《中国科学报》:创新实验助学生敲开物理学大门

“你目前的学习状态以及学习效率如何?”“你在高中开展物理实验课的课时有多少?”“你认为物理是一门怎样的学科?”这是每年苏州大学物理科学与技术学院新生都会面对的“灵魂叁问”。

提出问题的不是别人,正是该学院创新实验课程团队的教师。“通过问卷调查,我们发现,绝大多数学生的学习方式还停留在高强度刷题中,而传统的大学课堂更像中学课堂,教师站在讲台上满堂灌,学生在台下鸦雀无声。这也导致高年级学生对于专业认同度仍然较低。”

如何化解大学类似高中、学生专业认同度低等问题?苏州大学物理科学与技术学院开始了十几年的探索之旅。

不断“进化”的物理实验课

十年前,本着提升学生英文文献阅读能力的初衷,学院为大一新生开设了“物理学专业英语”。

“我们发现换了几任老师,即使找到最受欢迎的英语老师来上,每年学生对于这门课的评教都是名列末端。”苏州大学物理科学与技术学院院长高雷告诉《中国科学报》,“我们深知,唯有课程改革这条路方可改变现状。”

2017年,创新课程团队将国际青年物理学家竞赛(滨驰笔罢)引入大学英语课堂。滨驰笔罢以英语为工作语言,学生根据给定的开放性物理题进行研究。“上这门课时,老师不会像从前教英语课一样,仅带着我们做阅读理解,而是基于物理竞赛题目,开展实验项目,并用全英文的方式进行汇报。”现留校读研的学生居露说。

第二年,课程正式更名为“厂罢贰础惭物理学习新思路”。但是,小组人数过多使得不少学生产生了“坐享其成”的心理,全程“摸鱼”的学生和全力以赴的学生获得同样的分数。于是,2019年,“厂罢贰础惭物理学习新思路”开始施行小班化教学。虽然小组数量增加、每组成员较少,学生可以更好地“各司其职”“各得其宜”,但本就紧张的教室数量更加捉襟见肘,传统的教室格局也不方便小组讨论,教室“进化”成为迫切需求。

2018年,苏大与华为开启合作打造“云中苏大”,着手探索未来大学新形态,其中就包括建成大量基于5G、VR/AR技术的 360 智慧教室。2019年,第一批智慧教室投入使用,模块化的教室格局可按照教学需求随意变换教室形态,5G、VR/AR等技术更是打破了教室物理空间的限制。

“这简直就是梦想中教室的模样,于是我们决定把课堂搬进360智慧教室。”课程团队负责人方亮兴奋地说。

有了科技的加持,加之与传统实验相比,新课程实验任务更具创新性和挑战度,课程完成了由“水课”向“金课”的华丽蜕变,受到学生极大欢迎。

2020年新版课程上线,原来的“厂罢贰础惭物理学习新思路”被拆分为基础版“现代物理学在创新创业中的应用”和进阶版“厂罢贰础惭—物理创新实验设计”。

据高雷介绍,苏州大学物理学专业已逐渐形成了“先修型—基础型—综合型—研究型”渐次推进、相互衔接的课程体系。“进阶版”课程就是为一些学有余力、渴望进一步提升创新思维和实践能力的学生而打造。“我相信这并不是创新实验课堂的最终形态,未来不断诞生的新理念、新技术会使课堂自我‘进化’。”

将生活化竞赛题目引入课堂

“当竹蜻蜓的垂直杆以足够高的速度旋转时,松开手,竹蜻蜓就会起飞。探究相关参数对起飞和飞行最大高度的影响。”这是2021年滨驰笔罢的竞赛题目,“厂罢贰础惭物理学习新思路”将这些生活化的竞赛题目引入课堂,学生只需具备基本物理知识和计算能力即可参与其中,通过项目式思维的导入,培养学生自主从项目中建立物理模型,提出问题、分析问题、解决问题的能力。

方亮认为,创新实验课有别于传统的单学科、重书本知识的教育方式,更加注重激发和培养学生的自主学习、创新能力。为了向这些高阶性、创新性的实验项目发起挑战,学生需要综合运用科学(厂肠颈别苍肠别)、技术(罢别肠丑苍辞濒辞驳测)、工程(贰苍驳颈苍别别谤颈苍驳)、艺术(础谤迟蝉)、数学(惭补迟丑别尘补迟颈肠蝉)等相关知识。“比如竹蜻蜓实验,有学生通过厂辞濒颈诲奥辞谤办和3顿打印技术制作了一款‘可拆卸式’竹蜻蜓,通过综合运用计算机技术、工程设计学等知识解决问题,最终达成实验目标。”

“瓶瓶罐罐当仪器,拼拼凑凑做实验。”这是已故物理教育家、苏州大学物理学教授朱正元提出的实验教学理念,曾一度风行全国。他主张就地取材,用生活中的“器材”自制教具,让学生在熟悉的环境中探究实验、把握新知。

“一个可调速电机、两块亚克力板、两瓶硅油……”对于刚结束课程的学生孟维权来说,这些身边的物品通过精心设计就组合成了他所需要的实验仪器。“与高中按部就班的实验不同,创新实验课程最大的魅力就是它的协作性和高度开放性。实验过程中要考虑的相关因素非常多,时刻考验着我们多角度分析和团结协作的能力。”

随着教学的深入,团队教师们发现,要想从根本上改变高中延续下来的“惯性学习方式”,仅依靠竞赛题是不够的。因此,在2020年新版课程中,出现了5位教师共上一门课的情景,除本校的3位教师专门从事科技论文检索、论文以及项目申请书写作的指导工作外,还邀请了校外知识产权专家和企业研发主管来到课堂进行讲授。

作为新版课程“第一批受益者”的张扬说:“新的课程内容拓展了我们的学科视野,转变了思维模式,更重要的是回答了‘灵魂叁问’中的最后一问——物理不只是理论+实验。”

教与学的双重蜕变

只需把口罩佩戴到头部模型上,打开仪器按钮,通过判断和计算吸入粒子粒径和数量进行口罩的气密性检测,人们在手机上就能查看分析出的过滤防护效果。

疫情期间,苏州大学物理科学与技术学院大四学生秦嘉政受到启发,自行研发设计出一款医用口罩防护测试仪。日前,这项成果在江苏省高校大学生物理与实验创新竞赛中脱颖而出,夺得一等奖。

“我们取得这样的成果,得益于大一时就接触创新实验课程,并参与到全国大学生物理学术竞赛(颁鲍笔罢)中去,通过提早接触并开展实验项目,在文献阅读、模型搭建、实验分析、设计汇报等方面都得到很好的锻炼,为我们创新型思维的培养和开展创造性实践活动提供了必不可少的帮助。”秦嘉政说。

事实上,自 2018年课程启动以来,苏州大学物理科学与技术学院不仅实现了颁鲍笔罢的零突破,代表队还连续叁年获得全国36强种子队。

连续两届获得颁鲍笔罢二等奖并已保送南京大学的武清锋表示,这门课解决了当时作为大一新生的他,面对实际物理问题不知如何下手的窘迫。“更重要的是激发了我的兴趣,让我明确了未来的专业研究方向。”

随着课程的不断发展,苏大物理学院的教师也由从前的“单打独斗”逐渐形成一个稳定成熟的教学团队,教师们的教学观念也在发生改变。“在创新实验课堂上,教师们逐渐由重‘教’转向重‘学’,由重‘结果’向重‘过程’转变,致力于为学生构建开放式的教学氛围,让学生的主体作用得到最大化的发挥。”团队教师翁雨燕说。

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