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PBL和LBL复合教法在生教学改革中以高等激光物理课程为例

［摘要］深化研究生教育教学改革对提高研究生培养质量的意义重大,本文在深入分析研究生教学模式的现状、问题以及PBL教学法本质和特点的基础上,提出一种PBL与LBL相结合的复合教学法.以光学专业研究生课程“高等激光物理”为例,详细介绍了复合教学法的教案编写要求、具体实施过程以及评价和考核体系.实践表明,PBL与LBL复合教学法能有效地提高学生的学习兴趣、自学能力和创新意识,是一种值得推广的、符合中国研究生教育实际的教学模式.

［关键词］PBL与LBL；复合教法；研究生教育；教学改革；高等激光物理

［中图分类号］G642［文献标识码］A［文章编号］1005-5843(2018)04-0085-05

［DOI］1013980/jcnkixdjykx201804017

研究生是我国科技发展的栋梁之才,是我国实施“创新驱动发展战略”的生力军；研究生教育是我国培养高端人才的主要途径,是开展科学研究的重要方式,对我国科技和经济社会发展意义重大.我国历来高度重视研究生教育：2013年,教育部、国家发展改革委、财政部联合发布的《关于深化研究生教育改革的意见》中指出,“研究生教育还不能完全适应经济社会发展的多样化需求,培养质量与国际先进水平相比还有较大差距”［1］；2014年,教育部发布的《关于改进和加强研究生课程建设的意见》中指出,“重视课程学习,加强课程建设,提高课程质量,是当前深化研究生教育改革的重要和紧迫任务”［2］.可见,我国研究生教育改革,特别是课程教学改革势在必行.在借鉴国外成功经验的基础上,探索出一种符合中国国情的研究生教育教学方法,对提高我国研究生培养质量和创新实践能力具有重大的现实意义.

一、我国研究生课程教学模式的现状和问题

随着我国经济的飞速发展和科技的不断进步,社会对人才的需求日益迫切,进而促使研究生招生规模不断扩大,在一定程度上提高了高等学校和科研院所的总体科研体量.但是,研究生培养质量却没有得到提升,甚至出现逐年下滑的迹象.其中最重要的原因是受应试教育长期而又深刻的影响,导致研究生教学模式落后、刻板,研究生习惯于接受现有知识,主动学习能力和创新意识较差［3］.目前,我国研究生教学模式存在的问题主要体现在以下几个方面：

（一）教学内容一成不变,与科技前沿脱节

在研究生学习阶段,掌握一定深度和广度的理论知识对于科学研究的顺利开展至关重要.然而,目前研究生的教学内容大多局限于书本知识,有的与本科生课程内容重复率较高,且由于教学与科研相互背离,导致课程教案与讲义过于陈旧,有的甚至数十年不变.另外,教学内容和本领域最新或典型的科研动态与成果存在严重脱节,使研究生无法明确所学内容与科学研究间的学术联系及对自身将要进行的课题研究的重要意义,进而促使他们产生了“学而无用”的厌烦心理.

（二）沿用传统的教学理念和单一的教学方法

我国目前的研究生教学方式普遍与研究生教育规律不符,大都沿用了本科生的教学方法,即以传统的LBL（LectureBasedLearning）教法为主,表现为教师满堂灌、学生机械地听和记.显然,传统的LBL教法无法培养学生的创新性思维和独立分析问题、解决问题的能力,严重制约了研究生自身的发展,影响了研究生的科研能力和效率.此外,在授课过程中,教师大多偏重于复杂理论公式的推导,而忽略了其物理意义在科研中的应用,故难以激发学生的学习兴趣,课堂效率低.

（三）研究生的创新意识和创新能力较差

党的十八大以来,总书记指出,“实施创新驱动发展战略,就是要推动以科技创新为核心的全面创新”.可见,创新已成为关系国家发展全局的核心战略.然而,受应试教育及传统的LBL教法的影响,我国研究生的创新意识和创新能力普遍较差.一方面,课题的研究方向需靠导师指定,研究工作大多跟从甚至重复国外相关领域最新的研究进展；另一方面,发表论文只追求数量,不追求质量,实验报告式的论文比比皆是,学术价值低.

（四）研究生课程考核标准体系不合理

单一的LBL教法和过于陈旧的教学内容导致我国研究生课程大都以考试作为唯一的考核方式,虽然有的课程评价体系把撰写课程论文考虑进来,但多数只是流于形式,学生抄袭他人论文内容,东拼西凑的现象比较普遍［4］.这种传统、刻板的课程考核体系不符合研究生学习的特点和规律,一方面,会不可避免地促使研究生为了考试而学习,进而导致研究生知识面变窄,理论基础不足；另一方面,忽略了对研究生创新思维的评价和考核,使其创新能力得不到锻炼,严重影响了后续科研成果的质量.

