依托大學生物理學術競賽 嘗試大學物理研究型教學

張國鋒

(北京航空航天大學物理科學與核能工程學院，北京 100191)

培養在科學、技術或管理等領域有創新精神和創造能力的拔尖人才一直是高等教育的初心。拔尖人才的培養模式不同于一般應用型人才的培養模式[1]，需要高等學校改變目前的教學模式，為學生提供更多教師引導下的自主學習、自主思考的空間，將以“教”為中心的統一教學計劃、知識灌輸、基于考試的教學模式轉變為以 “學”為中心的研究型教學模式。所謂研究型教學模式，必須具備3條：(1)教學和研究相結合，有教授學生知識的部分，更要體現學生應用知識解決實際問題的部分;(2)重新構建一種基于研究探索的課堂模式，以解決某個問題為主線，學生有機會參與研究工作;(3)培養學生的批判精神，引導學生對問題的解決提出自己的看法，有相互交流、師生互動的空間和氛圍，激發學生創新的欲望。

近幾年，筆者指導并帶領北京航空航天大學(以下簡稱北航)學生參加了中國大學生物理學術競賽(以下簡稱為CUPT)，經過賽事，參賽學生的綜合素質和創新能力有了很大進步，加上3年多的指導實踐和在北航五輪次開設“趣味物理研討課”的經驗，認為可以依托大學生物理學術競賽，實施大學物理課程的研究型教學。下面將分別介紹CUPT在北航的開展情況、賽事對培養學生的綜合能力方面的作用以及利用具體題例分析實施研究型教學的可能性。

1　CUPT在北航

CUPT賽題都是貼近生活的開放物理問題，以物理知識為主體，涵蓋數學、計算機、電子、材料、機械等諸多方面，沒有固定答案，注重探究性。每一道題目都可以看作一個小的科研課題，旨在讓學生利用所學的大學物理知識構建理論模型，同時，強調實驗，鼓勵學生利用簡單器材，通過精巧的設計做出實驗現象。以實驗驗證理論，以理論解釋實驗。正式比賽時，要求參賽學生就這些開放物理問題的基本知識、理論分析、實驗研究、結果討論等進行辯論性交流(見圖1)，特別強調團隊協作、開放思維和表達能力。

圖1　CUPT辯論規則

2010年南開大學主辦了第一屆CUPT比賽，2018年將在山西大學舉辦第九屆。北航物理學院2014年依托“愛因斯坦”實驗班平臺，將CUPT比賽引入到學生課外興趣活動中，挑選部分實驗班學生就CUPT題目展開分析、討論、模擬比賽，提前熟悉CUPT競賽規則，2015年8月組織代表隊觀摩了在國防科技大學舉辦的第六屆CUPT比賽，為正式參加比賽作準備。2016年3月，第一屆北航物理學術競賽舉辦，吸引了50支隊伍，近300名本科生參加。同年暑期，選拔校內賽優秀選手組成CUPT集訓隊，就2016年題目進行了賽前攻關，8月份，參加了在西安交通大學舉辦的第七屆CUPT比賽，獲得全國二等獎。初次正式組隊參加比賽，獲得全國二等獎，對我們鼓舞很大，學生參賽熱情空前高漲。考慮到CUPT比賽的特點：時間跨度長、規則復雜、題目綜合開放、全方位考查學生，為今后更好地組織并參加好大學生物理學術競賽，2016年10月“北航PT社團”成立，旨在以培養學生的創新意識、創造能力、協作精神和實踐能力為根本理念，以承辦北航大學生物理學術競賽為背景，依托于北航物理學院和校社聯平臺，在廣大本科生中營造學習物理、熱愛物理、運用物理的氛圍。在PT社團的指導下，2017年由294名本科生參加的第二屆校內初賽完成，并于2017年5月份舉行校內復賽和決賽。為更有效地讓參賽學生專注于比賽賽題，初賽采取了提交論文、正方報告;復賽、決賽沿用CUPT國賽正式比賽規則，事實證明，這種準備方法還是很有成效的。2017年8月，北航在哈爾濱工業大學舉辦的第八屆CUPT競賽中以全國第八的成績獲得一等獎，也獲得首屆華北賽區CUPT的承辦權。目前，籌備華北賽區和參加第九屆全國CUPT比賽準備工作正有條不紊展開。在全校范圍初步營造了熱愛物理、學習物理、運用物理的氛圍。

