物理學專業新生“金課”建設探索
——以“STEAM-物理學習的新思路”為例

陳 敏 翁雨燕 方 亮 高 雷

(蘇州大學物理科學與技術學院，江蘇 蘇州 215006)

2018年對于中國本科教育發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”，全面提高人才培養質量，并首次提出了要真正把“水課”變成有深度、有難度、有挑戰度的“金課”[1]。8月，“金課”這一概念被寫入了教育部《關于狠抓新時代全國高等學校本科教育工作會議精神落實的通知》中[2]。在隨后《教育部關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》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掀起了建設中國“金課”的熱潮。

1 物理學專業新生“金課”建設的必要性和要求

物理學是自然學科最重要的基礎學科之一，大學本科階段的物理學教學對于學生掌握基礎科學知識、培養創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，特別是首次承擔改革試點的浙滬兩地，出現了嚴重的“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人才的培養，也對其他理工科專業學生的培養產生了負面作用[4]。此外，相當一部分物理學專業新生對本專業沒有清楚的認知，缺乏了解物理學基本概念，學習方式還停留在中學高強度的刷題和以教師為主導的講授中，無法適應大學以自主學習為主的學習模式，最終導致這部分新生對物理學專業認同度低，難以適應專業學習。而在本科教育中，課程又是人才培養的核心要素，因此建設好物理學專業新生“金課”，不僅能激發新生對于物理的學習興趣，更是為接下來的專業學習奠定了良好的基礎。而在“金課”的建設要始終遵循“兩性一度”的原則，即高階性、創新性和挑戰度[5]。“高階性”是指知識能力素質的有機融合，培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維。“創新性”是指課程內容應反映前沿性和時代性，教學形式呈現先進性和互動性，學習結果具有探究性和個性化。“挑戰度”是指課程有一定難度，對老師的備課和學生課下學習都有著較高的要求。

蘇州大學物理科學與技術學院(以下簡稱蘇大物理學院)近年來在本科生創新能力培養上開展了探索和研究，通過實行進階式的創新能力培養過程，逐步形成了STEAM(科學、技術、工程、藝術和數學5個英文單詞首字母的縮寫)理念貫穿學生創新能力培養模式[6]。特別是針對剛剛入校的新生，通過打造“STEAM-物理學習的新思路”課程，實現課堂教學的“三個轉變”，即“以教為主”向“以學為主”轉變，“課堂為主”向“課內外結合”轉變，“結果評價為主”向“結果和過程評價結合”轉變，從而激發學生對物理的學習興趣和創新能力的提高。

2 “STEAM-物理學習的新思路”的具體實施

在近幾年的教學過程中，我們發現由于受到高考方案變化等客觀因素的影響，新生對物理學習的興趣有所下降。很多新生在中學階段已經形成了被動“刷題”的物理學習方式，思維模式更是以“答案為導向”。而在大學學習中，學生不僅需要改變思維模式，提高科研素養和創新意識，同時也要培養團隊合作精神、交流溝通能力，達到綜合素質全面發展的要求。在2016年以前，蘇大物理學院為新生開設“專業英語”這門課程，在閱讀經典或前沿英文文獻的基礎上，通過小組討論、師生互問來激發學生對物理的學習興趣。但通過幾年的實施，我們發現效果不是非常理想，學生普遍反映還是一種被動式的教學，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，蘇大物理學院在每年秋季學期為新生開設了“STEAM-物理學習的新思路”課程，該課程以“國際青年物理學家錦標賽”(IYPT)賽題為抓手[7]，通過完整課程體系設計，讓學生自主學習、自主探究、自主評價，提高學生綜合運用所學知識分析和解決實際物理問題，培養學生的創新性思維能力。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》《自然》這樣的綜合科學期刊，以及《物理學評論快報》《美國物理學雜志》《歐洲物理學雜志》等物理學或教育學頂級雜志。賽題以物理知識為主題，涵蓋數學、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、結果討論等進行研究，并開展辯論性比賽。這不僅可以鍛煉學生分析問題、解決問題的能力，培養科研素質，還能提高學生的創新意識、團隊合作精神、交流表達能力，使學生在知識、能力和素質等方面全面協調發展。目前國內一些高校也已開設了類似的課程，取得了良好的教學效果，例如南開大學開設了“PT學習物理新思路”“青年物理學家”等課程，系統教授學生科研方法，帶領學生共同進行科學研究[8]。復旦大學開設了“物理基礎建模”課程，并與其他課程結合形成了“創新實踐、思維訓練和技能學習”三重并重的課程體系[9]。北京航空航天大學則開設了“趣味物理研討課”，在大學物理課程教學得到了很好的結合[10]。

在我院“STEAM-物理學習的新思路”課程總體設計時，任課教師要從“金課”的“兩性一度”角度出發，除了要考慮物理、數學、電子等基本知識以及文獻查閱、學生匯報等在教學中的融會貫通，還要設計出師生互動、課后實驗以及線上交流等具體教學行為。在整個課程體系中，IYPT賽題的解析是最體現課程“兩性一度”的教學環節。一方面IYPT的賽題基本都要經歷這樣幾個過程(即表1中的PDCA)：審題→查閱中英文學術資料→預實驗→建立數學模型和理論推導→實驗與理論比對(誤差分析)→實驗修正→重新建立模型→，一個賽題可能經過幾個循環過程[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生思考角度、方法、策略都有所不同，結果也不會一樣。因此該環節的實施不僅對于學生自主學習能力、團隊協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習，變為學生的同伴參與到賽題研究中。

