《STEAM-物理创新实验设计》 课程教学大纲 一、课程基本信息 英文名称 STEAM-Innovation Experimental and 课程代码 PHYS2065 Design in Physics 课程性质 专业选修 授课对家 物理学、物理国际、物理师 范 学分15学分 学时 54学时 主讲教师 翁雨燕 修订日期 2021年6月 指定敕材方亮，翁雨燕《近现代物理实验》，北京，高等教有出版社 二、课程目标 (一)总体目标： 本课程作为《现代物理学在创新创业中的应用》的后续课程，以大一新生为中心，开展 创新创业实践训练。在前序课程的基础上，强化模型构建、实验训练、数据分析与问题总结 的能力，夯实基础，训练思维，引导创新本课程是针对学生在思维模式转型过程中的迷茫和 无措而设计的帮助学生建立“项目引导式”思维的重要课程，为学生的专业课学习进行预热 (二)课程目标： 课程目标1情感目标： 培养学生独立完整的个性品质和严谨求实的科学精神。 课程目标2-认知目标： 增强新生对物理学习和项目探索的兴趣，提高实验动手能力。 课程目标3知识和能力目标： 提高学生自主学习、自主探究、自主评价的能力：引导学生的创新思维、团队合作和交 流表达，全面协调发展学生的知识、能力和素质。 (三)课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系 表1：课程目标与课程内容、毕业要求的对应关系表
《STEAM-物理创新实验设计》 课程教学大纲 一、课程基本信息 英文名称 STEAM-Innovation Experimental and Design in Physics 课程代码 PHYS2065 课程性质 专业选修课 授课对象 物理学、物理国际、物理师 范 学 分 1.5 学分 学 时 54 学时 主讲教师 翁雨燕 修订日期 2021 年 6 月 指定教材 方亮，翁雨燕《近现代物理实验》，北京，高等教育出版社 二、课程目标 （一）总体目标： 本课程作为《现代物理学在创新创业中的应用》的后续课程，以大一新生为中心，开展 创新创业实践训练。在前序课程的基础上，强化模型构建、实验训练、数据分析与问题总结 的能力，夯实基础，训练思维，引导创新本课程是针对学生在思维模式转型过程中的迷茫和 无措而设计的帮助学生建立“项目引导式”思维的重要课程，为学生的专业课学习进行预热。 （二）课程目标： 课程目标 1-情感目标： 培养学生独立完整的个性品质和严谨求实的科学精神。 课程目标 2-认知目标： 增强新生对物理学习和项目探索的兴趣，提高实验动手能力。 课程目标 3-知识和能力目标： 提高学生自主学习、自主探究、自主评价的能力；引导学生的创新思维、团队合作和交 流表达，全面协调发展学生的知识、能力和素质。 （三）课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系 表 1：课程目标与课程内容、毕业要求的对应关系表
退程 目标 课程子目标 对应课程内容 对应毕业要求 11具有良好的政治素养。践行社会主义核心价 1.1了解科学发 值观，增进对中国特色社会主义的思想认同、政 展的曲折过程， 课程介绍 治认同、理论认同和情感认同。 培养严谨求实的 创新实验案例介绍 科学精祠 6-2重视物理教学的教有功能，结合具体的物理 内容进行爱国主义、辩证唯物主义教育 课程 3-2掌握物理学发展的过程与研究方法 目标 12亲历创新项 3-3了解物理学与其他学科、社会实践的联系 目实践活动，培 “第二课堂”实践 养学生独立完松 活动 7-2具有终身学习的意识，了解物理学前沿和物 的个性品质 理教学领域及国际发展动态 8-1理解学习共同体，具有团队合作精神，能够 开展协作与交流。 