《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
推进？本节介绍PDCA质量管理模式就是一个很好的闭环控制。 第七节项目总结与汇报 将以海伦喷泉为例，分析书面报告、PPT汇报和成品展示的具体做法。 第三章网络资源搜索及使用 在5C旅行的一个基本框架下，本章要带大家一起了解如何制定旅行目标，创新实验作 为一种开放性问题，相较于封闭性问恩，它实现的路径是多样的，实现的目标也是不唯一的 所以我们必须结合自己的优势，选择一条合适自己的路，去实现一个目标，并一次为基础向 下一个目标努力，从而阶段成功，不断提升。 第一节网络资源的使用 丰富的网络资源可以帮助我们分析现状，打开思路，侵慢的，同学学会从中找到你们周 要的信息，借助这些信息，凝练问题，分析问题，在结合自己的尝试去解决问题。 第二节文献搜索 文献阅读对于科研工作者而言是至关重要的。文献具有继承功能，传递交流功能：文献 检索是一切科研的前提和前奏，它贯穿于课题研究的始终。因此在项目进行过程中我们必须 做到对文献的查新与跟踪：有了对口的文献资源我们就可以站在前人的肩膀上，少走弯路。 这是对前人研究的继承、发展和创新。这些研究思路和方法的学习与借鉴，将有利于交叉学 科的研究。 第三节Endnote 在介绍Endnote的基本功能、优势和使用方法的基础上，通过科技论文的书写，进一步 了解Endnote的使用。 第四章居家实验 将从同学熟悉的实验出发，和你们分享一下如何将这些耳熟能详的实验通过原理上的深 化理解，方案上的改变，实现实验室实验的居家化，从力学、热学、电学和光学这几个方面， 各开发一个居家实验。 第一节力学 理解刚体的转动惯量有着重要的物理意义，在科学实验、工程技术、航天、电力、机械、 仪表等工业领域也是一个重要参量。测定刚体转动惯量的方法很多，通常的有三线摆、扭摆、 复摆等。本节将对比居家实验和标准实验，分析居家实验的利弊
推进？本节介绍 PDCA 质量管理模式就是一个很好的闭环控制。 第七节 项目总结与汇报 将以海伦喷泉为例，分析书面报告、PPT 汇报和成品展示的具体做法。 第三章 网络资源搜索及使用 在 5C 旅行的一个基本框架下，本章要带大家一起了解如何制定旅行目标，创新实验作 为一种开放性问题，相较于封闭性问题，它实现的路径是多样的，实现的目标也是不唯一的。 所以我们必须结合自己的优势，选择一条合适自己的路，去实现一个目标，并一次为基础向 下一个目标努力，从而阶段成功，不断提升。 第一节 网络资源的使用 丰富的网络资源可以帮助我们分析现状，打开思路，慢慢的，同学学会从中找到你们需 要的信息，借助这些信息，凝练问题，分析问题，在结合自己的尝试去解决问题。 第二节 文献搜索 文献阅读对于科研工作者而言是至关重要的。文献具有继承功能，传递交流功能；文献 检索是一切科研的前提和前奏，它贯穿于课题研究的始终。因此在项目进行过程中我们必须 做到对文献的查新与跟踪；有了对口的文献资源我们就可以站在前人的肩膀上，少走弯路。 这是对前人研究的继承、发展和创新。这些研究思路和方法的学习与借鉴，将有利于交叉学 科的研究。 第三节 Endnote 在介绍 Endnote 的基本功能、优势和使用方法的基础上，通过科技论文的书写，进一步 了解 Endnote 的使用。 第四章 居家实验 将从同学熟悉的实验出发，和你们分享一下如何将这些耳熟能详的实验通过原理上的深 化理解，方案上的改变，实现实验室实验的居家化，从力学、热学、电学和光学这几个方面， 各开发一个居家实验。 第一节 力学 理解刚体的转动惯量有着重要的物理意义，在科学实验、工程技术、航天、电力、机械、 仪表等工业领域也是一个重要参量。测定刚体转动惯量的方法很多，通常的有三线摆、扭摆、 复摆等。本节将对比居家实验和标准实验，分析居家实验的利弊
