物理学专业新生“金课”建设探索——以“STEAM-物理学习的新思路”为例

陈 敏 翁雨燕 方 亮 高 雷

(苏州大学物理科学与技术学院，江苏 苏州 215006)

2018年对于中国本科教育发展来说是具有里程碑意义的一年，这一年6月21日，教育部召开了新时代全国高等学校本科教育工作会议，陈宝生部长提出了本科教育要坚持“以本为本”，推进“四个回归”，全面提高人才培养质量，并首次提出了要真正把“水课”变成有深度、有难度、有挑战度的“金课”[1]。8月，“金课”这一概念被写入了教育部《关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知》中[2]。在随后《教育部关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》中[3]，进一步提出了一流课程的“双万计划”，由此全国高等本科教育范围内掀起了建设中国“金课”的热潮。

1 物理学专业新生“金课”建设的必要性和要求

物理学是自然学科最重要的基础学科之一，大学本科阶段的物理学教学对于学生掌握基础科学知识、培养创新型人才都有着重要的意义。但近年来各地新高考方案的改革，特别是首次承担改革试点的浙沪两地，出现了严重的“物理之殇”。近7成考生弃考物理，不仅严重影响了高校对物理专业人才的培养，也对其他理工科专业学生的培养产生了负面作用[4]。此外，相当一部分物理学专业新生对本专业没有清楚的认知，缺乏了解物理学基本概念，学习方式还停留在中学高强度的刷题和以教师为主导的讲授中，无法适应大学以自主学习为主的学习模式，最终导致这部分新生对物理学专业认同度低，难以适应专业学习。而在本科教育中，课程又是人才培养的核心要素，因此建设好物理学专业新生“金课”，不仅能激发新生对于物理的学习兴趣，更是为接下来的专业学习奠定了良好的基础。而在“金课”的建设要始终遵循“两性一度”的原则，即高阶性、创新性和挑战度[5]。“高阶性”是指知识能力素质的有机融合，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维。“创新性”是指课程内容应反映前沿性和时代性，教学形式呈现先进性和互动性，学习结果具有探究性和个性化。“挑战度”是指课程有一定难度，对老师的备课和学生课下学习都有着较高的要求。

苏州大学物理科学与技术学院(以下简称苏大物理学院)近年来在本科生创新能力培养上开展了探索和研究，通过实行进阶式的创新能力培养过程，逐步形成了STEAM(科学、技术、工程、艺术和数学5个英文单词首字母的缩写)理念贯穿学生创新能力培养模式[6]。特别是针对刚刚入校的新生，通过打造“STEAM-物理学习的新思路”课程，实现课堂教学的“三个转变”，即“以教为主”向“以学为主”转变，“课堂为主”向“课内外结合”转变，“结果评价为主”向“结果和过程评价结合”转变，从而激发学生对物理的学习兴趣和创新能力的提高。

2 “STEAM-物理学习的新思路”的具体实施

在近几年的教学过程中，我们发现由于受到高考方案变化等客观因素的影响，新生对物理学习的兴趣有所下降。很多新生在中学阶段已经形成了被动“刷题”的物理学习方式，思维模式更是以“答案为导向”。而在大学学习中，学生不仅需要改变思维模式，提高科研素养和创新意识，同时也要培养团队合作精神、交流沟通能力，达到综合素质全面发展的要求。在2016年以前，苏大物理学院为新生开设“专业英语”这门课程，在阅读经典或前沿英文文献的基础上，通过小组讨论、师生互问来激发学生对物理的学习兴趣。但通过几年的实施，我们发现效果不是非常理想，学生普遍反映还是一种被动式的教学，特别是在文献阅读过程中实际动手能力并没有得到锻炼。因此这对我们的新生课程改革提出了新的要求。从2016年起，苏大物理学院在每年秋季学期为新生开设了“STEAM-物理学习的新思路”课程，该课程以“国际青年物理学家锦标赛”(IYPT)赛题为抓手[7]，通过完整课程体系设计，让学生自主学习、自主探究、自主评价，提高学生综合运用所学知识分析和解决实际物理问题，培养学生的创新性思维能力。IYPT 17道赛题都是贴近生活的开放物理问题，其中有不少问题源自《科学》《自然》这样的综合科学期刊，以及《物理学评论快报》《美国物理学杂志》《欧洲物理学杂志》等物理学或教育学顶级杂志。赛题以物理知识为主题，涵盖数学、电子、材料、工程等诸多方面，没有标准固定答案，注重问题的探究性。学生组团就这些实际物理问题的基本知识、理论分析、实验研究、结果讨论等进行研究，并开展辩论性比赛。这不仅可以锻炼学生分析问题、解决问题的能力，培养科研素质，还能提高学生的创新意识、团队合作精神、交流表达能力，使学生在知识、能力和素质等方面全面协调发展。目前国内一些高校也已开设了类似的课程，取得了良好的教学效果，例如南开大学开设了“PT学习物理新思路”“青年物理学家”等课程，系统教授学生科研方法，带领学生共同进行科学研究[8]。复旦大学开设了“物理基础建模”课程，并与其他课程结合形成了“创新实践、思维训练和技能学习”三重并重的课程体系[9]。北京航空航天大学则开设了“趣味物理研讨课”，在大学物理课程教学得到了很好的结合[10]。

