張國(guó)鋒

(北京航空航天大學(xué)物理科學(xué)與核能工程學(xué)院，北京 100191)

培養(yǎng)在科學(xué)、技術(shù)或管理等領(lǐng)域有創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力的拔尖人才一直是高等教育的初心。拔尖人才的培養(yǎng)模式不同于一般應(yīng)用型人才的培養(yǎng)模式[1]，需要高等學(xué)校改變目前的教學(xué)模式，為學(xué)生提供更多教師引導(dǎo)下的自主學(xué)習(xí)、自主思考的空間，將以“教”為中心的統(tǒng)一教學(xué)計(jì)劃、知識(shí)灌輸、基于考試的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐?“學(xué)”為中心的研究型教學(xué)模式。所謂研究型教學(xué)模式，必須具備3條：(1)教學(xué)和研究相結(jié)合，有教授學(xué)生知識(shí)的部分，更要體現(xiàn)學(xué)生應(yīng)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的部分;(2)重新構(gòu)建一種基于研究探索的課堂模式，以解決某個(gè)問(wèn)題為主線，學(xué)生有機(jī)會(huì)參與研究工作;(3)培養(yǎng)學(xué)生的批判精神，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)問(wèn)題的解決提出自己的看法，有相互交流、師生互動(dòng)的空間和氛圍，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新的欲望。

近幾年，筆者指導(dǎo)并帶領(lǐng)北京航空航天大學(xué)(以下簡(jiǎn)稱北航)學(xué)生參加了中國(guó)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽(以下簡(jiǎn)稱為CUPT)，經(jīng)過(guò)賽事，參賽學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力有了很大進(jìn)步，加上3年多的指導(dǎo)實(shí)踐和在北航五輪次開(kāi)設(shè)“趣味物理研討課”的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為可以依托大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽，實(shí)施大學(xué)物理課程的研究型教學(xué)。下面將分別介紹CUPT在北航的開(kāi)展情況、賽事對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力方面的作用以及利用具體題例分析實(shí)施研究型教學(xué)的可能性。

1　CUPT在北航

CUPT賽題都是貼近生活的開(kāi)放物理問(wèn)題，以物理知識(shí)為主體，涵蓋數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、電子、材料、機(jī)械等諸多方面，沒(méi)有固定答案，注重探究性。每一道題目都可以看作一個(gè)小的科研課題，旨在讓學(xué)生利用所學(xué)的大學(xué)物理知識(shí)構(gòu)建理論模型，同時(shí)，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生利用簡(jiǎn)單器材，通過(guò)精巧的設(shè)計(jì)做出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論，以理論解釋實(shí)驗(yàn)。正式比賽時(shí)，要求參賽學(xué)生就這些開(kāi)放物理問(wèn)題的基本知識(shí)、理論分析、實(shí)驗(yàn)研究、結(jié)果討論等進(jìn)行辯論性交流(見(jiàn)圖1)，特別強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)協(xié)作、開(kāi)放思維和表達(dá)能力。

圖1　CUPT辯論規(guī)則

2010年南開(kāi)大學(xué)主辦了第一屆CUPT比賽，2018年將在山西大學(xué)舉辦第九屆。北航物理學(xué)院2014年依托“愛(ài)因斯坦”實(shí)驗(yàn)班平臺(tái)，將CUPT比賽引入到學(xué)生課外興趣活動(dòng)中，挑選部分實(shí)驗(yàn)班學(xué)生就CUPT題目展開(kāi)分析、討論、模擬比賽，提前熟悉CUPT競(jìng)賽規(guī)則，2015年8月組織代表隊(duì)觀摩了在國(guó)防科技大學(xué)舉辦的第六屆CUPT比賽，為正式參加比賽作準(zhǔn)備。2016年3月，第一屆北航物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽舉辦，吸引了50支隊(duì)伍，近300名本科生參加。同年暑期，選拔校內(nèi)賽優(yōu)秀選手組成CUPT集訓(xùn)隊(duì)，就2016年題目進(jìn)行了賽前攻關(guān)，8月份，參加了在西安交通大學(xué)舉辦的第七屆CUPT比賽，獲得全國(guó)二等獎(jiǎng)。初次正式組隊(duì)參加比賽，獲得全國(guó)二等獎(jiǎng)，對(duì)我們鼓舞很大，學(xué)生參賽熱情空前高漲。考慮到CUPT比賽的特點(diǎn)：時(shí)間跨度長(zhǎng)、規(guī)則復(fù)雜、題目綜合開(kāi)放、全方位考查學(xué)生，為今后更好地組織并參加好大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽，2016年10月“北航PT社團(tuán)”成立，旨在以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)造能力、協(xié)作精神和實(shí)踐能力為根本理念，以承辦北航大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽為背景，依托于北航物理學(xué)院和校社聯(lián)平臺(tái)，在廣大本科生中營(yíng)造學(xué)習(xí)物理、熱愛(ài)物理、運(yùn)用物理的氛圍。在PT社團(tuán)的指導(dǎo)下，2017年由294名本科生參加的第二屆校內(nèi)初賽完成，并于2017年5月份舉行校內(nèi)復(fù)賽和決賽。為更有效地讓參賽學(xué)生專注于比賽賽題，初賽采取了提交論文、正方報(bào)告;復(fù)賽、決賽沿用CUPT國(guó)賽正式比賽規(guī)則，事實(shí)證明，這種準(zhǔn)備方法還是很有成效的。2017年8月，北航在哈爾濱工業(yè)大學(xué)舉辦的第八屆CUPT競(jìng)賽中以全國(guó)第八的成績(jī)獲得一等獎(jiǎng)，也獲得首屆華北賽區(qū)CUPT的承辦權(quán)。目前，籌備華北賽區(qū)和參加第九屆全國(guó)CUPT比賽準(zhǔn)備工作正有條不紊展開(kāi)。在全校范圍初步營(yíng)造了熱愛(ài)物理、學(xué)習(xí)物理、運(yùn)用物理的氛圍。