第二节热学 回忆前面章节中表面张力基本实验的测定方法，本节介绍了两种不同的居家实验，系统 同学通过表面张力的多角度实验，了解到表面张力的物理图像，并将其推广到其他物理量测 定实验中 第三节光学 单缝衍射是光在传播过程中遇到障碍物，光波会绕过障碍物继续传播的一种现象。单缝 衍射的衍射花纹的正中间是主极大处，具有相同·角的屏上部位具有相同的光强，因而屏上 的衍射图样是一些相互平行的条纹，他们都平行于狭缝。根据巴比涅原理，在夫琅禾费衍射 中，两个振幅型互补的衍射屏在接收屏上的远离衍射中心产生的衍射花样是相同的。我们就 可以将单缝衍射的思路迁移到头发丝直径的测量中。 第四节电学 这个电学实验我们顺便再给同学复习一下形目管理中的PDCA理念，看看创新实验的 管理和推进与科研问题的深化有哪些相似的地方。通过渗流模型的介绍，让同学们了解到铅 笔刻画的导线是由一片一片铅笔芯片层堆叠而成的，每一篇笔芯由石墨和粘土材料组成，每 一块材料之间的互相堆叠间距和密度就决定了电子是否能在这些堆叠的材料中找到通路，并 实现导通。并介绍了2020年发表在Pas上文章的思想。 第五章STEAM物理实验项目中的常用软件 本章介绍一下实验中我们用到的一些数据软件和采集软件。给同学们开始创新实验淮备 好工具，我们希望给同学们足够过的软件介绍，希望同学们根据自己的优势，自主选择软件， 开展自己的创新实验。 第一节phyphox Phyphox这个手机App由亚琛工业大学第二物理研究所开发，可以在安卓或苹果手机 上免费下载。该应用将为你把手机上己有的各种传感器数据提取出来，根据自己的实验目的， 合理组合利用相关实验数据，并记截数据剖析以及导出数据来为将来的剖析做准备。 第二节origin Origin是美国Microcal公司出的数据分析和绘图软件，是公认的简单易学、操作灵活、 功能强大的软件，既可以满足一般用户的制图需要，也可以满足高级用户数据分析、函数拟 合的需要。是我们科学研究过程中必不可少的一款数据分析软件。 第三节Excel
第二节 热学 回忆前面章节中表面张力基本实验的测定方法，本节介绍了两种不同的居家实验，系统 同学通过表面张力的多角度实验，了解到表面张力的物理图像，并将其推广到其他物理量测 定实验中。 第三节 光学 单缝衍射是光在传播过程中遇到障碍物，光波会绕过障碍物继续传播的一种现象。单缝 衍射的衍射花纹的正中间是主极大处，具有相同θ角的屏上部位具有相同的光强，因而屏上 的衍射图样是一些相互平行的条纹，他们都平行于狭缝。根据巴比涅原理，在夫琅禾费衍射 中，两个振幅型互补的衍射屏在接收屏上的远离衍射中心产生的衍射花样是相同的。我们就 可以将单缝衍射的思路迁移到头发丝直径的测量中。 第四节 电学 这个电学实验我们顺便再给同学复习一下形目管理中的 PDCA 理念，看看创新实验的 管理和推进与科研问题的深化有哪些相似的地方。通过渗流模型的介绍，让同学们了解到铅 笔刻画的导线是由一片一片铅笔芯片层堆叠而成的，每一篇笔芯由石墨和粘土材料组成，每 一块材料之间的互相堆叠间距和密度就决定了电子是否能在这些堆叠的材料中找到通路，并 实现导通。并介绍了 2020 年发表在 Pnas 上文章的思想。 第五章 STEAM 物理实验项目中的常用软件 本章介绍一下实验中我们用到的一些数据软件和采集软件。给同学们开始创新实验准备 好工具，我们希望给同学们足够过的软件介绍，希望同学们根据自己的优势，自主选择软件， 开展自己的创新实验。 第一节 phyphox Phyphox 这个手机 App 由亚琛工业大学第二物理研究所开发，可以在安卓或苹果手机 上免费下载。该应用将为你把手机上已有的各种传感器数据提取出来，根据自己的实验目的， 合理组合利用相关实验数据，并记载数据剖析以及导出数据来为将来的剖析做准备。 第二节 origin Origin 是美国 Microcal 公司出的数据分析和绘图软件,是公认的简单易学、操作灵活、 功能强大的软件，既可以满足一般用户的制图需要，也可以满足高级用户数据分析、函数拟 合的需要。是我们科学研究过程中必不可少的一款数据分析软件。 第三节 Excel
Exc是目前现代办公和数据处理中应用非常频繁的一种电子表格软件，该软件以其功 能强大、操作方便、易于上手等特点。本节主要利用Exc®l给大家讲讲怎么做项目日程设计 和进度跟踪，带领同学一起学习一下里程碑图的绘制。 第四节comsol 将从comsol的基本情况、comsol的发展历史、comsol的操作步骤和具体操作案例这几 方面进行讲解。为了让同学更清楚的了解coms0建模和仿真过程的实际操作，我们采用操 作与讲解相结合的方式，请往年在创新实验中小有心得学长给同学进行介绍，你们的背景相 仿，这样的介绍角度，相信会获得更好的体验效果。 第五节Fluent Fluent是目前CFD仿真领域最为全面的软件包之一，具有广泛的物理模型，能够快速、 准确地得到CFD分析结果。主要介绍Fluent的功能和CFD求解过程，包括建立模型、制定 分析方案：建立CAD模型、划分网格：设置求解：后处理器过程。