PBL 教学模式在“水力学”翻转课堂中的应用探讨

张新燕，王文娥，王增辉

（西北农林科技大学，陕西杨凌 712100）

科技社会的发展，需要人们在遇到新的课题挑战时具有较强解决问题的能力和高层次的创造能力。高校是培养各类创新型、应用型、复合型优秀人才的重要基地，推进个性化培养，全面提升学生的综合素质，采取适应新形势下的教学手段，实现“以教为中心”向“以学为中心”的教学方式变革，是高校深化教法改革与提升教学质量的必由之路。

翻转课堂是采用线上结合线下教学的一种混合教学模式，与传统课堂教学方式不同，其转换了教学过程中知识传授和知识内化两个环节，将教学知识和相关内容的学习放在课前进行，由学生（线上）通过教师提供的视频录像、电子书及相关材料自主学习掌握，而课上（线下）则通过对学习内容解疑答惑、讨论、实践应用等课堂互动，实现对知识的吸收内化。该模式借助现代科学技术手段，改造传统教学中教师与学生的角色，强调学习的个性化和学生的自主性，克服了传统教学忽视学生个体差异与个性化发展需求的弊端，真正做到因材施教和学生综合素质的培养，适应当代社会发展的教育理念，在高等教育教学改革实践中发挥了重要作用[1-2]。

翻转课堂的成功实施关键在于课堂教学。在这种教学模式下，课堂不再仅仅是传授知识，而是通过解疑答惑、讨论互动实现学生对学习内容的掌握、吸收，如何有效并最大化地利用课堂师生面对面的时间也成为翻转课堂教学的核心问题，没有行之有效的教学方法，课堂教学活动必然会流于形式，达不到预期效果[3-4]。因此，探索有效的教学方法开展课堂教学，把课堂上的时间真正高效利用起来，是通过翻转课堂提升教学质量的关键。为此，笔者结合西北农林科技大学水利与建筑工程学院水利类专业学科特点，尝试在“水力学”翻转课堂教学中采用PBL 教学法探索，经过三年实施，效果良好，可为类似学科的教学研究提供参考。

一、“水力学”课程特点

“水力学”既是水利类学生必修的一门理论与实践紧密结合的专业基础课，也是许多工程技术领域重要的技术基础学科。作为一门经典力学学科，水力学研究的是液体平衡和机械运动规律及其实际应用，课程教学内容有基础理论和工程实际应用两部分，其中基础理论包括水静力学理论和水动力学基础，工程应用分为有压管道水力学问题和明渠水流问题。课程的教学目标是使学生掌握水流运动的基本概念、基本计算原理和水力学分析方法，并具有应用所学水力学知识理解工程技术问题的能力和分析求解从工程实际中简化出来的水力学问题的能力，为后续专业课程学习、从事工程技术工作及科学研究打下基础。可见，“水力学”课程具有内容丰富、理论性强、与工程实际紧密结合的特点，导致在课程学习过程中，学生经常会出现基础理论掌握不牢固，理论学习和实践应用相脱节，记住公式不会用，实践应用能力欠缺等问题，严重影响后续课程的学习。因此，根据课程特点和教学目标，我们在理论学习的基础上对工程应用部分采用“翻转课堂”教学模式，其课堂（线下）教学采用PBL 教学方法。

二、PBL 教学法

PBL 教学方法的主旨是带着问题进行学习。该方法最早应用于医学教育，由美国的神经病学教授巴罗斯（Barrows）首创，其定义PBL 既是一种课程，又是一种学习方式，由教师提出问题，围绕问题，在教师的协助下，学习者通过自主学习、相互讨论的形式，应用所学相关理论知识，设计出解决方案，独立自主解决问题，从中获取知识并掌握。此方法强调学生的主观能动性，充分调动学生的学习主动性和独立解决问题的能力，并通过问题的解决来获取知识，巩固所学，有利于激发学生的学习兴趣和积极性，符合建构主义学习理论及其教学原则，对发展学生高级认知思维能力和解决问题的能力具有积极作用[5-8]。

三、PBL 教学法应用探讨

PBL 教学模式在水力学课堂教学中分为四个步骤进行。第一步，驱动问题设计。首先由教师围绕课堂教学内容和教学目标设计驱动问题，该问题用于导出教学相关理论知识。第二步，分析解决问题。问题提出后，学生针对问题进行分析、讨论，在此过程中，教师引导学生梳理解决该问题需要用到的基本理论、概念和相应的水力计算公式，以巩固基础理论知识。第三步，工程实例应用。提供一个工程案例，由学生结合前面所梳理的相关理论进行解决，以培养学生理论应用实践能力。第四步，总结、评价。最后由教师对学生所做结果进行汇总、评价，指出问题，纠正错误，梳理解决工程案例的思路和相关知识，进一步促进相关理论知识的掌握和吸收。

