《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 物理学 课程性质 专业选修课 授课对家 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 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
课程 目标 课程子目标 对应课程内容 对应毕业要求 1-2了解物理基础科学对人类社会文明进步的贡 献，能掌握物理基础知识与原理、受到科学思维 和物理学研究方法的训练，具有科学精神、科学 1.1了解科学发 素养、科学做法和创新意识 展的曲折过程， 课程介绍 31了解国际物理学的知识领域，相关领域的发 培养严谨求实的 创新实验案例介绍 展动态。 课程科学精神 目标 3-2了解物理新发现、新技术、新动态对社会发 展的应用前景或对推动知识创新、人类文明进展 的作用。 1.2亲历创新项 目实或活动 “第 课堂”实践 1-1培有和践行社会主义核心价值观，维护国家 利益，具有推动实现民族复兴中国梦和社会进步 养学生独立完整 活动 的个性品质 的责任感。 32了解物理新发现、新技术、新动态对社会发 2.1增强新生对 创新实验中的项目 展的应用前景或对推动知识创新、人类文明进用 物理学习和项目 管理 的作用。 探索的兴趣 创新案例介绍1-3 21掌握数学基础知识、基本方法，具有数学基 础知识和基本方法解决物理问题能力。 1-3能够具有团队协作能力，主动与其他专业成 课程 2.2培养发现、提 员合作，能够独立完成团队分配的任务，具有组 目标 织团队开展工作的能力。 出、解决问题的 “第二课堂”实践活 2 能力 动 81具有自主查阅资料，归纳总结，提升知识的 自我学习能力。 2.3提高实验动 创新项目常用软件 7-2具有围绕科研课题查阅文献、设计研究方 手能力，在亲身 系列介绍 参与中增强创新 案、组织课题研究能力，并能开展数据收集、分 精神、创造意识 “第二课堂”实践 析归纳、综合以及撰写报告、论文、参加学术交 和创业能力 活动 流能力
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 1-2 了解物理基础科学对人类社会文明进步的贡 献，能掌握物理基础知识与原理、受到科学思维 和物理学研究方法的训练，具有科学精神、科学 素养、科学做法和创新意识。 3-1 了解国际物理学的知识领域，相关领域的发 展动态。 3-2 了解物理新发现、新技术、新动态对社会发 展的应用前景或对推动知识创新、人类文明进展 的作用。 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 1-1 培育和践行社会主义核心价值观，维护国家 利益，具有推动实现民族复兴中国梦和社会进步 的责任感。 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 3-2 了解物理新发现、新技术、新动态对社会发 展的应用前景或对推动知识创新、人类文明进展 的作用。 2-1 掌握数学基础知识、基本方法，具有数学基 础知识和基本方法解决物理问题能力。 2.2 培养发现、提 出、解决问题的 能力 “第二课堂”-实践活 动 1-3 能够具有团队协作能力，主动与其他专业成 员合作，能够独立完成团队分配的任务，具有组 织团队开展工作的能力。 8-1 具有自主查阅资料，归纳总结，提升知识的 自我学习能力。 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 7-2 具有围绕科研课题查阅文献、设计研究方 案、组织课题研究能力，并能开展数据收集、分 析归纳、综合以及撰写报告、论文、参加学术交 流能力
13能够具有团队协作能力，主动与其他专业成 员合作，能够独立完成团队分配的任务，具有组 织团队开展工作的能力 3.1提高学生自 PPT制作及数据图 主学习、自主探 规范 究、自主评价的 能力。 文献与资源搜索 2-4掌握物理实验研究方法和实验动手能力，具 有设计实验、收集数据，整理分析数据，撰写实 验报告能力。 2-2掌握物理知识和物理方法，能应用物理知识 课程 和方法描述自然现象和规律。 目标 23掌握物理学理论知识，能解释或理解自然现 象和自然规律，具有初步解决科学问题的能力。 32引导学生的 创新思维、团队 期中期末汇报 1-3能够具有团队协作能力，主动与其他专业成 合作和交流表 员合作，能够独立完成团队分配的任务，具有组 达，全面协调发 “第二课堂”实践活 织团队开展工作的能力。 展学生的知识、 动 能力和素质 7-2具有围绕科研课题查阅文献、设计研究方 组织课题研究能力， 并能开展数据收集 析归纳、综合以及骤写报告、论文、参加学术交 流能力。 8-1具有自主查阅资料，归纳总结，提升知识的 自我学习能力。 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
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 1-3 能够具有团队协作能力，主动与其他专业成 员合作，能够独立完成团队分配的任务，具有组 织团队开展工作的能力。 2-4 掌握物理实验研究方法和实验动手能力，具 有设计实验、收集数据，整理分析数据，撰写实 验报告能力。 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 2-2 掌握物理知识和物理方法，能应用物理知识 和方法描述自然现象和规律。 2-3 掌握物理学理论知识，能解释或理解自然现 象和自然规律，具有初步解决科学问题的能力。 1-3 能够具有团队协作能力，主动与其他专业成 员合作，能够独立完成团队分配的任务，具有组 织团队开展工作的能力。 7-2 具有围绕科研课题查阅文献、设计研究方 案、组织课题研究能力，并能开展数据收集、分 析归纳、综合以及撰写报告、论文、参加学术交 流能力。 8-1 具有自主查阅资料，归纳总结，提升知识的 自我学习能力。 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摔 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