具體課程的實施方案是，教師在第一周根據學生人數(目前限制為80人)分成16個小組(每組5人)，同時將17道賽題公布給學生。每個小組學生提供自己感興趣的4個題目。教師依據學生的選題結果，在第二周依據兩方面原則確定課程中的4個賽題。(1)賽題內容需符合新生的物理水平，完全超出學生現有的物理知識會讓學生無從下手，打擊了學生研究課題的積極性。(2)從培養人才的創新性要求出發，所選的賽題要有一定難度，需要學生自主去學習一些新的物理知識，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)，最后根據教學計劃開展教學工作。

圖1 2018—2019年秋季學期賽題和分組情況

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

在課時方面，除了分配的36學時課堂教學外，我們還配套了固定課外學時和不固定課外學時，幫助學生分析和討論遇到的問題。每周三的下午是固定時間段，教學團隊的成員會在PT實驗室進行集中討論，學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實驗工作。而在其余時間段，師生則可以通過各種信息技術，在非固定時段線上線下進行溝通交流。表1是我院2018—2019年秋季學期“STEAM-物理學習的新思路”課程36學時的課堂教學內容安排表。而36課堂學時以外的課外學時，是學生核心科學素養得到有效提升的關鍵。

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。探究相關參數，例如擺球的數量、材質和排列方式對牛頓擺衰減速率的影響。)學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，并購置相關實驗材料。該題的影響因素除了題目中提及的擺球數量、材質和排列方式，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自己所理解的不同變量來進行預實驗，例如有些選擇研究擺球的數量，有些選擇研究了擺球的大小，如圖2所示。

對于擺球的運動，學生需自主學會使用高速在此基礎上，學生在中學物理和數學等知識基礎上，自學一些大學物理、高等數學等內容進行數學推導，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，對照實驗和理論數據。同時學生還可以自主學習Abaqus軟件，構建數學模型進行有限元方法的模擬，得出擺球衰減速率的相關條件，進行誤差分析(如圖4所示)。

表1 STEAM-物理學習的新思路課程36學時的教學內容安排表

圖2 不同大小和個數的牛頓擺實物圖

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

圖3 擺球運動軌跡

由于學生實驗、理論推導和數值模擬有大量的工作都是在課堂外進行的，為了保證教學的質量，學生和教師實時通過各種信息技術，如QQ或微信進行線上的溝通，保證教學中出現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據的對照圖Abaqus有限元模擬擺的運動情況

圖6 牛頓擺賽題學生期末PPT的匯報圖

圖5 學生與老師就牛頓擺賽題在課堂和課后進行線上溝通

在學期的中期點評課堂教學中，各個小組提交中期小結報告，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，與學生進行課堂討論，并為下一個階段賽題的完成提出相應的建議。在學期期末，每組學生推出一名代表在課堂上做PPT匯報(圖6)，并提交總結報告(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節中，教師則通過試題再區分出不同學生在小組中的貢獻度。最終根據課堂表現、期中和期末匯報以及期末考試給予每位學生該門課程的成績。

3 學生評價和課程效果

通過“STEAM-物理學習的新思路”課程的開設，參加過該課程學習或最終參加全國大學生物理學術競賽的學生都收獲頗多。同學們認為：“學習了如何研究一個物理問題的基本思路，學會了如何設計一個實驗，如何采集數據，鍛煉了動手能力”“從最基礎的閱讀相關文獻，提煉文獻中有效內容開始，到自行設計實驗，統計實驗結果，處理數據，再到軟件模擬，最后優化實驗和理論，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，但通過訓練我們做到不怯場，對答自如，展現出良好的自信狀態，不再否定自己”等。同時該課程對于教師教學也起到了極大的推動作用，表現為在教學空間上形成了“課堂教學+網絡教學+實踐教學”相結合的全方位、多層次、線上和線下的教學模式，在教學時間上由“第一課堂”向“第二課堂”延伸，學生更多是在課堂外進行知識的學習。在教學過程中，采用過程化評價體系，突出學生的主體性，強調學生對教學過程的主動參與。這些教與學方面的變化都體現了研究型教學的內涵，如圖7所示。

圖7 課程在“教”與“學”兩方面所體現出的研究型教學內涵

由此看出，“STEAM-物理學習的新思路”課程通過優化知識體系，不斷更新課程內容，將信息技術與教育教學深度融合，正在逐步成為具有高階性、創新性和挑戰度的“金課”。2018年8月蘇州大學物理科學與技術學院代表隊首次參加第九屆全國大學生物理學術競賽(CUPT)，就獲得全國賽二等獎，堅定了我們繼續建設好這門課程的決心。在此基礎上，2018年12月舉辦了第一屆蘇州大學物理學術競賽(SCUPT)，吸引了全校9個學院，近150名學生參加，全校范圍內對物理學習的熱情明顯高漲。

4 結語

淘汰“水課”，打造“金課”必將是接下來相當長一段時間中國本科教育的重點工作，需要社會、學校、教師和學生的共同努力。蘇州大學物理科學與技術學院通過建設物理學專業新生課程“STEAM-物理學習的新思路”，有效地增強了學生專業學習的興趣，提高了學生的創新能力。