1.驱动问题设计PBL 教学法的核心在于问题的设计与提出，由教师围绕课程内容和教学目标，设计驱动问题。设计的问题应结合工程实际，根据学生的认知水平和知识能力，有明确的目的和要求，需要解决的内容应覆盖教学内容和相关知识点。如在学习泄水建筑物水流衔接与消能时，设计问题如下：天然河流，水流流量沿河宽方向的分布均匀，流态平缓，但河道中修建了闸、坝等泄水建筑物后，水头增加,下泄水流流速高，且单宽流量大，形成高速集中下泄水流，冲向下游将引起河床严重冲刷，破坏性大。因此要如何解决修建闸坝后水流对下游河床的冲刷问题？

2.分析解决问题。问题提出后，教师不能放任不管，由学生自行讨论解决，而应针对驱动问题设计一些辅助的引导性问题对学生进行必要的引导，提升课堂学习效果。这是因为授课学生的专业知识还没有积累到足够的数量，也没有达到一定的水平和高度，且大多数多年来已经习惯于依赖性学习、被动式吸收，让其自主解决问题，这样容易使学生不知所以，产生畏难情绪，因此在分析解决驱动问题时通过若干引导性问题循序渐进地引出问题解决涉及到的相关理论、概念等，使学生将所学知识融会贯通，最终解决问题。如对于以上要解决泄水建筑物下游的水流冲刷问题时提示学生首先需要先了解在泄水建筑物下游将会发生何种水流现象，水流特征是什么。在此基础上才能进一步探讨问题的解决方案。这些引导性问题的提出促使学生梳理回顾涉及到的相关概念和理论，即急流、缓流流态概念，水跃现象，水跃类型及其水流特征，水跃水力要素及其水力计算，以及利用能量方程和连续性方程进行收缩水深计算等相关理论。这些引导性问题是基于驱动问题涉及到的水力学基本概念和基本原理提出的，将解决该问题需要用到的基本水力学知识通过引导提问的方式使学生逐步对所学知识进行回顾、梳理、深入思考，巩固掌握问题解决涉及到的相关理论知识。这一过程促使学生主动学习，积极思考，既加深了相关理论的理解和掌握，也提升了学生的学习兴趣，学习效果事半功倍。

3.工程实例应用。在学生厘清了解决驱动问题的思路后，教师可在明确问题解决涉及到的相关理论的基础上，提供一个工程案例，要求学生结合掌握的知识进行解答，完成相关理论分析和水力计算。在上述水流冲刷问题的工程案例中涉及到两个特征水深，即收缩水深、共轭水深的计算以及水跃形式的判断等，会用到能量方程、连续性方程、水跃方程等理论，具有一定的计算任务和工作量。为了在有限的课堂时间内完成，根据情况将学生分成若干个小组，每个小组由2～3 人组成，自由组合，可推选其中一人为组长，负责对小组内各成员进行任务分派和工作协调，对成果资料进行整理汇总，共同完成任务。

在此过程中，由于学生前期已对其类似问题相关的基本概念和原理进行了梳理，对工程案例中涉及的理论知识有了深刻的理解和掌握，因此，针对给出的实例进行分工协作，能够比较顺利地完成。这一过程不仅培养了学生理论应用于实践的能力，同时也锻炼了学生的协作能力。

4.总结、评价，最后教师对学生上述工程实例的应用完成情况进行检查，对各小组结果进行总结、讲评。首先，针对学生解答过程中出现的问题和错误进行讲解和纠正，给出正确答案，进一步促进学生厘清、理解概念和原理。其次，对本次课堂教学内容进行系统总结，巩固教学内容的掌握。最后，根据各组做的情况做相应的考核和记录，作为课程学习的评判依据之一，以提升学生学习的积极性。

在整个教学过程中，教师提出泄水建筑物下游水流冲刷问题通过课堂讨论解决使泄水建筑物水流衔接与消能的教学内容具体化、实践化。由于全程都是以问题形式开展，在解决问题的过程中，使学生不得不主动思考，积极参与，整个过程均以学生为主导，基于理论，学习掌握了泄水建筑物下游的水流特征、水力分析方法和衔接与消能的水力计算技能，激发了学生的学习兴趣，发挥了学生学习的主观能动性，巩固了基础理论知识的吸收内化，加强了实践能力和综合应用能力。