2　CUPT比賽與傳統(tǒng)教學(xué)的區(qū)別

接觸過(guò)CUPT比賽的師生都會(huì)對(duì)它留有深刻的印象，CUPT比賽不同于以往任何形式的學(xué)科競(jìng)賽[2]：題目非常貼近實(shí)際、開(kāi)放程度大、研究性和學(xué)科交叉性很強(qiáng)、重視理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)合、重視團(tuán)隊(duì)合作、重視表達(dá)交流。每年的17道題，都是17個(gè)小的科研項(xiàng)目，學(xué)生首先得精審題、查文獻(xiàn)，而這個(gè)本身就是從事科學(xué)研究的基本素養(yǎng)，也是科技創(chuàng)新的基礎(chǔ);在弄懂弄清基本題意后，需要構(gòu)思建立物理模型，做實(shí)驗(yàn)，重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并與所建模型的理論進(jìn)行對(duì)比分析;最后在比賽時(shí)和隊(duì)友就處理問(wèn)題的方法、假設(shè)、所用模型的合理性等進(jìn)行辯論性的交流。整個(gè)比賽準(zhǔn)備過(guò)程，正是一個(gè)分析問(wèn)題、查閱資料和解決問(wèn)題、思考交流的過(guò)程。

傳統(tǒng)的大學(xué)物理課堂基本屬于以教師為主，學(xué)生為輔的教學(xué)，效果好的可能與學(xué)生互動(dòng)多些。學(xué)生在被動(dòng)接受知識(shí)，有的學(xué)生很疑惑學(xué)了很多概念、定理等，能解決什么實(shí)際問(wèn)題，如何去解決實(shí)際問(wèn)題。傳統(tǒng)課堂缺乏讓學(xué)生自己去動(dòng)腦、動(dòng)手的環(huán)節(jié)，教學(xué)模式較為單一，同時(shí)，傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性、演示性居多，開(kāi)放命題式的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)相對(duì)薄弱，導(dǎo)致對(duì)學(xué)生探索未知和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)相對(duì)缺乏。CUPT比賽卻可以在某種程度上很好地解決這些問(wèn)題，整個(gè)過(guò)程體現(xiàn)了研究型教學(xué)的內(nèi)涵(如圖2所示)。

圖2　研究型教學(xué)內(nèi)涵

實(shí)踐表明，參加過(guò)CUPT比賽的學(xué)生都收獲滿滿。有的同學(xué)認(rèn)為：“學(xué)會(huì)知識(shí)，只是理解明晰;靈活運(yùn)用，方能解決問(wèn)題。這次競(jìng)賽提供給了我們摸索從學(xué)習(xí)知識(shí)到靈活應(yīng)用知識(shí)的舞臺(tái)，是引發(fā)我們考慮問(wèn)題思維方式變化的催化劑”“通過(guò)對(duì)比賽題目的研究，提高了自己運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力;通過(guò)比賽過(guò)程中正反方的討論交流，我懂得了質(zhì)疑與交流對(duì)于學(xué)術(shù)研究的重要性;通過(guò)對(duì)生活中有趣的物理現(xiàn)象的解釋，我加深了對(duì)物理的熱愛(ài)”“學(xué)了最有趣的物理和最有用的軟件”“CUPT最重要的益處是它培養(yǎng)了我進(jìn)行課題研究和學(xué)術(shù)交流的能力”“參加CUPT收獲最大的一點(diǎn)是使我充分意識(shí)到了學(xué)術(shù)討論的重要性”等。不言而喻，CUPT對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)是全方位的，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力有很重要的指導(dǎo)作用。

