物理學(xué)專業(yè)新生“金課”建設(shè)探索
——以“STEAM-物理學(xué)習(xí)的新思路”為例

陳 敏 翁雨燕 方 亮 高 雷

(蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215006)

2018年對于中國本科教育發(fā)展來說是具有里程碑意義的一年，這一年6月21日，教育部召開了新時代全國高等學(xué)校本科教育工作會議，陳寶生部長提出了本科教育要堅持“以本為本”，推進“四個回歸”，全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，并首次提出了要真正把“水課”變成有深度、有難度、有挑戰(zhàn)度的“金課”[1]。8月，“金課”這一概念被寫入了教育部《關(guān)于狠抓新時代全國高等學(xué)校本科教育工作會議精神落實的通知》中[2]。在隨后《教育部關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》中[3]，進一步提出了一流課程的“雙萬計劃”，由此全國高等本科教育范圍內(nèi)掀起了建設(shè)中國“金課”的熱潮。

1 物理學(xué)專業(yè)新生“金課”建設(shè)的必要性和要求

物理學(xué)是自然學(xué)科最重要的基礎(chǔ)學(xué)科之一，大學(xué)本科階段的物理學(xué)教學(xué)對于學(xué)生掌握基礎(chǔ)科學(xué)知識、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才都有著重要的意義。但近年來各地新高考方案的改革，特別是首次承擔(dān)改革試點的浙滬兩地，出現(xiàn)了嚴重的“物理之殤”。近7成考生棄考物理，不僅嚴重影響了高校對物理專業(yè)人才的培養(yǎng)，也對其他理工科專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)產(chǎn)生了負面作用[4]。此外，相當(dāng)一部分物理學(xué)專業(yè)新生對本專業(yè)沒有清楚的認知，缺乏了解物理學(xué)基本概念，學(xué)習(xí)方式還停留在中學(xué)高強度的刷題和以教師為主導(dǎo)的講授中，無法適應(yīng)大學(xué)以自主學(xué)習(xí)為主的學(xué)習(xí)模式，最終導(dǎo)致這部分新生對物理學(xué)專業(yè)認同度低，難以適應(yīng)專業(yè)學(xué)習(xí)。而在本科教育中，課程又是人才培養(yǎng)的核心要素，因此建設(shè)好物理學(xué)專業(yè)新生“金課”，不僅能激發(fā)新生對于物理的學(xué)習(xí)興趣，更是為接下來的專業(yè)學(xué)習(xí)奠定了良好的基礎(chǔ)。而在“金課”的建設(shè)要始終遵循“兩性一度”的原則，即高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度[5]?！案唠A性”是指知識能力素質(zhì)的有機融合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維?！皠?chuàng)新性”是指課程內(nèi)容應(yīng)反映前沿性和時代性，教學(xué)形式呈現(xiàn)先進性和互動性，學(xué)習(xí)結(jié)果具有探究性和個性化。“挑戰(zhàn)度”是指課程有一定難度，對老師的備課和學(xué)生課下學(xué)習(xí)都有著較高的要求。

蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院(以下簡稱蘇大物理學(xué)院)近年來在本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)上開展了探索和研究，通過實行進階式的創(chuàng)新能力培養(yǎng)過程，逐步形成了STEAM(科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)5個英文單詞首字母的縮寫)理念貫穿學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式[6]。特別是針對剛剛?cè)胄５男律?，通過打造“STEAM-物理學(xué)習(xí)的新思路”課程，實現(xiàn)課堂教學(xué)的“三個轉(zhuǎn)變”，即“以教為主”向“以學(xué)為主”轉(zhuǎn)變，“課堂為主”向“課內(nèi)外結(jié)合”轉(zhuǎn)變，“結(jié)果評價為主”向“結(jié)果和過程評價結(jié)合”轉(zhuǎn)變，從而激發(fā)學(xué)生對物理的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力的提高。

