针对学科资优生实施S-3PBL科创教育模式的实践研究

吉广智 王成 刘靖怡

【摘 要】学科资优生培养是创新人才培养的重要组成部分，“强基计划”反映出了国家对于学科资优生培养的重视。本文以“测不透明管道内流量”为例，说明了实施S-3PBL科创教育模式的教学方法，以期提高物理资优生的创新意识和对真实复杂物理问题的解决能力。

【关键词】学科资优生；学科教学创新；S-3PBL科创教育模式

【中图分类号】G434   【文献标识码】B

【论文编号】1671-7384（2023）09-087-02

背景与问题

创新人才培养包括面向普通学生的培养及面向学科资优生的培养两部分。2020年1月13日，《教育部关于在部分高校开展基础学科招生改革试点工作的意见》印发，强调要在部分高校开展基础学科招生改革试点，即“强基计划”。“强基计划”的实行是对基础教育向纵深发展的不断推进以及对创新人才培养目标的不断深入。

学科资优生主要指对于学科具有良好基础、浓厚兴趣和参加过学科竞赛系统培训的学生，一般具备了学科理论层面较好的基础或者具备较强的数学建模能力，自身具有学科专家的潜质[1]。然而，现代学科前沿问题越来越复杂，充满不确定性，交叉程度越来越高，学科身份普遍受到挑战，信息科技给学科专家赋能，计算成为新的学科创新形态，所有这些都要求学科资优生接受面对复杂和不确定性问题的复合能力训练，为学科专家库提供创新人才储备。

针对物理资优生，未来科研专家要求能够系统分析复杂问题、合理建立模型，充分利用数值计算等技术手段处理难度远高于课标的真实复杂物理情境和问题。但是目前高中物理教育教学方式较为单一，造成物理资优生的学习难点[2]。笔者多年开设物理资优生课程，在S-3PBL科创教育模式下创设了一套教学方法，该方法要求精心设计复杂而真实的项目任务，强调信息科技与学科的融合，并且通过完整的项目实践体验科研工作的一般过程，培养创新意识与实践能力[3]。

实践案例设计与实施

针对物理资优生课程特点，笔者以实际物理问题切入，采用基于S-3PBL科创教育模式的教学方法[4]，教学过程包括准备课题、微讲授启发、确定研究团队、设计实践方案、制造与测试原型、利用计算物理手段仿真、优化交流与总结七个环节。

1.准备课题

在正式教学和学习活动开始前，笔者相应地设计了学生自主报名与教师审核相结合的机制，通过问卷调查、面试交流等方式把握学情，组建一批能力、方法、思想适合的学生群体。同时针对学生素质，以真实物理情境作为切入点，准备一批学生已经具备一定印象和认识的“研究课题”以供选择。

2.微讲授启发

在前期准备完成后，教师召集学生针对课题研究过程进行微讲授。我们以微讲座形式开展“文献阅读”“科学探究与实验设计”“常用物理软件介绍”三个内容的教学，相应对应了软、硬件条件的准备。

3.确立研究团队

通过项目式学习流程组织学生开展研究，将“研究课题”向学生公布，学生根据兴趣（偏向的研究内容）、专长（团队分工）自由组合成“课题小组”。其中我们根据学生对于三项工具的掌握能力使其两两结合，对应为学生设计能力（实物工具＋学科理论工具）、实验能力（实物工具＋数字化工具）、分析能力（学科理论工具＋数字化工具），并建议学生形成三种能力搭配的“课题小组”（工程小团队）。

4.设计实践方案

以一个学生项目为例，其内容为“要求设计一个可以检测不透明管道内流体流动方向的非侵入性装置，并优化使其测得尽可能小的流量”。首先，团队针对题目中的多个定义进行分解、界定，在小组内对“检测”“封闭管道”“流向”“非侵入装置”进行论证和界定。明确“需要设计一个可以检测不透明封闭管道内流体流向装置”的基本方向，确定“不透明封闭管道”“非侵入装置”为关键特征的设计需求。经小组讨论，预想三种设计方案为：（1）霍尔效应测量法；（2）超声波测量法；（3）热学测量法。

5.制造与测试原型

依据设想的三种测量方法原理，分别利用教学环境中的材料自主搭设“霍尔流速计”“超声流速计”及“导热流速计”。使用三种“原型装置”对课题进行初步测试，选取了“液体”“测得流量”“实际流量”进行采样，通过使用三种装置对不同流体进行流速测量、收集信息，以“测得流量—实际流量”差值率计算“误差”作为评价标准，通过分析数据表格探究问题和初步结论。

6.利用计算物理手段仿真

为预见物理结构，由学生结合热学、流体理论进行物理建模，在此使用了有限元分析软件，在对“加热功率”“热容流率”“材料导热率”等物理量定义、设定“稳定”流场的状态下，建立物理场景方程，利用计算机求解得到导管某点的温度与位置关系。

根据求解结果，小组判断“热流量计”方案可在管道外壁对称摆放两个热电偶，利用测得温差计算流速。此外，在“管道”环境中存在多重介质影响，单一理论对于装置优化帮助有限。对于该复杂情况，小组经过讨论又采用了热学仿真方式预测热传导方式测量流体流向的性能，利用计算软件先绘制合理、优化的网格，根据提前设定的参数和边界条件给出适当的数值模型，通过一系列数值计算，结合图像呈现技术，以可视化形式较为精准地表示实验结果。

虽然有限元仿真不能完全代替真实实验，但可以良好地模拟整个装置的热学性能，学生小组的实验思路是在有限元仿真中建立完整模型——经过多重模拟计算后“优化”装置——做出实体装置，并观察其效果与仿真的一致性。

（1）基于计算仿真结果，小组设计了基本结构，生成CAD结构图像，并依据装置所需解决的问题提出改进方案。

（2）利用优化后的装置，分别实验测试、采样分析不同流体可以测得最小流量、不同管径可以测得最小流量、不同管壁材料可以测得最小流量和不同管壁厚度可以测得最小流量。

7.优化、交流与总结

经过仿真计算与真实实验对比，发现仿真数据和真实结果较为吻合，仿真装置性能计算为真实实验提供了参考数据，真实实验也验证了仿真结果的准确性。

总结与反思

研究与分析表明，基于S-3PBL科创教育模式的教学方法能够解决物理资优生缺乏解决真实复杂物理问题经验与技能的问题。在项目选择中，应该选取具有一定难度和综合性的问题，符合物理资优生的知识水平和培养需要。针对学科资优生开展系列有步骤、有组织的现代学科计算形态教学活动，有利于激发学科资优生的学科创新潜能，为未来学科发展储备领军人才打下基础。

注：本文系中国教育发展战略学会一般课题“新时代科创教育与学生创新能力发展方略研究”（课题编号：3003053）研究成果

参考文献

王囡. 普通高中拔尖创新人才的特征分析——基于北京“翱翔计划”的初步实践[J]. 中国教师，2010（21）： 25-28.

陈莹，叶晓山. 强基计划下中学物理教学的培养新要求[J]. 成才，2022（11）： 47-49.

项华. 教育信息化与理科课程整合[J]. 学科教育，2003（3）： 23-26.

项華，曾子珉，刘靖怡.计算物理教育的逻辑起点、途径及未来图景[J]. 中小学信息技术教育，2022（Z1）： 102-106.

作者单位：1.北京师范大学实验二龙路中学  2.北京师范大学物理学系

编   辑：徐靖程