吉廣智 王成 劉靖怡

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

【關鍵詞】學科資優(yōu)生；學科教學創(chuàng)新；S-3PBL科創(chuàng)教育模式

【中圖分類號】G434? ?【文獻標識碼】B

【論文編號】1671-7384（2023）09-087-02

背景與問題

創(chuàng)新人才培養(yǎng)包括面向普通學生的培養(yǎng)及面向學科資優(yōu)生的培養(yǎng)兩部分。2020年1月13日，《教育部關于在部分高校開展基礎學科招生改革試點工作的意見》印發(fā)，強調要在部分高校開展基礎學科招生改革試點，即“強基計劃”。“強基計劃”的實行是對基礎教育向縱深發(fā)展的不斷推進以及對創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標的不斷深入。

學科資優(yōu)生主要指對于學科具有良好基礎、濃厚興趣和參加過學科競賽系統(tǒng)培訓的學生，一般具備了學科理論層面較好的基礎或者具備較強的數學建模能力，自身具有學科專家的潛質[1]。然而，現(xiàn)代學科前沿問題越來越復雜，充滿不確定性，交叉程度越來越高，學科身份普遍受到挑戰(zhàn)，信息科技給學科專家賦能，計算成為新的學科創(chuàng)新形態(tài)，所有這些都要求學科資優(yōu)生接受面對復雜和不確定性問題的復合能力訓練，為學科專家?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)分析復雜問題、合理建立模型，充分利用數值計算等技術手段處理難度遠高于課標的真實復雜物理情境和問題。但是目前高中物理教育教學方式較為單一，造成物理資優(yōu)生的學習難點[2]。筆者多年開設物理資優(yōu)生課程，在S-3PBL科創(chuàng)教育模式下創(chuàng)設了一套教學方法，該方法要求精心設計復雜而真實的項目任務，強調信息科技與學科的融合，并且通過完整的項目實踐體驗科研工作的一般過程，培養(yǎng)創(chuàng)新意識與實踐能力[3]。

實踐案例設計與實施

針對物理資優(yōu)生課程特點，筆者以實際物理問題切入，采用基于S-3PBL科創(chuàng)教育模式的教學方法[4]，教學過程包括準備課題、微講授啟發(fā)、確定研究團隊、設計實踐方案、制造與測試原型、利用計算物理手段仿真、優(yōu)化交流與總結七個環(huán)節(jié)。

1.準備課題

在正式教學和學習活動開始前，筆者相應地設計了學生自主報名與教師審核相結合的機制，通過問卷調查、面試交流等方式把握學情，組建一批能力、方法、思想適合的學生群體。同時針對學生素質，以真實物理情境作為切入點，準備一批學生已經具備一定印象和認識的“研究課題”以供選擇。

2.微講授啟發(fā)

在前期準備完成后，教師召集學生針對課題研究過程進行微講授。我們以微講座形式開展“文獻閱讀”“科學探究與實驗設計”“常用物理軟件介紹”三個內容的教學，相應對應了軟、硬件條件的準備。

3.確立研究團隊

通過項目式學習流程組織學生開展研究，將“研究課題”向學生公布，學生根據興趣（偏向的研究內容）、專長（團隊分工）自由組合成“課題小組”。其中我們根據學生對于三項工具的掌握能力使其兩兩結合，對應為學生設計能力（實物工具＋學科理論工具）、實驗能力（實物工具＋數字化工具）、分析能力（學科理論工具＋數字化工具），并建議學生形成三種能力搭配的“課題小組”（工程小團隊）。

4.設計實踐方案

以一個學生項目為例，其內容為“要求設計一個可以檢測不透明管道內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，團隊針對題目中的多個定義進行分解、界定，在小組內對“檢測”“封閉管道”“流向”“非侵入裝置”進行論證和界定。明確“需要設計一個可以檢測不透明封閉管道內流體流向裝置”的基本方向，確定“不透明封閉管道”“非侵入裝置”為關鍵特征的設計需求。經小組討論，預想三種設計方案為：（1）霍爾效應測量法；（2）超聲波測量法；（3）熱學測量法。

5.制造與測試原型

依據設想的三種測量方法原理，分別利用教學環(huán)境中的材料自主搭設“霍爾流速計”“超聲流速計”及“導熱流速計”。使用三種“原型裝置”對課題進行初步測試，選取了“液體”“測得流量”“實際流量”進行采樣，通過使用三種裝置對不同流體進行流速測量、收集信息，以“測得流量—實際流量”差值率計算“誤差”作為評價標準，通過分析數據表格探究問題和初步結論。

6.利用計算物理手段仿真

為預見物理結構，由學生結合熱學、流體理論進行物理建模，在此使用了有限元分析軟件，在對“加熱功率”“熱容流率”“材料導熱率”等物理量定義、設定“穩(wěn)定”流場的狀態(tài)下，建立物理場景方程，利用計算機求解得到導管某點的溫度與位置關系。

根據求解結果，小組判斷“熱流量計”方案可在管道外壁對稱擺放兩個熱電偶，利用測得溫差計算流速。此外，在“管道”環(huán)境中存在多重介質影響，單一理論對于裝置優(yōu)化幫助有限。對于該復雜情況，小組經過討論又采用了熱學仿真方式預測熱傳導方式測量流體流向的性能，利用計算軟件先繪制合理、優(yōu)化的網格，根據提前設定的參數和邊界條件給出適當的數值模型，通過一系列數值計算，結合圖像呈現(xiàn)技術，以可視化形式較為精準地表示實驗結果。

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

（1）基于計算仿真結果，小組設計了基本結構，生成CAD結構圖像，并依據裝置所需解決的問題提出改進方案。

（2）利用優(yōu)化后的裝置，分別實驗測試、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

經過仿真計算與真實實驗對比，發(fā)現(xiàn)仿真數據和真實結果較為吻合，仿真裝置性能計算為真實實驗提供了參考數據，真實實驗也驗證了仿真結果的準確性。

總結與反思

研究與分析表明，基于S-3PBL科創(chuàng)教育模式的教學方法能夠解決物理資優(yōu)生缺乏解決真實復雜物理問題經驗與技能的問題。在項目選擇中，應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。針對學科資優(yōu)生開展系列有步驟、有組織的現(xiàn)代學科計算形態(tài)教學活動，有利于激發(fā)學科資優(yōu)生的學科創(chuàng)新潛能，為未來學科發(fā)展儲備領軍人才打下基礎。

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

參考文獻

王囡. 普通高中拔尖創(chuàng)新人才的特征分析——基于北京“翱翔計劃”的初步實踐[J]. 中國教師，2010（21）： 25-28.

陳瑩，葉曉山. 強基計劃下中學物理教學的培養(yǎng)新要求[J]. 成才，2022（11）： 47-49.

項華. 教育信息化與理科課程整合[J]. 學科教育，2003（3）： 23-26.

項華，曾子珉，劉靖怡.計算物理教育的邏輯起點、途徑及未來圖景[J]. 中小學信息技術教育，2022（Z1）： 102-106.

作者單位：1.北京師范大學實驗二龍路中學? 2.北京師范大學物理學系

編? ?輯：徐靖程