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摘要：PBL教学法对有一定知识基础和自学能力的学生更适用。工科专业课面对高校高年级学生开设，具有进行PBL教学的客观需求和条件。本文以热能专业为例，针对工科专业课中普遍存在的设计类知识进行PBL教学的应用实践，结果显示采用PBL教学法对课堂组织、学习效果产生正面影响，同时其实施也存在困难和问题。
关键词：基于问题的学习，工科，专业课，设计
【分类号】G643
PBL（Problem-based learning）基于问题的学习是一种基于建构主义理论的教学方法，该方法的核心是以问题为基础、学生为主体、教师为导向。PBL教学模式最早由美国神经病学教授Barrows于1969年提出，应用于医学教育，学生通过解决病人的问题来达到学习医学知识的目的。随后各国学者先后对这种教学方法进行了研究、试验，并进行发展，应用范围也逐渐由医学、药学等专业发展到建筑、法律、管理等专业[1]，国内也有学者在数学、英语等基础教育以及计算机、建筑等高等教育进行了应用研究。
PBL教学方法在调动学生的学习积极性，提高學习兴趣方面有非常明显的优越性。David Bamford等人认为PBL教学方法不仅使学生获得知识，而且可以提高学生的交际能力、团队协作能力、解决问题的能力、独立学习能力并让学生学会分享信息、尊重他人[2]。
一、在工科专业课中引入PBL教学方法的可行性
目前我国工科专业知识教育以讲授和多媒体教学为主，结合一定学时的实验和实习教学。其中讲授和演示方法传承时间长，资源丰富，操作要求低，投资少，是高校课堂教学的主要手段。也正是因为其经济性，资源广泛易获取，学生接触的时间最长，使得学生在课堂上表现的积极性不高。基于这种情况，在工科教育的课堂上加入一些新的方法，提高课堂的挑战性，增加学生的兴趣是非常有益而且必要的。
在我国高等医学教育中进行PBL教学应用的过程中，车春莉等人发现在临床医学教育中采用PBL教学法比在基础医学教育中起到了更好的效果[3]，因为临床医学面对的学生思想较成熟，具有独立学习和工作的意识，并且有一定专业知识和社会知识，另外受毕业和就业压力的影响，使学生学习主动性更强。在高校中高年级采用PBL教学法更容易被接受。因此PBL教学方法对工科专业课有适用性。
专业课在学生学习了公共课和专业基础课的基础上开设，学生对专业有初步的认识，并且适应了大学的学习方式，基本具备必要的理论知识和一定的自学能力。学生对自己的专业知识学习有一定的预期，但学习热情会随着专业课程的开展有下降的趋势。因此，笔者认为该阶段的学生既有进行PBL教学需要的客观条件，又有客观需求，也就是说学生有了知识和能力的储备，使得学生能够胜任相应的工作，而同时学习热情一定程度的衰退也需要一些新方法来调节。
二、PBL教学方法的设计
1. 医学专业的PBL模块
Distlehorst和Barrows在医学专业采用PBL模块进行教学[4]，该模块包括两份资料：一份以字母排序的清单（the Master Action List），上面罗列每个病人都可能用到的历史问题、体检过程、化验、诊断过程等，另一份（the Patient Encounter）是对病人情况的模拟资料，包括病人最初的表现、体检结果、化验单等与清单对应的资料。学生按小组选取一个案例后判断需要采取那些行动，然后从清单中找出最接近的条目，查看相应的病人资料，最后做出诊断。Distlehorst等人认为小组学习的效果要比个人学习好。
采用PBL教学模式是个以小组为单位，学生自主学习的过程。教师提供给学生必要的背景资料，鼓励学生相互讨论，并对学生进行适当的引导。
2. PBL教学法实施的层面
由于专业之间的差异，很难将医学专业的PBL教学方法直接照搬到工科教学。杜翔云等把PBL课程改革分为三个层面[5]：单门课程层面、交叉课程层面、院校层面，认为在不同层面、不同环境推行PBL时，课程改革需要采取不同的策略。在工科课程中，对单门课程层面的课程改革，国内教育工作者也做了尝试[6，7]。教师根据一门课程中的某个章节内容设置一个题目，按照PBL教学方法的程式完成。
