以问题为导向的 “三环”实验教学研究

刘 艳，朱昌平，江 冰

(河海大学 物联网工程学院，江苏 常州 213000)

以问题为导向的 “三环”实验教学研究

刘 艳，朱昌平，江 冰

(河海大学 物联网工程学院，江苏 常州 213000)

为了提高学生的学习热情和批判创新意识，课题组开展了以问题为导向的、借助翻转课堂教学法的 “三环”实验教学研究与实践。该模式下的教学以不同知识维度和认知维度设计的问题为导向，包括课前师生共同拟定实践方案、课中教师组织同学进行相互学习、课后教师引导学生进行反思3个环节。学生可自由探索、查阅收集资料并讨论、解决问题。实践表明，该教学方法使学生能够主动承担学习过程中的主要责任，实践能力得到大幅度提高。

以问题为导向；翻转课堂；实验教学；“三环”教学；主动学习

以问题为导向的教学模式，也称为基于问题学习 (problem-based learning，PBL)的教学，起源于医学教学，是一种以学生为主体的教学方法。教学的关键在于发挥问题对学习过程的指导作用，调动学生的主动性和积极性[1]。不同于传统实践教学方法，以问题为导向的学习是以问题为学习的起点，教师不需要讲解教材或知识点，而是知识建构的促进者、实践指导专家和信息的咨询者。

作为江苏高校品牌专业建设工程和国家首批“卓越工程师”试点专业，为培养具有创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量通信工程、计算机技术相关领域的工程技术人才，需要在课程教学中调动学生的学习激情、培养学生的批判创新意识。课题组结合翻转课堂教学模式，在电子信息类专业工程基础教育课程数字电子技术实验中，将PBL教学法贯穿整个教学过程，研究设计了以问题为导向的 “三环”教学方式，通过两学期的教学实践，学生的学习积极性和实践创新能力得到了显著提高。

1 实验课程教学设计

传统的实验教学紧跟着理论课程，以验证性实验为主，忽视了学生创造性、批评性思维的培养。为提高学生的实践创新能力，朱昌平等人提出了电子信息类专业 “三层次”实验体系[2]，该体系将实验环节中的实验类型分为基础性实验、综合性实验和设计性实验，侧重于以不同难度和方式的实验内容进行学生的层次化培养。PBL教学的基本过程为:提出问题 (真实性的任务和问题，能自由探索)→学生查阅和收集→资料讨论问题 (以小组形式)→解决问题→考核评分[3]。以问题为导向的实验教学将问题深入到每个实验项目中，其教学设计如图1所示。

图1 以问题为导向的 “三环”实验教学设计

以问题为导向的 “三环”教学模式提出了一套全新的相对独立的教学方案，涉及课前、课中、课后3个阶段。课前任务的设计要求教师在课程相关内容的基础上设计出学生在其未来的专业领域可能遭遇的 “真实世界”的非结构化的问题，没有固定的答案、解决方法和过程，帮助学生形成实验方案；课中学习侧重于同伴协作与自主学习，教师尽量减少或舍弃讲述法的教学；课后反思促使学生就各种问题进一步思考，加深对知识的理解和掌握，分析思考能力进一步提高。该教学方式以激发并保持学生兴趣为前提，问题难度循序渐进，让学生的学习变得积极主动，并承担学习过程中的主要责任，使学生的实践能力按照阶梯式步进提高。

本文以实验项目 “定时显示电路”为例，分别从3个阶段进行了设计和实践。

2 课前任务

课前任务借助在线教学平台呈现，教师的课前准备包括丰富的教学资源和设计进阶式的问题，学生根据教师提供的信息围绕问题自行查阅、收集资料、拟定实验方案。

2.1 教学资源设计

教师发布的教学资源以各种多媒体形式向学生展示实验相关的预备知识，提出问题，为学生解决问题。根据美国佛罗里达大学的约翰·凯勒1983年提出的ARCS动机模型，即如何通过教学设计来调动学生的学习动机问题。按照ARCS动机模型设计的课前学习资源可以吸引并保持学生的学习兴趣。资源的内容包括实验目标、实验内容和原理、实验基础知识。资源的呈现方式包括文档、视频、交互式问答等[4]。对本实验项目在实践过程中的常见操作问题，资源以视频的方式进行演示性教学，视频中穿插问题，实现交互式教学[5]。实验目标、内容、原理以文本形式展现，同时设置各层级、各种题型的预习思考题，要求学生自己去查阅资料、学习并解答[6]。此外，还开设项目教师参与的讨论区，方便学生在线交流。

