“三位一體”下大學物理實踐類課程探索

翁雨燕　董裕力　楊俊義　方亮

關鍵詞 三位一體;學生中心;朋輩學習;教學共同體

2021年5月，在中國科學院第二十次院士大會、中國工程院第十五次院士大會、中國科協第十次全國代表大會上的講話中，習近平總書記再次強調了高等教育在創新人才培養上的要求。培養創新型人才是國家、民族長遠發展的大計。當今世界的競爭說到底是人才競爭、教育競爭。要更加重視人才自主培養，更加重視科學精神、創新能力、批判性思維的培養培育。我國要在科技創新方面走在世界前列，必須在創新實踐中發現人才、在創新活動中培育人才、在創新事業中凝聚人才，必須大力培養造就規模宏大、結構合理、素質優良的創新型科技人才。

物理學專業人才不僅在基礎物理研究領域，而且在芯片制造、量子計算、生物醫學等諸多交叉應用領域都起到了強有力的支撐作用。圍繞物理類專業理論課的建設，多位學者和教授結合自身實踐提出了具有啟發性的見解，特別是實驗在物理學科教學中的重要作用[1-2]。劉玉斌教授更是在課程建設的經驗總結中提到，新時代課程建設必須發揮教學團隊作用，堅持從學生視角設計教學理念、教學內容和教學方法，從而讓學生掌握分析問題、解決問題的能力和終身學習的能力[3]。

大學物理實驗是一門公認的理工科學生必修課程，是物理理論落實到具體問題解決的實踐性課程，以激發學生興趣為前提，以學生親自動手實驗為手段，對學生進行全面系統的實驗方法和技能的訓練，培養將來在實際工作中的獨立思考和創新能力[4]。然而，在實際開展中，大學物理實驗課程普遍面臨著不少問題，譬如，課時數無法支撐學生的自主實踐探索，學生對實驗課程的重視程度又遠不如理論課程，普物實驗的開課順序通常為輪換制無法匹配理論課程進度，課程教學和評價模式相對單一[5-6]等。為了更好地實現大學物理實驗課程的教學目標，對標“一流課程”建設，很多學校開展了形式多樣的課程革新。從學生的價值塑造入手，根據每個實驗項目的特點，引入課程思政，進而激發學生的好奇心和學習興趣，引導學生樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀，增強學生的愛國情懷，培養學生積極向上、不屈不撓和永攀科學高峰的精神;從學生的能力培養入手，根據每個學生的能力水平差異，引入分層級學習，階梯型支撐學生的研究進階，對不同學生進行相應的學習引導和幫助，推動促進學生的全面發展，達到具有優秀科學素質的創新性人才培養的目的;在知識傳授方面，根據每個學生的知識儲備不同，引入線上線下混合式教學，融合虛擬仿真實驗、微課、慕課、微信公眾號等多種混合式教學元素，支撐學生的實體實驗學習，虛實結合，課堂翻轉，實踐創新，綜合實訓，著力提升學生的知識接受和整合運用的能力，夯實實驗方法和技能的基礎[7-12]。無論是課程思政的有機融合還是線上線下的混合式教學，實驗教學的課程革新有微觀項目的升級更替，也有宏觀課程的整體梳理。這場聲勢浩大的大學物理普通實驗課程創新“尋根之旅”，幾乎涵蓋了課程教學的每個環節，并在解決學生興趣、學習效果和動手能力等方面，都取得了有效的成果。然而，我們認為除了大學物理實驗課程本身教與學的問題以外，學生從高中來到大學，需要生理和心理的緩沖。在正式進入高強度專業學習以前，學生必須儲備足夠的情感認知和價值認同，激發出對未知的好奇心和探索欲，才能將實踐類課程的創新落到實處、痛處，為后續實驗進階課程和專業理論課程打好基礎。因此，我們在借鑒了大學物理實驗教學革新相關經驗的基礎上，開創了實踐類先修課“現代物理學在創新創業中的應用”。本課程借助課程思政、教學共同體、朋輩助力和混合教學模式，在學生自我認同和學科自信塑造方面獲得了一些有益的嘗試，一方面希望能夠發揮先修課程的銜接性，為國內大學物理實驗課程的教學工作開展提供思考;另一方面，希望能夠推廣課程的共通性，為跨專業跨學科的同類課程建設提供參考，為國家創新性人才培養奠定基礎。

