依托大学生物理学术竞赛 尝试大学物理研究型教学

本文作者：张国锋教授

本文发表在《物理与工程》2018年第3期

培养在科学、技术或管理等领域有创新精神和创造能力的拔尖人才一直是高等教育的初心。拔尖人才的培养模式不同于一般应用型人才的培养模式[1]，需要高等学校改变目前的教学模式，为学生提供更多教师引导下的自主学习、自主思考的空间，将以“教”为中心的统一教学计划、知识灌输、基于考试的教学模式转变为以 “学”为中心的研究型教学模式。所谓研究型教学模式，必须具备3条：(1)教学和研究相结合，有教授学生知识的部分，更要体现学生应用知识解决实际问题的部分;(2)重新构建一种基于研究探索的课堂模式，以解决某个问题为主线，学生有机会参与研究工作;(3)培养学生的批判精神，引导学生对问题的解决提出自己的看法，有相互交流、师生互动的空间和氛围，激发学生创新的欲望。

近几年，笔者指导并带领北京航空航天大学(以下简称北航)学生参加了中国大学生物理学术竞赛(以下简称为CUPT)，经过赛事，参赛学生的综合素质和创新能力有了很大进步，加上3年多的指导实践和在北航五轮次开设“趣味物理研讨课”的经验，认为可以依托大学生物理学术竞赛，实施大学物理课程的研究型教学。下面将分别介绍CUPT在北航的开展情况、赛事对培养学生的综合能力方面的作用以及利用具体题例分析实施研究型教学的可能性。

1　CUPT在北航

CUPT赛题都是贴近生活的开放物理问题，以物理知识为主体，涵盖数学、计算机、电子、材料、机械等诸多方面，没有固定答案，注重探究性。每一道题目都可以看作一个小的科研课题，旨在让学生利用所学的大学物理知识构建理论模型，同时，强调实验，鼓励学生利用简单器材，通过精巧的设计做出实验现象。以实验验证理论，以理论解释实验。正式比赛时，要求参赛学生就这些开放物理问题的基本知识、理论分析、实验研究、结果讨论等进行辩论性交流(见图1)，特别强调团队协作、开放思维和表达能力。

图1　CUPT辩论规则

2010年南开大学主办了第一届CUPT比赛，2018年将在山西大学举办第九届。北航物理学院2014年依托“爱因斯坦”实验班平台，将CUPT比赛引入到学生课外兴趣活动中，挑选部分实验班学生就CUPT题目展开分析、讨论、模拟比赛，提前熟悉CUPT竞赛规则，2015年8月组织代表队观摩了在国防科技大学举办的第六届CUPT比赛，为正式参加比赛作准备。2016年3月，第一届北航物理学术竞赛举办，吸引了50支队伍，近300名本科生参加。同年暑期，选拔校内赛优秀选手组成CUPT集训队，就2016年题目进行了赛前攻关，8月份，参加了在西安交通大学举办的第七届CUPT比赛，获得全国二等奖。初次正式组队参加比赛，获得全国二等奖，对我们鼓舞很大，学生参赛热情空前高涨。考虑到CUPT比赛的特点：时间跨度长、规则复杂、题目综合开放、全方位考查学生，为今后更好地组织并参加好大学生物理学术竞赛，2016年10月“北航PT社团”成立，旨在以培养学生的创新意识、创造能力、协作精神和实践能力为根本理念，以承办北航大学生物理学术竞赛为背景，依托于北航物理学院和校社联平台，在广大本科生中营造学习物理、热爱物理、运用物理的氛围。在PT社团的指导下，2017年由294名本科生参加的第二届校内初赛完成，并于2017年5月份举行校内复赛和决赛。为更有效地让参赛学生专注于比赛赛题，初赛采取了提交论文、正方报告;复赛、决赛沿用CUPT国赛正式比赛规则，事实证明，这种准备方法还是很有成效的。2017年8月，北航在哈尔滨工业大学举办的第八届CUPT竞赛中以全国第八的成绩获得一等奖，也获得首届华北赛区CUPT的承办权。目前，筹备华北赛区和参加第九届全国CUPT比赛准备工作正有条不紊展开。在全校范围初步营造了热爱物理、学习物理、运用物理的氛围。

