1. 引言
《大学物理》是为我校机械电子工程和资源循环科学与工程等16个本科专业开设的学科基础课程。通过本课程的学习，学生不仅可以掌握学习专业课程所需的物理学知识，还能够深入了解物理学的基本概念和研究方法，全面提升自身的科学素养。根据山东农业工程学院的办学特色，大学物理课程进一步融入与现代农业相关的元素，激发学生的“大国三农”情怀，更好地为农业现代化服务，培养具备卓越社会适应能力和竞争力的高素质人才。
传统的教学模式，教师普遍采用“填鸭式”的教学方法，这种教学方法以教师为中心，导致学生在学习过程中过于被动，缺乏学习的主动性，不仅无法激发学生的学习兴趣和积极性，甚至可能导致学生产生厌学情绪。学生由于学习的积极性不高，对新知识缺乏主动思考和探索的过程，不能做到真正理解，从而对物理知识的综合运用能力不足，很难把知识融入日常生活解决实际问题。因此，我们需要探索更有效的教学方法，激发学生内在动力，提高学生自信心和学习效果。
“问题牵引法”改变传统的教学模式，通过教师引导，促使学生主动思考和探索问题，使学生成为学习的主体，该方法在传输知识的同时更注重学生学习能力的培养，问题牵引法结合实际应用实例展开讨论，不仅可以有效提高学生的学习效果，还有助于提高学生在未来工作生活中分析和解决各类问题的综合素质。
下面我们以“加速度”为例，探究问题牵引法在大学物理课堂的具体应用。
2. “问题牵引法”
古希腊的哲学家苏格拉底被誉为西方哲学史上的巨匠，他对于“问题”一词的提出，在教育领域产生深远的影响[1]。苏格拉底坚信：“最有效的教育方法不是告诉他们答案，而是向他们提问”，他把问题看作是智慧的源泉和思维的动力，认为学生只有通过思考，才能获得真正的知识。20世纪50年代，美国著名教育学家、心理学家杰罗姆·布鲁纳提出了问题牵引式教学方法，并广泛应用于科学实践。2016年4月，在上海市举办的马克思主义经典著作选读研修班上，上海市委党校大胆改革了传统的教学方法，首次尝试用“问题牵引教学法”引导学员研读经典著作。目前，问题牵引法已经成为高等院校各学科课堂教学普遍采用的重要教学方法[2]-[4]。问题牵引法帮助学生主动建构知识，促进学生完成“信息输入–知识重构–迁移应用”的深度学习闭环。实证研究表明，相比于传统讲授式教学，该方法不仅能提升学生学习主动性和课堂参与度，更重要的是通过质疑–探究–反思的认知循环，培养了学生的高阶思维能力，特别适用于理工科课程，或者跨学科注重综合能力培养的课程。
在“问题牵引法”教学中，教师会根据教学内容和学生的实际情况，设计出具有挑战性和启发性的问题，以问题或者任务为导向[5]，引导学生进行思考和讨论，让学生在学习过程中主动发现和解决问题，获得自主学习、独立思考和解决实际问题的能力。问题牵引法的教学过程通常包括以下几个步骤：提出问题，自主学习，小组讨论，课堂讲解，总结和反思。
好的问题是开启智慧之门和未知世界的钥匙，如何合理地设置问题是问题牵引法的关键[6]。课前，学生应充分利用教师在教学平台上发布的线上学习资料，并完成学习资料中设置的问题，以做好课前预习和准备。课中，教师通过课堂提问激发学生的求知欲和学习兴趣。在新课导入环节抛出问题，吸引学生的注意力，帮助学生专注于即将学习的新内容，培养学生问题意识。在新课讲授过程中，教师通过启发设问，引导学生主动发现和解决问题，提高学生参与度，激发学生强烈的思考和讨论，在思维的碰撞中寻找解决问题的办法，通过问题解决强化基础知识。在课后思考部分，通过设置生动有趣或者生活应用型、学术前沿型的开放性问题，让学生能够学以致用，并提升他们科技创新的能力。