2.1增强新生对 创新实验中的项目 33了解物理学与其他学科、社会实践的联系。 物理学习和项目 管理 探索的兴趣 7-2具有终身学习的意识，了解物理学前沿和物 创新案例介绍1-3 理教学领域及国际发展动态。 23树立有人为木、镇有为先的理今，将中学生 的知识学习、能力发展与品德养成相结合，重视 中学生的全面发展。 课程 2.2培养发现、提 31理解物理知识体系与结构、基本原理。 “第一课堂”实践洁 目标 出、解决问题的 动 2 能力 32掌握物理学发展的过程与研究方法。 33了解物理学与其他学科、社会实践的联系。 3-4掌握基本物理实验方法与技能 2.3提高实验动 创新项目常用软件 45利用评价工具，掌握多元评价方法，多视 手能力，在亲身 系列介绍 角、全过程评价学生发展。 参与中增强创罚 精神、创造意识 “第二课堂”实践 7-2具有终身学习的意识，了解物理学前沿和物 和创业能力 活动 理教学领域及国际发展动态
课程 目标 课程子目标 对应课程内容 对应毕业要求 课程 目标 1 1.1 了解科学发 展的曲折过程， 培养严谨求实的 科学精神 课程介绍 创新实验案例介绍 1-1 具有良好的政治素养。践行社会主义核心价 值观，增进对中国特色社会主义的思想认同、政 治认同、理论认同和情感认同。 6-2 重视物理教学的教育功能，结合具体的物理 内容进行爱国主义、辩证唯物主义教育 1.2 亲历创新项 目实践活动，培 养学生独立完整 的个性品质 “第二课堂”-实践 活动 3-2 掌握物理学发展的过程与研究方法。 3-3 了解物理学与其他学科、社会实践的联系。 7-2 具有终身学习的意识，了解物理学前沿和物 理教学领域及国际发展动态。 8-1 理解学习共同体，具有团队合作精神，能够 开展协作与交流。 课程 目标 2 2.1 增强新生对 物理学习和项目 探索的兴趣 创新实验中的项目 管理 创新案例介绍 1-3 3-3 了解物理学与其他学科、社会实践的联系。 7-2 具有终身学习的意识，了解物理学前沿和物 理教学领域及国际发展动态。 2.2 培养发现、提 出、解决问题的 能力 “第二课堂”-实践活 动 2-3 树立育人为本、德育为先的理念，将中学生 的知识学习、能力发展与品德养成相结合，重视 中学生的全面发展。 3-1 理解物理知识体系与结构、基本原理。 3-2 掌握物理学发展的过程与研究方法。 3-3 了解物理学与其他学科、社会实践的联系。 3-4 掌握基本物理实验方法与技能。 2.3 提高实验动 手能力，在亲身 参与中增强创新 精神、创造意识 和创业能力 创新项目常用软件 系列介绍 “第二课堂”-实践 活动 4-5 利用评价工具，掌握多元评价方法，多视 角、全过程评价学生发展。 7-2 具有终身学习的意识，了解物理学前沿和物 理教学领域及国际发展动态
81理解学习共同体，具有团队合作精神，能够 开展协作与交流。 8-2具有沟通技巧，热情开朗、有亲和力，语言 规范健康，举止文明礼貌。 6-2重视物理教学的教育功能，结合具体的物理 内容进行爱国主义、辩证唯物主义教有 31提高学生自 PPT制作及数据图 主学习、自主探 规范 7-1主动收集分析相关信息，不断进行反思，改 究、自主评价的 进教有教学工作。 能力 文献与资源搜索 7-2具有终身学习的意识，了解物理学前沿和物 理教学领域及国际发展动态。 23树立有人为本、德有为先的理念，将中学生 课程 的知识学习、能力发展与品德养成相结合，重视 中学生的全面发展。 目标 3 32引导学生的 61能建立良好的师生关系，平等地与中学生进 创新思维、团队 行沟通交流，帮助中学生建立良好的同伴关系。 