2　CUPT比赛与传统教学的区别

接触过CUPT比赛的师生都会对它留有深刻的印象，CUPT比赛不同于以往任何形式的学科竞赛[2]：题目非常贴近实际、开放程度大、研究性和学科交叉性很强、重视理论和实验的结合、重视团队合作、重视表达交流。每年的17道题，都是17个小的科研项目，学生首先得精审题、查文献，而这个本身就是从事科学研究的基本素养，也是科技创新的基础;在弄懂弄清基本题意后，需要构思建立物理模型，做实验，重现实验现象并与所建模型的理论进行对比分析;最后在比赛时和队友就处理问题的方法、假设、所用模型的合理性等进行辩论性的交流。整个比赛准备过程，正是一个分析问题、查阅资料和解决问题、思考交流的过程。

传统的大学物理课堂基本属于以教师为主，学生为辅的教学，效果好的可能与学生互动多些。学生在被动接受知识，有的学生很疑惑学了很多概念、定理等，能解决什么实际问题，如何去解决实际问题。传统课堂缺乏让学生自己去动脑、动手的环节，教学模式较为单一，同时，传统的物理实验以验证性、演示性居多，开放命题式的实验环节相对薄弱，导致对学生探索未知和创新能力的培养相对缺乏。CUPT比赛却可以在某种程度上很好地解决这些问题，整个过程体现了研究型教学的内涵(如图2所示)。

图2　研究型教学内涵

实践表明，参加过CUPT比赛的学生都收获满满。有的同学认为：“学会知识，只是理解明晰;灵活运用，方能解决问题。这次竞赛提供给了我们摸索从学习知识到灵活应用知识的舞台，是引发我们考虑问题思维方式变化的催化剂”“通过对比赛题目的研究，提高了自己运用物理知识解决实际问题的能力;通过比赛过程中正反方的讨论交流，我懂得了质疑与交流对于学术研究的重要性;通过对生活中有趣的物理现象的解释，我加深了对物理的热爱”“学了最有趣的物理和最有用的软件”“CUPT最重要的益处是它培养了我进行课题研究和学术交流的能力”“参加CUPT收获最大的一点是使我充分意识到了学术讨论的重要性”等。不言而喻，CUPT对学生的培养是全方位的，对培养学生的综合创新能力有很重要的指导作用。

CUPT不仅仅是一次比赛，它是为提升本科生的自主探究能力、鼓励创新思维、加深对数理基础学科的认识打造的一个开放平台，区别于纸面答题的物理竞赛。CUPT和北航“冯如杯”、全国“挑战杯”以及大学生物理竞赛等比赛是相辅相成、互为补充的关系。CUPT题目的优秀作品可以参与北航“冯如杯”、全国“挑战杯”等科技竞赛。CUPT更多体现开放、交流、协作、创新，而这正是研究型教学所倡导的，也是现行本科教学的不足之处。

3　依托CUPT比赛，尝试大学物理研究型教学

《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》中提出：全面实施“高等学校本科教学质量与教学改革工程”。为贯彻这一目标，北航推出本科教育教学人才培养模式综合改革计划(长城行动计划)，推行普适全校的、“与国际接轨、根植于中国”的一流的人才培养新模式。为建立符合高等教育发展规律的本科人才培养体系、培养具有“科学基础、人文素养、实践能力”的高素质拔尖创新人才，学校推行了一系列本科教学改革措施，致力于从以教师为中心的教学模式向以学生学和师生讨论为中心的教学模式的转变，积极鼓励以问题为导向的研究型教学改革。

