針對學(xué)科資優(yōu)生實(shí)施S-3PBL科創(chuàng)教育模式的實(shí)踐研究

吉廣智 王成 劉靖怡

【摘 要】學(xué)科資優(yōu)生培養(yǎng)是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要組成部分，“強(qiáng)基計(jì)劃”反映出了國家對于學(xué)科資優(yōu)生培養(yǎng)的重視。本文以“測不透明管道內(nèi)流量”為例，說明了實(shí)施S-3PBL科創(chuàng)教育模式的教學(xué)方法，以期提高物理資優(yōu)生的創(chuàng)新意識和對真實(shí)復(fù)雜物理問題的解決能力。

【關(guān)鍵詞】學(xué)科資優(yōu)生；學(xué)科教學(xué)創(chuàng)新；S-3PBL科創(chuàng)教育模式

【中圖分類號】G434? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B

【論文編號】1671-7384（2023）09-087-02

背景與問題

創(chuàng)新人才培養(yǎng)包括面向普通學(xué)生的培養(yǎng)及面向?qū)W科資優(yōu)生的培養(yǎng)兩部分。2020年1月13日，《教育部關(guān)于在部分高校開展基礎(chǔ)學(xué)科招生改革試點(diǎn)工作的意見》印發(fā)，強(qiáng)調(diào)要在部分高校開展基礎(chǔ)學(xué)科招生改革試點(diǎn)，即“強(qiáng)基計(jì)劃”。“強(qiáng)基計(jì)劃”的實(shí)行是對基礎(chǔ)教育向縱深發(fā)展的不斷推進(jìn)以及對創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)的不斷深入。

學(xué)科資優(yōu)生主要指對于學(xué)科具有良好基礎(chǔ)、濃厚興趣和參加過學(xué)科競賽系統(tǒng)培訓(xùn)的學(xué)生，一般具備了學(xué)科理論層面較好的基礎(chǔ)或者具備較強(qiáng)的數(shù)學(xué)建模能力，自身具有學(xué)科專家的潛質(zhì)[1]。然而，現(xiàn)代學(xué)科前沿問題越來越復(fù)雜，充滿不確定性，交叉程度越來越高，學(xué)科身份普遍受到挑戰(zhàn)，信息科技給學(xué)科專家賦能，計(jì)算成為新的學(xué)科創(chuàng)新形態(tài)，所有這些都要求學(xué)科資優(yōu)生接受面對復(fù)雜和不確定性問題的復(fù)合能力訓(xùn)練，為學(xué)科專家?guī)焯峁﹦?chuàng)新人才儲備。

針對物理資優(yōu)生，未來科研專家要求能夠系統(tǒng)分析復(fù)雜問題、合理建立模型，充分利用數(shù)值計(jì)算等技術(shù)手段處理難度遠(yuǎn)高于課標(biāo)的真實(shí)復(fù)雜物理情境和問題。但是目前高中物理教育教學(xué)方式較為單一，造成物理資優(yōu)生的學(xué)習(xí)難點(diǎn)[2]。筆者多年開設(shè)物理資優(yōu)生課程，在S-3PBL科創(chuàng)教育模式下創(chuàng)設(shè)了一套教學(xué)方法，該方法要求精心設(shè)計(jì)復(fù)雜而真實(shí)的項(xiàng)目任務(wù)，強(qiáng)調(diào)信息科技與學(xué)科的融合，并且通過完整的項(xiàng)目實(shí)踐體驗(yàn)科研工作的一般過程，培養(yǎng)創(chuàng)新意識與實(shí)踐能力[3]。

實(shí)踐案例設(shè)計(jì)與實(shí)施

針對物理資優(yōu)生課程特點(diǎn)，筆者以實(shí)際物理問題切入，采用基于S-3PBL科創(chuàng)教育模式的教學(xué)方法[4]，教學(xué)過程包括準(zhǔn)備課題、微講授啟發(fā)、確定研究團(tuán)隊(duì)、設(shè)計(jì)實(shí)踐方案、制造與測試原型、利用計(jì)算物理手段仿真、優(yōu)化交流與總結(jié)七個環(huán)節(jié)。

1.準(zhǔn)備課題

在正式教學(xué)和學(xué)習(xí)活動開始前，筆者相應(yīng)地設(shè)計(jì)了學(xué)生自主報(bào)名與教師審核相結(jié)合的機(jī)制，通過問卷調(diào)查、面試交流等方式把握學(xué)情，組建一批能力、方法、思想適合的學(xué)生群體。同時針對學(xué)生素質(zhì)，以真實(shí)物理情境作為切入點(diǎn)，準(zhǔn)備一批學(xué)生已經(jīng)具備一定印象和認(rèn)識的“研究課題”以供選擇。

2.微講授啟發(fā)

在前期準(zhǔn)備完成后，教師召集學(xué)生針對課題研究過程進(jìn)行微講授。我們以微講座形式開展“文獻(xiàn)閱讀”“科學(xué)探究與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”“常用物理軟件介紹”三個內(nèi)容的教學(xué)，相應(yīng)對應(yīng)了軟、硬件條件的準(zhǔn)備。

3.確立研究團(tuán)隊(duì)

通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)流程組織學(xué)生開展研究，將“研究課題”向?qū)W生公布，學(xué)生根據(jù)興趣（偏向的研究內(nèi)容）、專長（團(tuán)隊(duì)分工）自由組合成“課題小組”。其中我們根據(jù)學(xué)生對于三項(xiàng)工具的掌握能力使其兩兩結(jié)合，對應(yīng)為學(xué)生設(shè)計(jì)能力（實(shí)物工具＋學(xué)科理論工具）、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ▽?shí)物工具＋數(shù)字化工具）、分析能力（學(xué)科理論工具＋數(shù)字化工具），并建議學(xué)生形成三種能力搭配的“課題小組”（工程小團(tuán)隊(duì)）。

