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走进大学物理实验室的北京中学生

2017-11-17 10:09 来源:新华每日电讯

  北京师范大学附属实验中学的学生进入高校实验室开展课题研究。图片由受访者提供

  与其他16岁的女孩子不同,张博雅除了在朋友圈发“猫脸”照片卖萌,还会发很多与大学校园生活和自己参与科技实践活动有关的照片。

  作为北京师范大学附属实验中学高二学生,张博雅很忙——在备战高考之余,她还要撰写清华大学实验物理教学中心课题研究项目的论文。

  去年10月,高一新生张博雅通过学校组织的考核遴选,被推荐到清华大学实验物理教学中心学习。这是“北京青少年科技俱乐部”中学生走进大学实验室的“科普+教育”实验项目。

  每逢周末和假期,张博雅几乎每天都泡在清华大学实验物理教学中心。张博雅的实验课题是《激光测定鸡蛋生熟程度的数据分析》。

  张博雅的指导老师、清华大学物理系的梁昌林博士表示,中学生走进大学实验室,并非一定要完成多么复杂的实验,“这是一个引进门的过程,是中学生通过生活观察,从调研入手,开拓思维,去了解一个完整的科研实践的过程。”

  中国现代天体物理学奠基者之一、著名天文学家、“北京青少年科技俱乐部”倡导者和创办者王绶琯院士表示,“如果一个杰出的科学家30岁左右在他的主领域做出‘成名的贡献’,那么也许在他24岁左右就已投身这一领域。所以,十六七岁的高中时期就是其探索人生、发现自我的‘志学’之年,能否得到‘走进科学’的机会至关重要。如何看待这个问题,对政府,应属治国方略;对科技界,则是一种严肃的社会责任。首都科技界机构林立、人才荟萃,有能力为青少年承担起这个责任。”如今已95岁的王绶琯院士在接受记者采访时,讲述了“科技俱乐部”的创办初衷——“它是一种为明日的杰出科学家创造成材机遇的实验。成长为杰出科学家的概率有限,但又是必有的。更确切地说,我们是在帮助参加活动的每一个人‘走进科学’。”

  对于中学生进入大学实验室的学习活动,北师大实验中学物理教研组组长李宇炜老师解释道,“这只是学校物理教学中针对一些学有余力学生设置的课程之一”。

  事实上,随着高考物理改革不断推进,培养学生物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等学科核心素养,正成为高中物理教学目标。

  “高考的改革是能起到正面引导作用的。”北京教科院基教研中心物理教研员、北京市中学物理教学改革的参与者和见证者张玉峰认为,2014年新课改以来,那些重视学生学习能力培养、变“满堂灌”为依据学生需求授课的学校,正在初尝改革的甜头。

  分层教学,把物理课搬进实验室

  “今天,我们的物理课程有70%在实验室里完成。”李宇炜说,“怎样回归物理学习的本质,一直是我们思考并实践的方向。”

  深秋的早晨,对面教学楼上玻璃窗的反光将一束束金色暖阳射进北师大实验中学的实验楼里,一间间实验教室里座无虚席,北京市西城区物理学科教研开放日正在这里举行。在三层的第一实验室,高一物理A4分层走班教学课正在进行当中。

  “来来来,你们两个大小伙子来给大家表演一个小游戏。”铃声响过,李宇炜老师的物理课堂就从一个小实验开始了。

  只见他将手里两本一页一页交叠对插的书递给两名大个子男生,请他们各自抓住一本书的书脊用力对拉。从一开始的小心翼翼到后来的使出九牛二虎之力,两名男生已气喘吁吁,两本一页页对插的书籍却纹丝不动,任凭两个小伙子在讲台前腾挪移步,拉来扯去,却怎么也拉不开……

  “为什么拉不开?”李宇炜转身在黑板上写下“摩擦力”三个大字,“今天我们就来讲讲摩擦力。”

