基于问题驱动学习法的《工程材料》教学改革与实践研究

1 引言

《工程材料》是土木工程专业的一门核心课程，涵盖了建筑材料的基本性能、应用方法以及工程实践中的优化技术等内容。这门课程既强调基础理论，又要求学生掌握解决实际工程问题的能力。然而，传统教学模式中以教师为中心的授课方式存在诸多问题：学生学习被动、工程思维能力不足、课堂参与度较低，难以满足现代工程教育对创新能力和实践能力的高要求。因此，对该课程进行教学改革势在必行。

问题驱动学习法（Problem-Based Learning, PBL）是一种以学生为中心的教学模式，强调通过实际问题引导学生自主学习、团队协作和知识应用能力的培养[1]。PBL 自提出以来，已被广泛应用于医学、法学、工程等多个领域，并在提高学生实践能力和创新意识方面表现出显著效果。例如，Barrett[2] 指出，PBL 通过“真实世界问题”的引入，能够显著提高学生的批判性思维能力和解决问题的能力。在工程教育中，PBL 已被证明对增强学生的跨学科能力和实践能力具有积极作用[3]。

在土木工程教育中，PBL 的应用研究逐渐增多。曲广雷等人在《工程材料》课程中引入了“雨课堂 +PBL”模式，通过在线教学工具结合问题驱动，发现该模式有助于提高学生的理论理解和案例分析能力，同时增强了学生的满意度 [4]。此外，叶荔辉在基于 STEM 教育理念的 PBL 模式研究中指出，PBL 能够有效提升学生的工程创新素养和实践能力，为课程教学设计提供了重要参考 [5]。然而，目前针对《工程材料》课程的 PBL 教学研究尚不充分，尤其在课程内容系统化设计和教学效果评估方面仍需探索。

本文旨在通过将 PBL 模式引入《工程材料》课程，探索其在教学设计、实施方法以及效果评估中的应用路径。研究将以真实工程问题为载体，结合小组协作和教师指导，逐步实现学生从知识掌握到综合能力提升的目标。本文不仅期望为《工程材料》课程的教学改革提供实践依据，也希望为其他工程类课程的教学创新提供参考。

2 问题驱动学习与课程教学现状

问题驱动学习法（Problem-Based Learning, PBL）是一种以学生为中心的教学方法，其核心理念是通过引导学生解决真实问题来促进知识学习和能力发展。Barrows 和 Tamblyn[1] 首次提出这一教学模式，并成功应用于医学教育领域。他们认为，PBL 的关键在于通过复杂、开放性的问题情境激发学生的学习兴趣，使学生在自主探索中掌握知识。PBL 教学模式包括问题情境设计、小组协作学习、教师指导与学习成果评价四个核心环节[6]。

在工程教育中，PBL 被认为是应对传统教学不足的有效工具。Kolmos 等 [3]指出，PBL 能够有效培养学生的批判性思维、团队协作能力以及解决复杂工程问题的能力，这与工程教育的目标高度契合。相比于传统以知识传授为主的教学方法，PBL 更加关注学习过程中的实践性和应用性，这种特性使其在土木工程等应用学科中具有广泛的适用性。

《工程材料》是土木工程专业的核心课程之一，涉及材料的基本性质、工程应用及性能优化等内容，具有理论与实践相结合的显著特点。然而，当前传统教学模式存在知识传授方式单一、实践与理论脱节、学生综合能力培养不足等问题。

将问题驱动学习法（PBL）应用在《工程材料》课程中，可以激发学生的学习兴趣 [4]、提升学生的综合能力、增强学生对新技术的应用能力 [7]、同时可以满足行业需求与课程改革的趋势、并提供灵活多样的评价方式。

3 教学改革设计

基于问题驱动学习法（PBL）的核心理念，《工程材料》课程的教学改革以实际工程问题为中心，结合课程内容特点与教学目标，设计以学生为主体、以问题解决为主线的学习活动。Jonassen[8] 指出，PBL 的教学设计需要从问题情境入手，通过真实、复杂的问题引导学生整合知识并解决问题。因此，在《工程材料》课程中，教学设计应注重以下方面：

（1）问题情境的真实性与多样性。问题应与实际工程应用密切相关，例如能混凝土的优化设计、钢材腐蚀防护策略等。

（2）教学活动的过程性与系统性。通过分阶段的问题提出、小组讨论、实验验证、方案优化等环节，引导学生完成从理论到实践的学习过程。

（3）学生自主学习与团队协作的融合。通过小组形式增强学生的沟通能力与团队意识。

问题情境的设计是 PBL 教学的关键环节。Hmelo-Silver[6] 指出，问题应具有开放性和挑战性，以激发学生的探索欲望。针对《工程材料》课程，可以设计如下问题情境：如何通过混凝土配比优化提高建筑物的抗冻性能？钢筋混凝土中的钢材如何防止腐蚀以延长结构寿命？在地震多发地区，如何选择轻质高强材料以提高建筑抗震性能？

PBL 教学分为以下几个主要环节：问题导入：教师通过案例引出问题，提供相关背景信息，引导学生分析问题需求；小组学习：学生以小组为单位讨论问题，分工合作，制定解决方案并开展实验验证；成果展示与反馈：学生汇报解决方案，教师点评并给予改进建议，鼓励创新性思维。

