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摘要：設計了基於問題式教學法的翻轉課堂教學模式。它以「問題」為導向，以「小組合作學習」為載體，以學生「自主學習」為主、教師「引導」為輔，通過討論交流將「問題」與「課程內容」相結合，學生在解決問題的過程中完成知識的傳授與內化，同時激發學生的學習興趣與動機，提升課堂參與度和團隊合作精神，培養學生的自學能力、發散性思維和解決問題的能力。以「內燃機學」課程為例，探討該模式的在教學中的實際應用及實踐效果，實踐證明：問題式教學法和翻轉課堂教學模式可優勢互補、相互促進；新型教學模式充分體現了以學生為中心、知識和能力並重的教學理念，提高了課程教學的高階性、創新型和挑戰度。
關鍵詞：問題式教學法；翻轉課堂；「內燃機學」課程
一、引言
從本世紀初開始，隨著計算機、信息與網際網路技術的快速發展，人類的學習、工作和生活等全面邁入資訊時代。在教育行業，我國《教育信息化十年發展規劃 ( 2011—2020 )》明確了教育信息化發展框架，要求在高校開展信息技術與課程教學深度融合的教學模式［1］。2018年10月教育部《關於加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》( 新高教40條 ) 中的第11條「推動課堂教學革命」，鼓勵高校進行混合式教學等教學方式改革，明確要求以學生發展為中心，通過教學改革促進學習革命，積極推廣智慧教室、小班化教學、互動式教學、翻轉課堂等，構建線上線下相結合的混合式教學模式。同時，因課制宜選擇課堂教學方式改革，科學設計課程考核內容和方式等，打造「金課」，取消「水課」，進一步提高課堂教學質量。2019年10月，教育部《關於「一流本科課程」建設的實施意見》( 一流本科課程「雙萬計劃」) 中進一步要求改革教學方法，使課程優起來、課堂活起來、教師強起來、學生忙起來，其措施就包括強化現代信息技術與教育教學深度融合，解決好「教」與「學」模式創新的問題以實現高效課堂，即以儘可能少的時間、精力和物力投入，取得儘可能好的教學效果或教學目標達成。
信息技術成為教學與學習的重要工具，已從初期的PPT、多媒體課件逐漸發展到互動課堂、微課、慕課［2］、翻轉課堂、虛擬實驗室［3］等。目前信息技術已經日益融入「教」與「學」的過程中，教學條件 ( 如智慧教室 )、教學方式、學習方式、師生互動方式和考核方式等都發生了深刻變革［4］。開展信息技術與教學深度融合的教學模式、方法、內容以及優質在線開放課程建設已刻不容緩［5］。本文嘗試將問題式教學法與翻轉課堂相結合，形成一種新的教學範式，並實踐應用於武漢理工大學能源與動力工程專業「內燃機學」課程教學中，以驗證其教學效果。
二、問題式教學法提升翻轉課堂教學效果
1.翻轉課堂教學
傳統教學模式如圖1所示，其主要特徵表現為：教師的教學過程是圍繞教材知識點為中心，以「填鴨式」和「滿堂灌」的形式，完成教師「教」的任務。這種教學模式是把學生看作知識的「容器」，學生「學」得如何，教師不得而知，教師在課堂上只是完成自己「教」的任務， 而不是為學生「學」的任務。這種「一言堂」的教學模式讓學生失去了獨立思考的機會，只能是被動聽講；即使學生有所思考，也只能跟著教師的思路走，否則影響到後續知識點的學習。因此在傳統教學模式下，因材施教成為空談。
圖1 傳統教學模式
