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(jiān)持“以本為本”，推進(jìn)“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(shí)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(jìn)一步提出了一流課程的“雙萬計(jì)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(diǎn)的浙滬兩地，出現(xiàn)了嚴(yán)重的“物理之殤”。近7成考生棄考物理，不僅嚴(yán)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(fù)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(rèn)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(qiáng)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(rèn)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]。“高階性”是指知識能力素質(zhì)的有機(jī)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(jìn)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(shí)行進(jìn)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(shí)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(shí)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(tuán)隊(duì)合作精神、交流溝通能力，達(dá)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(xiàn)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(shí)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(xiàn)閱讀過程中實(shí)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(biāo)賽”(IYPT)賽題為抓手[7]，通過完整課程體系設(shè)計(jì)，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(yùn)用所學(xué)知識分析和解決實(shí)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(biāo)準(zhǔn)固定答案，注重問題的探究性。學(xué)生組團(tuán)就這些實(shí)際物理問題的基本知識、理論分析、實(shí)驗(yàn)研究、結(jié)果討論等進(jìn)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(tuán)隊(duì)合作精神、交流表達(dá)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(jìn)行科學(xué)研究[8]。復(fù)旦大學(xué)開設(shè)了“物理基礎(chǔ)建模”課程，并與其他課程結(jié)合形成了“創(chuàng)新實(shí)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(jì)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(xiàn)查閱、學(xué)生匯報等在教學(xué)中的融會貫通，還要設(shè)計(jì)出師生互動、課后實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)→建立數(shù)學(xué)模型和理論推導(dǎo)→實(shí)驗(yàn)與理論比對(誤差分析)→實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(shí)施不僅對于學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)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(shí)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(jì)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(tuán)隊(duì)的組建、課堂內(nèi)外學(xué)時數(shù)的分配上也要重點(diǎn)考慮。在教學(xué)團(tuán)隊(duì)方面，從IYPT賽題具有理論和實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)，這4位教師不僅都承擔(dān)了大學(xué)物理或大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)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(dú)立科研工作能力，承擔(dān)過國家級及省級科研項(xiàng)目。在遇到自己不熟悉的專業(yè)知識時，教學(xué)團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)的成員會在PT實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行集中討論，學(xué)生可以就某一個問題來和教師進(jìn)行討論，也可以是師生共同開展理論或?qū)嶒?yàn)工作。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(jìn)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(shí)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(xiàn)資料，并購置相關(guān)實(shí)驗(yàn)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(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，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(yùn)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(jìn)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(jìn)行分析，對照實(shí)驗(yàn)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(jìn)行有限元方法的模擬，得出擺球衰減速率的相關(guān)條件，進(jìn)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(shí)物圖

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

圖3 擺球運(yùn)動軌跡

由于學(xué)生實(shí)驗(yàn)、理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬有大量的工作都是在課堂外進(jìn)行的，為了保證教學(xué)的質(zhì)量，學(xué)生和教師實(shí)時通過各種信息技術(shù)，如QQ或微信進(jìn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對照圖Abaqus有限元模擬擺的運(yùn)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(jìn)行線上溝通

在學(xué)期的中期點(diǎn)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(jìn)展，面臨的問題和接下來的工作計(jì)劃。教師會對各小組報告中的共性問題進(jìn)行提取，與學(xué)生進(jìn)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(xiàn)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(rèn)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(jì)一個實(shí)驗(yàn)，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(xiàn)，提煉文獻(xiàn)中有效內(nèi)容開始，到自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，處理數(shù)據(jù)，再到軟件模擬，最后優(yōu)化實(shí)驗(yàn)和理論，使得理論、實(shí)驗(yàn)和模擬三項(xiàng)吻合，每一步都是自己前所未有的體驗(yàn)，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(dá)自己觀點(diǎn)的勇氣和團(tuán)隊(duì)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(shí)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(jìn)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(qiáng)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(duì)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(jiān)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(diǎn)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(qiáng)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。