现行大部分大学物理课堂教学都比较沉闷，内容陈旧与实际联系不是很紧密，导致学生被动接受知识，课程结束后，所学的定律、定理和概念大部分都还给了课本。如果大学物理课堂从第一节就告诉学生：课程的目的是引起大家对物理的兴趣或者减少大家对物理的发怵、期待大家对物理的思想方法有所了解，从具体实际问题出发演绎所需要的物理知识并进行讲解，让学生去讨论交流，我想这样的教学会让学生感觉到所学有用，然后自然就有兴趣了。问题导引、现象观察、预做实验、内容讲解、启发讨论，这正是准备CUPT比赛的过程。

为了充分调动学生的学习自主性、积极性和求知欲，培养学生的思辩能力，提高人才培养质量，北航物理学院积极探索拔尖创新人才培养新格局，创新研究型教学模式。同时，作为大学物理课堂教学的后阵地，从2016年春季学期开始在全校范围开设“趣味物理研讨课”，课程设置摆脱应试教育的模式，以问题为导向，分成若干小组，引出对所学大学物理内容的讨论、应用和具体实际问题的解决。整个课堂贯彻知识学习与探索实践相结合，物理学与日常生活相结合，学术能力与人际交往能力相结合，个人与团队合作相结合的理念，鼓励学生给教师出题，师生互动解决问题。给学生提供利用在大学物理课堂上学到的物理原理、物理定律、物理规律进行讨论、交流、分析、解决实际问题的场地空间。给现行本科教学注入新鲜的气息和活力，以期带动大学物理课程的研究型教学。

3.1　“趣味物理研讨课”及大学物理研究型教学的具体设施

全校范围的“趣味物理研讨课”倡导以问题为导向，引出大学物理课堂内容。问题部分来源于CUPT比赛赛题、部分来源于任课教师和学生生活中的疑惑和经验。比如：力学中的“阿基米德著名论断——给我一个支点，我就可以撬动地球，这是真实的吗？如何通过计算支持你的观点？”“长为L的均质软绳绝大部分沿长度部分放在光滑水平桌上面，仅仅有很少一部分悬挂在桌面外，而后绳将从静止开始下滑，能否出现绳子完全垂直于桌面的一瞬间？”“多普勒想到这么个问题：观察者接近或者远离声源或光源时，他能感觉到声波或者光波频率或者波长的变化，你认可这种观点吗？”等，只要与所讲授大学物理课程内容有衔接的问题，都可以在“趣味物理研讨课”上进行分组讨论。教师在上课时，首先摆出问题，然后按照学生人数(学生总人数目前限制在50～75人)分为7～10个组，具体实施过程为：分组讨论、集体审题(每个组汇报题目的意思、需要的物理知识、如何建立模型、如何数值求解、问题的主要因素、次要因素)、代课教授讲解涉及的物理知识、课下分组建立模型(实验、计算)、课堂讨论。课程考核以课堂表现、期末小论文、课下小组讨论(组长负责给出具体分工及完成任务)3部分组成。

下文以CUPT竞赛题目为例具体说明如何以问题为导向引出大学物理课堂内容直至问题的解决：

1)2016年题目：磁力小火车

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.分别在小圆柱电池两端连上一个纽扣磁铁，将之放入一个铜线圈中，并使线圈磁铁相互接触，则会观察到磁铁与电池构成的“火车”在线圈上移动。解释此实验现象，并研究相关参数如何影响火车的速度和功率(能量)。

