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1. 引言

当前，我国在国际竞争中面临的关键核心技术“卡脖子”问题，凸显了高端制造和核心零部件自主研发能力的不足。为突破这一困境，国家自2020年起实施“强基计划”，旨在选拔培养服务国家重大战略需求的基础学科拔尖人才，聚焦高端芯片、智能科技、新材料等关键领域，以提升产业链的自主可控性和国际竞争力。

物理教育作为认识世界本质的基础学科，对培养理工科学生的科学思维和创新能力至关重要。然而，当前高校物理教育仍存在学生基础薄弱、教学内容滞后、实践资源不足等问题，亟需通过课程优化和方法创新加以改进。

PBL（Problem-Based Learning）作为一种以学生为中心、问题为导向的教学模式，通过激发学习兴趣、引导自主探究和跨学科整合，显著提升了学生的实践能力、团队合作和科学素养。其优势与STEM教育目标高度契合，已成为现代教育改革的重要方向。

本研究基于建构主义理论，以材料类专业160名学生为样本，通过混合研究方法实证分析PBL在物理教学中的应用效果，旨在为教学改革提供数据支持，助力国家战略人才培养。

2. 研究过程

2.1 理论基础

本研究以建构主义学习理论为框架，该理论强调学习是学习者主动建构知识的过程。PBL（Problem-Based Learning）模式与这一理论高度契合：通过真实问题情境激发学生主动探索，促进跨学科知识整合与迁移能力发展。在STEM教育中，PBL的循证教学特性（数据驱动、假设验证）能有效培养科学思维，其系统性设计（目标-过程-评价闭环）可动态优化教学效果，实现知识建构与能力提升的双重目标。

2.2 研究设计

采用准实验设计，以《大学物理》课程为载体，选取160名材料类专业本科生，随机分为实验组（PBL教学，n=80）和对照组（传统教学，n=80）。实验组实施阶梯式PBL项目。

初阶项目： 校内"揭榜领题"活动（如"地球质量测量"），通过趣味性任务培养基础实践能力；

进阶项目：国家级竞赛（如"酒精浓度非接触测量"），提升复杂问题解决与创新能力。

评价体系采用三维数据矩阵，采用量化数据（期末成绩、竞赛获奖率等）、质性数据（半结构化访谈、课堂观察日志）和过程性数据（包括但不限于项目文档、反思报告）进行综合评价。

2.3 实施与分析方法

项目设计共分三阶段（启动-实施-跟进），任务难度递进式变化（见表1），并充分利用夏季学期集中开展进阶项目，强化深度实践。

数据的收集主要采用SPSS分析成绩差异（独立样本t检验、回归分析），NVivo编码提取主题（如"学习动机""团队协作"）和内容分析法评估学生成长轨迹。

4. 结果与讨论

研究结果显示，PBL教学模式对学生的学术表现和综合能力产生了显著而多维度的积极影响。

在学业成绩方面，实验组学生的物理平均分从76分提升至85分，显著高于对照组的3分增幅（75→78），这一量化数据印证了PBL在知识内化方面的优势。更令人鼓舞的是，在第十一届全国大学生光电设计竞赛中，接受PBL训练的实验组学生展现出更强的实践创新能力，其33%的获奖率（3/6组）远超对照组。通过深度访谈发现，这种提升不仅体现在分数上，更反映在学生的学习态度转变中。"PBL让我第一次感受到物理公式背后的真实世界，"一位学生的感言颇具代表性，"当我们需要为测量地球质量设计实验时，课本上的万有引力定律突然变得生动起来。"观察日志则记录了实验组学生独特的协作场景：在实验室里，他们自发形成讨论小组，用手机查阅文献，在白板上激烈争论数据处理方法，这种主动建构知识的过程正是建构主义理论的最佳实践。项目文档分析进一步揭示，实验组学生的实验报告不仅数据翔实，更能体现批判性思维，如有小组在测量酒精浓度时，主动对比了三种光学方法的误差来源，这种深度探究在传统教学中较为罕见。这些质性证据共同表明，PBL通过真实问题情境，有效激发了学生的内在动机，促使他们将知识转化为解决复杂问题的能力，这种影响远比成绩提升本身更为深远。

值得注意的是，这种教学模式的影响具有持续性，后续跟踪显示，参与过PBL的学生在后续专业课程中仍保持着更高的课堂参与度和跨学科思维习惯，这为STEM教育中长效育人机制的构建提供了重要启示。

5. 展望与建议

PBL教学模式通过真实项目情境，不仅显著提升了学生的学业表现，更重要的是培养了其核心素养——从自主探究能力到团队协作精神，这种"知识-能力-素养"的协同发展，为应对未来复杂职业挑战奠定了坚实基础。尤其在理工科教育中，PBL的跨学科特性（如将光学原理应用于酒精浓度测量）有效弥合了理论教学与工程实践之间的鸿沟，这种"做中学"的转化能力正是新工科人才培养的关键。

未来研究可沿三个方向深化：

（1）广度拓展：探索PBL在人文社科等领域的适应性，构建差异化实施框架；

（2）技术融合：结合VR/AR技术开发沉浸式项目（如虚拟物理实验室），提升学习体验；

（3）国际对标：通过国际竞赛（如国际大学生物理学术竞赛）检验培养成效，吸收全球先进经验。

对教学实践的一点建议：

首先建立"双师型"教师培训体系，重点强化项目设计、跨学科指导能力，贯彻师资赋能；其次进行课程重构，在专业核心课中设置"PBL课程群"，形成"基础-综合-创新"三阶项目链；最后在资源保障方面设立专项基金支持耗材密集型项目（如光电实验），建设开放共享的PBL数字案例库等。

教育创新是国家战略科技力量培育的重要支点。随着PBL在评价体系、校企协同等方面的持续优化，这种模式有望成为破解"卡脖子"难题背后人才瓶颈的关键路径——它培养的不仅是问题的解决者，更是未来技术的定义者。

本研究得到了[中原工学院教学改革研究与实践项目]（基金号：2023ZGJGLX036，2023ZGJGLX081）的资助，为研究工作的顺利开展提供了有力支持，特此致以衷心的感谢。

作者简介：

张牛，男，（1981）汉族，河南省郑州市人，博士研究生毕业，副教授，主要研究负热膨胀材料的热缩机理及光电性能调控等。

王庭太，（1976，10），男，汉族，籍贯河南省内乡县，副教授，博士，研究方向：粒子物理与原子核物理

刘生满，（1972，8），男，汉族，籍贯甘肃兰州，副教授，博士，研究方向：凝聚态物理