二、PBL教学方法的本质及特点

近年来,PBL（ProblemBasedLearning）教学法已成为国际上较为流行的、成效显著的全新教学模式.PBL教学法是在1969年由美国的神经病学教授Barrows首创的,早期主要应用于临床医学领域,后来逐步被拓展到工学、经济学、管理学等学科的教学实践中［5］.从本质上而言,PBL教学法是基于现实世界的,以问题为导向、以学生为中心、以团队协作为保障的启发式教学模式,其特征具体表现在如下几个方面：

（一）问题是PBL教学法的基本构成单元

PBL是由若干有代表性的、有一定难度的问题驱动实施的.问题的设置需以但不限于本课程的基础科学知识为背景,且要具有实际的现实意义,既可以是科研过程中遇到的具体问题,也可以是本领域科技前沿未解决或未完善的科学问题.

（二）学生是PBL教学法的主体

PBL教学实践中的所有问题都是学生解决的.在问题的驱动下,他们主动通过各种途径查找资料、阅读文献,并通过与教师、同学间的讨论和协作,最终给出解决问题的方案.因此,PBL是一种典型的启发式教学法,教师在教学实践中仅负责提出问题,并对学生解决问题过程中遇到的困难进行启发和指导.

（三）团队协作是PBL教学法顺利实施的有力保障

由于学生个体的能力和知识水平是有限的,故PBL教学法通常采用分组讨论的形式开展和实施.学生通过与团队中其他成员的交流合作,既实现了知识的互补,又提高了自身的语言表达能力及沟通协作能力,保障了其解决问题的高效性和准确性.

可见,PBL教学法与科学研究中“发现问题、分析问题、解决问题”的过程是一致的,也更加符合研究生学习的特点和规律.PBL教学法不仅可以充分调动学生学习的积极性和主动性,还可以培养和锻炼他们的创新思维、创新能力及从事科研的能力,是一种值得推荐的教学模式.早在1986年,中国科学技术大学、北京大学等高校就对PBL教学法进行了尝试［6］,但我国研究生还无法完全适应PBL这种教学模式.因此,探索一种符合我国研究生教育实际和现状的教学模式是研究生教学改革进程中亟待解决的关键问题之一.

三、PBL与LBL复合教法在“高等激光物理”教学改革中的应用

为了进一步提高我国研究生的自主学习能力和创新能力,同时考虑到他们学习的特点、规律及实际,研究生教学既不能沿用传统的LBL教学方法,也不能完全照搬国际流行的PBL教学方法.因此,本文试图探索和实践一种基于PBL与LBL复合教法的新型教学模式,并将之应用于“高等激光物理”研究生课程的教学改革中.

（一）“高等激光物理”课程简介及特点分析

“高等激光物理”是本科生“激光原理”课程的扩展和深化,是光学、光学工程及物理电子学专业硕士研究生的专业必修课,要求学生具备激光原理、量子力学、电动力学等物理专业知识.本课程以激光原理为基础,以麦克斯韦-布洛赫方程为主线,利用量子理论和半经典理论系统,严格地阐述了激光光束的概念、谐振腔理论、速率方程理论、场与物质相互作用的半经典理论、密度矩阵与激光振荡方程、静止原子激光器、瞬态相干光学效应、电磁场的量子化,以及场与物质相互作用的全量子理论.该课程的培养目标是使研究生从理论上掌握激光及其与物质相互作用的基本概念、基本原理、基本规律,熟悉处理该领域相关问题的基本方法和基本技能,为从事激光及相关领域的科研工作打下坚实的理论基础.

该课程理论性较强,要求学生具有扎实的物理、数学基础和较强的逻辑思维能力、推理能力.目前,该课程普遍采用传统的PBL教学模式,把复杂的理论和公式直接灌输给学生,使其感觉教学过程和内容枯燥无味,教学效果差.为此,必须根据课程特点和教学实际改革转变教学方式,通过在重要、复杂的章节引入PBL教学法,充分调动学生的积极主动性,进而提高课堂教学效果.

