“三位一体”下大学物理实践类课程探索

翁雨燕　董裕力　杨俊义　方亮

关键词 三位一体;学生中心;朋辈学习;教学共同体

2021年5月，在中国科学院第二十次院士大会、中国工程院第十五次院士大会、中国科协第十次全国代表大会上的讲话中，习近平总书记再次强调了高等教育在创新人才培养上的要求。培养创新型人才是国家、民族长远发展的大计。当今世界的竞争说到底是人才竞争、教育竞争。要更加重视人才自主培养，更加重视科学精神、创新能力、批判性思维的培养培育。我国要在科技创新方面走在世界前列，必须在创新实践中发现人才、在创新活动中培育人才、在创新事业中凝聚人才，必须大力培养造就规模宏大、结构合理、素质优良的创新型科技人才。

物理学专业人才不仅在基础物理研究领域，而且在芯片制造、量子计算、生物医学等诸多交叉应用领域都起到了强有力的支撑作用。围绕物理类专业理论课的建设，多位学者和教授结合自身实践提出了具有启发性的见解，特别是实验在物理学科教学中的重要作用[1-2]。刘玉斌教授更是在课程建设的经验总结中提到，新时代课程建设必须发挥教学团队作用，坚持从学生视角设计教学理念、教学内容和教学方法，从而让学生掌握分析問题、解决问题的能力和终身学习的能力[3]。

大学物理实验是一门公认的理工科学生必修课程，是物理理论落实到具体问题解决的实践性课程，以激发学生兴趣为前提，以学生亲自动手实验为手段，对学生进行全面系统的实验方法和技能的训练，培养将来在实际工作中的独立思考和创新能力[4]。然而，在实际开展中，大学物理实验课程普遍面临着不少问题，譬如，课时数无法支撑学生的自主实践探索，学生对实验课程的重视程度又远不如理论课程，普物实验的开课顺序通常为轮换制无法匹配理论课程进度，课程教学和评价模式相对单一[5-6]等。为了更好地实现大学物理实验课程的教学目标，对标“一流课程”建设，很多学校开展了形式多样的课程革新。从学生的价值塑造入手，根据每个实验项目的特点，引入课程思政，进而激发学生的好奇心和学习兴趣，引导学生树立正确的世界观、人生观和价值观，增强学生的爱国情怀，培养学生积极向上、不屈不挠和永攀科学高峰的精神;从学生的能力培养入手，根据每个学生的能力水平差异，引入分层级学习，阶梯型支撑学生的研究进阶，对不同学生进行相应的学习引导和帮助，推动促进学生的全面发展，达到具有优秀科学素质的创新性人才培养的目的;在知识传授方面，根据每个学生的知识储备不同，引入线上线下混合式教学，融合虚拟仿真实验、微课、慕课、微信公众号等多种混合式教学元素，支撑学生的实体实验学习，虚实结合，课堂翻转，实践创新，综合实训，着力提升学生的知识接受和整合运用的能力，夯实实验方法和技能的基础[7-12]。无论是课程思政的有机融合还是线上线下的混合式教学，实验教学的课程革新有微观项目的升级更替，也有宏观课程的整体梳理。这场声势浩大的大学物理普通实验课程创新“寻根之旅”，几乎涵盖了课程教学的每个环节，并在解决学生兴趣、学习效果和动手能力等方面，都取得了有效的成果。然而，我们认为除了大学物理实验课程本身教与学的问题以外，学生从高中来到大学，需要生理和心理的缓冲。在正式进入高强度专业学习以前，学生必须储备足够的情感认知和价值认同，激发出对未知的好奇心和探索欲，才能将实践类课程的创新落到实处、痛处，为后续实验进阶课程和专业理论课程打好基础。因此，我们在借鉴了大学物理实验教学革新相关经验的基础上，开创了实践类先修课“现代物理学在创新创业中的应用”。本课程借助课程思政、教学共同体、朋辈助力和混合教学模式，在学生自我认同和学科自信塑造方面获得了一些有益的尝试，一方面希望能够发挥先修课程的衔接性，为国内大学物理实验课程的教学工作开展提供思考;另一方面，希望能够推广课程的共通性，为跨专业跨学科的同类课程建设提供参考，为国家创新性人才培养奠定基础。