在我院“STEAM-物理学习的新思路”课程总体设计时，任课教师要从“金课”的“两性一度”角度出发，除了要考虑物理、数学、电子等基本知识以及文献查阅、学生汇报等在教学中的融会贯通，还要设计出师生互动、课后实验以及线上交流等具体教学行为。在整个课程体系中，IYPT赛题的解析是最体现课程“两性一度”的教学环节。一方面IYPT的赛题基本都要经历这样几个过程(即表1中的PDCA)：审题→查阅中英文学术资料→预实验→建立数学模型和理论推导→实验与理论比对(误差分析)→实验修正→重新建立模型→，一个赛题可能经过几个循环过程[11]。另一方面由于IYPT赛题具有极强的开放性，这就意味着对赛题探究过程和答案具有不唯一性，同一道赛题不同的学生思考角度、方法、策略都有所不同，结果也不会一样。因此该环节的实施不仅对于学生自主学习能力、团队协作等方面都提出了极高的要求，同时也要求教师本身也要不断学习，变为学生的同伴参与到赛题研究中。

具体课程的实施方案是，教师在第一周根据学生人数(目前限制为80人)分成16个小组(每组5人)，同时将17道赛题公布给学生。每个小组学生提供自己感兴趣的4个题目。教师依据学生的选题结果，在第二周依据两方面原则确定课程中的4个赛题。(1)赛题内容需符合新生的物理水平，完全超出学生现有的物理知识会让学生无从下手，打击了学生研究课题的积极性。(2)从培养人才的创新性要求出发，所选的赛题要有一定难度，需要学生自主去学习一些新的物理知识，通俗的讲就是要跳一跳才能够得着。同时将4个题目分别指定给A、B 、C、D 4个大组完成，每个大组里面再包括4个小组，其中1个小组为正方，3个小组为反方，剩余12个小组为评论方(如图1)，最后根据教学计划开展教学工作。

图1 2018—2019年秋季学期赛题和分组情况

此外，“金课”的打造在教学团队的组建、课堂内外学时数的分配上也要重点考虑。在教学团队方面，从IYPT赛题具有理论和实验两方面特征出发，我院专门组建了一支由4位年龄在40岁以下，具有学科背景交叉的青年博士核心教学团队，这4位教师不仅都承担了大学物理或大学物理实验的课程，还分别承担了力学、光学等物理类基础课程的教学工作，同时在各自的科研领域，他们都具有一定的独立科研工作能力，承担过国家级及省级科研项目。在遇到自己不熟悉的专业知识时，教学团队还主动邀请学院其他教师共同参与相关问题讨论。

在课时方面，除了分配的36学时课堂教学外，我们还配套了固定课外学时和不固定课外学时，帮助学生分析和讨论遇到的问题。每周三的下午是固定时间段，教学团队的成员会在PT实验室进行集中讨论，学生可以就某一个问题来和教师进行讨论，也可以是师生共同开展理论或实验工作。而在其余时间段，师生则可以通过各种信息技术，在非固定时段线上线下进行沟通交流。表1是我院2018—2019年秋季学期“STEAM-物理学习的新思路”课程36学时的课堂教学内容安排表。而36课堂学时以外的课外学时，是学生核心科学素养得到有效提升的关键。

下面以IYPT2019年第15道题目牛顿摆来说明赛题在课程中的实施情况：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. (牛顿摆的振动会逐渐衰减，直到摆球静止。探究相关参数，例如摆球的数量、材质和排列方式对牛顿摆衰减速率的影响。)学生在第二周拿到赛题后，就开始要着手审题和查阅各种文献资料，并购置相关实验材料。该题的影响因素除了题目中提及的摆球数量、材质和排列方式，还包括摆球的大小和初始速度等。4个不同的研究小组根据自己所理解的不同变量来进行预实验，例如有些选择研究摆球的数量，有些选择研究了摆球的大小，如图2所示。

