新工科需求下PBL教学深度学习的模式研究

韩秀丽，汪金花，李鸣铎，李孟倩，甘德清

(华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210)

随着第四次工业革命快速发展，国际高等教育研究提出了21世纪大学毕业生的技能，如有效交流、批判性思维、系统思维、问题解决、协同合作、数据决策、创新创业和自我管理等技能。为了确保毕业生能够满足企业与未来社会对高素质人才的需求，国际高等教育界开始倡导基于能力的教育，大学教育的重点已开始由知识与技能传授，逐渐转向学生核心能力的培养与测评。这也给工程教育培养与教学模式提出了新的严峻挑战，要求高等工程教育进行范式转变，建立以学生核心能力培养下的教学形式，开展知识的深度学习。PBL(Problem-Based Learning，基于问题学习)由加拿大麦克马斯特(McMaster)大学首创，是一种以建立终身学习能力为目标，强调在开放情境中，学生自主学习为主，教师指导为辅的教学模式。由于PBL符合以学生为中心的探究式学习的建构主义学习理念，很快在欧美许多医学院校应用推广。20世纪80年代，美国研究型大学本科生教育人才培养目标出现了历史性的转型，由原来的培养全面发展的人转向培养创新型人才，探究性学习受到重视。后期与学生的职业技能教育和项目研究有机结合起来，形成了“美式”PBL模式[1-2]。21世纪初，PBL在我国大多数医学院校所周知，并在医学、文学等领域逐步实施，取得了一定的教学效果参考文献。近几年，在我国推行高等教育由“以教师为中心”向“以学生为中心”转型的过程中，部分高校在一些工科领域也进行了不同深度的PBL教学尝试，将PBL理念应用于综合设计性实验、工程训练等教学过程，或者采用“CDIO+PBL”教学模式、PBL与案例分析组合等形式对理论教学或实践教学进行了部分改革，取得了一些效果[3-7]，但未开展PBL教学模式的系统研究和深度学习应用。

结合国内地方应用型本科院校的新工科人才培养目标和教学特点，在美式PBL理论的基础上，对建立了一种符合深度学习的PBL教学模式，并从强化学生自主学习能力、探究思考及沟通表达能力，增强学生开放性思维的角度，阐述了与之适应的教学设计与教学策略。

一、基于深度学习的PBL教学模式

深度学习要求学生致力于各种主动学习和合作学习的活动，围绕知识关联、问题求解过程角度展开一系列分析研究、综合训练以及批判讨论的学习活动。其学习形式从被动教学向主动学习的转变，从“教师为中心”向“学生为中心”的学习活动的转变，对知识的“浅层”加工向“深度”学习发展。目前，我国地方应用型院校的教学传统教学模式主要偏重于知识讲解和实践技能的传授，教师是主要知识的来源或传播者，学生是知识的灌输对象、简单的接收者和直接重复者，缺乏沟通表达和写作技巧的训练，在自主学习、协作创新能力培养方面也相对较弱。现有这种教学模式与国际程学位认证标准、我国用人市场对毕业生素质需求的有一定偏离[8]，需要在传统教学模式基础上，提升教学层次，渗透“以人为本”思想，引入人文精神、终身学习、团队合作和创新意识等综合能力的培养形式，逐步将学生引向更深层次的理解和更高级的思维技能。

以工程教育人才培养需求为例，在美式PBL模式基础上进行了定义延伸，建立了适于国内地方应用型本科院校的深度学习的PBL教学模式，见图1。该模式强调以学生为中心，在工程真实问题或关键技术的情境下，利用工艺流程、工程实践、程序研发、交流讨论等要素，采用KOSEAM教学环来组织教学活动。教学活动中充分发挥学生学习的自主性、探究性和创新精神，分阶梯的培养学生的综合能力，有层次的引导学生对知识的深度建构。模式中对PBL的problem(问题)、based(以…为基础)、Learning(学习)三个词内涵进行了延伸。P这里引申为知识节点或要点(problem)；工程或工艺中关键技术(process)；工程项目的真实难题(project)等，通常是来自工程实际和结构性较低问题，或者接近现实世界或真实情景，有一定启发性和复杂性的问题。B是工科内容P到学习目标L的实施途径。这里引申为与KOSEAM教学环对应的教学设计和教学策略，能够激发学习者知识建构热情和主动性的教学方式。L(learning)引申为学会、学习结果或目的，指通过KOSEAM教学活动可以得到的结果或者能力。这里特指三个能力阶梯：自主学习和团队合作能力，写作表达和沟通交流能力，工程能力和创新能力。