笔者认为各工科专业的特点、教学目标存在一定的共性，因此找出一种在大部分工科专业中普遍适应的PBL教学方法存在可能。比如大部分工科专业学生毕业后可以从事一些设计或开发的工作，高校都希望能培养出符合社会需求的学生，并且都会设置相关的课程、课程设计、毕业设计等，可以说进行了比较全面的教育。尽管如此完成学业的学生并不都擅长设计。在工科专业中对与设计相关的内容采用PBL教学法，具体可以依据单门课程、同一专业的相关课程、交叉学科等不同层面循序渐进的方式进行实施。
3. PBL教学法在热能专业课中的试验
为了得到在工科专业课中引入PBL教学方法的经验，笔者首先在热能动力的专业课中进行试验。比如制冷剂流量调节是制冷装置自动调节中必不可少的部分，也是一个制冷系统设计中必需的部分，这部分内容在不同课程中有不同程度涉及。按照讲授和多媒体教学的方法，一般由教师进行讲授原理、分类、各种类型的特点、应用条件、计算选型的方法和步骤，然后讲一个例题。学生在这个过程表示听课效果良好，并且知道了计算的方法和步骤。但是在毕业设计中学生对制冷剂流量调节的选择仍然可能存在困难。实际上学生完全可以在专业基础课程中的工程热力学和传热学知识基础上理解其中的知识点并进行计算。
同样的内容，采用PBL教学方法进行教学，教师不对这部分内容进行讲解，而是设置3～4个题目，每个题目涉及一种调节类型，设置相关的参数，推荐学生可以借助的参考书，并告知学生进行设计时需要用到的设计手册，以及可能用到的国家规范，除此之外，学生还需要一些产品的样本，需要自己去找。除了老师推荐的资料，学生可以自行根据需要和习惯借助其它任何资料来源，可以借助图书馆、网络搜索平台、网上图书馆、电子书籍等等任何渠道来获得所需的知识、方法和内容。并且鼓励学生分享自己的资料来源。 要求学生能够提出问题解决的详细过程，最终的结果应该是直接指定采用的设备，设备的参数尽量详细。同时要求学生明白不选其它形式的原因，也应该了解其它类型的特点，以便讨论时能够理解其它组的题目。
对题目的内容和要求学生可以提出自己的疑问和想法，课堂上进行讨论。然后学生按自己的意愿分小组，以小组为单位抽取其中一个题目，用一周或一周半的时间自行组织完成题目。小组指派一名代表陈述自己本组的解决过程和结果，然后进行讨论。同组成员可以补充，班级所有成员都可以对其中可以改善的部分提出自己的观点。教师鼓励大家发表自己的观点，组织学生的讨论，鼓励和表扬好的想法和做法。
三、采用PBL教学法的影响效果
从课堂组织的角度来看，采用PBL教学法对提高学生兴趣，活跃课堂气氛有明显效果，学生对课程的参与程度大大提高。一方面学生对新的教学方法充满新鲜感，另一方面，学生通过解决“实际问题”强化了学习过程，并提升了专业情感和专业自信。
在讨论的过程中，学生的注意力集中程度提高，听取别人的分享，并尽力组织语言，条理思路。学生通过组织语言，相互交流，资源共享来促进学习，提升协作，加强表达和总结能力。
从学习效果来看，采用PBL教学方法可以促进学生的学习。学生对课程的学习起到很好的效果，通过解决问题为目的的学习，增加了对学习内容的理解，讨论过程加深对课程内容的记忆。
四、实施中存在的困难和问题
1.PBL教学法的实施对教师提出更高的要求。首先需要投入更多的时间。教师要熟悉所讲授课程的内容，并了解相关课程的内容。题目的设置需要更多的時间和精力，除了对题目的范围、条件、难易程度进行把控，还需要对相关资料进行查找和熟悉，以保证在学生讨论时能够进行适当的引导。另外教师要会倾听，抓住学生陈述的点，作出适当的表现，需要提高自身教学素质和素养。
2.学生需要投入更多的时间和精力。学生需要在课下抽时间查找资料，对资料进行学习，课上进行讨论。对自己查找的资料和讨论时别人的想法，自己的发言提纲，讨论时产生的新想法，进行记录和总结修正。在学生课程比较多的情况下，会增加学生负担而降低学习效果。因此需要给学生留适当的时间，但时间太长又容易消磨学生的积极性，题目难度和工作量应适当。
3.学习效果受学生重视程度影响。在不同的课程中实施学生的参与度有明显区别，在需要考试的专业课中学生的准备和参与度明显高于在不考试的选修课程中。如何有效激励学生需要进行更多的试验。
4.存在依赖网络搜索平台的现象。通过电脑、手机网络查找问题的答案是极方便、快捷的方式，时间、资源成本非常低。各种网络为人们生活提供了极大的便利，人们对网络的依赖程度也不断升高。学生通过各种网络查找资料时也都希望能够快速得到“答案”，手机是学生查找资料的最爱。而事实上从手机资源中很难得到与课程相符的有用信息。另一方面网络资源信息之广泛、丰富也给指导教师带来了挑战。