（二）复合教法的具体实施——以“高等激光物理”课程为例

1.教案的编写

与传统的教学模式一样,教案是PBL与LBL复合教法的核心和关键,它确定了复合教法的内容和实施过程,决定了课堂教学质量的好坏.复合教法的教案由教师版和学生版2个部分组成,其中以教师版教案为主,内容也较为详细,包括教学目标、LBL教学内容、PBL教学的问题设置、引导方法、参考文献与资料等；而学生版教案则只需简单扼要地列出PBL教学过程中的若干问题、必要的注释等内容.为了保证理想的课堂教学效果,复合教法教案的编写必须遵循“现象→机制→问题”的原则,内容和过程上都要区别于传统的LBL教案,更要重点突出PBL教法的特色和优势.下面以“高等激光物理”第二章第一节“激光器的速率方程”为例,介绍复合教法教案编写的基本要求及注意事项.（1）要紧紧围绕教学大纲和目标.教学目标是教学活动有效实施的核心和归宿,漫无目标的教学即使再精彩,也是失败的教学.因此,PBL与LBL复合教法必须依据教学大纲确立明确的教学目标,以完成教学大纲规定的教学内容.此外,复合教法目标的设定还必须考虑学生的知识背景、接受能力等因素,使确立的目标既合理又切实可行.例如,“激光器的速率方程”这一节的教学目标可设定为“理解四能级系统激光器速率方程的物理意义；掌握反转粒子数、腔内光子数间的联系及其随时间变化的规律；了解速率方程的求解方法”.（2）要能体现科技领域的最新动态.复合教法教案的编写不能局限于教学大纲和教材,而要适当地将相关领域的最新研究成果融入到课堂教学中,使其能动态地反映该领域的前沿理论和成果,以达到基础理论和最新成果相互解释或验证的目的,进而激发学生的学习兴趣,使基础理论学习变得不再枯燥乏味.鉴于激光器的速率方程理论可以很好地解释调Q激光脉冲的产生过程,可以把该领域的最新研究成果及有趣的实验现象引入到教案中.（3）要力求简单明了,注重基础知识点的整合.由于学生在本科阶段已经具备了较扎实的理论基础,掌握了理论推导的基本方法和技能,故在研究生阶段应重点锻炼他们独立分析问题、解决问题的能力.为此,复合教法教案的编写一定要力求把复杂的问题简单化,特别是对于理论性较强的课程,应淡化对繁琐的理论公式的推导；通过提供必要的参考资料,着重培养合并运用多学科基础知识解决实际问题的能力.例如,在编写本节课教案的过程中,应避免推导和求解激光速率方程组,可通过设置层层深入的若干问题,促使学生掌握速率方程的物理意义及其在激光技术中的应用.（4）设置的问题要具有真实性、启发性和趣味性.问题是贯穿整个复合教法教学活动的主线,合理且深入浅出的问题决定了复合教法的实施效果.因此,教案中设置的问题一定要来自于现实生活,确保学生能够置身于真实并有意义的问题情境中,通过主动学习、团队协作的方式解决问题,进而达到掌握基础知识的目的.另外,在编写问题的过程中,要避免平铺直叙,在确保体现教学目标的基础上,设置若干合理的故事情节,使问题能够引人入胜,进一步激发学生的研究兴趣.例如,可以讲述1名脸部长有大片胎记的女生苦苦寻求无痕祛除胎记的方法多年未果,最终通过调Q激光实现愿望的故事,由此可引出“激光无痕祛胎记的原理是什么”“调Q激光脉冲是如何产生的”等问题.

2.教学过程的实施

在PBL与LBL复合教法的实施过程中,要坚持以PBL教学为主、LBL教学为辅,以学生自主学习为主、教师协助指导为辅的原则.同时,所有的教学活动均要严格按照教学大纲及复合教法教案规定或设计的内容进行,以确保顺利达到预期的教学目标.经过多年的教学实践,归纳出一套适用于但不限于“高等激光物理”课堂教学的PBL与LBL复合教法实施的基本流程,如图1所示.

这里仍以“激光器的速率方程”这一节教学内容为例.在复合教法的实施过程中,首先采用LBL教学模式对本节课涉及到的定义、原理、公式等基础理论进行讲述,包括能级、泵浦、跃迁、驰豫等概念,重点介绍激光器的能级系统以及粒子在能级间几种常见的跃迁过程.此外,还需补充介绍一些激光速率方程方面最新的研究进展及成果.例如,“准三能级的概念”“速率方程理论在被动调Q激光器优化设计中的应用”等等.讲授时要简明扼要,突出重点,力争用大约1学时的时间完成.接下来,教师把学生版教案（内容包括问题、PBL流程等）及必要的参考资料分发下去,并向学生强调PBL实施过程中的若干注意事项.最后,根据学生的知识背景等基本情况将光学专业学生分成3组,每组3~4人,同时每组确定1名组长,负责制定研究计划、组织协调讨论会等.