图1 基于深度学习的PBL教学模式

基于深度学习的PBL教学模式具有明显的主动学习、高阶思维训练的特点，更注重强调培养发展学生核心能力和学习成果。学生的学习方法越深入，学习成果的质量就越高。模式具有以下特点：(1)模式中学习内容是工程关键技术或工艺流程，增加问题环境深度，有助于学习过程中建构知识真识性，激发学生的内在动机。(2)模式中KOSEAM教学环节的设计，各种技术、流程不是由教学直接强加或传授，而是由学生的学习活动去发现，让学生努力寻找材料、知识之间的关联后，来理解和建构知识，有助于达到深度学习效果。(3)教学环中重视学生的学习活动，并把实践活动、科研问题和抽象理论联系起来，使学习活动有主题、有标耙，更具有引导深度学习意义。(4)教学过程注重发展分析、综合、逻辑推理、批判性思维和解决问题等核心技能，并强调综合学习和应用学习。

二、KOSEAM教学环

学生学习可以采用不同的学习方法，且学习成果与其所用的学习方法密切相关。深度学习形式要求学习者使用高级认知技能(如分析、综合、解决问题和元认知的能力)处理信息并构建长期而深刻的理解。[9-12]这种方式不仅会对学生的行为、思维或感受方式产生持续、积极和实质性的影响，还会促进其对生活的理解和应用。要想将PBL教学模式灵活实施，发挥成效，实现学习过程学深度化与高阶性，需要借助与之配套的教学手段。

通常情况下，基于深度学习PBL教学过程需要根据授课对象特点、内容重点和学习成果的具体需要，建立了对应的KOSEAM教学环，将学生置于结构不良的工程背景情境中，按阶梯的培养学生的各项能力。KOSEAM教学环一共划分了六个教学环节，包括获取基础理论(knowledge)、建立学习目标(object)、自主学习(study)、交流探究(explore)、行动实践(act)、综合考评(measure)，见表1。这六个教学环节不仅突出了PBL实践性、自主性、合作性、探究性的特点，还符合课程难点重点的教学组织要求。从整个过程看，认知上从直观接纳、批判论证到观点创新，技术上从知识反刍、分析理解、到学以致用，环节之间层层递近，逐步上升，符合认知的金字塔。相对美式PBL应用，KOSEAM教学环加大了知识准备和行动实践的比重，是为了加强学生动手实践和工程应用的能力，更符合认识行为的建构过程。

表1 基于深度学习的PBL教学知识建构环节

基于深度学习PBL教学中，学生是自主的学习者，也是合作型的学习者，具有较高的元认知和学习技能。在整个KOSEAM教学环中，学生的学习方法越深入，学习成果的质量就越高。对应核心能力发展和学习成果的越突出。例如：先建立一个明确目标，让学生围绕目标去收集解决该问题所需理论与技术，自主学习；再通过团队的研讨和探究环节，练习沟通与表达技巧，加深知识理解；最后通过系统实践运用，提高工程能力和创新意识，达到对知识的深度学习。在具体应用KOSEAM环节时，还有几点需要注意。如果教学内容理论性深，实践性强，只有学生具备一定理论基础后才能开展PBL教学，否则无法达到设立的学习目标。[13-14]建构主义理论和心理学研究都表明，只有大部分学生认为对这个问题的解决很有意义和必要，才能产生积极的情感和行为的投人，反之则持着完成任务的心态，过程和质量都无法达到预期效果。因此选取KOSEAM教学的内容，可以是实践操作、仿真练习或数据分析多种类型，但一定要有深度。即使优秀的学生单兵作战也无法解决，需要小组协作探索才能完成。另外行动实践(act)的内容必须有一定挑战性。挑选的实践内容或情境，使其接近一个“类创造性”的学习过程，既能够让学生应用所学理论和技术，又可能引导学生提出新的学习问题和目标，产生创造性的火花。

三、深度学习与PBL教学

PBL教学理念需要精细化的教学设计来实现，不同专业PBL教学设计采用不同的形式。特里·巴莱特认为PBL是这样一种学习，由5～8个人在一个导师指导下共同学习解决真实世界结构不良问题。现代医学PBL教学通常是给学生发放病例和材料，通过分组讨论探究学习后，教师考评小组讨论结果，点评病例要点。思政类PBL教学通常围绕时事热点或综合性案例分组讨论或辩论展开。工科内容是理论性与实践性复杂组合，单纯模仿其他专业PBL教学设计，采用小组讨论或分组汇报形式组织教学，显然无法达到预期的教学效果。

根据深度学习理论认知过程的规律，以学习成果为目标的PBL教学设计应体现出以下几点：(1)在建构的工程情境中，设计一个穿插整体教学过程的结构性低或两难的问题，引导学生批判性的思考和学习，促进学习目标实现。(2)将学生分成小组，每个小组承担一定任务。在任务趋动下进行自主学习、合作学习和交流探究，让学习者拥有更多的学习自主权，培养学生沟通和管理能力。(3)需要设计工程背景的实践训练的环节，培养工科学生动手实际应用的能力。特别是“新工科”建设教育背景下，更要强调知识的综合性、复合性引导。选题PBL专题有意识地培养学生将专业理论、前沿知识以及相关学科知识交叉融合解决实际问题的综合素质和创新能力。针对具体教学内容的教学设计方案，需要结合专业需要和课程特点，从人员组织、学习形式、教学策略等方面进行详细设计。设计要体现个体、群体之间认知交流，让整个认知活动存在于“个体+群体/共同体+目标情境”之间。例如以理论学习、案例应用或项目实践为主线来设计情境，见图2。教师需要对相关理论进行初步讲解，剖析优秀案例示范，给学生树立标耙；按照某种原则对学生分组，每个小组承担一个任务进行一段时间的自主学习；当学生对理论认识达到一定层次时，进行资料研习和技术交流；学生通过交流讨论，加深对理论理解，进行二次的认知重构。最后学以致用，以分组或集体对某个案例进行系统的应用，使学习者在实际动手“做”的过程中理解、掌握和创新知识或技能。