为了帮助学生建立新旧知识的联系，感受大自然和谐统一的魅力，对于大学物理中相似的物理知识，我们经常采用类比法进行讲解[7]。例如，在学习“加速度”一节时，学生已经掌握了描述质点运动状态的一些物理量，比如位置矢量，位移和速度等，对向量的性质和运算也有了较好的把握。首先，带领学生一起回顾速度相关内容，然后类比速度的概念引导学生给加速度下定义，加深学生对加速度概念的理解。下面以“加速度”为例，呈现问题牵引法的教学过程。
3. 分析教学内容
加速度是大学物理力学部分的重要内容，加速度的学习起到承上启下的作用，为接下来圆周运动的学习奠定了基础。本节主要讲述加速度的定义，加速度的瞬时性和矢量性，质点运动的加速度与速度、运动方程之间的关系等内容。其中，理解加速度的概念，掌握加速度是描述速度变化快慢的物理量，等于速度对时间的一阶导数，理解加速度的瞬时性和矢量性是本节课的学习重点。学生在学习本节课之前已经学会了如何选择参考系、建立坐标系，用位置矢量、位移和速度等物理量来描述质点的运动状态，这为本节课加速度概念的学习起到了铺垫作用。学生能够通过比较、类比等学习方法给出加速度的定义。本节课学习的难点是质点运动的加速度与速度、运动方程之间关系的理解，如何利用已知质点的运动方程求质点在任一时刻的速度和加速度，教师可以通过导数和积分的联系作为切入点，从而方便学生理解。
在充分分析教学内容之后，结合理科类专业人才培养目标和学生个性化发展的需求，我们确立了知识、能力和素养三维教学目标。知识目标为掌握加速度的物理概念，理解加速度的矢量性、瞬时性。能力目标为能用加速度求解具体问题。德育目标为学习运动员奋勇拼搏、为国争光的精神，厚植家国情怀，号召学生关注农业生产，将更多的物理知识广泛的应用到农业生产中去。
为了使学生能够深入理解加速度的概念，了解物理原理在农业领域中的应用价值，为农业发展培养高素质应用型人才，我们精心设计了与农业工程相关联的应用案例进行知识拓展，并且在例题的选择上，综合考虑学生的实际水平和接受能力，我们选择了既贴切生活又能锻炼学生逻辑思维能力的题目，这样既激发了学生的学习兴趣，又能提高他们的综合应用能力。
4. 教学过程设计
问题牵引法教学过程分为三个阶段，分别为课前准备、课中实施、课后提升。本节课借助现代先进技术手段，借助学习通教学平台，结合线上线下混合式教学开展教学。问题牵引法教学过程流程图，如图1所示：
(一) 课前准备
教师借助学习通教学平台向学生发布课前学习资料，让学生观看智慧树“物理学的基本原理与应用”课程，预习本节课的内容，同时完成对应的测试题。教师根据学生自测题完成情况及时发现学生学习难点，寻找难点突破口，并对教学设计方案做出相应调整，有针对性的开展教学。通过线上线下结合的教学方法，培养学生自学能力，提高教学效率[8]。
Figure 1. Diagram of the teaching process of problem-driven approach
图1. 问题牵引法教学流程
(二) 课中实施
改变传统的教学模式，以学生为中心，更多地关注学生对知识的理解和应用能力，通过设定问题引发学生主动思考，激发学生学习兴趣，提高学生分析问题、解决问题的能力，并设置小组讨论，启发性教学，提高学生课堂参与度，提高学习效果。
4.1. 问题导入
新课开始，围绕加速度内容设置生活中常见的且难度适宜的问题，进行启发式教学，教师向学生介绍草坪上或农田灌溉常用的旋转式洒水器，学生仔细观察洒水器喷头并提出问题，“为什么草坪上或农田灌溉用的旋转式洒水器，喷头上小孔多而且分布不均匀？为了保证周围的草坪可以被均匀喷洒，在设计喷头时应当注意什么问题？”由此激发学生强烈的科学探索欲望和学习兴趣，培养学生创造性思维。