  李宇炜一边操作着讲台上木块移动的摩擦实验,一边通过电脑连接传感器将实验数据瞬间反映在教室的投影仪器上,学生通过实验观察以及大屏幕上的显示数据得到实验反馈结果,对“摩擦力”的物理概念有了清晰透彻的理解。

  “今天,我们的物理课程有70%在实验室里完成。”课后采访中,李宇炜说,“怎样让物理课堂有吸引力,怎样回归物理学习的本质,一直是我们思考并实践的方向。”

  在教学中,由于社会上的影响以及一些家长的热衷,不少学生往往提前到物理课外补习班学到了一些概念、结论,但对物理知识的来龙去脉即知识生成的过程、对物理研究的思想和方法不够重视。“实验教学,正成为吸引学生物理学习兴趣,获取物理知识,培养科学思维的重要途径。”

  一大早专门跨区赶来听课的宋金萍,是北京朝阳区陈经纶中学的物理教师,这节“在实验中完成”的物理课令这位特级教师感受颇多。“作为同行,他们在物理实验教学方面下的功夫我能深深体会到,没有课下的充分准备,难以达到如此效果。”

  “物理学习与实验密不可分。”前来听课的北京市161中学物理老师刘文慧说,“物理课程的学习不仅仅是结论的呈现,更重要的是在过程中让学生掌握物理问题研究的方式方法。今天课堂上一些新型实验教学方式的运用是对常规物理实验课的突破,特别好。”

  李宇炜告诉记者,在北师大实验中学物理分层走班教学中,对于不同基础、不同学习意愿的学生,会按照四类分层设置课程进行学习。

  比如,选择“专业物理课程”的学生,除学习常规高中物理教材内容外,还要按照全国中学生物理竞赛大纲和清华、北大两所大学的大学先修课要求,把一些大学普通物理课程内容包容进去,“学生经过高中两年学习,能达到大学一二年级理工科学生物理学习水平”。李宇炜说,“对学有余力的学生我校会提供更多更高端的课程,引导他们参与到各类竞赛以及创新科技项目中。”

  在北师大实验中学,每年都有不少学生像张博雅一样,通过各类科技竞赛、平台走进国家级科研院所,走进大学物理课堂。李宇炜说,“我们不希望这些是‘走秀’的功利性活动,竞赛的目的不是为了争夺奖牌,而是为了培养学生不断进取的精神,并以此带动其他学科发展,形成良好的思维习惯,提升自己的自主学习能力。”

  从校内实验室走进清华实验室

  见识过物理学更宽广的天空,“学霸”们有了成为学者的梦想。“科研过程漫长又痛苦,我以后可能会考虑牺牲我自己,去搞科研。”

  《车身外形对绕流结构和阻力特性的影响实验探究》——因为专业性太强,这个总计21个字的研究课题,记者向几位研究团队成员确认了3次才把它完整地记录下来。

  这个研究团队的平均年龄不到17岁,都是来自北京市海淀区教师进修学校附属实验学校的中学生。一年前,他们参加了学校的物理“学术荣誉课程”。周末和假期,几个学生会集合到清华大学航空航天学院风洞实验室,在该院徐胜金副教授和刘锦生博士的指导下,体验完整的科研过程,提前过把“科学家”的瘾。

  在刘锦生的印象中,这些“小科学家”虽然是高中生,但知识面很广,动手能力强,理解问题和接受新知识很快,“整体来说具备相应的能力来参与我们实验室里设计的一些科研项目”。

  “烟线实验”“动量法测速实验”——几个十几岁的孩子,娴熟地运用着这些听起来颇为深奥的物理学术语,成熟而自信地向《新华每日电讯》记者介绍了他们的课题及研究进展。

  “各年级加起来有几十个学生报名,每个项目只有5个名额,竞争还是挺激烈的。”作为进修实验学校荣誉课程项目的主要推动者,副校长曾辉介绍了物理学员的选拔标准:一是对物理有兴趣,二是学有余力。