1 当下物理实验教学的现状分析

物理学不仅研究范围广阔（纵贯微观、宏观和宇观），应用性强（横跨理工农医），而且格局大、站位高（具有独立完整的世界观、科学观和方法论[4]），在人才综合素质培养中具有其他学科无法比拟的重要作用。作为一门以实验为基础的学科，物理实验教学是物理教学的重要组成部分，然而传统物理实验类课程项目和教学方式多以验证性实验讲授为主，学生“重理论，轻实验”的现象非常普遍，因此，大学阶段的实验课中，我们可以非常明显的感知到学生的参与不足，实验课程无法有效激发和培养学生的自主学习能力，因此，先修课不能照搬传统大学物理实验课程“课中教”的模式。

大一新生在经历了12年的应试教育以后，答案引导式思维严重固化，学生往往知其然，不知其所以然，物理知识碎片化，学习方式惯性地停留在高强度刷题和教师灌输中，缺乏自主学习和实践动手能力，学习机械呆板，自主学习的能力与欲望相对不足;然而，大学物理课程对物理图像和数学方法的要求相对较高，学生尚不具备足够的心理准备去面对高难度高强度的物理专业课学习，因此先修课必须帮助学生建立“课前学”的意识。

当今网络技术飞速发展，在我们生活的方方面面产生着潜移默化的影响。特别是疫情下的网络教学，催生了大批量的优秀在线课程与教学资源，教与学在观念、过程、方法以及角色定义等诸多方面都将赋予全新的内涵。然而，大一新生的学习重心总是习惯性的落在“第一课堂”，面对新时代本科教育中涌现出的形式不同、内容多样的“第二课堂”（网络课程、线上教学、虚拟仿真等）尚缺乏平衡优化的能力，这些优秀的“第二课堂”资源无法有效激活“第一课堂”所学，促进学习的质变，培养终身学习的能力，因此先修课必须培养学生“课后用”的能力。

在先修课中，学生逐渐养成课前自学、课中思考和课后应用的学习习惯，具备迎难而上的自我认同和学以致用的学科自信，才能为后续的进阶课程学习打好基础，做好准备。

2 “现代物理学在创新创业中的应用”课程教学实施

本课程是面向低年级学生的实践类课程，着眼学生的兴趣引导，紧密围绕创新意识和实践能力，以“固本强基、研学融合、教赛协同、持续发展”为理念，强调“价值塑造、知识传授、能力培养”三位一体下的人才培养。

我们秉承我院物理专业实验教学中“瓶瓶罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”的思想[13]，以“物”论理，用真实情景，激发学習兴趣，启发创新潜能;着眼知识融合串联，激活物理大概念[14]，夯实基础，引导创新。“第一课堂”知识传授、思维训练、方法构建，“第二课堂”外延拓展、能力提升、协同合作，达到价值认同、兴趣提升、创新激活的目的。

2.1 具体教学举措

针对大一新生的碎片化知识和学习习惯问题，本课程从其心理情况和知识储备出发，破除其畏难心理，温故而知新，强调拓展串联物理大概念;课程选题源于实际生活和学科前沿，且答案开放，学生可以从自己擅长的角度切入深化，激发自主学习兴趣[15]。在此基础上，逐步培养模型建立和问题解决的能力，实现思维模式从“单调刷题”到“自主研讨”的过渡，有效解决知识割裂断层的困境，激发自主学习和研究创新的能力。课程联动理论与实验，基础与前沿，校内与校外，多维度的引导学生在价值、知识和能力三个方面的整体提升，具体的课程框架如图1所示。