1 當下物理實驗教學的現狀分析

物理學不僅研究范圍廣闊（縱貫微觀、宏觀和宇觀），應用性強（橫跨理工農醫），而且格局大、站位高（具有獨立完整的世界觀、科學觀和方法論[4]），在人才綜合素質培養中具有其他學科無法比擬的重要作用。作為一門以實驗為基礎的學科，物理實驗教學是物理教學的重要組成部分，然而傳統物理實驗類課程項目和教學方式多以驗證性實驗講授為主，學生“重理論，輕實驗”的現象非常普遍，因此，大學階段的實驗課中，我們可以非常明顯的感知到學生的參與不足，實驗課程無法有效激發和培養學生的自主學習能力，因此，先修課不能照搬傳統大學物理實驗課程“課中教”的模式。

大一新生在經歷了12年的應試教育以后，答案引導式思維嚴重固化，學生往往知其然，不知其所以然，物理知識碎片化，學習方式慣性地停留在高強度刷題和教師灌輸中，缺乏自主學習和實踐動手能力，學習機械呆板，自主學習的能力與欲望相對不足;然而，大學物理課程對物理圖像和數學方法的要求相對較高，學生尚不具備足夠的心理準備去面對高難度高強度的物理專業課學習，因此先修課必須幫助學生建立“課前學”的意識。

當今網絡技術飛速發展，在我們生活的方方面面產生著潛移默化的影響。特別是疫情下的網絡教學，催生了大批量的優秀在線課程與教學資源，教與學在觀念、過程、方法以及角色定義等諸多方面都將賦予全新的內涵。然而，大一新生的學習重心總是習慣性的落在“第一課堂”，面對新時代本科教育中涌現出的形式不同、內容多樣的“第二課堂”（網絡課程、線上教學、虛擬仿真等）尚缺乏平衡優化的能力，這些優秀的“第二課堂”資源無法有效激活“第一課堂”所學，促進學習的質變，培養終身學習的能力，因此先修課必須培養學生“課后用”的能力。

在先修課中，學生逐漸養成課前自學、課中思考和課后應用的學習習慣，具備迎難而上的自我認同和學以致用的學科自信，才能為后續的進階課程學習打好基礎，做好準備。

2 “現代物理學在創新創業中的應用”課程教學實施

本課程是面向低年級學生的實踐類課程，著眼學生的興趣引導，緊密圍繞創新意識和實踐能力，以“固本強基、研學融合、教賽協同、持續發展”為理念，強調“價值塑造、知識傳授、能力培養”三位一體下的人才培養。

我們秉承我院物理專業實驗教學中“瓶瓶罐罐當儀器，拼拼湊湊做實驗”的思想[13]，以“物”論理，用真實情景，激發學習興趣，啟發創新潛能;著眼知識融合串聯，激活物理大概念[14]，夯實基礎，引導創新。“第一課堂”知識傳授、思維訓練、方法構建，“第二課堂”外延拓展、能力提升、協同合作，達到價值認同、興趣提升、創新激活的目的。

2.1 具體教學舉措

針對大一新生的碎片化知識和學習習慣問題，本課程從其心理情況和知識儲備出發，破除其畏難心理，溫故而知新，強調拓展串聯物理大概念;課程選題源于實際生活和學科前沿，且答案開放，學生可以從自己擅長的角度切入深化，激發自主學習興趣[15]。在此基礎上，逐步培養模型建立和問題解決的能力，實現思維模式從“單調刷題”到“自主研討”的過渡，有效解決知識割裂斷層的困境，激發自主學習和研究創新的能力。課程聯動理論與實驗，基礎與前沿，校內與校外，多維度的引導學生在價值、知識和能力三個方面的整體提升，具體的課程框架如圖1所示。