隨著信息技術的不斷發展，傳統教學模式已無法滿足教育強國和教育信息化的要求。本世紀初，在信息技術快速發展和網際網路逐步普及的條件下，「翻轉課堂」作為信息技術與教學結合的成功案例，一出現就成為各國高校教學改革的熱點並被迅速推廣應用［6］。在翻轉課堂教學模式下「學生」成為學習的主體，師生和生生互動頻繁，有助於培養學生的自主學習能力和創新思維［7］。然而在我國大部分高校，隨著翻轉課堂教學的大規模應用，其局限性也開始顯現。一方面，部分教師在實施翻轉課堂教學過程中，教育觀念上難以適應課堂翻轉，信息技術素養跟不上微課或慕課開發要求，課堂經驗與駕馭能力不足以合理地引導和有效管理課堂［8］；另一方面，國內高校大多數學生由於長期接受的是傳統教學模式，在課堂上已經習慣於老師「一言堂」灌輸式的講授、監督和指導，其自主學習和自我管控能力不足，且不善於思考和提問。因此，無論是在課前學習微課，還是在課堂上匯報展示、提問探究、質疑辯論等討論互動環節，都無法順利高效實施［9］。此外，一些高校的信息化教學條件如網絡教學平臺和智慧教室建設滯後，不足以支撐翻轉課堂教學。所以，需要引入其他教學方法與之配合，才能提高翻轉課堂教學質量。
2.問題式教學法
「問題式教學法」突破傳統教學中教師直接講授知識的教學方式，是以學生的知識結構和認知水平為參考，將課程知識點以「問題」的形式呈現在學生的面前，讓學生在對比、分析、探索和解決問題的思維活動中，掌握隱含在「問題」背後的科學知識，同時發展智力、培養技能，學會思考、學會學習、學會創造，進而形成解決問題的技能和促進學生創造思維的發展［10］。問題式教學法提升了教學的高階性，為組織高效課堂帶來了新的方法，但也需要批判性地加以應用［11］。問題式教學提供了一個交流討論、合作探索和共同發展的平臺，教師創設問題情境的「質量」至關重要。如提什麼樣的問題、什麼時候提問、怎樣提問，以及各問題的結構和相互關係是否合理？能否通過「問題」的解決來「舉一反三」進行創新性學習？問題的設計能否結合學生生活或工程應用實際？問題是否可以激發學生學習興趣和動機？問題的解答過程能否讓知識內化和能力提升等。
3.翻轉課堂與問題式教學法的融合與互補
高效課堂是以最小的教學和學習投入獲得最大學習效益的課堂，其基本特徵是「自主建構，互動激發，高效生成，愉悅共享」。為解決上述翻轉課堂和問題式教學法實踐中的問題，如將翻轉課堂和問題式教學方法有機融合，形成一種新型教學範式，可以在很大程度上彌補各自的缺陷，達成高效課堂教學。課前，教師建立微課視頻等教學資源庫，學生自主學習完成知識構建；課中，學生匯報質疑、教師引導答疑，師生互動激發學習興趣，完成知識內化和分析解決問題的能力提升，高效達成教學目標與要求；課後，學生歸納總結、鞏固練習與學習成果發布，教師進行學習評價、教學反思和教學設計優化，師生「教」「學」成果愉悅共享。
問題式教學法和翻轉課堂兩種教學之「術」在教學理念、教學方法和教學組織形式上有異曲同工之妙，都服務於提升學生思維和能力的教學之「道」。兩者關注點都在「思維、能力發展」上，強調的是認知過程，教學的目標是通過「問題」這個「媒介」讓學生學會並綜合運用知識來分析解決問題。與傳統教學法相比較，問題式教學法以學生為主體、以問題為導向、以小組團隊合作為載體，把學習設計到有意義的問題情境中以激發學生學習興趣，通過「問題式學習」使學生在分析問題、解決問題的過程中獲得知識的學習與能力的提升。翻轉課堂教學模式同樣是以學生為中心、教師為指導，強調知識傳授與知識內化在教學流程上翻轉；翻轉課堂上以問題答疑為主，在教師解答學生問題的過程中，增加師生、生生間的交流和互動。此外，兩種教學之「術」在教學評價上強調多元評價主體、多角度和多方式的綜合評估，比傳統的終結性評價更具說服力。