学生在学习过程中，围绕学习内容，解决穿插在教学资源中的问题，这个过程要求学生深入探讨问题的各个方面，思考如何从资源中获得知识、如何利用资源中涉及的知识来解决问题并设计实验方案等。教师要考虑各层级学生的不同学习基础、学习能力，兼顾教学资源难易，以准备和设计教学资源。从基础知识到拓展知识，学生可以实现自主独立、循序渐进的学习以及自主探究学习。

2.2 问题创设与选择

PBL是以能力提高为核心的教学方式，问题的创设与选择是影响PBL教学效果的主要因素，它牵涉到理智探索、认知策略和情感领域等[7]。实验教学中，问题的产生首先要考虑的是理论课程中涉及的知识点。教师可在理论学习内容的基础上，结合教学、科研经验提出符合学生认知水平的问题；也可以是学生自己在学习过程或生活中发现的有意义、需要解决的实际问题；也可以在教师提示或帮助指导下学生发现的问题；还可以是教师根据实际生活等相关方面提出的问题。

根据布鲁姆教学目标分类法[8]，教学目标在认知维度上分为认知、理解、应用、分析、评价、创造6个层次，在事实性、概念性、程序性、元认知性等知识维度上具有不同的行为目标、内涵和表述方式。问题的难度设计应该为进阶式，让学生明确自主学习的内容难度、区分基础知识和拓展性知识。问题的类型分为两种:1)封闭式，有标准答案，短语就可回答，主要考查学生掌握、了解知识的程度；2)开放式，没有标准答案，学生需要思考和反思。问题的题型设计应该丰富多样，将教学重点、难点和其他知识转化为不同认知维度上的问题，设计出以解决问题为导向的任务路径，激发学生自主学习的积极性。

具体来说，问题有 “四问题”结构:1)指出你学到的一个重要的概念、研究发现、理论或想法；2)为什么你认为这个概念、研究发现、理论或想法等重要呢?3)试着将你从这个活动中所学应用到生活中的某些方面，用案例说明；4)你遇到了什么问题?你还想知道什么?这4种结构的层次由浅入深，让学生在学习过程中从分析、反思、质疑到应用，清楚了解重要观点、为什么重要、提出新问题以及怎么样使用观点 (知识点)。

该实验项目的课前任务中教师提出的问题共14个，在布鲁姆教学目标分类法的认知维度上，认知5个、理解3个、应用3个、分析1个、评价1个、创造1个；在知识维度上，事实性6个、概念性5个、程序性2个、元认知性1个。

示例如下:

1)74HC4511集成译码器应该搭配共阴还是共阳数码管?(认知/事实性)

2)解释74LVC161同步二进制加计数器的功能。(理解/概念性)

3)定时显示电路包括那几个模块? (应用/事实性)

4)如何对你设计的电路进行仿真测试?(评价/程序性)

5)想要用74LVC161实现从9～0的减计数，都有哪些方法?(创造/程序性)

3 课中学习指导

课堂学习中，学生按照拟定的实验方案进行实践，教师根据学生课前任务的完成情况，设计课中的学习指导内容及难度。整个课中学习过程完全以学生为中心，偏重小组合作学习[9]和自主学习[10]，学生必须担负起学习的责任；教师作为引导者，较少讲述法的教学，是指导认知学习技巧的教练。整个课中学习分为检测、个性实践、协作、学生总结、教师总结5个阶段。

3.1 检测阶段

实验教学首先应该让学习结合课前的学习与设计进行实践操作，让学习将理论的学习与实际动手联系起来，边做边思考，做中学、学中做。学生在动手操作过程中，建立理论与实践的联系，思考课前任务中尚未解决和答案不确定的问题，随时思考并解决动手实践中的各种问题。该阶段学生遇到或提出的问题主要集中在对实验平台进行相关操作的硬件问题，而非实验原理或电路方面的问题。

这一阶段教师作为旁观者出现在课堂中，侧重观察学生的实验情况、出现的问题和解决问题的方式；教学中允许学生提出问题，但教师尽量不解答，而是引导学生思考并自行解决。教师可以在扮演观察者和记录者的同时向学生提出一些新的问题，对一些学习能力较强的同学，可以提出更深层次的问题，比如应用或分析层级的问题。

3.2 个性实践阶段

第二阶段为个性实践阶段。这一阶段的问题包括3类:1)学生实验中出现或提出的问题为问题进阶的第一类；2)课前任务学习的情况，尤其是大部分学生未能解决的问题为进阶第二类；3)第三类问题的设计针对学习兴趣浓、学习能力较强的学生，学生可以选择是否解答和解答的数量、程度。围绕3类问题，学生需要思考、设计、实践，可以利用 “同伴教学法”[11]相互讨论、相互提高。