在课程思政融入方面，本课程除了结合相关教学案例以外，我们坚持以教师严谨求实的科学素养和高水平教学的初心入脑入心的浇灌学生心中的思政之花;同时我们强调生生/师生间的合作互助，这将有效提升学生的交流讨论、陈述表达和合作共赢精神。教师是学生课程学习过程中的引导者和陪伴者[16]。课程将第二课堂中的重难点问题反馈在第一课堂的讨论中，学生在第一课堂的“所学”与第二课堂的“所得”不断交替转化;根据教学反馈，对学生量体裁衣，教学共同体优势互补，合力攻坚。

教师无法随时随地地陪在学生身边，图2所示的新时代下多元化线上线下沟通平台就为我们的课程提供了有力支撑。雨课堂实现堂内高效沟通;社交平台实现线上线下多渠道联动;问卷实现前测与后测的教学反馈……社交平台是实体教学的有力补充，两个课堂齐头并进，线上线下双管齐下，浸润式教学环境有效解决双线课堂的协同问题，实现教与学的时空诞生。

实验教学实施过程分为“课前学”“课中教”和“课后用”三个环节。“课前学”环节，教师提前设置情景，布置问题，学生查阅资料、自主思考和实践探索，教师在此环节指引护航;“课中教”环节，通过翻转课堂，学生汇报文献调研、实验探索和模型构建的结果，教师归纳总结，综合学生提出的各种视角，通过拼接构建，提炼物理图像，在课程推进的过程中，教师会逐步将引导讨论的权力放给学生，提高思维自主性;“课后用”环节，教学共同体整合多方资源研习讨论，将问题拓展发散，紧密联系科研生活，学以致用，具体的流程图见图3。

本课程充分发挥朋辈学习的力量，案例项目可持续化推进，不但在课程学习中设置阶梯，让学生拾级而上;而且在课程结束后持续跟进，让学生体验完整的项目周期。12年的应试教育，学生习惯了教师的主观讲述，也滋养了学生被动接受的习惯，学生缺乏主动思考的时间和平台，这阻碍学生灵活运用所学知识解决实际问题能力的培养;同时，我们也发现相较于教师，学生之间的交流讨论是他们畅所欲言的最佳环境，因此我们课程的自编教材案例从生活中来，到生活中去。我们充分调研教学对象的兴趣点，将生活科研中的创新项目课程化;以教学对象的心理与知识储备为起点，将课程内容阶梯化，让学生拾级而上;项目小组产生的创新成果并不以课程汇报为终点，我们注重更替出新，持续优化，并汇编成册，展示给后来的学习者[16];甚至让不同年级的学生通过汇编册进行交流传承，逐年提高，其中部分优秀案例已经写入江苏省重点教材《近现代物理实验》[18]。

本课程以物理学创新创业人才培养为目标，旨在培养学生独立完整的世界观、严谨求实的科学观和有机灵动的方法论。因此本课程需要平衡好物理学科的“系统性”“严谨性”与创新项目的“开放性”“创新性”。配套的课程评价不再是单一的试卷测评，而是对学生价值、能力和知识培养效果的全面考察，学生的课程考核结合小组汇报、申请书、作品展示等多方面的教学产出，通过学生自评、小组互评和教师评价对学生在这个教学周期中的表现综合打分。同时也通过调查问卷、学生座谈等方式持续改进我们的课程。

2.2 具体教学案例

我们会通过课前调研，在每个主题中选取学生最感兴趣的案例进行精讲，以弥补课时不足带来的掣肘。精讲案例的周期通常为三周，实施流程如图3所示。下面我们通过课程中“析内忧外患，筑自我认可”主题中的一个课程案例——“卡住光刻技术的物理问题”，展示课程的具体实施流程。