如果將問題式教學法融入翻轉課堂教學，則可使二者優勢互補、相得益彰，能更好地遵守「以人為本」的教育理念，以「問題」牽引來激發學習興趣，以分析問題來學會思考，以團結協作來解決問題，通過成果共享感受學習樂趣。因此，基於問題式教學法的翻轉課堂更具有特色和優勢：學生為自我學習負責，課前帶著「問題」有目的地去學習教學資源，讓學生有目的地學習，有助於課前的視頻教學深入人心；課堂上通過小組式討論和相互合作，讓學生在解決問題的過程中習得知識，有助於增強翻轉課堂中知識內化的強度與深度；［12］課後學生通過鞏固性訓練、學習總結與成果分享，教師通過教學反思、教學評價和教學設計的優化等，有助於教學目標的達成。另外，引入問題式教學法的翻轉課堂還能培養學生分析、判斷、推理與解決問題的能力。可以說，問題式教學法為以往的翻轉課堂教學模式提供了實質性的問題導向，使得翻轉課堂教學模式的目標更加明確，在提高教學質量的同時還可以促進教師教學能力和水平的提升［13］。
三、基於問題式教學法的翻轉課堂新型教學模式
建構主義認為，學生的知識獲取和能力提升是不可能通過老師的傳授得到的，而是學生在一定的情境問題下，利用老師、同學或其他學習資源的幫助，通過自身努力學習和領悟，在解決問題的過程中獲取知識和提升能力。這種「以解決問題為核心、以學生為中心、以教師為引導」的教學思想正是基於問題式教學法翻轉課堂教學模式所要達到的目標。翻轉課堂是按照建構主義原理而創設的教學模式，其顯著特徵就是以學生為中心，強調學生是知識吸收的主體，教師只起指導和引領作用。由於學生掌握了學習的主導權，可以根據自己的學習習慣和能力水平自主學習、獨立思考，還可以依自己的興趣和能力挖掘得更深，拓展得更廣，真正做到因材施教。問題式教學法改變了傳統授課的「正向思維」模式，知識的傳授是以「問題」為牽引、為載體貫穿整個教學過程，使學生在設問、釋問和反問的反覆探究過程中，萌生自主學習的動機和欲望，進而逐漸養成自主學習、獨立思考和團結協作的學習習慣，並在實踐中不斷優化自主學習的方法，提高自主學習能力。兩者都充分體現學生的主體地位，能有效地激發學生自主學習的主動性和積極性。不同之處在於，翻轉課堂著眼於教學流程再造，突出教學過程與知識內化過程的翻轉；而問題式教學法著眼於教學方法，是將提出問題、分析問題和解決問題這一線索始終貫穿於整個教學過程。因此，二者具有很強的融合性，形成了一種新型教學模式，如圖2所示。
圖2 基於問題式教學法的翻轉課堂教學模式
由圖2可見，在新型教學模式下，教師和學生的目標任務明確、分工協作。在課前，任課教師完成教學設計、創設好問題情境並提出主題問題，同時根據課程知識點錄製微課視頻，並和其他教學資源一起上傳至網絡教學平臺或在線開放課程網站。學生在上課前，需要明確學習目標、任務和要求，然後對照教材並帶著問題去學習微課視頻、導學、課件等相關資源；自學後完成知識點對應的自測題，以評估自學效果；同時還可以提出個人見解和疑問，並在學習小組的組內組間討論交流、互幫互助；最後，由組長搜集整理資料，匯總問題並製作小組學習報告。課堂上，各組長匯報學習小組的學習情況和疑問；然後教師與學生、學生與學生之間針對匯報內容展開討論，學生在老師的指導下共同分析探究並解決問題；期間老師可以反問質疑、答疑解惑等方式引導學生進行拓展學習。通過這種頻繁的互動交流討論，學生不僅能夠吸收內化教學內容、提升學習能力和分析解決問題的能力，還可能在交流過程培養發散性思維、批判性思維和創新性思維。課後，學生開展組內組間的自評與互評，以及師生之間互評，通過多元評價實現教學相長［14］；然後，教師和學生分別根據評價結果進行教學反思和學習反思，以便後期教學設計優化和學習方法更新；最後，學生完成必要的鞏固練習和拓展訓練，以進一步鞏固學習內容並可以溫故而知新。
新型教學模式的教學過程包括信息傳遞、吸收內化和鞏固提升三個階段，分別由課前、課中和課後三段過程實施完成，如圖3所示。在整個教學過程中聚焦於問題的提出、分析和解決。學生根據微課視頻等教學資源自主完成知識點的學習並提出問題；教師要解決學生學習過程中遇到的各種問題，同時通過質疑、反問等方式帶領學生回歸到主題問題上來。因此，將問題式教學法引入翻轉課堂教學，是一種讓學生自主學習知識和探究問題，並在教師指導下解決問題的教學模式。在整個教學過程中學生不僅「習得」知識，還提高了學習能力、分析與解決問題能力、發散性思維和團結合作能力等綜合素質。