在网格划分时，我们通 常采用的网格划分方法主要有两种，结构化网格和非结构化网格。 第六节Interactive Physics nteractive physics是一款仅有不足30M的功能强大而使用简单的优秀的力学仿真软件 它避开了复杂地数学计算，不使用编程和计算。从物理和数学建模入手，制作相关物理形象， 设定系统参数、初始状态和力场，仿真结果有多种输出方式，操作简单，便捷。力学实验是 开放性实验中涉及相对比较多的实验范畴，我们结合软件演示，给同学讲解了interactive physics的一些重点内容。 第七节abaqus ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的 线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS/CAE模块支持快速地创建高质量的模型。熟 悉现代CAD系统的用户欣赏基于特征的、参数化建模方法所带来的高效率和机动性。笼统 介绍ABAQUS的求解器、功能和工作界面。 第八节matlab Matlab(MatrixLaboratory的缩写)，即矩阵实验室，早期的Matlab软件是为了帮助老师 和学生更好地学习，是作为一个辅助工具而之后逐渐演变成了一种实用性很强的工具。从 MATLAB简介、基本运算模块、强大的绘图功能、数值计算、数据分析处理功能来进行介 绍。主要是概念和基本算法的介绍，需要同学们边学边实践 第九节python
Excel 是目前现代办公和数据处理中应用非常频繁的一种电子表格软件，该软件以其功 能强大、操作方便、易于上手等特点。本节主要利用 Excel 给大家讲讲怎么做项目日程设计 和进度跟踪，带领同学一起学习一下里程碑图的绘制。 第四节 comsol 将从 comsol 的基本情况、comsol 的发展历史、comsol 的操作步骤和具体操作案例这几 方面进行讲解。为了让同学更清楚的了解 comsol 建模和仿真过程的实际操作，我们采用操 作与讲解相结合的方式，请往年在创新实验中小有心得学长给同学进行介绍，你们的背景相 仿，这样的介绍角度，相信会获得更好的体验效果。 第五节 Fluent Fluent 是目前 CFD 仿真领域最为全面的软件包之一，具有广泛的物理模型，能够快速、 准确地得到 CFD 分析结果。主要介绍 Fluent 的功能和 CFD 求解过程，包括建立模型、制定 分析方案；建立 CAD 模型、划分网格；设置求解；后处理器过程。在网格划分时，我们通 常采用的网格划分方法主要有两种，结构化网格和非结构化网格。 第六节 Interactive Physics Interactive physics 是一款仅有不足 30M 的功能强大而使用简单的优秀的力学仿真软件， 它避开了复杂地数学计算，不使用编程和计算。从物理和数学建模入手，制作相关物理形象， 设定系统参数、初始状态和力场，仿真结果有多种输出方式，操作简单，便捷。力学实验是 开放性实验中涉及相对比较多的实验范畴，我们结合软件演示，给同学讲解了 interactive physics 的一些重点内容。 第七节 abaqus ABAQUS 是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的 线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS/CAE 模块支持快速地创建高质量的模型。熟 悉现代 CAD 系统的用户欣赏基于特征的、参数化建模方法所带来的高效率和机动性。笼统 介绍 ABAQUS 的求解器、功能和工作界面。 第八节 matlab Matlab（MatrixLaboratory 的缩写)，即矩阵实验室，早期的 Matlab 软件是为了帮助老师 和学生更好地学习，是作为一个辅助工具而之后逐渐演变成了一种实用性很强的工具。从 MATLAB 简介、基本运算模块、强大的绘图功能、数值计算、数据分析处理功能来进行介 绍。主要是概念和基本算法的介绍，需要同学们边学边实践。 第九节 python