在課程思政融入方面，本課程除了結合相關教學案例以外，我們堅持以教師嚴謹求實的科學素養和高水平教學的初心入腦入心的澆灌學生心中的思政之花;同時我們強調生生/師生間的合作互助，這將有效提升學生的交流討論、陳述表達和合作共贏精神。教師是學生課程學習過程中的引導者和陪伴者[16]。課程將第二課堂中的重難點問題反饋在第一課堂的討論中，學生在第一課堂的“所學”與第二課堂的“所得”不斷交替轉化;根據教學反饋，對學生量體裁衣，教學共同體優勢互補，合力攻堅。

教師無法隨時隨地地陪在學生身邊，圖2所示的新時代下多元化線上線下溝通平臺就為我們的課程提供了有力支撐。雨課堂實現堂內高效溝通;社交平臺實現線上線下多渠道聯動;問卷實現前測與后測的教學反饋……社交平臺是實體教學的有力補充，兩個課堂齊頭并進，線上線下雙管齊下，浸潤式教學環境有效解決雙線課堂的協同問題，實現教與學的時空誕生。

實驗教學實施過程分為“課前學”“課中教”和“課后用”三個環節。“課前學”環節，教師提前設置情景，布置問題，學生查閱資料、自主思考和實踐探索，教師在此環節指引護航;“課中教”環節，通過翻轉課堂，學生匯報文獻調研、實驗探索和模型構建的結果，教師歸納總結，綜合學生提出的各種視角，通過拼接構建，提煉物理圖像，在課程推進的過程中，教師會逐步將引導討論的權力放給學生，提高思維自主性;“課后用”環節，教學共同體整合多方資源研習討論，將問題拓展發散，緊密聯系科研生活，學以致用，具體的流程圖見圖3。

本課程充分發揮朋輩學習的力量，案例項目可持續化推進，不但在課程學習中設置階梯，讓學生拾級而上;而且在課程結束后持續跟進，讓學生體驗完整的項目周期。12年的應試教育，學生習慣了教師的主觀講述，也滋養了學生被動接受的習慣，學生缺乏主動思考的時間和平臺，這阻礙學生靈活運用所學知識解決實際問題能力的培養;同時，我們也發現相較于教師，學生之間的交流討論是他們暢所欲言的最佳環境，因此我們課程的自編教材案例從生活中來，到生活中去。我們充分調研教學對象的興趣點，將生活科研中的創新項目課程化;以教學對象的心理與知識儲備為起點，將課程內容階梯化，讓學生拾級而上;項目小組產生的創新成果并不以課程匯報為終點，我們注重更替出新，持續優化，并匯編成冊，展示給后來的學習者[16];甚至讓不同年級的學生通過匯編冊進行交流傳承，逐年提高，其中部分優秀案例已經寫入江蘇省重點教材《近現代物理實驗》[18]。

本課程以物理學創新創業人才培養為目標，旨在培養學生獨立完整的世界觀、嚴謹求實的科學觀和有機靈動的方法論。因此本課程需要平衡好物理學科的“系統性”“嚴謹性”與創新項目的“開放性”“創新性”。配套的課程評價不再是單一的試卷測評，而是對學生價值、能力和知識培養效果的全面考察，學生的課程考核結合小組匯報、申請書、作品展示等多方面的教學產出，通過學生自評、小組互評和教師評價對學生在這個教學周期中的表現綜合打分。同時也通過調查問卷、學生座談等方式持續改進我們的課程。

2.2 具體教學案例

我們會通過課前調研，在每個主題中選取學生最感興趣的案例進行精講，以彌補課時不足帶來的掣肘。精講案例的周期通常為三周，實施流程如圖3所示。下面我們通過課程中“析內憂外患，筑自我認可”主題中的一個課程案例——“卡住光刻技術的物理問題”，展示課程的具體實施流程。