  兴趣二字说来简单,但想要激发学生对物理这个传统“老大难”学科的兴趣谈何容易。其实,如今竞争激烈的物理荣誉课程项目,在雏形阶段也曾遭受冷遇。这一项目脱胎于该校2011年前后推出的数理学科学研性第二课堂——它类似大学的选修课,学校自行组织编写教材、安排课程内容和考核,利用课余时间进行授课,学生可凭兴趣自选课程并获得相应学分。

  “那段时间我特别怕学校组织篮球赛,一有篮球赛,跟物理、数学研究相关的第二课堂就没人了。”曾辉苦笑道,“为这事苦恼的不仅仅是我一个人。”

  高三年级组的物理教师赵志勇有个口头禅——“激趣”,即激发学生兴趣。在他看来,如果学生对物理提不起兴趣,甚至存在抵触心理和恐惧感,无论老师如何强调物理学的重要性,学生也不可能学好。

  为了“激趣”,赵志勇把自己开设的物理实验第二课堂变成了探索物理教学方法的“实验室”。

  “我们上课的时候会分小组做实验,内容从课本上的学生实验里选,每个小组一学期就做一个实验,但老师要求我们用手机把完整的实验过程拍下来交上去,效果好的就能拿到学分,但想拍好却不简单。”高三的倪子淙是风洞实验课题六人组的组长,也曾是赵志勇第二课堂的学生。

  对这门课,他的评价是“选课时还以为挺轻松,结果经常泡在实验室里回不了家。”从学校的物理实验室走进清华风洞实验室,倪子淙发现,“在清华做的实验,理论知识比我们现阶段课本上讲的要高,但也没有高到不可理解的程度。”

  从每堂课一个趣味实验到一学期一个课本实验,从做出来就行到拍好了才有学分——为了“激趣”,赵志勇的第二课堂经历了几轮调整。

  “实验中,学生自己操作、自己拍摄,一方面激发兴趣,另一方面通过操作加深记忆,学生对书本上知识的印象会更深。而且拍下的视频就是研究成果,会给孩子们带来很大的成就感。”谈起自己的“激趣实验室”,最令赵志勇骄傲的是,上过这门课的学生,在面临高考文理分科时,大部分选择了理科。

  长见识、开眼界、明确自己未来的专业和发展方向,是几个孩子在采访中谈及的共同感受。“我觉得通过物理学习,能用另一种途径去了解这个世界。”组长倪子淙的话,引得几位组员纷纷点赞。见识过物理学更宽广的天空,这些课堂上的“学霸”有了成为真正学者的梦想。

  “搞科研是漫长又痛苦的,是一件非常复杂的事;可能一个实验做了几年还不一定能出成果,”半年的流体力学荣誉课程让高二年级的张子研感慨。“所以”,他停顿了一下,认真地说,“我以后可能会考虑牺牲我自己,去搞科研。”

  用学生的名字命名一颗小行星

  “当年的高中生都已经长大成人,他们是项目的受益者。当年科学家们身体力行的引导,对他们的人生道路产生着潜移默化的影响。”

  “喜报,我校5名参赛同学获得第17届全国‘明天小小科学家’活动奖励!4个二等奖,1个三等奖!”

  11月7日下午,刚永运在微信朋友圈中发布了刚刚结束的活动信息,作为北师大实验中学多年负责科技教育的科技老师,他深知这个奖项的分量。“今年,这个全国有1000多名高中生报名参评的奖项,经专家评审,96名高中学生入围本届终评,其中北京市41位同学入围终评,我校5位同学入围终评,在全国各中学中有绝对领先优势。”

  翻开北师大实验中学科技教育大事记手册,从2003年《攀登一号——新型智能爬楼机器人》、2008年《关于环线快速路出口缓冲区的设想》,到2016年《普通工薪家庭自助理财规划工具研究》……从2000年以来,学校获得北京市一等奖、全国青少年科技创新大赛一二等奖的科技创新作品近百件。