2　CUPT比賽與傳統教學的區別

接觸過CUPT比賽的師生都會對它留有深刻的印象，CUPT比賽不同于以往任何形式的學科競賽[2]：題目非常貼近實際、開放程度大、研究性和學科交叉性很強、重視理論和實驗的結合、重視團隊合作、重視表達交流。每年的17道題，都是17個小的科研項目，學生首先得精審題、查文獻，而這個本身就是從事科學研究的基本素養，也是科技創新的基礎;在弄懂弄清基本題意后，需要構思建立物理模型，做實驗，重現實驗現象并與所建模型的理論進行對比分析;最后在比賽時和隊友就處理問題的方法、假設、所用模型的合理性等進行辯論性的交流。整個比賽準備過程，正是一個分析問題、查閱資料和解決問題、思考交流的過程。

傳統的大學物理課堂基本屬于以教師為主，學生為輔的教學，效果好的可能與學生互動多些。學生在被動接受知識，有的學生很疑惑學了很多概念、定理等，能解決什么實際問題，如何去解決實際問題。傳統課堂缺乏讓學生自己去動腦、動手的環節，教學模式較為單一，同時，傳統的物理實驗以驗證性、演示性居多，開放命題式的實驗環節相對薄弱，導致對學生探索未知和創新能力的培養相對缺乏。CUPT比賽卻可以在某種程度上很好地解決這些問題，整個過程體現了研究型教學的內涵(如圖2所示)。

圖2　研究型教學內涵

實踐表明，參加過CUPT比賽的學生都收獲滿滿。有的同學認為：“學會知識，只是理解明晰;靈活運用，方能解決問題。這次競賽提供給了我們摸索從學習知識到靈活應用知識的舞臺，是引發我們考慮問題思維方式變化的催化劑”“通過對比賽題目的研究，提高了自己運用物理知識解決實際問題的能力;通過比賽過程中正反方的討論交流，我懂得了質疑與交流對于學術研究的重要性;通過對生活中有趣的物理現象的解釋，我加深了對物理的熱愛”“學了最有趣的物理和最有用的軟件”“CUPT最重要的益處是它培養了我進行課題研究和學術交流的能力”“參加CUPT收獲最大的一點是使我充分意識到了學術討論的重要性”等。不言而喻，CUPT對學生的培養是全方位的，對培養學生的綜合創新能力有很重要的指導作用。

CUPT不僅僅是一次比賽，它是為提升本科生的自主探究能力、鼓勵創新思維、加深對數理基礎學科的認識打造的一個開放平臺，區別于紙面答題的物理競賽。CUPT和北航“馮如杯”、全國“挑戰杯”以及大學生物理競賽等比賽是相輔相成、互為補充的關系。CUPT題目的優秀作品可以參與北航“馮如杯”、全國“挑戰杯”等科技競賽。CUPT更多體現開放、交流、協作、創新，而這正是研究型教學所倡導的，也是現行本科教學的不足之處。

3　依托CUPT比賽，嘗試大學物理研究型教學

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)》中提出：全面實施“高等學校本科教學質量與教學改革工程”。為貫徹這一目標，北航推出本科教育教學人才培養模式綜合改革計劃(長城行動計劃)，推行普適全校的、“與國際接軌、根植于中國”的一流的人才培養新模式。為建立符合高等教育發展規律的本科人才培養體系、培養具有“科學基礎、人文素養、實踐能力”的高素質拔尖創新人才，學校推行了一系列本科教學改革措施，致力于從以教師為中心的教學模式向以學生學和師生討論為中心的教學模式的轉變，積極鼓勵以問題為導向的研究型教學改革。