教师根据第一阶段的观察进行总结，提出第一阶段存在的共性问题和具有意义的 “好”问题；同时，综合考虑整体学习情况，提出较课前任务难度更大的问题，启发进入下一层次的学习。引导学生主动进行 “同伴教学”，取长补短，一起解决共性问题，吸取他人的经验、避免不足。对不同学习能力的学生，完成了基本的实验后，及时调整、选取具有一定难度和深度，尝试解决挑战性的问题，实现个性化教学。

3.3 协作阶段

第三阶段为协作阶段。在这一阶段中，将每个班30人分为4人一组，以小组为单位，围绕第一、二阶段个人实践出现过的问题、教师提出的问题进行讨论，必要时再次进行实践操作。学生个人遇到的问题如果已经解决，可以继续讨论问题出现的原因以及其他可能的解决办法；学生个人遇到的尚未解决的问题和教师提出的问题，小组通过讨论交流中形成共识，如果不能达成共识可以适当保留意见并在反思阶段说明；不能解决的问题可以向老师示意，教师给出提示；如果是教师也不能解决的问题，教师参与讨论交流，一起寻求解决方法。

协作建立在小组基础上，学生可以讨论交流，因此，教师设计的问题较课前和第一、二阶段更具内涵。学习小组针对问题进行讨论、探索研究、操作实践；教师从第一阶段的观察者、第二阶段的启发者，转变为第三阶段的引导者。

3.4 学生总结阶段

第4阶段为学生总结阶段。总结以小组为单位，每个学习小组在课前已经分配好，且由学生自己商量确定了每个人的角色，4个角色分别为发言人 (负责总结此次实验)、记录员 (负责记录此次实验的讨论、提问、总结情况)、操作员 (负责本次实验的再次操作)、提问专员 (归纳总结问题)。小组发言人需要将前3阶段的内容及完成情况、方式、问题解答情况做总结汇报，向整个班级展示。发言人总结展示时，小组成员得到进一步反思，其他同学也会思考 “我们是否遇到了同样问题，我们是如何解决的?” “如果我们也遇到同样问题，我们该如何解决?”……小组展示并非单向展示，其他小组可以对他们提出疑问或者要求他们在某个问题上作深入讲解，甚至展开小组间的激烈讨论。

教师扮演反馈者的角色，及时对小组的展示进行评价，纠正存在的错误、引导学生思考仍然存在的疑问或问题。

3.5 教师总结阶段

最后一个阶段为教师总结。所有课前任务、课堂教学的内容在这一阶段以最精练的语言做出呈现。前4个阶段没有得到解决的问题，属于基础知识的问题应给出答案，属于开放性的问题可以再给出指导，方便学生课后继续进行深入学习。

最后这一阶段的时间不应该长，2～3 min为宜。教师高度精练地总结各种问题 (代表性问题，而不是所有问题)，对存在争议而又有答案的问题应给出答案，对开放性的问题可以进一步给予提示或指导，作为课后反思的内容下达给学生。

3.6 课中学习的问题

课中的问题及情景设计也应考虑课前的学习情况。该实验项目的课堂问题因不同学生、不同教学批次有所不同，学生实验中的问题和教师提出的问题示例如下:

1)为什么共阴数码管公共端应该接地，而共阳数码管公共端接高电平? (检测阶段，理解/事实性)

2)同步计数器和异步计数器有何区别?(个性实践阶段，分析/概念性)

3)如何调节定时显示电路的计数频率 (或周期)?(协作阶段，应用/事实性)

4)硬件操作中，如何对你设计的电路进行分块调试?(学生总结阶段，评价/程序性)

5)如果将模10改为模20，电路应该如何设计?(教师总结阶段，创造/元认知性)

4 课后反思

课后反思包括学习者对学习的反思和教师的教学反思。

学生完成了课堂学习后，必须完成实验报告。实验报告同样采取问题式结构，包括本次实验的目的是什么、涉及的知识点有哪些、原理是什么、你的方案是什么、遇到了哪些问题、你是怎样解决这些问题的、是否还有其他解决问题的方法、实验是否还有其他方案等。学生在这一过程中自觉进行反思，思考并总结。学到的实验操作知识、自己遇到的问题、是否完成了教师给出的问题、解决问题的方式是否正确、实验的其他方案等，如存在模棱两可的问题或尚未解决的问题，还可通过课程平台同时与其他同学、教师进行深层次交流。这个过程是学生反思，它可以促进学生对知识进行深加工，进一步思考问题和现象的本质，锻炼学生的批判性思维和创造性思维。