在“課前學”的環節，教師提前布置問題：夜晚路燈的“星芒”現象，讓學生嘗試通過手機、照相機和眼睛去觀察夜晚學校里的路燈，如圖4所示。我們起步的問題引入通常都比較簡單，不會涉及復雜的裝置搭建，這樣可以有效地吸引學生主動嘗試。學生在“第二課堂”里，拍攝各種各樣的“星芒”;查閱資料，檢索文獻，完成物理建模;最終完成變量控制實驗和模型計算。學生不可能一蹴而就的改變“標準答案”的定式思維，總會下意識地和同學比對結果，所以教師的功能并不是判斷對錯，而是通過線上線下平臺，引導學生通過驗證實驗和假設推理去分析自己的結果，逐步培養邏輯思辨的思維能力。

在“課中教”環節，翻轉課堂是非常有效的實施手段，能夠給學生足夠的表達與交流，讓教師及時捕捉到學生思維的亮點和誤區。教師和學生在“第一課堂”，甄別現象（第一周），討論原理（第二周），匯報交流（第三周）。給足學生學習和消化的時間，才能獲得理想的教學效果。第一周學生呈現的各種“星芒”，教師通過現象比對，引導學生往“干涉”和“衍射”上去思考物理模型，如圖5（a）所示。第二周，學生會在課上展示他們找到的各種“子波”，有同學支持干涉，有同學贊同衍射;教師則抽絲剝繭，引導學生去挖掘其物理本質，讓學生自己去修正所持立論的局限性，如圖5（b）所示。第三周，學生匯報交流討論;教師總結啟發拓展。

每組同學在匯報成果的時候都會展示自己“最滿意”的結果，而翻轉課堂則讓學生在討論的過程中自主思考，去偽存真。

通過三周的實驗與理論學習，學生對于光與物屏互作用過程中的幾何光學與波動光學問題有了全面的了解，中學的光學知識得到了充分的融合，教師就可以將知識外延拓展到生產生活中的實際問題：“卡住光刻技術的物理問題”，并通過科學家們的貢獻，提升學生的學科自信與民族自豪。

在“課后用”環節，我們會引導學生去拓展和創新，創新不是一步登天，學生需要經歷按部就班的引導，才能到達游刃有余的創新;那么在這個主題案例的引導創新中，我們會嘗試讓學生去測量“皮筋的泊松比”。從現象的解讀引導到物理量的測量，這其中既有常規宏觀物理量測量的溫顧，又有微小量測量新方法的應用。我們通過這樣一步一步地引導，為學生的自主創新儲能蓄力。

3 “現代物理學在創新創業中的應用”課程學生評價

本課程自開設以來，我們會在期末通過調查問卷了解學生的教學感受，學生都會感慨“這2個學分不好拿”，學生認為：“我經歷了完整的項目，在我們爭執不下時，老師帶我們感受到客觀理性和交流思辨的力量”;也有同學認為：“我第一次感受到團隊的力量，我可以安心做自己擅長的事情”;還有同學說：“我開始關注其他組的問題，嘗試通過邏輯思辨，提出具有針對性的問題”……學生在認知、能力和情感多個方面，或多或少都感受到了課程給他們學習方法和思維模式帶來的轉變，我們課程每年的教學測評也都是優秀。

雖然我們的課程并沒有傳輸固定的具象化知識，但是我們更希望學生能把上述感受要能夠長期留存下來，形成習慣;為他們后續的專業課學習提供支撐貢獻，甚至為他們未來科學研究中價值觀的樹立和創造力的啟蒙助力。因此，我們跟蹤走訪了選課學生后續在其他課程學習和科研訓練中的體會。有學生說：“選這門課是我最正確的選擇，這一步步走來的親身參與給了我學習物理的自信和信仰，培養了我很多好的習慣。在后來的學習中，我每每遇到瓶頸，這一段經歷讓我相信只要去鉆研，總有解決的方法”;也有同學說：“這些開放性的問題像玩兒一樣的讓我全身心地體驗了一把探索的樂趣，讓我體會到了發現問題和分析問題的神奇力量。在后來的創新實踐中，我不再懼怕提問和質疑，敢于在眾人面前表述自己的觀點”;還有同學說：“這門課就像是一顆火種，點燃了我探究的小火苗，雖然我并沒有因為這門課學會所有的軟件和知識，但是我不懼怕困難的出現，逐漸有了自主的科學思維和辯證看法，這大概就是物理本身的魅力吧”;好幾位同學都特別提到了我們的案例匯編本，“我們的創新項目并沒有因為課程結束而停止，老師還在繼續支撐著后續的研究。當沒有學分刺激的時候，優秀的學長們一份份完整的項目案例給了我們一次次咬牙繼續地堅持，拿到專利授權和文章接收函時的欣喜若狂可比90分嗨多了”，對于團隊合作的樂趣，更是每個同學津津樂道的感受，以前“提高一分，干掉千人”，現在“攜手并進，共同探究”，等等。