这是一个典型的电磁学和力学结合的问题，考查学生灵活应用电磁学和力学相关概念、定理解决实际问题的能力。对于这样一道经典力学范畴内的多物理场问题，可以从最基本的牛顿运动定律展开，抽丝剥茧，层层递进，最终寻找到火车速度的数学表达式。最关键的问题就是得弄清楚火车为什么会运动？为什么会在有限时间内匀速率？从静止开始运动，肯定是受到了力的作用，那受到的是什么性质的力呢？这样就自然引出了电磁学里通电螺线管要产生磁场这部分知识。这样从问题为切入点引出所讲内容，进而分析火车匀速的原因，合外力为零，哪个力和磁场力抵消，磁场力必然经过一个从大到小的过程的原因，磁铁穿过线圈，使得磁通量发生变化，在线圈里是要产生感应电动势的，等等。学生会一步一步跟着老师思路，直到问题解决。

2)2017年题目：快链

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.将木块两端用线连接并且使木块相对细线倾斜组成长链并垂直悬挂然后释放，相比于自由下落的长链，当长链掉落在一个平台表面时它下落得更快。解释这种现象并且研究相关参数是如何对这种运动产生影响的。

这是一道相对复杂的力学题目，涉及落体、碰撞、转动等诸多概念，考查学生对力学基本原理掌握是否到位，可以把此题引入力学课堂教学。为了避免照本宣科的讲法，可以先给学生演示快链的视频 (最好是自己做好的实验)，学生会好奇，进而去思考为何会出现这种现象。这里需要让学生注意到当倾斜木块较低端触及桌面时，比自由下落的木块下落得更快。进而引发学生思考：在木块触及桌面时发生了什么？显然，学生会说“和桌面碰撞了”，那碰撞的力学机制是什么？木块碰撞后运动状态发生了怎样的改变？处理此题时要用到哪些假设？最终的结果显然是比较速度。这样的教学过程是引发学生感兴趣去听老师讲内容;讲完内容，回过头来再思考，再讨论交流，一段研究型教学的过程自然就形成了。

3.2　实施效果

进行研究型教学，我们永远在路上，以上的做法只是一个尝试，但是得到了广大学生的积极响应，在学生中引起了较大反响。“趣味物理研讨课”的选课人数一直居高不下，最多时有200多人选课，为了更有效地进行课堂讨论，通过和教务处协商，以大二学生为主，结合大一学习成绩，对学生进行了筛选，2016年最终有50人上课，2017年则有75人选课。学生的评价有：“以探究课题的方式，更深入地理解知识，相较按书本顺序学习效率远高”“分阶段进行全体展示，如解读题目、理论分析……对题目要有更多了解，提高讨论效率”“……提供了一个多学科多知识交流的平台、更多是能激起我们自主学习的动力……”“在论文阅读、PPT制作与演讲、物理方法等有了明显提高”“最大的收获就是告诉了我生活中一些复杂问题，分析、理论建模是可行的，往往看似复杂的问题经过合理的建模、简化，用学的知识可以解决，把理论真正应用实际科技中”……学生们的这些感想和体会正是研究型教学所要达到的。

4　结语

从准备CUPT比赛到正式参赛，处处都体现了对大学生综合创新能力的培养，是研究型教学的一个途径。北航物理学院正在以办好物理学术竞赛为抓手，扎实推进大学物理的研究型教学，期望在未来取得更多成绩。

参 考 文 献

[1] 张晚云，曾交龙，陆彦文，等.依托大学生物理学术竞赛 培养高素质创新人才[J].大学物理，2011，30(6)：35-37.ZHANG W Y，ZENGJ L，LU Y W，et al.Cultivating creative high-quality talents by way of CUPT[J].College Physics，2011，30(6)：35-37.(in Chinese)

[2] 李川勇，王慧田，宋峰，等.中国大学生物理学术竞赛及其对培养学生综合能力的作用[J].大学物理，2012，31(5)：1-4.Li C Y，WANG H T，SONG F，et al.China undergraduate physics t ournament and its enhancement of students'comprehensive ability[J].College Physics，2012，31(5)：1-4.(in Chinese)

引文格式：张国锋.依托大学生物理学术竞赛 尝试大学物理研究型教学[J].物理与工程，2018，28(3)：66-69，74.

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