4.設(shè)計(jì)實(shí)踐方案

以一個學(xué)生項(xiàng)目為例，其內(nèi)容為“要求設(shè)計(jì)一個可以檢測不透明管道內(nèi)流體流動方向的非侵入性裝置，并優(yōu)化使其測得盡可能小的流量”。首先，團(tuán)隊(duì)針對題目中的多個定義進(jìn)行分解、界定，在小組內(nèi)對“檢測”“封閉管道”“流向”“非侵入裝置”進(jìn)行論證和界定。明確“需要設(shè)計(jì)一個可以檢測不透明封閉管道內(nèi)流體流向裝置”的基本方向，確定“不透明封閉管道”“非侵入裝置”為關(guān)鍵特征的設(shè)計(jì)需求。經(jīng)小組討論，預(yù)想三種設(shè)計(jì)方案為：（1）霍爾效應(yīng)測量法；（2）超聲波測量法；（3）熱學(xué)測量法。

5.制造與測試原型

依據(jù)設(shè)想的三種測量方法原理，分別利用教學(xué)環(huán)境中的材料自主搭設(shè)“霍爾流速計(jì)”“超聲流速計(jì)”及“導(dǎo)熱流速計(jì)”。使用三種“原型裝置”對課題進(jìn)行初步測試，選取了“液體”“測得流量”“實(shí)際流量”進(jìn)行采樣，通過使用三種裝置對不同流體進(jìn)行流速測量、收集信息，以“測得流量—實(shí)際流量”差值率計(jì)算“誤差”作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過分析數(shù)據(jù)表格探究問題和初步結(jié)論。

6.利用計(jì)算物理手段仿真

為預(yù)見物理結(jié)構(gòu)，由學(xué)生結(jié)合熱學(xué)、流體理論進(jìn)行物理建模，在此使用了有限元分析軟件，在對“加熱功率”“熱容流率”“材料導(dǎo)熱率”等物理量定義、設(shè)定“穩(wěn)定”流場的狀態(tài)下，建立物理場景方程，利用計(jì)算機(jī)求解得到導(dǎo)管某點(diǎn)的溫度與位置關(guān)系。

根據(jù)求解結(jié)果，小組判斷“熱流量計(jì)”方案可在管道外壁對稱擺放兩個熱電偶，利用測得溫差計(jì)算流速。此外，在“管道”環(huán)境中存在多重介質(zhì)影響，單一理論對于裝置優(yōu)化幫助有限。對于該復(fù)雜情況，小組經(jīng)過討論又采用了熱學(xué)仿真方式預(yù)測熱傳導(dǎo)方式測量流體流向的性能，利用計(jì)算軟件先繪制合理、優(yōu)化的網(wǎng)格，根據(jù)提前設(shè)定的參數(shù)和邊界條件給出適當(dāng)?shù)臄?shù)值模型，通過一系列數(shù)值計(jì)算，結(jié)合圖像呈現(xiàn)技術(shù)，以可視化形式較為精準(zhǔn)地表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

雖然有限元仿真不能完全代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)，但可以良好地模擬整個裝置的熱學(xué)性能，學(xué)生小組的實(shí)驗(yàn)思路是在有限元仿真中建立完整模型——經(jīng)過多重模擬計(jì)算后“優(yōu)化”裝置——做出實(shí)體裝置，并觀察其效果與仿真的一致性。

（1）基于計(jì)算仿真結(jié)果，小組設(shè)計(jì)了基本結(jié)構(gòu)，生成CAD結(jié)構(gòu)圖像，并依據(jù)裝置所需解決的問題提出改進(jìn)方案。

（2）利用優(yōu)化后的裝置，分別實(shí)驗(yàn)測試、采樣分析不同流體可以測得最小流量、不同管徑可以測得最小流量、不同管壁材料可以測得最小流量和不同管壁厚度可以測得最小流量。

7.優(yōu)化、交流與總結(jié)

經(jīng)過仿真計(jì)算與真實(shí)實(shí)驗(yàn)對比，發(fā)現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)和真實(shí)結(jié)果較為吻合，仿真裝置性能計(jì)算為真實(shí)實(shí)驗(yàn)提供了參考數(shù)據(jù)，真實(shí)實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

總結(jié)與反思

研究與分析表明，基于S-3PBL科創(chuàng)教育模式的教學(xué)方法能夠解決物理資優(yōu)生缺乏解決真實(shí)復(fù)雜物理問題經(jīng)驗(yàn)與技能的問題。在項(xiàng)目選擇中，應(yīng)該選取具有一定難度和綜合性的問題，符合物理資優(yōu)生的知識水平和培養(yǎng)需要。針對學(xué)科資優(yōu)生開展系列有步驟、有組織的現(xiàn)代學(xué)科計(jì)算形態(tài)教學(xué)活動，有利于激發(fā)學(xué)科資優(yōu)生的學(xué)科創(chuàng)新潛能，為未來學(xué)科發(fā)展儲備領(lǐng)軍人才打下基礎(chǔ)。

注：本文系中國教育發(fā)展戰(zhàn)略學(xué)會一般課題“新時代科創(chuàng)教育與學(xué)生創(chuàng)新能力發(fā)展方略研究”（課題編號：3003053）研究成果

參考文獻(xiàn)

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作者單位：1.北京師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)二龍路中學(xué)? 2.北京師范大學(xué)物理學(xué)系

編? ?輯：徐靖程