括场地、教师等。相比西方发达国家，我国人均教学资源是很少的。例如奥尔堡大学经济系的一个班，全班14人，分三个小组开展课题研究，每个小组都能得到两个导师的直接指导，各种教学资源也是配套的。而在我国，平均一个自然班是30～50人，若以5人为一小组进行学习，可以分成6～10组，若每组要配置两名不同专业的导师，则一个班就需要12～20名专业教师，而一般国内一个教研室教师数量也就这么多。所以，虽然我国的在校大学生人数位列世界前茅，但师生比是很低的。这也制约了小班教学、小组指导教学的全面实施。

3.课程体系的设置与教师个人发展问题

我校勘查技术与工程专业学生在二年级下学期以及三年级上学期这段时间内专业课程很重，这两个学期平均学分都在25分左右，涉及7～9门课程，且都要求一定的数理基础，学生学习起来比较吃力，导致学生在课下开展自主学习、小组讨论的时间有限。加之平时授课一般是两个自然班合班授课，人数50～70人，每个人发言的时间有限。丹麦奥尔堡大学平均每个学期学生只有三门课，保证了学生课下时间的充足。所以，教师与学生的互动，虽然能够很好地促进学生自主学习、自我激发的学习，但受时间限制，问题讨论不充分，也直接影响学习效果。

另一个因素是老生常谈的教师个人发展问题，具体而言就是教师上课内容与自己研究领域的一致性问题。受国内教师考核中关于学时等工作量的影响，一些专业课教师讲授的课程与自己研究领域并不匹配，一方面导致教师的教学投入不大，另一方面也影响学生对本门课程学习的兴趣，达不到良好的学习效果。

五、结语

翻转课堂通过激励学生课前学习，弥补了行业知识的变化在课堂教学时间内的不足；基于问题的学习方法在培养学生解决实际问题和团队协作能力上有明显优势。社会人文环境、教学资源配置、课程体系及教师发展等因素不同国家和地区存在差异，就目前来看，中国也不能照搬在丹麦奥尔堡大学取得成功的PBL教学法。本文根据学校课程设置实际情况，介绍了将奥尔堡大学PBL教学法中两个核心元素问题导向和小组学习引入到“岩石物理学”翻转课堂中的方法与思路。

在改革中寻求进步一直是我们努力的方向。翻转课堂也好，PBL教学法也罢，其目的都是为了促进教学，让学生不仅能够学习专业知识，更能提高个人学习素养。在目前国内高等教育大环境下，紧密围绕现代企业亟须的解决实际问题以及团队协作能力这两个主要方面，将PBL教学法中的问题导向、小组学习与翻转课堂结合，对已有的教学方法、教学手段进行修改完善，是解决目前高校理工类课程授课时间紧、学生学习热情不高的一个有效途径。