期中期末汇报 合作和交流表 达，全面协调发 “第二课堂”实践活 7-2具有终身学习的意识，了解物理学前沿和物 展学生的知识、 动 理教学领域及国际发展动态。 能力和素质 81理解学习共同体，具有团队合作精神，能够 开展协作与交流。 8-2具有沟通技巧，热情开朗、有亲和力，语言 规范健康，举止文明礼貌。 三、教学内容 第一章绪论 通过这门课的学习，我们希望同学们可以做生活的主人，去欣赏它，去发现他。培养同 学们对客观物质世界的情感，建立理性思维的态度，掌握探究未知的方法，在学会探索世界 基本技能的基础上，确立崇尚科学文明的价值取向，拥有自己独立欣赏和看待客观世界的方 式
8-1 理解学习共同体，具有团队合作精神，能够 开展协作与交流。 8-2 具有沟通技巧，热情开朗、有亲和力，语言 规范健康，举止文明礼貌。 课程 目标 3 3.1 提高学生自 主学习、自主探 究、自主评价的 能力。 PPT 制作及数据图 规范 文献与资源搜索 6-2 重视物理教学的教育功能，结合具体的物理 内容进行爱国主义、辩证唯物主义教育 7-1 主动收集分析相关信息，不断进行反思，改 进教育教学工作。 7-2 具有终身学习的意识，了解物理学前沿和物 理教学领域及国际发展动态。 3.2 引导学生的 创新思维、团队 合 作 和 交 流 表 达，全面协调发 展学生的知识、 能力和素质 期中期末汇报 “第二课堂”-实践活 动 2-3 树立育人为本、德育为先的理念，将中学生 的知识学习、能力发展与品德养成相结合，重视 中学生的全面发展。 6-1 能建立良好的师生关系，平等地与中学生进 行沟通交流，帮助中学生建立良好的同伴关系。 7-2 具有终身学习的意识，了解物理学前沿和物 理教学领域及国际发展动态。 8-1 理解学习共同体，具有团队合作精神，能够 开展协作与交流。 8-2 具有沟通技巧，热情开朗、有亲和力，语言 规范健康，举止文明礼貌。 三、教学内容 第一章 绪论 通过这门课的学习，我们希望同学们可以做生活的主人，去欣赏它，去发现他。培养同 学们对客观物质世界的情感，建立理性思维的态度，掌握探究未知的方法，在学会探索世界 基本技能的基础上，确立崇尚科学文明的价值取向，拥有自己独立欣赏和看待客观世界的方 式
第一节课程介绍 本课程的内容分为三个层次。第一，将STEAM指导下的项目式管理应用于物理实验项 目的规划、设计、组织与实现。第二，将先进科学技术手段与数据分析方法的学习与训练融 入物理实验项目的实我中。第三，实验项目与现代前沿新技术相结合，开展精彩纷呈的探索 性实验。这些前沿科学技术的融入，也在不断刷新我们对美学的定义。 第二节开放性问题介绍 我们的生活是最大的开放性命，真正的开放性问题多来源于生活本身。梳理一下关键 性问题的主要特征，主要有结论开放性、结构复杂性和情景真实性。 结构开放性是指开放性问题的结论具有不确定性与不唯一性，而且通往结论的途径是开 放的。 第三节身边的物理学 开放性问题多来源于生活，科研研究的推进也是从身边开始的，就像落在牛顿头上的那 个苹果。本节继续我们的准备知识阶段，讲一讲身边的物理学，它真的无时无刻不在我们周 围。物理就在我们身边，同学从小学的科学实验到中学的物理实验，这些标准实验都是基于 你们学习的物理原理精心设计的：生活中、游戏里的一些经验和技巧都是有物理原理做支撑 第四节物理之美 物理学是“美”的，如简单美、对称美、结构美、和谐统一美…，人类感受自然美的 主要手段之一，是通过人眼的视觉成像，即感受光影之美。1.4.1节介绍光影美的艺术表现 形式，根据应用场景不同，分别讲述舞台光影、建筑夜景、室内照明等场景中的光影之美。 光具有几何光学、波动光学等物理性质。