CUPT不僅僅是一次比賽，它是為提升本科生的自主探究能力、鼓勵(lì)創(chuàng)新思維、加深對(duì)數(shù)理基礎(chǔ)學(xué)科的認(rèn)識(shí)打造的一個(gè)開(kāi)放平臺(tái)，區(qū)別于紙面答題的物理競(jìng)賽。CUPT和北航“馮如杯”、全國(guó)“挑戰(zhàn)杯”以及大學(xué)生物理競(jìng)賽等比賽是相輔相成、互為補(bǔ)充的關(guān)系。CUPT題目的優(yōu)秀作品可以參與北航“馮如杯”、全國(guó)“挑戰(zhàn)杯”等科技競(jìng)賽。CUPT更多體現(xiàn)開(kāi)放、交流、協(xié)作、創(chuàng)新，而這正是研究型教學(xué)所倡導(dǎo)的，也是現(xiàn)行本科教學(xué)的不足之處。

3　依托CUPT比賽，嘗試大學(xué)物理研究型教學(xué)

《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》中提出：全面實(shí)施“高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”。為貫徹這一目標(biāo)，北航推出本科教育教學(xué)人才培養(yǎng)模式綜合改革計(jì)劃(長(zhǎng)城行動(dòng)計(jì)劃)，推行普適全校的、“與國(guó)際接軌、根植于中國(guó)”的一流的人才培養(yǎng)新模式。為建立符合高等教育發(fā)展規(guī)律的本科人才培養(yǎng)體系、培養(yǎng)具有“科學(xué)基礎(chǔ)、人文素養(yǎng)、實(shí)踐能力”的高素質(zhì)拔尖創(chuàng)新人才，學(xué)校推行了一系列本科教學(xué)改革措施，致力于從以教師為中心的教學(xué)模式向以學(xué)生學(xué)和師生討論為中心的教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變，積極鼓勵(lì)以問(wèn)題為導(dǎo)向的研究型教學(xué)改革。

現(xiàn)行大部分大學(xué)物理課堂教學(xué)都比較沉悶，內(nèi)容陳舊與實(shí)際聯(lián)系不是很緊密，導(dǎo)致學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)，課程結(jié)束后，所學(xué)的定律、定理和概念大部分都還給了課本。如果大學(xué)物理課堂從第一節(jié)就告訴學(xué)生：課程的目的是引起大家對(duì)物理的興趣或者減少大家對(duì)物理的發(fā)怵、期待大家對(duì)物理的思想方法有所了解，從具體實(shí)際問(wèn)題出發(fā)演繹所需要的物理知識(shí)并進(jìn)行講解，讓學(xué)生去討論交流，我想這樣的教學(xué)會(huì)讓學(xué)生感覺(jué)到所學(xué)有用，然后自然就有興趣了。問(wèn)題導(dǎo)引、現(xiàn)象觀察、預(yù)做實(shí)驗(yàn)、內(nèi)容講解、啟發(fā)討論，這正是準(zhǔn)備CUPT比賽的過(guò)程。

為了充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性、積極性和求知欲，培養(yǎng)學(xué)生的思辯能力，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，北航物理學(xué)院積極探索拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)新格局，創(chuàng)新研究型教學(xué)模式。同時(shí)，作為大學(xué)物理課堂教學(xué)的后陣地，從2016年春季學(xué)期開(kāi)始在全校范圍開(kāi)設(shè)“趣味物理研討課”，課程設(shè)置擺脫應(yīng)試教育的模式，以問(wèn)題為導(dǎo)向，分成若干小組，引出對(duì)所學(xué)大學(xué)物理內(nèi)容的討論、應(yīng)用和具體實(shí)際問(wèn)題的解決。整個(gè)課堂貫徹知識(shí)學(xué)習(xí)與探索實(shí)踐相結(jié)合，物理學(xué)與日常生活相結(jié)合，學(xué)術(shù)能力與人際交往能力相結(jié)合，個(gè)人與團(tuán)隊(duì)合作相結(jié)合的理念，鼓勵(lì)學(xué)生給教師出題，師生互動(dòng)解決問(wèn)題。給學(xué)生提供利用在大學(xué)物理課堂上學(xué)到的物理原理、物理定律、物理規(guī)律進(jìn)行討論、交流、分析、解決實(shí)際問(wèn)題的場(chǎng)地空間。給現(xiàn)行本科教學(xué)注入新鮮的氣息和活力，以期帶動(dòng)大學(xué)物理課程的研究型教學(xué)。