現行大部分大學物理課堂教學都比較沉悶，內容陳舊與實際聯系不是很緊密，導致學生被動接受知識，課程結束后，所學的定律、定理和概念大部分都還給了課本。如果大學物理課堂從第一節就告訴學生：課程的目的是引起大家對物理的興趣或者減少大家對物理的發怵、期待大家對物理的思想方法有所了解，從具體實際問題出發演繹所需要的物理知識并進行講解，讓學生去討論交流，我想這樣的教學會讓學生感覺到所學有用，然后自然就有興趣了。問題導引、現象觀察、預做實驗、內容講解、啟發討論，這正是準備CUPT比賽的過程。

為了充分調動學生的學習自主性、積極性和求知欲，培養學生的思辯能力，提高人才培養質量，北航物理學院積極探索拔尖創新人才培養新格局，創新研究型教學模式。同時，作為大學物理課堂教學的后陣地，從2016年春季學期開始在全校范圍開設“趣味物理研討課”，課程設置擺脫應試教育的模式，以問題為導向，分成若干小組，引出對所學大學物理內容的討論、應用和具體實際問題的解決。整個課堂貫徹知識學習與探索實踐相結合，物理學與日常生活相結合，學術能力與人際交往能力相結合，個人與團隊合作相結合的理念，鼓勵學生給教師出題，師生互動解決問題。給學生提供利用在大學物理課堂上學到的物理原理、物理定律、物理規律進行討論、交流、分析、解決實際問題的場地空間。給現行本科教學注入新鮮的氣息和活力，以期帶動大學物理課程的研究型教學。

3.1　“趣味物理研討課”及大學物理研究型教學的具體設施

全校范圍的“趣味物理研討課”倡導以問題為導向，引出大學物理課堂內容。問題部分來源于CUPT比賽賽題、部分來源于任課教師和學生生活中的疑惑和經驗。比如：力學中的“阿基米德著名論斷——給我一個支點，我就可以撬動地球，這是真實的嗎？如何通過計算支持你的觀點？”“長為L的均質軟繩絕大部分沿長度部分放在光滑水平桌上面，僅僅有很少一部分懸掛在桌面外，而后繩將從靜止開始下滑，能否出現繩子完全垂直于桌面的一瞬間？”“多普勒想到這么個問題：觀察者接近或者遠離聲源或光源時，他能感覺到聲波或者光波頻率或者波長的變化，你認可這種觀點嗎？”等，只要與所講授大學物理課程內容有銜接的問題，都可以在“趣味物理研討課”上進行分組討論。教師在上課時，首先擺出問題，然后按照學生人數(學生總人數目前限制在50～75人)分為7～10個組，具體實施過程為：分組討論、集體審題(每個組匯報題目的意思、需要的物理知識、如何建立模型、如何數值求解、問題的主要因素、次要因素)、代課教授講解涉及的物理知識、課下分組建立模型(實驗、計算)、課堂討論。課程考核以課堂表現、期末小論文、課下小組討論(組長負責給出具體分工及完成任務)3部分組成。

下文以CUPT競賽題目為例具體說明如何以問題為導向引出大學物理課堂內容直至問題的解決：

1)2016年題目：磁力小火車

Button magnets are attached to both ends of a s mall cylindrical batter y.When placed in a copper coil such that the magnets contact the coil，this“train”starts tomove.Explain the phenomenon and investigate how relevant parameters affect the train's speed and power.分別在小圓柱電池兩端連上一個紐扣磁鐵，將之放入一個銅線圈中，并使線圈磁鐵相互接觸，則會觀察到磁鐵與電池構成的“火車”在線圈上移動。解釋此實驗現象，并研究相關參數如何影響火車的速度和功率(能量)。