圖3 基於問題式教學法的翻轉課堂教學模式實施三階段流程圖
四、新教學模式下的學習評價體系構建
教學模式的改變需要配套建立與之相適應的學習評價體系。為對新教學模式下學生的學習情況進行全面系統的評價，構建的學習評價體系如圖4所示，包括過程性評價和終結性評價兩部分。
過程性評價是對新教學模式下學生在課前、課中和課後三個學習階段的學習過程和質量進行評價。過程性評價中教師和學生均參與評價，通過評價主體的多元化以保障評價的客觀性和公正性。其中，課前學習評價主要由教師完成，評價主要依據在線開放課程網址或網絡教學平臺提供的學習數據，包括平臺登錄次數、在線時長、任務點完成情況、線上作業完成情況等自動評分分值，此部分賦分比為總評成績的20%。課中學習評價由教師和學生共同完成，評價主要依據學習小組在自主學習任務匯報、課堂主題討論及課堂測試等活動中的綜合表現。此部分評價賦分比為總評成績的20%，其中教師佔15%，學生組間評價佔5%。課後學習評價由教師和學生共同完成，評價主要依據學生發布於學習平臺上的學習反思和總結報告、課外習題和拓展訓練完成情況。學習平臺的評價功能可對各小組的學習任務完成情況自動評價。此部分賦分比為總評成績的10%，其中教師評價和學生組間評價各佔5%。
終結性評價是課程學習的中期和結束後，通過常規課程考核方式如考試、小論文、學習匯報、答辯或作業等考查方式，以檢測學生對知識的掌握程度、運用所學知識和技能來分析解決工程實際問題的能力，以及獨立思考和創新性思維能力。終結性評價是對學生學習效果的系統性綜合評價，終結性評價佔總評成績的50%，通常期中和期末各佔25%。
圖4 新教學模式下學習評價體系
五、問題式教學法在翻轉課堂教學中的實踐應用探索
本研究將採用問題式教學法融入翻轉課堂教學，應用在武漢理工大學「能源與動力工程」本科專業的核心課程「內燃機學」教學中，探究其應用效果［15-17］。
1.教學實踐背景
「內燃機學」是能源與動力工程、動力機械及工程、車輛工程等專業本科生的專業必修課程，是一門涉及工程熱力學、傳熱學、燃燒學、流體力學和動力學等多門學科的綜合性課程［18］。該課程主要講述內燃機工作過程的基本理論、性能優化及內燃機動力學和概念設計等。課程結合工科專業知識，安排了內燃機性能實驗。通過實驗設計、試驗數據獲取與分析、內燃機性能優化等，提高學生工程實踐能力、數據處理與分析以及優化設計等能力［19］。但在目前的課堂教學中，部分學生學習興趣不濃、主動性不夠，師生互動不熱烈。即使教師讓學生以小組的形式匯報學習情況，各小組成員也基本是各人顧各人，組內和組間交流較少，致使翻轉課堂未達到預期效果。在教學內容方面，雖然能及時補充學科前沿知識和行業發展技術動態，但缺乏新知識新技術與課程知識點的有機融合。教學過程中重理論輕實踐、教師講授多學生參與討論少、缺少內燃機臺架現場教學的問題仍然存在。學生對於布置的微課視頻和輔導資料等重視不夠，往往直接忽略或很少學習，更不用說去檢索相關論文。受限於課程學時數不足，授課範圍集中在知識重點和難點，內燃機結構和一般概念講解較少。問題式教學法可有效針對上述問題，改善翻轉課堂教學中的不足。
2.教學實踐對象
新型教學模式實踐對象選取武漢理工大學能源與動力工程學院2016級能源與動力工程專業三年級某班級學生。該班有學生30人，共分為5個學習小組，每組6人。該班學生前期已經參與過翻轉課堂課程學習，表現出較強的自主學習能力和團隊合作精神。同時，該班學生已經修完「內燃機學」先修課程如「工程熱力學」和「傳熱學」等，已具備基本的專業素養和專業基礎知識。任課教師有二十餘年教齡，主持國家級精品在線開放課程建設，承擔多期翻轉課堂和線上線下混合式教學，教學經驗豐富，業務能力強。