3.1　“趣味物理研討課”及大學(xué)物理研究型教學(xué)的具體設(shè)施

全校范圍的“趣味物理研討課”倡導(dǎo)以問(wèn)題為導(dǎo)向，引出大學(xué)物理課堂內(nèi)容。問(wèn)題部分來(lái)源于CUPT比賽賽題、部分來(lái)源于任課教師和學(xué)生生活中的疑惑和經(jīng)驗(yàn)。比如：力學(xué)中的“阿基米德著名論斷——給我一個(gè)支點(diǎn)，我就可以撬動(dòng)地球，這是真實(shí)的嗎？如何通過(guò)計(jì)算支持你的觀點(diǎn)？”“長(zhǎng)為L(zhǎng)的均質(zhì)軟繩絕大部分沿長(zhǎng)度部分放在光滑水平桌上面，僅僅有很少一部分懸掛在桌面外，而后繩將從靜止開(kāi)始下滑，能否出現(xiàn)繩子完全垂直于桌面的一瞬間？”“多普勒想到這么個(gè)問(wèn)題：觀察者接近或者遠(yuǎn)離聲源或光源時(shí)，他能感覺(jué)到聲波或者光波頻率或者波長(zhǎng)的變化，你認(rèn)可這種觀點(diǎn)嗎？”等，只要與所講授大學(xué)物理課程內(nèi)容有銜接的問(wèn)題，都可以在“趣味物理研討課”上進(jìn)行分組討論。教師在上課時(shí)，首先擺出問(wèn)題，然后按照學(xué)生人數(shù)(學(xué)生總?cè)藬?shù)目前限制在50～75人)分為7～10個(gè)組，具體實(shí)施過(guò)程為：分組討論、集體審題(每個(gè)組匯報(bào)題目的意思、需要的物理知識(shí)、如何建立模型、如何數(shù)值求解、問(wèn)題的主要因素、次要因素)、代課教授講解涉及的物理知識(shí)、課下分組建立模型(實(shí)驗(yàn)、計(jì)算)、課堂討論。課程考核以課堂表現(xiàn)、期末小論文、課下小組討論(組長(zhǎng)負(fù)責(zé)給出具體分工及完成任務(wù))3部分組成。

下文以CUPT競(jìng)賽題目為例具體說(shuō)明如何以問(wèn)題為導(dǎo)向引出大學(xué)物理課堂內(nèi)容直至問(wèn)題的解決：

1)2016年題目：磁力小火車

Button magnets are attached to both ends of a s mall cylindrical batter y.When placed in a copper coil such that the magnets contact the coil，this“train”starts tomove.Explain the phenomenon and investigate how relevant parameters affect the train's speed and power.分別在小圓柱電池兩端連上一個(gè)紐扣磁鐵，將之放入一個(gè)銅線圈中，并使線圈磁鐵相互接觸，則會(huì)觀察到磁鐵與電池構(gòu)成的“火車”在線圈上移動(dòng)。解釋此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并研究相關(guān)參數(shù)如何影響火車的速度和功率(能量)。

這是一個(gè)典型的電磁學(xué)和力學(xué)結(jié)合的問(wèn)題，考查學(xué)生靈活應(yīng)用電磁學(xué)和力學(xué)相關(guān)概念、定理解決實(shí)際問(wèn)題的能力。對(duì)于這樣一道經(jīng)典力學(xué)范疇內(nèi)的多物理場(chǎng)問(wèn)題，可以從最基本的牛頓運(yùn)動(dòng)定律展開(kāi)，抽絲剝繭，層層遞進(jìn)，最終尋找到火車速度的數(shù)學(xué)表達(dá)式。最關(guān)鍵的問(wèn)題就是得弄清楚火車為什么會(huì)運(yùn)動(dòng)？為什么會(huì)在有限時(shí)間內(nèi)勻速率？從靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，肯定是受到了力的作用，那受到的是什么性質(zhì)的力呢？這樣就自然引出了電磁學(xué)里通電螺線管要產(chǎn)生磁場(chǎng)這部分知識(shí)。這樣從問(wèn)題為切入點(diǎn)引出所講內(nèi)容，進(jìn)而分析火車勻速的原因，合外力為零，哪個(gè)力和磁場(chǎng)力抵消，磁場(chǎng)力必然經(jīng)過(guò)一個(gè)從大到小的過(guò)程的原因，磁鐵穿過(guò)線圈，使得磁通量發(fā)生變化，在線圈里是要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的，等等。學(xué)生會(huì)一步一步跟著老師思路，直到問(wèn)題解決。