4.2. 引导学生思考基本理论问题
教师在理论知识的讲解部分不断地提出问题，使学生在思考和解决问题的过程中内化物理知识，通过回顾速度的物理概念，提出问题，“怎么描述质点速度变化的快慢？”在速度和加速度的类比中，学习加速度。平均加速度对应一段时间速度变化的快慢，当时间间隔不断缩小，趋于零时就有了瞬时加速度，利用“极限”的思想引入瞬时加速度，在学习瞬时加速度的同时介绍加速度的瞬时性和矢量性，在介绍加速度的矢量性提出问题“对于直线运动，加速度的方向和速度的方向有什么关系？”，在讲解瞬时性时穿插介绍跑车“爆炸性”的加速度，提升学生交通安全意识，之后让学生思考，“怎么区分平均加速度和瞬时加速度？”激发学生思考和讨论，之后继续提出问题，“能不能利用加速度解决实际问题？方法是什么？举例说明。”教师和学生一起总结质点运动学的两类基本问题，进一步提出问题“怎么推导匀变速直线运动方程，速度和加速度之间的关系式？”一个个问题层层递进，不仅帮助学生掌握了加速度物理概念，也锻炼了学生分析问题的能力。
4.3. 解决旋转式洒水器喷头设计问题
学生运用匀变速直线运动的运动方程求解题目：“一直立雨伞张开后，其边缘圆周半径为R，离地面的高度为h，当伞绕伞柄以匀角速ω旋转时，求水滴沿边缘飞出后落在地面的半径。”教师指出雨伞绕伞柄旋转，雨滴从伞的边缘飞出和洒水器喷头洒水的相似之处，引导学生由此构想出旋转式洒水器的设计方案。
4.4. 解决生产生活中的实际问题
加速度和现实生活紧密联系，教师从生活和生产中提炼物理问题，让学生根据加速度相关知识，通过小组讨论或者独立思考解决问题，真正做到学以致用，体会加速度在生活中的实际应用价值。众所周知，航空母舰在海上作战中具有非常重要的作用，“辽宁舰”作为中国第一艘航空母舰，圆了我们的航母梦，“辽宁舰”舰载机在发射之前，要经过一段加速时间，加速滑行，当速度达到一定值之后才会腾空而起，但是供舰载机滑行的甲板的长度是有限的，以此为例，提出问题“如果给定舰载机离地起飞时的速度以及滑行的加速度，不考虑‘辽宁舰’安装弹射系统，甲板的长度应设计多长？”。
除了航空航天，加速度在体育运动中的应用也非常广泛，比如跳台滑雪项目，运动员借助滑道高速滑行，一跃而起，就是利用加速度。此外，有着“亚洲飞人”之称的苏炳添也对起跑阶段的加速度做过详细研究。通过这两个实例，让学生意识到运动员们对我们国家的体育运动做出的巨大贡献，并学习他们身上体现的勤学苦练、顽强拼搏的新时代女排精神。把物理知识联系实际问题，让学习变得生动有趣，学生也变得会学和乐学。
4.5. 应用拓展
针对我校“农工融合”的办学特色，结合加速度在农业自动化生产中的应用拓展，号召学生关注农业生产，将更多的物理知识广泛的应用到农业生产中去。
例如，加速度可以用于设计土壤定位器和植保无人机。土壤定位器是一种GPS卫星信号接收装置，该设备自带数据加工计算机和监视器屏，安装在田间的专用自走式机器上，可以完成高效、精确的施肥和喷药等作业。植保无人机是农林植物保护作业的无人驾驶飞机，具有高速离心喷头设计，通过地面遥控或导航飞控，能实现喷洒作业，可以喷洒种子、药剂、粉剂等。
4.6. 学习通辅助教学测评
教师课堂上利用学习通发布随堂练习和主题讨论，通过学生在线作答情况及时发现教学过程中存在的问题，检查学生对加速度物理概念，其矢量性、瞬时性，等知识点的掌握情况。同时，也可以借助学习通讨论、聊天等功能，组织全班同学加入同一个讨论组，学生可以在讨论组里发表个人看法，回答问题，与老师和同学进行课堂互动，分享自己的学习心得。