5.笔者对工科课程中应用性比较强的内容中有关设计的部分进行了与PBL教学法的结合。课程中还存在理论性比较强的内容，反应学科发展方向，比较先进但是还没有固定的手册或规范可以依据的内容，以及涉及系统和设备诊断等等各种类型的内容，这些内容是否都可以结合PBL教学方法，如何结合是需要进一步思考和实践的内容。
五、结论
工科专业课中普遍存在实用的或能够解决某方面实际问题的的内容。而学生在学习了相关的课程后却并不一定能很好的解决相应的实际问题。笔者以课程中的设计问题为例，进行PBL教学的探索，旨在让学生通过模拟实际问题的方式进行自主学习。试验结果表示PBL教学方法对活跃课堂气氛，提升学习效果，增强学生的专业情感起到很好的作用。同时实施中也存在一些困难和问题，需要教师和学生共同克服和进一步探索。
参考文献：
[1] David Bamford，Katri Karjalainen，Ernest Jenavs. An evaluation of problem-based assessment in teaching operations management[J]. International Journal of Operations&Production Management. 2012（32）.
[2] Diana F Wood. ABC of learning and teaching in medicine[J]. Clinical review，2003（326）.
[3] 车春莉，郭庆峰. PBL教学模式在中国高等医学教育中应用的思考[J]. 中国高等医学教育，2010（1）.
[4] Linda H. Distlehorst， Howard S. Barrows， M.D.. A new tool for problem-based， self-directed learning[J]. Journal of Medical Education，1982（57）.
[5] 杜翔云等. PBL：大学课程的改革与创新[J]. 高等工程教育研究，2009（3）.
[6] 降惠，张丽. PBL教学法在学生计算思维能力培养过程中的应用研究——以C程序教学为例[J]. 农业网络信息，2015（3）.
[7] 朱秀委，卢路瑶等. 基于网络的PBL教学模式初步研究——以EDA课程教学为例[J]. 考试周刊，2015（23）.
关键词：基于问题的学习，工科，专业课，设计
【分类号】G643
PBL（Problem-based learning）基于问题的学习是一种基于建构主义理论的教学方法，该方法的核心是以问题为基础、学生为主体、教师为导向。PBL教学模式最早由美国神经病学教授Barrows于1969年提出，应用于医学教育，学生通过解决病人的问题来达到学习医学知识的目的。随后各国学者先后对这种教学方法进行了研究、试验，并进行发展，应用范围也逐渐由医学、药学等专业发展到建筑、法律、管理等专业[1]，国内也有学者在数学、英语等基础教育以及计算机、建筑等高等教育进行了应用研究。
PBL教学方法在调动学生的学习积极性，提高學习兴趣方面有非常明显的优越性。David Bamford等人认为PBL教学方法不仅使学生获得知识，而且可以提高学生的交际能力、团队协作能力、解决问题的能力、独立学习能力并让学生学会分享信息、尊重他人[2]。
一、在工科专业课中引入PBL教学方法的可行性
目前我国工科专业知识教育以讲授和多媒体教学为主，结合一定学时的实验和实习教学。其中讲授和演示方法传承时间长，资源丰富，操作要求低，投资少，是高校课堂教学的主要手段。也正是因为其经济性，资源广泛易获取，学生接触的时间最长，使得学生在课堂上表现的积极性不高。基于这种情况，在工科教育的课堂上加入一些新的方法，提高课堂的挑战性，增加学生的兴趣是非常有益而且必要的。
在我国高等医学教育中进行PBL教学应用的过程中，车春莉等人发现在临床医学教育中采用PBL教学法比在基础医学教育中起到了更好的效果[3]，因为临床医学面对的学生思想较成熟，具有独立学习和工作的意识，并且有一定专业知识和社会知识，另外受毕业和就业压力的影响，使学生学习主动性更强。在高校中高年级采用PBL教学法更容易被接受。因此PBL教学方法对工科专业课有适用性。