2)2017年題目：快鏈

A chain consisting of wooden blocks inclined relative to the vertical and connected by two threads is suspended vertically and then released.Compared to free fall，the chain falls faster when it is dropped onto a horizontal surface.Explain this phenomenon and investigate how the relevant parameters affect the motion.將木塊兩端用線連接并且使木塊相對(duì)細(xì)線傾斜組成長(zhǎng)鏈并垂直懸掛然后釋放，相比于自由下落的長(zhǎng)鏈，當(dāng)長(zhǎng)鏈掉落在一個(gè)平臺(tái)表面時(shí)它下落得更快。解釋這種現(xiàn)象并且研究相關(guān)參數(shù)是如何對(duì)這種運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響的。

這是一道相對(duì)復(fù)雜的力學(xué)題目，涉及落體、碰撞、轉(zhuǎn)動(dòng)等諸多概念，考查學(xué)生對(duì)力學(xué)基本原理掌握是否到位，可以把此題引入力學(xué)課堂教學(xué)。為了避免照本宣科的講法，可以先給學(xué)生演示快鏈的視頻 (最好是自己做好的實(shí)驗(yàn))，學(xué)生會(huì)好奇，進(jìn)而去思考為何會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。這里需要讓學(xué)生注意到當(dāng)傾斜木塊較低端觸及桌面時(shí)，比自由下落的木塊下落得更快。進(jìn)而引發(fā)學(xué)生思考：在木塊觸及桌面時(shí)發(fā)生了什么？顯然，學(xué)生會(huì)說(shuō)“和桌面碰撞了”，那碰撞的力學(xué)機(jī)制是什么？木塊碰撞后運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了怎樣的改變？處理此題時(shí)要用到哪些假設(shè)？最終的結(jié)果顯然是比較速度。這樣的教學(xué)過(guò)程是引發(fā)學(xué)生感興趣去聽(tīng)老師講內(nèi)容;講完內(nèi)容，回過(guò)頭來(lái)再思考，再討論交流，一段研究型教學(xué)的過(guò)程自然就形成了。

3.2　實(shí)施效果

進(jìn)行研究型教學(xué)，我們永遠(yuǎn)在路上，以上的做法只是一個(gè)嘗試，但是得到了廣大學(xué)生的積極響應(yīng)，在學(xué)生中引起了較大反響?！叭の段锢硌杏懻n”的選課人數(shù)一直居高不下，最多時(shí)有200多人選課，為了更有效地進(jìn)行課堂討論，通過(guò)和教務(wù)處協(xié)商，以大二學(xué)生為主，結(jié)合大一學(xué)習(xí)成績(jī)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行了篩選，2016年最終有50人上課，2017年則有75人選課。學(xué)生的評(píng)價(jià)有：“以探究課題的方式，更深入地理解知識(shí)，相較按書(shū)本順序?qū)W習(xí)效率遠(yuǎn)高”“分階段進(jìn)行全體展示，如解讀題目、理論分析……對(duì)題目要有更多了解，提高討論效率”“……提供了一個(gè)多學(xué)科多知識(shí)交流的平臺(tái)、更多是能激起我們自主學(xué)習(xí)的動(dòng)力……”“在論文閱讀、PPT制作與演講、物理方法等有了明顯提高”“最大的收獲就是告訴了我生活中一些復(fù)雜問(wèn)題，分析、理論建模是可行的，往往看似復(fù)雜的問(wèn)題經(jīng)過(guò)合理的建模、簡(jiǎn)化，用學(xué)的知識(shí)可以解決，把理論真正應(yīng)用實(shí)際科技中”……學(xué)生們的這些感想和體會(huì)正是研究型教學(xué)所要達(dá)到的。

4　結(jié)語(yǔ)

從準(zhǔn)備CUPT比賽到正式參賽，處處都體現(xiàn)了對(duì)大學(xué)生綜合創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，是研究型教學(xué)的一個(gè)途徑。北航物理學(xué)院正在以辦好物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽為抓手，扎實(shí)推進(jìn)大學(xué)物理的研究型教學(xué)，期望在未來(lái)取得更多成績(jī)。