4.7. 课后提升
教师通过学习通平台发布课后作业，并组织学生完成学生自评和小组互评，提升课堂教学质量。课后作业除了设置相对简单的客观题考查学生对基础概念的理解，还要设置一些高阶性的具有挑战性的问题，鼓励具有较高物理水平和对物理研究感兴趣的同学独立完成或通过小组讨论的方式共同完成。例如“汽车在拐弯时，能够保证不侧翻的最高车速怎么计算？”和“如何设计实验测量物理下落的重力加速度？”挑战性的问题可以让学生经历头脑风暴，培养学生创新性思维能力和综合应用能力，提高学生自信心和满足感。
5. 过程性评价方案
为了确保“问题牵引法”教学方法在教学过程中达到预期的效果，同时也为了督促学生高效学习，我们将学生平时成绩所占的比例增加到30%，以提高学生学习的积极性。平时成绩一共由四部分组成，每一部分所占的比重如图2所示。
采用多元化评价指标，线上学习主要对学生课前自主学习情况进行评分，总分100分，占平时成绩的5%，共5分，学生只有观看完整的视频并完成对应的自测题才能得到相对应的分数。课堂提问主要根据教师在课堂提问环节学生的作答情况进行给分，此环节可以借助学习通平台的“AI课堂分析”功能，自动记录学生发言时长、互动频率等行为数据，总分100分。小组讨论评定在小组讨论结束后，各小组指派一名成员为代表回答问题，老师通过“如何优化洒水器设计”等开放性问题的解决报告评价小组的逻辑严密性，并根据小组成员回答情况对整个小组的成绩进行评定，总分40分。小组讨论中设置角色分工如记录员、发言人，并在讨论后结合同伴表现互评打分，总分20分。小组长再根据每个成员在讨论过程中的表现给出每个组员的评分，总分20分。各小组对拓展性问题如“设计重力加速度测量实验”的解决方案进行创意评分，总分20分，四次分数加起来即小组讨论的总成绩。作业成绩由老师根据学生课后作用完成情况进行系统的评分，总分100分。
Figure 2. Diagram of the composition and weightage of continuous assessment
图2. 平时成绩组成及所占比例
6. “问题牵引法”教学方法评价和反思
好的问题犹如潭中投石，打破学生头脑里的平静，使学生思维变得更加活跃。在教学过程中如何设置合理的问题是十分重要的，教师必须不断积累经验，建立合理的问题体系，问题的设置既不能过于简单也不能太过复杂，可以适当设计一些开放性和探究性的问题，问题要注意由浅入深、由易到难，通过启发学生深入思考，提高学生学习效果。通过对学生期末成绩、课堂参与度如提问次数、讨论贡献等进行对比分析发现，采用问题牵引法的班级学生及格率和平均成绩均超过传统讲授法班级，借助问题牵引法多数学生基本掌握了核心知识点，并初步具备了应用物理知识解决实际问题的能力，达到了预期的课程目标。
7. 结论
文章以“加速度”一节为例介绍了“问题牵引法”在大学物理课程中的应用，给出了具体的教学流程。“问题牵引法”改变了传统的教学方法，通过层层递进、环环相扣的“问题链”极大地激发了学生的学习兴趣，体现了以学生为中心的教学理念。“问题牵引法”有问有答，不仅让学生掌握了物理知识体系，还通过问题解决，提高了学生解决问题和分析问题的能力，培养了学生综合应用能力。
基金项目
国家自然科学基金青年基金项目(No. 22206116)，山东省自然科学基金青年基金项目(No. ZR2022QB094)。
NOTES
*通讯作者。