影是物体在光的照射下产生的明暗层次，是构 成物体视觉立体感的重要因素。影是光与物体共同的产物，影子将物体以负的方式再现。作 为一个整体，光影具有强弱特性、方向特性、衰减特性等。 第二章STEAM物理实验的项目管理 开放性问题通常只是给出一个原则性的问题提纲，具体要研究这个问题的哪个维度，又 是通过什么样的路径来研究，这是可以有研究者自行决定和选择的，在问题推进的过程中， 由浅入深，由点及面。开放性间题的解决通常伴随这样的过程，即分析问题、明确目标、理 清关系和选择方法。它和传统的试题不同，开放性问题通常会面临很多盆路口的选择，因此 它更需要回路设计和闭环控制，才能保证开放性问题的合理推进和有效解决。这就需要项目
第一节 课程介绍 本课程的内容分为三个层次。第一，将 STEAM 指导下的项目式管理应用于物理实验项 目的规划、设计、组织与实现。第二，将先进科学技术手段与数据分析方法的学习与训练融 入物理实验项目的实践中。第三，实验项目与现代前沿新技术相结合，开展精彩纷呈的探索 性实验。这些前沿科学技术的融入，也在不断刷新我们对美学的定义。 第二节 开放性问题介绍 我们的生活是最大的开放性命题，真正的开放性问题多来源于生活本身。梳理一下关键 性问题的主要特征，主要有结论开放性、结构复杂性和情景真实性。 结构开放性是指开放性问题的结论具有不确定性与不唯一性，而且通往结论的途径是开 放的。 第三节 身边的物理学 开放性问题多来源于生活，科研研究的推进也是从身边开始的，就像落在牛顿头上的那 个苹果。本节继续我们的准备知识阶段，讲一讲身边的物理学，它真的无时无刻不在我们周 围。物理就在我们身边，同学从小学的科学实验到中学的物理实验，这些标准实验都是基于 你们学习的物理原理精心设计的；生活中、游戏里的一些经验和技巧都是有物理原理做支撑 的。 第四节 物理之美 物理学是“美”的，如简单美、对称美、结构美、和谐统一美……，人类感受自然美的 主要手段之一，是通过人眼的视觉成像，即感受光影之美。1.4.1 节介绍光影美的艺术表现 形式，根据应用场景不同，分别讲述舞台光影、建筑夜景、室内照明等场景中的光影之美。 光具有几何光学、波动光学等物理性质。影是物体在光的照射下产生的明暗层次，是构 成物体视觉立体感的重要因素。影是光与物体共同的产物，影子将物体以负的方式再现。作 为一个整体，光影具有强弱特性、方向特性、衰减特性等。 第二章 STEAM 物理实验的项目管理 开放性问题通常只是给出一个原则性的问题提纲，具体要研究这个问题的哪个维度，又 是通过什么样的路径来研究，这是可以有研究者自行决定和选择的，在问题推进的过程中， 由浅入深，由点及面。开放性问题的解决通常伴随这样的过程，即分析问题、明确目标、理 清关系和选择方法。它和传统的试题不同，开放性问题通常会面临很多岔路口的选择，因此 它更需要回路设计和闭环控制，才能保证开放性问题的合理推进和有效解决。这就需要项目
管理式思路的帮助 第一节项目管理概述 项目管理通常分为计划、启动、规划、实施、结果和总结6个环节。一个项目从思想萌 芽到最后落地成型，通常需要经历这6个环节。首先，有了想法，就需要进行可行性分析 并提交论证评审：在专家组评审通过以后，项目才进入启动阶段，我们需要人、财、物的配 合才能保障项目的正式启动：随后，项目进入规划期，将可行性报告落实成技术方案，并设 置好预计进度和阶段评审节点，这些都需要综合考虑成本和风险，同时为了保障项目的顺利 实施还需要有备选方案：万事俱备，就可以进入项目的实施期了，在实施过程中，我们将严 格按照任务清单，进行阶段总结和阶段评审，保障项目的实施方向和进展：获得初步结果以 后，将逐段进行总结，然后确定下一阶段的实施方向。