3.教學實踐過程
新型教學模式下的備課就是備「問題」。在問題「類」的設計方面，課前微課視頻中添加的針對性練習可安排知識了解類的問題，課中討論可設置分析推理類的問題，而課後拓展訓練則可提出創新突破類的問題等。另外，各問題創設的情景、難易程度以及如何絲絲相扣等都必須圍繞課程學習的高階性、創新性和挑戰度「兩性一度」的目標達成。以「內燃機學」課程「第六章 內燃機的燃料」中的知識點 「汽油、柴油理化特性及其對內燃機工作模式的影響」教學為例，介紹問題式教學法的翻轉課堂教學模式在課前、課中及課後的教學流程，見表1。
表1 新型教學模式下教學實踐中的具體教學流程
教學設計中，首先在課前要明確教學目標，教師在導學階段重點引導學生多問「為什麼」，如為什麼要學習汽油、柴油的理化特性？教師就可以從以下四個方面去引導：( 1 ) 燃料理化特性決定了內燃機混合氣形成方式、著火方式和負荷調節模式，進而影響內燃機性能如指示熱效率η it，過量空氣係數фa，充量係數фc等；（2）燃料熱值Hu ( 或混合氣熱值Hum )，既是內燃機原理的基礎之一 ( 熱能與功之間的轉換 )，也是影響動力性和經濟性「量」環節的主要因素之一 ( 熱化學 )；( 3 ) 工質的熱力參數 ( 如比熱容cv與cp，高溫熱分解，工質分子變化係數μ 和過量空氣係數фa ) 對循環熱效率ηt有重要影響，是決定內燃機動力性、經濟性「質」環節的重要因素；( 4 ) 燃油組分 ( 燃料碳氫比C/H，硫含量S%，是否含氧O等 ) 對燃燒和排放有重要影響，是內燃機能否滿足嚴格排放法規的關鍵環節之一。在設計該知識點相關的問題時，要注重問題本身的開放性和可操作性。通過跟蹤各小組課前自學進展，及時了解各小組學生主要觀點、思考方式和角度，鼓勵學生發散性思維，表揚勤於思考的同學。
其次在課中，教師要認真聽取各小組代表的課前學習情況匯報，並點評任務完成情況、回答學生疑問、讚揚學習成果、指出不足等，還可以對討論細節、學情報告、PPT製作、演講與口才等進行指導，以全面提升學生綜合素質與能力。課堂上教師要鼓勵敢於提問、勇於發表意見的學生，鼓勵學生批判性思維；同時採用反問和追問的方式，注重引導學生發散性思維，學會舉一反三。如針對汽油、柴油理化特性對內燃機工作模式的影響問題，可進行如下反問、追問：( 1 ) 汽油能否被壓燃、柴油能否被點燃？( 2 ) 著火方式上，為什麼柴油機用壓燃而汽油機用點燃？( 3 ) 從燃燒學理論上分析，可否將汽油機和柴油機的優勢互補？( 4 ) 如果柴油機誤加入了汽油，或者汽油機誤加入了柴油，後果將會如何？( 5 ) 如果在同一臺內燃機上同時使用汽油和柴油，則可將兩者的優點結合起來，實現更高效和清潔的內燃機燃燒模式；請設計兩種可將汽油、柴油 ( 雙燃料 ) 同時應用到內燃機的方法。
在課後的3天內，學生在網絡教學平臺上完成自我評價和反思、組內和組間同學互評以及對老師教學進行評價，完成課外鞏固性練習和拓展訓練等。同樣，教師對學生進行評價、完成教學反思及後期教學設計優化等工作。
通過本知識點的學習，學生不僅理解了「汽油、柴油理化特性及其對內燃機工作模式的影響」，還在此基礎上進一步拓寬視野。一方面，燃料特性與內燃機混合氣形成與燃燒室設計、燃燒過程組織、汙染物排放、燃油經濟性、電子控制、使用特性等均有直接關係；同時，燃油品質和內燃機技術是不可分割、緊密聯繫。另一方面，燃油品質規範的協調統一是未來所面臨的一個挑戰，它將有助於在全世界更廣的範圍內採用更先進的內燃機技術；因而燃油品質關係到社會的經濟和環保：燃油消耗、車輛排放、人體健康和生態環境等的可持續性。