专业课在学生学习了公共课和专业基础课的基础上开设，学生对专业有初步的认识，并且适应了大学的学习方式，基本具备必要的理论知识和一定的自学能力。学生对自己的专业知识学习有一定的预期，但学习热情会随着专业课程的开展有下降的趋势。因此，笔者认为该阶段的学生既有进行PBL教学需要的客观条件，又有客观需求，也就是说学生有了知识和能力的储备，使得学生能够胜任相应的工作，而同时学习热情一定程度的衰退也需要一些新方法来调节。
二、PBL教学方法的设计
1. 医学专业的PBL模块
Distlehorst和Barrows在医学专业采用PBL模块进行教学[4]，该模块包括两份资料：一份以字母排序的清单（the Master Action List），上面罗列每个病人都可能用到的历史问题、体检过程、化验、诊断过程等，另一份（the Patient Encounter）是对病人情况的模拟资料，包括病人最初的表现、体检结果、化验单等与清单对应的资料。学生按小组选取一个案例后判断需要采取那些行动，然后从清单中找出最接近的条目，查看相应的病人资料，最后做出诊断。Distlehorst等人认为小组学习的效果要比个人学习好。
采用PBL教学模式是个以小组为单位，学生自主学习的过程。教师提供给学生必要的背景资料，鼓励学生相互讨论，并对学生进行适当的引导。
2. PBL教学法实施的层面
由于专业之间的差异，很难将医学专业的PBL教学方法直接照搬到工科教学。杜翔云等把PBL课程改革分为三个层面[5]：单门课程层面、交叉课程层面、院校层面，认为在不同层面、不同环境推行PBL时，课程改革需要采取不同的策略。在工科课程中，对单门课程层面的课程改革，国内教育工作者也做了尝试[6，7]。教师根据一门课程中的某个章节内容设置一个题目，按照PBL教学方法的程式完成。
笔者认为各工科专业的特点、教学目标存在一定的共性，因此找出一种在大部分工科专业中普遍适应的PBL教学方法存在可能。比如大部分工科专业学生毕业后可以从事一些设计或开发的工作，高校都希望能培养出符合社会需求的学生，并且都会设置相关的课程、课程设计、毕业设计等，可以说进行了比较全面的教育。尽管如此完成学业的学生并不都擅长设计。在工科专业中对与设计相关的内容采用PBL教学法，具体可以依据单门课程、同一专业的相关课程、交叉学科等不同层面循序渐进的方式进行实施。
3. PBL教学法在热能专业课中的试验
为了得到在工科专业课中引入PBL教学方法的经验，笔者首先在热能动力的专业课中进行试验。比如制冷剂流量调节是制冷装置自动调节中必不可少的部分，也是一个制冷系统设计中必需的部分，这部分内容在不同课程中有不同程度涉及。按照讲授和多媒体教学的方法，一般由教师进行讲授原理、分类、各种类型的特点、应用条件、计算选型的方法和步骤，然后讲一个例题。学生在这个过程表示听课效果良好，并且知道了计算的方法和步骤。但是在毕业设计中学生对制冷剂流量调节的选择仍然可能存在困难。实际上学生完全可以在专业基础课程中的工程热力学和传热学知识基础上理解其中的知识点并进行计算。
同样的内容，采用PBL教学方法进行教学，教师不对这部分内容进行讲解，而是设置3～4个题目，每个题目涉及一种调节类型，设置相关的参数，推荐学生可以借助的参考书，并告知学生进行设计时需要用到的设计手册，以及可能用到的国家规范，除此之外，学生还需要一些产品的样本，需要自己去找。除了老师推荐的资料，学生可以自行根据需要和习惯借助其它任何资料来源，可以借助图书馆、网络搜索平台、网上图书馆、电子书籍等等任何渠道来获得所需的知识、方法和内容。并且鼓励学生分享自己的资料来源。 要求学生能够提出问题解决的详细过程，最终的结果应该是直接指定采用的设备，设备的参数尽量详细。同时要求学生明白不选其它形式的原因，也应该了解其它类型的特点，以便讨论时能够理解其它组的题目。
对题目的内容和要求学生可以提出自己的疑问和想法，课堂上进行讨论。然后学生按自己的意愿分小组，以小组为单位抽取其中一个题目，用一周或一周半的时间自行组织完成题目。小组指派一名代表陈述自己本组的解决过程和结果，然后进行讨论。同组成员可以补充，班级所有成员都可以对其中可以改善的部分提出自己的观点。教师鼓励大家发表自己的观点，组织学生的讨论，鼓励和表扬好的想法和做法。
三、采用PBL教学法的影响效果
从课堂组织的角度来看，采用PBL教学法对提高学生兴趣，活跃课堂气氛有明显效果，学生对课程的参与程度大大提高。一方面学生对新的教学方法充满新鲜感，另一方面，学生通过解决“实际问题”强化了学习过程，并提升了专业情感和专业自信。