這是一個典型的電磁學和力學結合的問題，考查學生靈活應用電磁學和力學相關概念、定理解決實際問題的能力。對于這樣一道經典力學范疇內的多物理場問題，可以從最基本的牛頓運動定律展開，抽絲剝繭，層層遞進，最終尋找到火車速度的數學表達式。最關鍵的問題就是得弄清楚火車為什么會運動？為什么會在有限時間內勻速率？從靜止開始運動，肯定是受到了力的作用，那受到的是什么性質的力呢？這樣就自然引出了電磁學里通電螺線管要產生磁場這部分知識。這樣從問題為切入點引出所講內容，進而分析火車勻速的原因，合外力為零，哪個力和磁場力抵消，磁場力必然經過一個從大到小的過程的原因，磁鐵穿過線圈，使得磁通量發生變化，在線圈里是要產生感應電動勢的，等等。學生會一步一步跟著老師思路，直到問題解決。

2)2017年題目：快鏈

A chain consisting of wooden blocks inclined relative to the vertical and connected by two threads is suspended vertically and then released.Compared to free fall，the chain falls faster when it is dropped onto a horizontal surface.Explain this phenomenon and investigate how the relevant parameters affect the motion.將木塊兩端用線連接并且使木塊相對細線傾斜組成長鏈并垂直懸掛然后釋放，相比于自由下落的長鏈，當長鏈掉落在一個平臺表面時它下落得更快。解釋這種現象并且研究相關參數是如何對這種運動產生影響的。

這是一道相對復雜的力學題目，涉及落體、碰撞、轉動等諸多概念，考查學生對力學基本原理掌握是否到位，可以把此題引入力學課堂教學。為了避免照本宣科的講法，可以先給學生演示快鏈的視頻 (最好是自己做好的實驗)，學生會好奇，進而去思考為何會出現這種現象。這里需要讓學生注意到當傾斜木塊較低端觸及桌面時，比自由下落的木塊下落得更快。進而引發學生思考：在木塊觸及桌面時發生了什么？顯然，學生會說“和桌面碰撞了”，那碰撞的力學機制是什么？木塊碰撞后運動狀態發生了怎樣的改變？處理此題時要用到哪些假設？最終的結果顯然是比較速度。這樣的教學過程是引發學生感興趣去聽老師講內容;講完內容，回過頭來再思考，再討論交流，一段研究型教學的過程自然就形成了。

3.2　實施效果

進行研究型教學，我們永遠在路上，以上的做法只是一個嘗試，但是得到了廣大學生的積極響應，在學生中引起了較大反響。“趣味物理研討課”的選課人數一直居高不下，最多時有200多人選課，為了更有效地進行課堂討論，通過和教務處協商，以大二學生為主，結合大一學習成績，對學生進行了篩選，2016年最終有50人上課，2017年則有75人選課。學生的評價有：“以探究課題的方式，更深入地理解知識，相較按書本順序學習效率遠高”“分階段進行全體展示，如解讀題目、理論分析……對題目要有更多了解，提高討論效率”“……提供了一個多學科多知識交流的平臺、更多是能激起我們自主學習的動力……”“在論文閱讀、PPT制作與演講、物理方法等有了明顯提高”“最大的收獲就是告訴了我生活中一些復雜問題，分析、理論建模是可行的，往往看似復雜的問題經過合理的建模、簡化，用學的知識可以解決，把理論真正應用實際科技中”……學生們的這些感想和體會正是研究型教學所要達到的。

4　結語

從準備CUPT比賽到正式參賽，處處都體現了對大學生綜合創新能力的培養，是研究型教學的一個途徑。北航物理學院正在以辦好物理學術競賽為抓手，扎實推進大學物理的研究型教學，期望在未來取得更多成績。