对于摆球的运动，学生需自主学会使用高速在此基础上，学生在中学物理和数学等知识基础上，自学一些大学物理、高等数学等内容进行数学推导，建立微分方程组等工作，并采用Matlab软件对其中一个小球进行分析，对照实验和理论数据。同时学生还可以自主学习Abaqus软件，构建数学模型进行有限元方法的模拟，得出摆球衰减速率的相关条件，进行误差分析(如图4所示)。

表1 STEAM-物理学习的新思路课程36学时的教学内容安排表

图2 不同大小和个数的牛顿摆实物图

摄像机去记录运动过程，然后学习Tracker软件跟踪摆球的运动，最后采用Origin软件进行处理数据，获得摆球的运动轨迹(如图3所示)。

图3 摆球运动轨迹

由于学生实验、理论推导和数值模拟有大量的工作都是在课堂外进行的，为了保证教学的质量，学生和教师实时通过各种信息技术，如QQ或微信进行线上的沟通，保证教学中出现的问题能及时得到解决(如图5所示)。

图4 牛顿摆理论与实验数据的对照图Abaqus有限元模拟摆的运动情况

图6 牛顿摆赛题学生期末PPT的汇报图

图5 学生与老师就牛顿摆赛题在课堂和课后进行线上沟通

在学期的中期点评课堂教学中，各个小组提交中期小结报告，主要包括赛题的已有进展，面临的问题和接下来的工作计划。教师会对各小组报告中的共性问题进行提取，与学生进行课堂讨论，并为下一个阶段赛题的完成提出相应的建议。在学期期末，每组学生推出一名代表在课堂上做PPT汇报(图6)，并提交总结报告(包括回答反方组问题、评论方组问题，老师问题)。在最后的期末考试环节中，教师则通过试题再区分出不同学生在小组中的贡献度。最终根据课堂表现、期中和期末汇报以及期末考试给予每位学生该门课程的成绩。

3 学生评价和课程效果

通过“STEAM-物理学习的新思路”课程的开设，参加过该课程学习或最终参加全国大学生物理学术竞赛的学生都收获颇多。同学们认为：“学习了如何研究一个物理问题的基本思路，学会了如何设计一个实验，如何采集数据，锻炼了动手能力”“从最基础的阅读相关文献，提炼文献中有效内容开始，到自行设计实验，统计实验结果，处理数据，再到软件模拟，最后优化实验和理论，使得理论、实验和模拟三项吻合，每一步都是自己前所未有的体验，创新能力得到了明显的提升”“辩论对抗的赛制要求我们有一份用于表达自己观点的勇气和团队合作的精神。也许我们之前连在众人面前说话都胆怯，但通过训练我们做到不怯场，对答自如，展现出良好的自信状态，不再否定自己”等。同时该课程对于教师教学也起到了极大的推动作用，表现为在教学空间上形成了“课堂教学+网络教学+实践教学”相结合的全方位、多层次、线上和线下的教学模式，在教学时间上由“第一课堂”向“第二课堂”延伸，学生更多是在课堂外进行知识的学习。在教学过程中，采用过程化评价体系，突出学生的主体性，强调学生对教学过程的主动参与。这些教与学方面的变化都体现了研究型教学的内涵，如图7所示。

图7 课程在“教”与“学”两方面所体现出的研究型教学内涵

由此看出，“STEAM-物理学习的新思路”课程通过优化知识体系，不断更新课程内容，将信息技术与教育教学深度融合，正在逐步成为具有高阶性、创新性和挑战度的“金课”。2018年8月苏州大学物理科学与技术学院代表队首次参加第九届全国大学生物理学术竞赛(CUPT)，就获得全国赛二等奖，坚定了我们继续建设好这门课程的决心。在此基础上，2018年12月举办了第一届苏州大学物理学术竞赛(SCUPT)，吸引了全校9个学院，近150名学生参加，全校范围内对物理学习的热情明显高涨。

4 结语

淘汰“水课”，打造“金课”必将是接下来相当长一段时间中国本科教育的重点工作，需要社会、学校、教师和学生的共同努力。苏州大学物理科学与技术学院通过建设物理学专业新生课程“STEAM-物理学习的新思路”，有效地增强了学生专业学习的兴趣，提高了学生的创新能力。