在讨论的过程中，学生的注意力集中程度提高，听取别人的分享，并尽力组织语言，条理思路。学生通过组织语言，相互交流，资源共享来促进学习，提升协作，加强表达和总结能力。
从学习效果来看，采用PBL教学方法可以促进学生的学习。学生对课程的学习起到很好的效果，通过解决问题为目的的学习，增加了对学习内容的理解，讨论过程加深对课程内容的记忆。
四、实施中存在的困难和问题
1.PBL教学法的实施对教师提出更高的要求。首先需要投入更多的时间。教师要熟悉所讲授课程的内容，并了解相关课程的内容。题目的设置需要更多的時间和精力，除了对题目的范围、条件、难易程度进行把控，还需要对相关资料进行查找和熟悉，以保证在学生讨论时能够进行适当的引导。另外教师要会倾听，抓住学生陈述的点，作出适当的表现，需要提高自身教学素质和素养。
2.学生需要投入更多的时间和精力。学生需要在课下抽时间查找资料，对资料进行学习，课上进行讨论。对自己查找的资料和讨论时别人的想法，自己的发言提纲，讨论时产生的新想法，进行记录和总结修正。在学生课程比较多的情况下，会增加学生负担而降低学习效果。因此需要给学生留适当的时间，但时间太长又容易消磨学生的积极性，题目难度和工作量应适当。
3.学习效果受学生重视程度影响。在不同的课程中实施学生的参与度有明显区别，在需要考试的专业课中学生的准备和参与度明显高于在不考试的选修课程中。如何有效激励学生需要进行更多的试验。
4.存在依赖网络搜索平台的现象。通过电脑、手机网络查找问题的答案是极方便、快捷的方式，时间、资源成本非常低。各种网络为人们生活提供了极大的便利，人们对网络的依赖程度也不断升高。学生通过各种网络查找资料时也都希望能够快速得到“答案”，手机是学生查找资料的最爱。而事实上从手机资源中很难得到与课程相符的有用信息。另一方面网络资源信息之广泛、丰富也给指导教师带来了挑战。
5.笔者对工科课程中应用性比较强的内容中有关设计的部分进行了与PBL教学法的结合。课程中还存在理论性比较强的内容，反应学科发展方向，比较先进但是还没有固定的手册或规范可以依据的内容，以及涉及系统和设备诊断等等各种类型的内容，这些内容是否都可以结合PBL教学方法，如何结合是需要进一步思考和实践的内容。
五、结论
工科专业课中普遍存在实用的或能够解决某方面实际问题的的内容。而学生在学习了相关的课程后却并不一定能很好的解决相应的实际问题。笔者以课程中的设计问题为例，进行PBL教学的探索，旨在让学生通过模拟实际问题的方式进行自主学习。试验结果表示PBL教学方法对活跃课堂气氛，提升学习效果，增强学生的专业情感起到很好的作用。同时实施中也存在一些困难和问题，需要教师和学生共同克服和进一步探索。
参考文献：
[1] David Bamford，Katri Karjalainen，Ernest Jenavs. An evaluation of problem-based assessment in teaching operations management[J]. International Journal of Operations&Production Management. 2012（32）.
[2] Diana F Wood. ABC of learning and teaching in medicine[J]. Clinical review，2003（326）.
[3] 车春莉，郭庆峰. PBL教学模式在中国高等医学教育中应用的思考[J]. 中国高等医学教育，2010（1）.
[4] Linda H. Distlehorst， Howard S. Barrows， M.D.. A new tool for problem-based， self-directed learning[J]. Journal of Medical Education，1982（57）.
[5] 杜翔云等. PBL：大学课程的改革与创新[J]. 高等工程教育研究，2009（3）.
[6] 降惠，张丽. PBL教学法在学生计算思维能力培养过程中的应用研究——以C程序教学为例[J]. 农业网络信息，2015（3）.
[7] 朱秀委，卢路瑶等. 基于网络的PBL教学模式初步研究——以EDA课程教学为例[J]. 考试周刊，2015（23）.