4 “現代物理學在創新創業中的應用”課程教學效果

本課程培養了一批具有較好物理創新思維和實踐能力的學生。通過課程所培養本科生直接組成了本校全國大學生物理學術競賽（CUPT）代表隊（每年5人），連續三年獲得全國36強種子隊。學生們自發成立了校級CUPT 學團組織，已成功組織舉辦三屆校級CUPT;在興趣的引領下，近五年省級高校大學生物理及實驗科技作品創新競賽中，我院的參賽項目和成績較之前都顯著提高，其中90%獲獎作品選手參加過該課程。

5 “現代物理學在創新創業中的應用”課程教學反思

在教學實施的過程中我們根據學生的具體情況和教學成效不斷進行反思和改進。經歷6輪教學實踐，我們嘗試過大班教學、平行班和對照組，在持續改進的路上我們不斷地與同行溝通交流，項目驅動的教學方式還被《物理與工程》雜志作為亮點論文[19]推送，然而價值、知識和能力三位一體的整體提升才是課程實施效果的保障。精品小班化的授課方式是本課程教學初心有效實施的最佳選擇。經歷了這6輪教學周期的持續改進，我們實現了課程改革的目的，解決了目前高校實驗教學都面臨的3大問題：

（1）“以物論理”的實驗教育思想在價值塑造、知識傳授和能力培養方面獲得了積極的成果，學科自信與專業認可度有明顯提升，改善了物理大概念的串聯融合和自身的內部驅動力問題;

（2）新生對未知領域兼具好奇和恐懼心理，我們需要根據學生的具體情況，因材施教，教學共同體有效孕育學生的自主學習、合作互信和創新能力，落實了學生中心和外部有效激活的問題;

（3）將課程思政落實于浸潤式陪伴教學中，兩個課堂齊頭并進，線上線下雙管齊下，實現了教學時空的延伸，促進教學協同。

然而，我們仍需要持續改進，主要有3 個方面。（1）學生的知識儲備、學習訴求和能力水平差異度較大，需要教師更多的個性化指導和分層教學;（2）在跨學科創新人才培養的要求下，教師團隊先受教育的自覺性和多元化知識儲備有待進一步提高;（3）雖有部分課程項目實現了論文發表和專利授權，但是成果延續性仍需進一步加強，創新成果轉化需要進一步提質增量，才能形成創新人才的可持續培養。

6 結語

經歷6個教學周期的調整優化，“現代物理學在創新創業中的應用”一課已經完成了基本框架的設置和定位。在思政融入和兩性一度的課程建設精神指引下，實踐課程建設勢必會產生很多不同于理論課程的建設思路和創新要素，但是三位一體是總綱，必須寓價值觀引導于知識傳授和能力培養之中。[20]我院從本課程優化革新中汲取經驗，順勢而為，完成了實驗課程群的四級階梯設置，學生從大中銜接開始，到普物實驗入門，依托近現代實驗的啟發拓展，最終進入科學前沿創新實踐，打開科學研究和創新創業的大門。課程培育的學生很多都參與了各類學科競賽或創新大賽并獲獎，學生在肯定課程的同時也或多或少的感慨自己付出的努力，這門物理學實踐類選修課的2個學分比其他專業理論課的4個學分更難拿。然而，這正是我們以一流金課打造為目標的課程建設初心，教師浸潤陪伴下的付出和學生孜孜以求的努力才能讓我們的教學中心（學生）在完成高等教育時，成長為具有初步創新創業能力的社會主義建設者和接班人。