在第一次LBL教学完成后,剩余的课堂时间（约1学时）将用于实施PBL教学.1学时显然是不够充裕的,所以完整的PBL教学活动还需占用一定的课外时间.在课堂PBL教学中,由于时间有限,学生可通过分组讨论的方式先对问题的解决思路进行初步分析,明确问题的难点及各问题间的逻辑关系,制定出详细的研究计划,并确定好人员分工情况.在整个过程中,教师可对各组的讨论情况进行指导,对各组提出的研究计划进行评估,并提出引导性建议.此外,教师还需对诸如“增益饱和”“模式竞争”“速率方程的数值求解”等难点问题进行剖析和引导提示,以确保PBL教学的顺利实施.随后,PBL教学进入课外实施阶段,其特点是时间更宽裕、无教师监督,

更能锻炼学生的自主学习能力.期间,各小组首先充分调研和阅读大量国内外参考文献,深入了解激光速率方程领域的研究概况,然后进行面对面的分组讨论,对学习过程中遇到的困难及解决问题的思路进行交流、探讨.经过多轮“查阅文献→分组讨论→查阅文献”的往复式研究过程后,最终确定解决问题的最优方案.在此阶段,教师可定期（如每晚7∶00~8∶00）利用现代化即时通讯工具通过网络对各小组的讨论情况进行指导.

在复合教法的最后阶段,再次采用LBL教学模式对前面的教学情况及问题的解决情况进行汇报和总结.首先,各小组组长采用答辩的方式,利用PPT对本组解决问题的方案和依据进行详细汇报,每位组长讲述完毕后,教师和其他组同学可对该方案的合理性进行提问或评价,以促进大家积极思考.其次,教师把所有问题的参考解决方案介绍给大家.在此过程中,教师可指出每个问题所涉及的知识点及其在运用过程中的注意事项,以进一步加深学生对问题的理解和对知识点的把握.最后,教师对各组的解决方案进行点评,并指出其不足之处,同时逐一对PBL问题的难点和各组遇到的一些共性问题进行解析.

3.评价及考核方法

为了评价PBL与LBL复合教法的实际教学效果,了解学生对复合教法的接受程度,通过调查问卷的方式对2013—2016级光学专业研究生（共计46名）进行了调查.结果显示：有75%的学生认为,复合教法能锻炼和提高独立自学能力、团队协作能力及语言表达能力；有67%的学生认为,复合教法能提高学习兴趣,加深对基础知识点的理解.然而,也有过半数的学生（52%）认为,复合教法太占用精力和时间,学习压力增大,有点不适应.总体而言,学生对复合教法的认可度较高,达到了预期的教学效果.

在采用复合教法的教学模式下,应建立相对完善的多元化学业成绩评价和考核体系,以激发学生的学习兴趣,促进学生的科研能力和创新能力不断提高.评价体系要淡化对基础知识记忆的考核,加强对基础知识的理解及应用的考核.经过多年的实践,总结出一套用于PBL与LBL复合教法的评价考核体系,如表1所示.

四、结论与展望

实践表明,PBL与LBL复合教法的有效实施不仅激发了研究生的学习兴趣,提升了课程的整体教学质量,而且锻炼了研究生的自学能力、团队协作能力以及创新意识.本文所提出的复合教法为我国研究生教育教学改革探索出一条切实可行的有效途径,是一种值得借鉴和推广的、符合我国研究生教学实际的新型教学模式.然而,复合教法在实施过程中也存在一些问题.首先,复合教法需占用教师和学生大量的时间和精力,导致课堂学时严重不足；其次,学生受传统LBL教法的影响较深,对复合教法的适应程度不高,在一定程度上增加了学习压力；第三,由于缺少监督,学生在完成考核作业的过程中存在抄袭、照搬他人成果的可能,降低了成绩的真实性和有效性.在今后的教学中,会不断总结复合教法实施的经验和不足,充分考虑学生的知识背景、个体差异以及课程特点,进一步优化复合教法的教学内容、实施过程和考核体系.另外,进一步监督和指导教师深入钻研教学大纲和教学设计,充分调动学生的积极主动性,为提高研究生教学质量、培养德才兼备的创新性高端人才而不懈努力.

参考文献：

［1］教育部,国家发展改革委,财政部.关于深化研究生教育改革的意见［Z］.教研［2013］1号.

［2］教育部.关于改进和加强研究生课程建设的意见［Z］.教研［2014］5号.

［3］刘红,袁杰.PBL对研究生教学改革的启示［J］.高等建筑研究,2007(16):16-19.

［4］陈艳慧等.学术型研究生课程改革的探索与实践［J］.学位与研究生教育,2015(11):33-38.

［5］梁雪.PBL在声乐教学中的应用探讨［J］.黑龙江高教研究,2016(6):174-176.

［6］王生毅,薛文鹏.研究生教学改革的思考［J］.研究生教育,2005(2):15-16.

（责任编辑：申寅子）

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