当整个项目完成以后，我们还要进行 总结，供专家评审，确认项目的达成度。 第二节物理实验中的项目管理 落实到实验项目中，我们可以将上述常规项目管理流程进行简化。上述六个阶段保持不 变。计划阶段可以着重在可行性分析上：启动阶段主要是技术方案和人员配置：规划阶段将 者重于进度预测和阶段评市：实施阶段，主要是明确任务清单和阶段市核，结果阶段，实验 规律和阶段小结为主：最后总结阶段，同样要以总结报告的形式供专家评审。 第三节项目管理框架 以星芒这个创新实验为例，请同学跟若我一起体验一下这创新探索的5C之旅，当一回 项目审核员，看看这个项目组是如何推进这个星芒创新实验的研究的 第四节实验项目的可行性分析 创新物理实验中可行性分析所设计的四个方面，即实验目的、实验原理、实验设备和实 验方案。通过一个表面张力实验的可行性分析，来具体阐述这四个方面的实施。 第五节项目工作流程 以表面张力接着阐述项目工作流程的设计、实施和调整如何贯穿于整个项目工作流程中。 在计划阶段，它体现为项目工作进度的预估：在启动阶段，它体现为项目的阶段性评审：在 规划阶段，它体现为甘特图，而在实施阶段它体现位项目的推进依据，方便实时调整：在结 果阶段，它是项目进展情况的体现，阶段审核的依据：在总结阶段，它是项目完成度的最直 观体现。 第大节项目进度管控 假如在项目推进过程中遇到瓶颈，我们应该如何排除问题，优化方案，保持项目的持续
管理式思路的帮助。 第一节 项目管理概述 项目管理通常分为计划、启动、规划、实施、结果和总结 6 个环节。一个项目从思想萌 芽到最后落地成型，通常需要经历这 6 个环节。首先，有了想法，就需要进行可行性分析， 并提交论证评审；在专家组评审通过以后，项目才进入启动阶段，我们需要人、财、物的配 合才能保障项目的正式启动；随后，项目进入规划期，将可行性报告落实成技术方案，并设 置好预计进度和阶段评审节点，这些都需要综合考虑成本和风险，同时为了保障项目的顺利 实施还需要有备选方案；万事俱备，就可以进入项目的实施期了，在实施过程中，我们将严 格按照任务清单，进行阶段总结和阶段评审，保障项目的实施方向和进展；获得初步结果以 后，将逐段进行总结，然后确定下一阶段的实施方向。当整个项目完成以后，我们还要进行 总结，供专家评审，确认项目的达成度。 第二节 物理实验中的项目管理 落实到实验项目中，我们可以将上述常规项目管理流程进行简化。上述六个阶段保持不 变。计划阶段可以着重在可行性分析上；启动阶段主要是技术方案和人员配置；规划阶段将 着重于进度预测和阶段评审；实施阶段，主要是明确任务清单和阶段审核，结果阶段，实验 规律和阶段小结为主；最后总结阶段，同样要以总结报告的形式供专家评审。 第三节 项目管理框架 以星芒这个创新实验为例，请同学跟着我一起体验一下这创新探索的 5C 之旅，当一回 项目审核员，看看这个项目组是如何推进这个星芒创新实验的研究的。 第四节 实验项目的可行性分析 创新物理实验中可行性分析所设计的四个方面，即实验目的、实验原理、实验设备和实 验方案。通过一个表面张力实验的可行性分析，来具体阐述这四个方面的实施。 第五节 项目工作流程 以表面张力接着阐述项目工作流程的设计、实施和调整如何贯穿于整个项目工作流程中。 在计划阶段，它体现为项目工作进度的预估；在启动阶段，它体现为项目的阶段性评审；在 规划阶段，它体现为甘特图，而在实施阶段它体现位项目的推进依据，方便实时调整；在结 果阶段，它是项目进展情况的体现，阶段审核的依据；在总结阶段，它是项目完成度的最直 观体现。 第六节 项目进度管控 假如在项目推进过程中遇到瓶颈，我们应该如何排除问题，优化方案，保持项目的持续