2 “STEAM-物理學(xué)習(xí)的新思路”的具體實施

在近幾年的教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)由于受到高考方案變化等客觀因素的影響，新生對物理學(xué)習(xí)的興趣有所下降。很多新生在中學(xué)階段已經(jīng)形成了被動“刷題”的物理學(xué)習(xí)方式，思維模式更是以“答案為導(dǎo)向”。而在大學(xué)學(xué)習(xí)中，學(xué)生不僅需要改變思維模式，提高科研素養(yǎng)和創(chuàng)新意識，同時也要培養(yǎng)團隊合作精神、交流溝通能力，達到綜合素質(zhì)全面發(fā)展的要求。在2016年以前，蘇大物理學(xué)院為新生開設(shè)“專業(yè)英語”這門課程，在閱讀經(jīng)典或前沿英文文獻的基礎(chǔ)上，通過小組討論、師生互問來激發(fā)學(xué)生對物理的學(xué)習(xí)興趣。但通過幾年的實施，我們發(fā)現(xiàn)效果不是非常理想，學(xué)生普遍反映還是一種被動式的教學(xué)，特別是在文獻閱讀過程中實際動手能力并沒有得到鍛煉。因此這對我們的新生課程改革提出了新的要求。從2016年起，蘇大物理學(xué)院在每年秋季學(xué)期為新生開設(shè)了“STEAM-物理學(xué)習(xí)的新思路”課程，該課程以“國際青年物理學(xué)家錦標賽”(IYPT)賽題為抓手[7]，通過完整課程體系設(shè)計，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主探究、自主評價，提高學(xué)生綜合運用所學(xué)知識分析和解決實際物理問題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維能力。IYPT 17道賽題都是貼近生活的開放物理問題，其中有不少問題源自《科學(xué)》《自然》這樣的綜合科學(xué)期刊，以及《物理學(xué)評論快報》《美國物理學(xué)雜志》《歐洲物理學(xué)雜志》等物理學(xué)或教育學(xué)頂級雜志。賽題以物理知識為主題，涵蓋數(shù)學(xué)、電子、材料、工程等諸多方面，沒有標準固定答案，注重問題的探究性。學(xué)生組團就這些實際物理問題的基本知識、理論分析、實驗研究、結(jié)果討論等進行研究，并開展辯論性比賽。這不僅可以鍛煉學(xué)生分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)科研素質(zhì)，還能提高學(xué)生的創(chuàng)新意識、團隊合作精神、交流表達能力，使學(xué)生在知識、能力和素質(zhì)等方面全面協(xié)調(diào)發(fā)展。目前國內(nèi)一些高校也已開設(shè)了類似的課程，取得了良好的教學(xué)效果，例如南開大學(xué)開設(shè)了“PT學(xué)習(xí)物理新思路”“青年物理學(xué)家”等課程，系統(tǒng)教授學(xué)生科研方法，帶領(lǐng)學(xué)生共同進行科學(xué)研究[8]。復(fù)旦大學(xué)開設(shè)了“物理基礎(chǔ)建?！闭n程，并與其他課程結(jié)合形成了“創(chuàng)新實踐、思維訓(xùn)練和技能學(xué)習(xí)”三重并重的課程體系[9]。北京航空航天大學(xué)則開設(shè)了“趣味物理研討課”，在大學(xué)物理課程教學(xué)得到了很好的結(jié)合[10]。

在我院“STEAM-物理學(xué)習(xí)的新思路”課程總體設(shè)計時，任課教師要從“金課”的“兩性一度”角度出發(fā)，除了要考慮物理、數(shù)學(xué)、電子等基本知識以及文獻查閱、學(xué)生匯報等在教學(xué)中的融會貫通，還要設(shè)計出師生互動、課后實驗以及線上交流等具體教學(xué)行為。在整個課程體系中，IYPT賽題的解析是最體現(xiàn)課程“兩性一度”的教學(xué)環(huán)節(jié)。一方面IYPT的賽題基本都要經(jīng)歷這樣幾個過程(即表1中的PDCA)：審題→查閱中英文學(xué)術(shù)資料→預(yù)實驗→建立數(shù)學(xué)模型和理論推導(dǎo)→實驗與理論比對(誤差分析)→實驗修正→重新建立模型→，一個賽題可能經(jīng)過幾個循環(huán)過程[11]。另一方面由于IYPT賽題具有極強的開放性，這就意味著對賽題探究過程和答案具有不唯一性，同一道賽題不同的學(xué)生思考角度、方法、策略都有所不同，結(jié)果也不會一樣。因此該環(huán)節(jié)的實施不僅對于學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、團隊協(xié)作等方面都提出了極高的要求，同時也要求教師本身也要不斷學(xué)習(xí)，變?yōu)閷W(xué)生的同伴參與到賽題研究中。