在PBL 教学中，教师不再是知识的灌输者，而是学习的引导者与支持者[3]。教师通过提问、引导和适时干预，帮助学生发现问题中的关键点并拓展解决思路。例如，在材料性能优化问题中，教师可以引导学生结合工程规范与实验数据分析材料性能的优缺点。

4 教学效果评价

教学效果评价是检验教学改革成效的关键环节。在基于问题驱动学习法（PBL）的教学模式中，评价不仅是对学生学习成果的检测，更是对教学设计合理性和实施效果的反馈[6]。通过科学的评价体系，可以全面分析PBL 在《工程材料》课程中对学生学习兴趣、知识掌握程度以及实践能力提升的影响，为进一步优化教学提供依据。

结合《工程材料》课程特点和 PBL 教学模式，本研究设计了一套多维度的教学效果评价体系，包括以下四个核心指标：

（1）学习兴趣与主动性

学生学习兴趣的提升是 PBL 教学的一大目标。Barrett 指出，PBL 模式通过引入真实问题情境能够显著激发学生的学习动机。对此，可通过问卷调查与课堂参与度观察进行评价。指标包括学生对课程内容的兴趣变化、自主学习时间的增加等。

（2）知识掌握与应用能力

PBL 强调知识的实际应用，因此需要考查学生在实际工程问题中的知识迁移与运用能力 [8]。评价方式包括课程考核（如开卷问题解决考试）、项目作品评分以及课堂报告表现。

（3）实践能力与创新思维

实验与项目是PBL教学的重要环节。学生在问题解决过程中需设计实验方案、分析实验数据并提出创新解决方案。通过分析学生实验报告的质量与团队创新性的体现，可以评价其实践能力与创新能力的提升。

（4）团队协作与沟通能力

团队协作是 PBL 教学的核心特点之一。通过小组项目中的分工协作表现，以及学生之间的沟通能力和团队目标达成情况，评估其在协作与沟通方面的进步[3]。

在教学改革实践中，通过比较传统教学与 PBL 模式的效果，可以发现：学生课堂参与度与问卷调查显示，PBL 显著提升了学生对《工程材料》课程的兴趣。项目考核结果表明，学生在实际问题解决中的知识运用能力有明显提高。团队实验报告分析显示，大部分学生能够通过小组合作完成复杂问题的解决，并展现出较强的创新思维。然而，部分学生在适应 PBL 模式的初期表现出学习负担加重的困惑，需要教师进一步完善教学指导策略。

5 结语

通过在《工程材料》课程中实施基于问题驱动学习法（PBL）的教学改革，验证了该方法在提高学生学习兴趣、实践能力、创新思维及团队协作能力方面的显著效果。改革突破了传统教学模式中以知识传授为中心的局限性，增强了课程的应用性和工程实践性，学生对材料性能分析与优化设计的理解更加深入。

然而，实践过程中也发现了一些挑战，如部分学生在适应 PBL 模式时存在一定困难，教学资源的配置尚需进一步完善。因此，建议未来加强教师的引导作用，通过分层教学满足学生个性化需求，同时引入虚拟仿真实验平台等数字化工具，优化资源利用效率。此外，可将 PBL 与其他创新教学方法结合，进一步提升课程教学质量，为培养具有创新精神和实践能力的工程人才奠定基础。

参考文献

[1] BAR R O W S H S, T AMBLY N R M. Problem- based learning: An approach to medical education: 卷 1[M]. Springer Publishing Company, 1980.

[2] BAR R ET T T . T he problem‐based learning process as finding and being in flow[J]. Innovations in Education and T eaching international, 2010, 47(2): 165- 174.

[3] KOLMOS A, DE GR AAFF E. Problem- based and project- based learning in engineering education: Merging models[M]//C ambridge handbook of engineering education research. Cambridge University Press, 2014: 141- 161.

[4] 曲广雷, 仲玉侠, 常广利, 等. 基于“ 雨课堂 + PBL” 的“ 土木工程材料”课程教学改革与实践研究 [J]. 科技与创新 , 2021(15): 162- 163. DOI:10.15913/j.cnki.kjycx.2021.15.072.

[5] 叶荔辉 . 基于 ST EM 教育理念的 PBL 教学模式设计与实践研究 [J]. 电化教育研究 , 2022, 43(2): 95- 101.

[6] HMELO- SILV ER C E. Problem- based learning: W hat and how do students learn?[J]. Educational psychology review, 2004, 16: 235- 266.

[7] 马玉彬 , 刘红波 , 李彦苍 . 基于 BIM 技术的土木工程专业数字化教学改革探索 [J]. 教育教学论坛 , 2023(46): 89- 92.

[8] JONASSEN D. Supporting Problem Solving in PBL. Interdisciplinary Journal of Problem- based Learning[J]. 2011.

作者简介：

廖高宇（1991- ），男（汉族），人，博士，任职于讲师，研究方向：土木工程材料

南湖学院 2025 年度院级教学改革研究项目，项目名称：《工程材料》课程中创新实验设计与学生科研能力培养研究。