图2 基于深度学习的PBL教学设计框架

参考图2的框架进行具体教学设计时，应结合课程的讲授内容灵活掌握。偏重理论理解的内容，PBL教学设计可以选取其中一部分环节，突出资料搜集、交流讨论的部分，强化学生自主学习，交流表达的水平。偏重工程应用的教学内容，可以增加“行动实践”环节的比重，进行多次工程案例训练、汇报、讨论，培养学生的动手能力和创新思维。另外由于思维、习惯和基础的不同，每个学生都会有不同的设想、构思，PBL教学设计需要加大学生交流、师生交流环节，培养了学生的交流合作能力，同时通过倾听他人的想法和意见，有助于学生深层次的知识内化。总之，PBL教学设计要强调整个过程是一种“从做中学”“从活动中学”的情境，强调学习者与导师组成学习共同体或知识建构共同体，通过交流、协作等认知活动，获得实践技能和社会技能的过程。

四、深度学习PBL教学组织

学习是人类存在的基本模式，它依赖于社会互动和意义创造，只有通过参与、交流和体验，学生才能获得应对复杂多样、快速多变的世界挑战的能力。因此，教育理念应该从传统的“学知识、学工程”转向“用知识、做工程”；教学模式应该从以教师为中心的课堂教学，转向以学生为中心的综合性和应用性学习；学习模式应该从“一刀切”转向定制式的深度学习。

基于深度学习的PBL教学的KOSEAM每个环节需要采用不同的教学组织和教学策略，见表2。如知识准备环节，可以采用直接讲授法、SPOC、案例讨论法让学生接受知识要点；建立目标环节，可以采用问题学习法、任务导向学习法的师生互动交流；在自主学习环节，建议采用知识分段学习，合作学习等形式，来提升学生自主学习和团队合作能力；在交流分享环节，为了提高学生沟通交流、写作表达能力，建议采用分组讨论、答辩汇报等形式。综合考评环节，可以采用汇报展示、教师点评、小组互评，个人自评等多种形式，来强化学生思辨能力。

表2 基于深度学习的PBL教学组织

在PBL教学实践过程中，教师和学生的角色是不断变换的。教师在教案设计时是设计师、编剧，根据讲授的内容设计结构不良的问题，来引导学生讨论、探究，促进学生对知识的迁移；在知识讲解环节，教师是专家，负责讲解示范、分析要点，传递显性知识；在其他环节，教师是学习向导、合作学习者和顾问等角色，负责总结点评和指引释疑关键问题，传递隐性知识。学生在整个PBL过程中，一直是学习的主体，承担学习责任或任务。例如在自主学习环节，需要认真思考问题，查询资料，完成资料整理，文本加工等工作；在交流探究环节，需要协同合作去分析案例的流程和技术问题，完成深层次的沟通讨论；在行动实践环节，需要完成实验操作、数据分析以及成果展示等多方面任务。

工科PBL教学时间安排是灵活的，不一定单独使用课堂上时间，可以课上课下结合学习的方式。理论教学至少需要2-3次课堂教学来完成一个PBL设计教学内容。综合设计类PBL教学内容需要2-3周。导师应当注意在自主学习、交流探究、行动实践环节，各小组之间的进度会有很大的差别，导师要定期询问各小组进度，指导小组出现难点和要点，引导学生在规定的时间内完成目标。另外PBL教学需要有一个配套的开放性环境或实验室，每个小组可以根据自己任务进度灵活开展活动或进行实验研究。

基于深度学习的PBL教学过程中，选取各类问题的情景是真实的，与工程实际息息相关，更容易调动学生的学习积极性，激发学生的好奇心，让学生从中体会学习的乐趣。但是实施的过程会受到多种因素的影响，例如老师的水平、学生的基础，教学组织的形式、师生互动的策略等等，如果组织不当，会直接影响教学效果。当组织形式和教学策略合理时，更能够激发学生的潜能，提高学生参与度与活跃度，达到预期效果。同时对一线教师提出了更高的要求，他们不仅要有宽厚渊博的专业知识储备及高端先进的科研成果，更要有敬业奉献精神，需要投入更多的时间和精力去精心组织设计教学方案、设置PBL问题、搭建学习框架，积极引导学生自主学习、兴趣探究，以达到培养综合型人才的目的。