教师的课后反思包括对教学内容、教学过程、教学策略的反思。反思的过程包括5个环节:发现问题、分析问题、评价判断、建立假设、验证假设[12]。针对数字电子技术实验教学的特点，首先确定教学目标与实验内容的适用性和匹配度，整理每次课程实践中学生存在的常见和不易解决的问题、教师给出的进阶问题；思考预期的教学效果是否达到，分析导向问题是否对学生熟悉和理解数字电路知识、指导学生操作产生影响；分析各类问题的内容和设计是否有更有效的方式，评价和判断这些问题是否可以改进，一些常见问题 (尤其是操作错误)可以在下一次课前任务中进行学习，避免再次出现；明确教学过程中不足之处及原因，总结和修订教学策略后再次实践，验证是否有效，并开始下一轮教学反思。教师的课后反思过程，是教师借助行动研究、直接探究和解决教学中的实际问题，不断追求教学实践合理性，发展教师个人教学水平、提高教学设计和过程有效性的全面发展过程。

5 结束语

以问题为导向的教学法，教师抛弃传统的知识传授者角色，转而引导学生，放手让学生去做，培养学生自学能力。实验教学中采取 “三环”教学方式，在课前任务中以问题为导向，引导学生自主学习并联系实践；在课中以不同层次的问题进行个性化教学，并使用同伴教学法促进同伴交流与合作，帮助学生牢固掌握课程内容；课后反思促使学生进一步思考问题及现象的本质，加强对知识的进一步应用。以问题为导向的翻转课堂 “三环”数字电子技术实验教学，可以提高并保持学生对实验的兴趣，加深学生对知识的理解和应用，培养学生的协作交流能力，提高学生的实践创新能力。

[1]刘春城，张树军，张国斌，等.采用PBL教学模式进行工程训练时 “问题”的设置[J].实验技术与管理，2012(6):143-145，154.

[2]朱昌平，黄波，朱陈松，等.通过 “三层次实验”培养学生实践创新能力[J].实验室研究与探索，2007，26(7):5-8.

[3]周忠信，陈庆，林艺雄，等.PBL教育模式的研究进展和现实意义[J].医学与哲学 (人文社会医学版)，2007，28(8):72-74.

[4]杨春霞，姜明君.基于网络平台的问题导向(PBL)学习法研究[J].中国管理信息化，2013(3):96-98.

[5]曾明星，蔡国民，姚小云.翻转课堂课前交互式教学模式研究[J].现代教育技术，2015，25(3):57-62.

[6]李美莲.PBL教学法在 “模拟电子技术”课程中的应用与研究[J].中国电力教育，2013(31):60-61.

[7]李文莉.基于问题学习模式的教学实践及绩效评价研究[J].电化教育研究，2010(4):99-102，108.

[8] Iowa State University.A model of learning objectives[EB/OL].[2016-01-02].www.celt.iastate.edu/teaching-resources/effective-practice/revised-bloomstaxonomy.

[9]武达亮.互动式教学法在 “电路”课程仿真教学中的应用[J].实验技术与管理，2015，32(3):211-215.

[10]王济华.“基于问题的学习”(PBL)模式研究[J].当代教育理论与实践，2010(3):96-98.

[11]埃里克马祖尔.同伴教学法[M].朱敏，陈险峰，译.北京:机械工业出版社，2011.

[12]王海燕.教师在线教学反思支架设计[J].中国电化教育，2014(3):110-116.

Research on “Three-steps” Experimental Teaching with Problem-based Method

LIU Yan， ZHU Changping， JIANG Bing
(College of Internet of Things Engineering， Hehai University， Changzhou 213000， China)

In order to improve students'enthusiasm for learning and critical innovation consciousness，a three-step experimental teaching method has carried out by the research group..The teaching of this model is guided from different knowledge dimensions and cognitive dimension design.It concluded three-steps:before-class tasks(students block out experimental scheme with teacher)，classroom instruction(students study with classmates)and after-class reflection(both students and teachers).Students can freely explore， review， collect， discuss and solve some problems.Practice shows that through the teaching methods， students can take the initiative to assume the main responsibility in the learning process，practical ability to be greatly improved.

problem-based； Flipping classroom； experimental teaching； three-steps teaching； active learning

G 642.0

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.05.030

2016-01-19；修改日期:2016-03-03

江苏高校品牌专业建设工程一期项目 (PPZY2015B141)；河海大学高等教育科学研究2015年度立项课题:翻转课堂模式下的电类课程实践教学模式研究与实践 (20151212)；河海大学第一期 “翻转课堂”立项实践项目 (河海教务 〔2014〕56号)。

刘艳 (1984-)，女，硕士，实验师，主要从事电子技术、信息获取与处理方面的研究。