  2014年5月,北师大实验中学高三学生万若萌获第65届英特尔国际科学与工程大奖赛(Intel ISEF)一等奖。这是世界上最大的中学科学研究竞赛之一,旨在鼓励全球数百万学生发挥自己的创新激情,开发应对全球挑战的解决方案,有“小诺贝尔奖”之称。

  刚永运说,该奖的奖励是可以用自己的名字命名一颗小行星,这是北师大实验中学学生荣获的国际科技竞赛最高奖。

  北师大实验中学高三学生谢龙芯,是2017年北京市青少年科技创新大赛一等奖的获得者,他的研究课题是《中学校园PM2.5浓度变化与环境状态关系探究及校园环境监测系统的建立》。

  之前,他做的另一项课题研究获得了2016年第十四届全国中学生水科技发明比赛暨斯德哥尔摩青少年水奖中国地区选拔赛总决赛二等奖、第31届全国青少年科技创新大赛二等奖。

  像张博雅一样,2015年,刚上高一的谢龙芯经过学校、“北京青少年科技俱乐部”和清华大学物理系三方评选委员会遴选,进入清华大学实验物理教学中心,跟随博士生导师宁传刚开展科研实践活动。

  “宁老师总能肯定我的想法,推荐我看一些书,鼓励我自己去做实验。项目取得一定进展后,宁老师又不断地鼓励我,建议去看一些资料。他还会给我推荐很多书去读,让我充分体会到在科研中自由畅想、试验,大胆求证的乐趣。”一年的学习中,宁传刚给了谢龙芯很大的信任和自由度,“我学会了怎样查找文献资料,怎样有重点、有目的地学习新知识,怎样合理安排自己的时间,怎样理清思路、聚焦问题。”

  把周末和假期奉献出来的宁传刚、梁昌林都觉得,“中学生进入大学实验室”是件非常了不起的事情,“走过了18年,不容易”,“这些孩子都是凭着兴趣,没有功利心,也不存在高考加分什么好处。与其让这些学有余力的孩子们整天刷题,不如给他们提供更高的接触科学的平台。”

  从1999年成立至今,有约1500名学生、700多名中国顶级科技导师队伍、120多个科研单位参与到“北京青少年科技俱乐部”项目当中。秘书长周琳告诉记者,当年“俱乐部”是在王绶琯院士联合钱学森等60多位知名科学家联名倡导创办的。

  “当年的高中生都已经长大成人,他们是项目的受益者。当年科学家们身体力行的引导,对他们的人生道路产生着潜移默化的影响。”周琳说,曾经项目的参与者,如今不少已成长为国家重点科研项目的带头人,或在国家重点实验室主持工作。一些海外留学人员也通过“千人计划”(海外高层次人才引进计划)学成归来。

  在北师大实验中学校园网的科技教育板块上,记者看到,除了“北京青少年科技俱乐部”的网页链接,还有“后备人才早期培养计划”“翱翔计划”“英才计划”等。据刚永运介绍,北师大实验中学每年通过这些计划进入清华、北大、北理工以及中科院实验室参与科研活动的学生大约有二三十人。“这也是很好的职业生涯教育,有过这种经历的学生对未来更清晰。”

  李宇炜觉得“这更是一种国家情怀的培养”,“我们有学生正参与的‘激光全息成像’课题是目前国际最前沿的科学研究,假如他们真的能解决了其中一个小小的问题,那意义就会不一样了。”

  面对获奖,谢龙芯坦言,高中生进入大学实验室,有机会将课内的基础学科知识加以拓展延伸,不仅达到了激发学习兴趣和养成良好学习探究习惯的效果,同时开拓了视野,培养了实事求是追求真理的精神。

  最后,他顽皮地笑称,“当然,最重要的影响是,它让我选定了清华大学作为高考目标,建立了我以后做科研的信心。”

(责任编辑:王蔚)

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