在“课前学”的环节，教师提前布置问题：夜晚路灯的“星芒”现象，让学生尝试通过手机、照相机和眼睛去观察夜晚学校里的路灯，如图4所示。我们起步的问题引入通常都比较简单，不会涉及复杂的装置搭建，这样可以有效地吸引学生主动尝试。学生在“第二课堂”里，拍摄各种各样的“星芒”;查阅资料，检索文献，完成物理建模;最终完成变量控制实验和模型计算。学生不可能一蹴而就的改变“标准答案”的定式思维，总会下意识地和同学比对结果，所以教师的功能并不是判断对错，而是通过线上线下平台，引导学生通过验证实验和假设推理去分析自己的结果，逐步培养逻辑思辨的思维能力。

在“课中教”环节，翻转课堂是非常有效的实施手段，能够给学生足够的表达与交流，让教师及时捕捉到学生思维的亮点和误区。教师和学生在“第一课堂”，甄别现象（第一周），讨论原理（第二周），汇报交流（第三周）。给足学生学习和消化的时间，才能获得理想的教学效果。第一周学生呈现的各种“星芒”，教师通过现象比对，引导学生往“干涉”和“衍射”上去思考物理模型，如图5（a）所示。第二周，学生会在课上展示他们找到的各种“子波”，有同学支持干涉，有同学赞同衍射;教师则抽丝剥茧，引导学生去挖掘其物理本质，让学生自己去修正所持立论的局限性，如图5（b）所示。第三周，学生汇报交流讨论;教师总结启发拓展。

每组同学在汇报成果的时候都会展示自己“最满意”的结果，而翻转课堂则让学生在讨论的过程中自主思考，去伪存真。

通过三周的实验与理论学习，学生对于光与物屏互作用过程中的几何光学与波动光学问题有了全面的了解，中学的光学知识得到了充分的融合，教師就可以将知识外延拓展到生产生活中的实际问题：“卡住光刻技术的物理问题”，并通过科学家们的贡献，提升学生的学科自信与民族自豪。

在“课后用”环节，我们会引导学生去拓展和创新，创新不是一步登天，学生需要经历按部就班的引导，才能到达游刃有余的创新;那么在这个主题案例的引导创新中，我们会尝试让学生去测量“皮筋的泊松比”。从现象的解读引导到物理量的测量，这其中既有常规宏观物理量测量的温顾，又有微小量测量新方法的应用。我们通过这样一步一步地引导，为学生的自主创新储能蓄力。

3 “现代物理学在创新创业中的应用”课程学生评价

本课程自开设以来，我们会在期末通过调查问卷了解学生的教学感受，学生都会感慨“这2个学分不好拿”，学生认为：“我经历了完整的项目，在我们争执不下时，老师带我们感受到客观理性和交流思辨的力量”;也有同学认为：“我第一次感受到团队的力量，我可以安心做自己擅长的事情”;还有同学说：“我开始关注其他组的问题，尝试通过逻辑思辨，提出具有针对性的问题”……学生在认知、能力和情感多个方面，或多或少都感受到了课程给他们学习方法和思维模式带来的转变，我们课程每年的教学测评也都是优秀。

虽然我们的课程并没有传输固定的具象化知识，但是我们更希望学生能把上述感受要能够长期留存下来，形成习惯;为他们后续的专业课学习提供支撑贡献，甚至为他们未来科学研究中价值观的树立和创造力的启蒙助力。因此，我们跟踪走访了选课学生后续在其他课程学习和科研训练中的体会。有学生说：“选这门课是我最正确的选择，这一步步走来的亲身参与给了我学习物理的自信和信仰，培养了我很多好的习惯。在后来的学习中，我每每遇到瓶颈，这一段经历让我相信只要去钻研，总有解决的方法”;也有同学说：“这些开放性的问题像玩儿一样的让我全身心地体验了一把探索的乐趣，让我体会到了发现问题和分析问题的神奇力量。在后来的创新实践中，我不再惧怕提问和质疑，敢于在众人面前表述自己的观点”;还有同学说：“这门课就像是一颗火种，点燃了我探究的小火苗，虽然我并没有因为这门课学会所有的软件和知识，但是我不惧怕困难的出现，逐渐有了自主的科学思维和辩证看法，这大概就是物理本身的魅力吧”;好几位同学都特别提到了我们的案例汇编本，“我们的创新项目并没有因为课程结束而停止，老师还在继续支撑着后续的研究。当没有学分刺激的时候，优秀的学长们一份份完整的项目案例给了我们一次次咬牙继续地坚持，拿到专利授权和文章接收函时的欣喜若狂可比90分嗨多了”，对于团队合作的乐趣，更是每个同学津津乐道的感受，以前“提高一分，干掉千人”，现在“携手并进，共同探究”，等等。