具體課程的實施方案是，教師在第一周根據(jù)學(xué)生人數(shù)(目前限制為80人)分成16個小組(每組5人)，同時將17道賽題公布給學(xué)生。每個小組學(xué)生提供自己感興趣的4個題目。教師依據(jù)學(xué)生的選題結(jié)果，在第二周依據(jù)兩方面原則確定課程中的4個賽題。(1)賽題內(nèi)容需符合新生的物理水平，完全超出學(xué)生現(xiàn)有的物理知識會讓學(xué)生無從下手，打擊了學(xué)生研究課題的積極性。(2)從培養(yǎng)人才的創(chuàng)新性要求出發(fā)，所選的賽題要有一定難度，需要學(xué)生自主去學(xué)習(xí)一些新的物理知識，通俗的講就是要跳一跳才能夠得著。同時將4個題目分別指定給A、B 、C、D 4個大組完成，每個大組里面再包括4個小組，其中1個小組為正方，3個小組為反方，剩余12個小組為評論方(如圖1)，最后根據(jù)教學(xué)計劃開展教學(xué)工作。

圖1 2018—2019年秋季學(xué)期賽題和分組情況

此外，“金課”的打造在教學(xué)團隊的組建、課堂內(nèi)外學(xué)時數(shù)的分配上也要重點考慮。在教學(xué)團隊方面，從IYPT賽題具有理論和實驗兩方面特征出發(fā)，我院專門組建了一支由4位年齡在40歲以下，具有學(xué)科背景交叉的青年博士核心教學(xué)團隊，這4位教師不僅都承擔(dān)了大學(xué)物理或大學(xué)物理實驗的課程，還分別承擔(dān)了力學(xué)、光學(xué)等物理類基礎(chǔ)課程的教學(xué)工作，同時在各自的科研領(lǐng)域，他們都具有一定的獨立科研工作能力，承擔(dān)過國家級及省級科研項目。在遇到自己不熟悉的專業(yè)知識時，教學(xué)團隊還主動邀請學(xué)院其他教師共同參與相關(guān)問題討論。

在課時方面，除了分配的36學(xué)時課堂教學(xué)外，我們還配套了固定課外學(xué)時和不固定課外學(xué)時，幫助學(xué)生分析和討論遇到的問題。每周三的下午是固定時間段，教學(xué)團隊的成員會在PT實驗室進行集中討論，學(xué)生可以就某一個問題來和教師進行討論，也可以是師生共同開展理論或?qū)嶒灩ぷ?。而在其余時間段，師生則可以通過各種信息技術(shù)，在非固定時段線上線下進行溝通交流。表1是我院2018—2019年秋季學(xué)期“STEAM-物理學(xué)習(xí)的新思路”課程36學(xué)時的課堂教學(xué)內(nèi)容安排表。而36課堂學(xué)時以外的課外學(xué)時，是學(xué)生核心科學(xué)素養(yǎng)得到有效提升的關(guān)鍵。

下面以IYPT2019年第15道題目牛頓擺來說明賽題在課程中的實施情況：Newton’s Cradle: The oscillations of a Newton’s cradle will gradually decay until the spheres come to rest. Investigate how the rate of decay of a Newton’s cradle depends on relevant parameters such as the number, material, and alignment of the spheres. (牛頓擺的振動會逐漸衰減，直到擺球靜止。探究相關(guān)參數(shù)，例如擺球的數(shù)量、材質(zhì)和排列方式對牛頓擺衰減速率的影響。)學(xué)生在第二周拿到賽題后，就開始要著手審題和查閱各種文獻資料，并購置相關(guān)實驗材料。該題的影響因素除了題目中提及的擺球數(shù)量、材質(zhì)和排列方式，還包括擺球的大小和初始速度等。4個不同的研究小組根據(jù)自己所理解的不同變量來進行預(yù)實驗，例如有些選擇研究擺球的數(shù)量，有些選擇研究了擺球的大小，如圖2所示。

對于擺球的運動，學(xué)生需自主學(xué)會使用高速在此基礎(chǔ)上，學(xué)生在中學(xué)物理和數(shù)學(xué)等知識基礎(chǔ)上，自學(xué)一些大學(xué)物理、高等數(shù)學(xué)等內(nèi)容進行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，建立微分方程組等工作，并采用Matlab軟件對其中一個小球進行分析，對照實驗和理論數(shù)據(jù)。同時學(xué)生還可以自主學(xué)習(xí)Abaqus軟件，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型進行有限元方法的模擬，得出擺球衰減速率的相關(guān)條件，進行誤差分析(如圖4所示)。

表1 STEAM-物理學(xué)習(xí)的新思路課程36學(xué)時的教學(xué)內(nèi)容安排表

圖2 不同大小和個數(shù)的牛頓擺實物圖

攝像機去記錄運動過程，然后學(xué)習(xí)Tracker軟件跟蹤擺球的運動，最后采用Origin軟件進行處理數(shù)據(jù)，獲得擺球的運動軌跡(如圖3所示)。