四、PBL 教学法在翻转课堂中的应用效果

在“水力学”翻转课堂教学中采取PBL 教学方法，利用驱动问题、引导性问题等，使学生梳理相关理论知识，明确解决问题涉及到的教学内容和知识点，使学生在通过寻找实际工程问题的解决方案中进一步巩固加强基础理论知识的掌握，培养其实践应用能力。整个教学过程以学生为主体，教师引导，对调动学生的主动性和积极性，实现“以学为中心”，进行个性化培养等效果显著。

1.促进教学内容和理论知识的吸收内化。PBL 教学模式基于问题，通过课堂师生间讨论互动寻求问题的解决，针对提出问题，在分析问题、解决问题的过程中，梳理教学内容和理论知识，吸收内化、巩固加强对所学知识的理解和掌握。同时，在问题讨论过程中，通过交流能较容易地获得来自其他同学和教师的信息，不仅可以及时解决学习中的问题，也会通过讨论开阔思路，不断地发现新问题，对教学内容产生新的理解和认识，提高学习的针对性和实用性。

2.实现“以学为中心”，进行个性化培养。“翻转课堂”教学模式和PBL 教学法均强调学生的主体地位，实行“以学为中心”的教学理念。在课堂教学中基于学生在课下对教学内容和知识的掌握，围绕提出的问题，通过师生间、学生间的讨论互动分析问题、探究问题、解决问题，对涉及到的相关教学知识进行梳理、厘清，从而得到进一步巩固和掌握。课堂上以教师为引导，以学生为主体，学生由被动学习变为主动探讨，尊重学生的个体差异，强调学生的自主性，培养学生独立思考和获取知识信息的能力，有效地开发了学生的潜力和创造力，以适应当今社会对高层次创新型人才的需要。

3.培养实践应用能力，提高学生的综合素质。水力学基础理论的学习是前提，应用理论于解决实际工程问题是目的，传统的教学方式一味的知识灌输导致学生经常不知其所以然，理论和工程应用相脱节，缺乏实践应用能力。翻转课堂教学模式结合PBL 教学方法的应用，为学而教，以学生为主体，结合实际水流现象和工程问题，通过教师基于问题的引导，对所学理论进行梳理、巩固，融会贯通，以应用于工程实践中去解决工程实际问题。这不仅促进了学生对理论知识的深入理解和有效应用，而且培养了学生理论应用于实践的能力和综合运用知识的能力，提高了学生的综合素质。

五、结语

为完成特定的教学目标和内容，采取适宜的教学方式一直是教育者思考的问题，如何利用有限的时间将教学效果最大化是教师的教学目标。将PBL 教学方法应用于翻转课堂教学中去，强调学生的主体地位，实现“以学为中心”，课堂教学效果显著。教师也由传统教学的主导地位转变为知识的引导者和启发者，故而对教师也提出更高的要求，既要求其具备全面丰富、扎实的科学知识，又要求其具备灵活运用知识的能力、组织管理能力以及应对突发事件的反应能力和处理能力，并且该模式大大增加了教师的工作量，要求教师具备较高的素质以及敬业奉献精神。

1.需要教师具有丰富的专业知识储备和课堂教学经验。教学过程中，首先提出的问题要和教学内容紧密相关，且能够启发学生通过寻找问题答案从中发现所包含的理论知识和规律。进而在成果汇总时，教师要引导学生通过自己找寻到的答案中去学习掌握教学内容。这都要求教师不仅要具有丰富的专业理论知识，对课程内容熟练掌握，并要具备提出解决问题的能力、灵活运用知识的能力和较强的因势利导能力，能够从学生的解答中引导其进入理论知识的学习巩固。

2.把握好教学时间分配。在实际教学中，课时是有限的，需要教师具备良好的组织管理能力和应对能力，掌控好教学时间的分配。课前需根据教学内容安排学生自学内容，课堂上PBL 教学分为提出问题、分析问题、分组讨论解决问题，最后汇总结果，由教师引导完成教学活动几个过程，需要合理分配每个过程的时间长度，控制课堂节奏，根据实际情况随时调整时间安排，如分析问题阶段，有可能学生发言较多而超时，这时就要随机调整后续安排，掌控好时间，以使按计划完成教学任务。