4 “现代物理学在创新创业中的应用”课程教学效果

本课程培养了一批具有较好物理创新思维和实践能力的学生。通过课程所培养本科生直接组成了本校全国大学生物理学术竞赛（CUPT）代表队（每年5人），连续三年获得全国36强种子队。学生们自发成立了校级CUPT 学团组织，已成功组织举办三届校级CUPT;在兴趣的引领下，近五年省级高校大学生物理及实验科技作品创新竞赛中，我院的参赛项目和成绩较之前都显著提高，其中90%获奖作品选手参加过该课程。

5 “现代物理学在创新创业中的应用”课程教学反思

在教学实施的过程中我们根据学生的具体情况和教学成效不断进行反思和改进。经历6轮教学实践，我们尝试过大班教学、平行班和对照组，在持续改进的路上我们不断地与同行沟通交流，项目驱动的教学方式还被《物理与工程》杂志作为亮点论文[19]推送，然而价值、知识和能力三位一体的整体提升才是课程实施效果的保障。精品小班化的授课方式是本课程教学初心有效实施的最佳选择。经历了这6轮教学周期的持续改进，我们实现了课程改革的目的，解决了目前高校实验教学都面临的3大问题：

（1）“以物论理”的实验教育思想在价值塑造、知识传授和能力培养方面获得了积极的成果，学科自信与专业认可度有明显提升，改善了物理大概念的串联融合和自身的内部驱动力问题;

（2）新生对未知领域兼具好奇和恐惧心理，我们需要根据学生的具体情况，因材施教，教学共同体有效孕育学生的自主学习、合作互信和创新能力，落实了学生中心和外部有效激活的问题;

（3）将课程思政落实于浸润式陪伴教学中，两个课堂齐头并进，线上线下双管齐下，实现了教学时空的延伸，促进教学协同。

然而，我们仍需要持续改进，主要有3 个方面。（1）学生的知识储备、学习诉求和能力水平差异度较大，需要教师更多的个性化指导和分层教学;（2）在跨学科创新人才培养的要求下，教师团队先受教育的自觉性和多元化知识储备有待进一步提高;（3）虽有部分课程项目实现了论文发表和专利授权，但是成果延续性仍需进一步加强，创新成果转化需要进一步提质增量，才能形成创新人才的可持续培养。

6 结语

经历6个教学周期的调整优化，“现代物理学在创新创业中的应用”一课已经完成了基本框架的设置和定位。在思政融入和两性一度的课程建设精神指引下，实践课程建设势必会产生很多不同于理论课程的建设思路和创新要素，但是三位一体是总纲，必须寓价值观引导于知识传授和能力培养之中。[20]我院从本课程优化革新中汲取经验，顺势而为，完成了实验课程群的四级阶梯设置，学生从大中衔接开始，到普物实验入门，依托近现代实验的启发拓展，最终进入科学前沿创新实践，打开科学研究和创新创业的大门。课程培育的学生很多都参与了各类学科竞赛或创新大赛并获奖，学生在肯定课程的同时也或多或少的感慨自己付出的努力，这门物理学实践类选修课的2个学分比其他专业理论课的4个学分更难拿。然而，这正是我们以一流金课打造为目标的课程建设初心，教师浸润陪伴下的付出和学生孜孜以求的努力才能让我们的教学中心（学生）在完成高等教育时，成长为具有初步创新创业能力的社会主义建设者和接班人。