圖3 擺球運動軌跡

由于學(xué)生實驗、理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬有大量的工作都是在課堂外進行的，為了保證教學(xué)的質(zhì)量，學(xué)生和教師實時通過各種信息技術(shù)，如QQ或微信進行線上的溝通，保證教學(xué)中出現(xiàn)的問題能及時得到解決(如圖5所示)。

圖4 牛頓擺理論與實驗數(shù)據(jù)的對照圖Abaqus有限元模擬擺的運動情況

圖6 牛頓擺賽題學(xué)生期末PPT的匯報圖

圖5 學(xué)生與老師就牛頓擺賽題在課堂和課后進行線上溝通

在學(xué)期的中期點評課堂教學(xué)中，各個小組提交中期小結(jié)報告，主要包括賽題的已有進展，面臨的問題和接下來的工作計劃。教師會對各小組報告中的共性問題進行提取，與學(xué)生進行課堂討論，并為下一個階段賽題的完成提出相應(yīng)的建議。在學(xué)期期末，每組學(xué)生推出一名代表在課堂上做PPT匯報(圖6)，并提交總結(jié)報告(包括回答反方組問題、評論方組問題，老師問題)。在最后的期末考試環(huán)節(jié)中，教師則通過試題再區(qū)分出不同學(xué)生在小組中的貢獻度。最終根據(jù)課堂表現(xiàn)、期中和期末匯報以及期末考試給予每位學(xué)生該門課程的成績。

3 學(xué)生評價和課程效果

通過“STEAM-物理學(xué)習(xí)的新思路”課程的開設(shè)，參加過該課程學(xué)習(xí)或最終參加全國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽的學(xué)生都收獲頗多。同學(xué)們認為：“學(xué)習(xí)了如何研究一個物理問題的基本思路，學(xué)會了如何設(shè)計一個實驗，如何采集數(shù)據(jù)，鍛煉了動手能力”“從最基礎(chǔ)的閱讀相關(guān)文獻，提煉文獻中有效內(nèi)容開始，到自行設(shè)計實驗，統(tǒng)計實驗結(jié)果，處理數(shù)據(jù)，再到軟件模擬，最后優(yōu)化實驗和理論，使得理論、實驗和模擬三項吻合，每一步都是自己前所未有的體驗，創(chuàng)新能力得到了明顯的提升”“辯論對抗的賽制要求我們有一份用于表達自己觀點的勇氣和團隊合作的精神。也許我們之前連在眾人面前說話都膽怯，但通過訓(xùn)練我們做到不怯場，對答自如，展現(xiàn)出良好的自信狀態(tài)，不再否定自己”等。同時該課程對于教師教學(xué)也起到了極大的推動作用，表現(xiàn)為在教學(xué)空間上形成了“課堂教學(xué)+網(wǎng)絡(luò)教學(xué)+實踐教學(xué)”相結(jié)合的全方位、多層次、線上和線下的教學(xué)模式，在教學(xué)時間上由“第一課堂”向“第二課堂”延伸，學(xué)生更多是在課堂外進行知識的學(xué)習(xí)。在教學(xué)過程中，采用過程化評價體系，突出學(xué)生的主體性，強調(diào)學(xué)生對教學(xué)過程的主動參與。這些教與學(xué)方面的變化都體現(xiàn)了研究型教學(xué)的內(nèi)涵，如圖7所示。

圖7 課程在“教”與“學(xué)”兩方面所體現(xiàn)出的研究型教學(xué)內(nèi)涵

由此看出，“STEAM-物理學(xué)習(xí)的新思路”課程通過優(yōu)化知識體系，不斷更新課程內(nèi)容，將信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，正在逐步成為具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的“金課”。2018年8月蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院代表隊首次參加第九屆全國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽(CUPT)，就獲得全國賽二等獎，堅定了我們繼續(xù)建設(shè)好這門課程的決心。在此基礎(chǔ)上，2018年12月舉辦了第一屆蘇州大學(xué)物理學(xué)術(shù)競賽(SCUPT)，吸引了全校9個學(xué)院，近150名學(xué)生參加，全校范圍內(nèi)對物理學(xué)習(xí)的熱情明顯高漲。

4 結(jié)語

淘汰“水課”，打造“金課”必將是接下來相當(dāng)長一段時間中國本科教育的重點工作，需要社會、學(xué)校、教師和學(xué)生的共同努力。蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院通過建設(shè)物理學(xué)專業(yè)新生課程“STEAM-物理學(xué)習(xí)的新思路”，有效地增強了學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。