4.教學實踐效果
在教學效果評價中，建立怎樣的質量指標體系、有哪些評價內容，至今還沒有統一的公認標準。目前許多教育專家是從教育評價模式出發來建立教學質量評價體系，評價內容包括對教學目標、教學內容、教學方法、教學結構、教學技能、教學效果等方面的評價。本文採用課堂聽課觀察、問卷調查、訪談和試題測試等方式對教學效果進行評分，每一項評價項目以100分為滿分。參與評價的學生30人、同行教師5人、督導2人，評價結果見表2。
表2 基於問題式教學法的翻轉課堂教學效果評價得分表
從表2的教學質量評價得分可以看出，通過一學期的「內燃機學」課程教學實踐應用，學生、同行教師和督導對問題式教學法融合翻轉課堂教學的教學模式給予很高的評價。該教學模式可顯著提升課堂教學的高階性、創新性和挑戰度，能很好達成教學目標並提高了教學質量。
5.不足與展望
基於問題式教學法的翻轉課堂教學模式在教學實踐過程中也暴露出一些不足：
( 1 ) 教學結構設計難平衡。翻轉課堂上的匯報、交流討論等環節掌控不佳就會拖延，問題式教學法在提問和回答過程中有思考和反覆，因而該教學模式所需的課時較多，而「內燃機學」課程知識點多、零散，排課課時有限；同時也不能排除個別學生課前準備不充分等因素，導致上課進度偏快，討論不夠充分，影響了教學效果。
( 2 ) 教師技能尚不能完全適應該模式教學要求。組織高效的翻轉課堂，需要教師對教學流程有非常高的掌控能力和隨機應變處理突發事件的能力。為課堂翻轉而準備的微課視頻和其他教學輔助學習資料，為問題式教學法的高效實施而準備的高質量「問題」素材等，都需要教師要花費更多的時間和精力，也考驗教師的業務能力和專業水平。
( 3 ) 持續採用該模式進行教學，教學效果面臨挑戰。翻轉課堂需要教師和學生在課前花費大量的時間和精力來準備，課中的問題式教學法需要學生和老師「鬥智鬥勇」，課後的評價、反思與鞏固性練習也會增加師生「負擔」。「內燃機學」課程72學時全部採用該模式教學，在後期教學過程中發現學生的新鮮感、主動性和積極性有所減弱，教學效果備受考驗，需要教師調整考核方式和嘗試新的教學方法。
六、結語
翻轉課堂教學模式從西方發達國家引入我國高等教育，其教學結構與教學流程是對傳統課堂的徹底顛覆。以學生為中心的教學理念，把學習的掌控權還給學生，這對學生的自學能力、學習自覺性、交流溝通能力和團隊合作精神等提出了挑戰。「基於問題式教學法的翻轉課堂教學」通過「問題」來組織高效課堂，通過課堂的翻轉，可有效提高學生的自主學習能力和團結協作能力，提升學生發現、分析並解決問題的工程實踐能力和創新思維，有利於養成勤於思考、善於思辨的學習習慣。
( 1 ) 傳統教育的弊病在於對所有學生搞「一刀切」，不僅教學如此，考試更是如此，這就使得很多成績一般的學生只能在班級中「跟著跑」，而不能按照自己的學習能力和認知水平制訂符合自己情況的學習計劃。基於問題式教學法的翻轉課堂教學模式可以真正做到因材施教，有助於學生自主學習、協作學習、分析和解決問題能力提高以及創新思維形成等，實現課程教學高階性、創新性和挑戰度的達成。
( 2 ) 在翻轉課堂教學中，通過教師的引導和答疑來檢查學習效果。教師的角色並沒有淡化，相反還在某種程度上有所加強。在翻轉課堂中，需要老師利用設問、反問以及對學生之間的討論和完成作業、項目等諸多情況來分析和把握學生的學習效果。與傳統的教學模式相比，老師從主動變為被動，從主導變為引導，這些對老師自身的職業素質和業務能力提出更高的要求，反過來也可促進教師的教書育人水平和能力的提升。
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