Python是一种广泛使用的解释型、高级编程、通用型编程语言。Python支持多种编程范 式，包括面向对象、结构化、指令式、函数式和反射式编程。它拥有动态类型系统和垃圾回 收功能，能够自动管理内存使用，并且其本身拥有一个巨大而广泛的标准库。通过操作演示 和PPT相结合的方法向同学介绍Python的使用，具体包括以下几个方面。python简介 python使用方法、Python功能、Python案例介绍。 第六章现代技术 本章探究开放性问题研究中的现代技术，主要包括3D打印技术的发展和应用、人工智 能技术的发展和应用等，探究现代技术如何辅助开放性问题的探究。 第一节开放性问题研究中3D打印技术 在开放性问题研究中，如果合理利用3D打印技术，可以对我们研究相关问题提供快速 便捷的帮助，减少时间和经济成本，较好的辅助科学研究。 随着3D打印技术的发展，通过计算机设计数字模型，3D打印技术把数字信息转化为 实体物品，己广泛应用在医院、学校、企业等场景。3D打印技术作为一种新型“工具”，我 们应思考如何驾驭并发展它，让工具创造出价值，为我们所用， 3D打印技术的应用越来越广泛，3D打印机己不再是设计师和科学家的专属机器，它己 从实验室和工厂逐渐走进学校和家庭，与我们每个人的生活息息相关。这节课我们从STEAM 学科跨界的视角，与你一起发现“3D打印中的美”，探索3D打印的教育价值。 第二节开放性问题研究中人工智能技术 本章探究开放性问题研究中的人工智能技术，人工智能是计算机科学的一个分支，它企 图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领 域的研究包括语音识别、图像识别、机器人等。 语音识别是人工智能识别技术之一。语音识别技术以语音信号为研究对象，其最终目标 是实现人与机器进行自然语言通信。让机器听懂人类的语音，这是人们长期以来梦寐以求的 事情。伴随计算机技术发展，语音识别己成为信息产业领域的标志性技术，在人机交互应用 中逐渐进入我们日常的生活，并迅速发展成为改变未来人类生活方式的关键技术之一。 图像识别技术也是人机交互的重要手段之一，在工业、生活等众多场景有着广泛应用。 主要介绍图像识别的概述、图像识别系统的基本原理以及图像识别技术的应用举例等。图像 识别技术应用广泛。有字符识别、指纹识别、人像识别、卫星云图，地面导弹、飞机场等设 施的卫星图像识别处理和医学诊断等
Python 是一种广泛使用的解释型、高级编程、通用型编程语言。Python 支持多种编程范 式，包括面向对象、结构化、指令式、函数式和反射式编程。它拥有动态类型系统和垃圾回 收功能，能够自动管理内存使用，并且其本身拥有一个巨大而广泛的标准库。通过操作演示 和 PPT 相结合的方法向同学介绍 python 的使用，具体包括以下几个方面。python 简介、 python 使用方法、Python 功能、Python 案例介绍。 第六章 现代技术 本章探究开放性问题研究中的现代技术，主要包括 3D 打印技术的发展和应用、人工智 能技术的发展和应用等，探究现代技术如何辅助开放性问题的探究。 第一节 开放性问题研究中 3D 打印技术 在开放性问题研究中，如果合理利用 3D 打印技术，可以对我们研究相关问题提供快速 便捷的帮助，减少时间和经济成本，较好的辅助科学研究。 随着 3D 打印技术的发展，通过计算机设计数字模型，3D 打印技术把数字信息转化为 实体物品，已广泛应用在医院、学校、企业等场景。3D 打印技术作为一种新型“工具”，我 们应思考如何驾驭并发展它，让工具创造出价值，为我们所用。 3D 打印技术的应用越来越广泛，3D 打印机已不再是设计师和科学家的专属机器，它已 从实验室和工厂逐渐走进学校和家庭，与我们每个人的生活息息相关。这节课我们从 STEAM 学科跨界的视角，与你一起发现“3D 打印中的美”，探索 3D 打印的教育价值。 第二节 开放性问题研究中人工智能技术 本章探究开放性问题研究中的人工智能技术，人工智能是计算机科学的一个分支，它企 图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领 域的研究包括语音识别、图像识别、机器人等。 语音识别是人工智能识别技术之一。语音识别技术以语音信号为研究对象，其最终目标 是实现人与机器进行自然语言通信。让机器听懂人类的语音，这是人们长期以来梦寐以求的 事情。伴随计算机技术发展，语音识别己成为信息产业领域的标志性技术，在人机交互应用 中逐渐进入我们日常的生活，并迅速发展成为改变未来人类生活方式的关键技术之一。 图像识别技术也是人机交互的重要手段之一，在工业、生活等众多场景有着广泛应用。 主要介绍图像识别的概述、图像识别系统的基本原理以及图像识别技术的应用举例等。图像 识别技术应用广泛。有字符识别、指纹识别、人像识别、卫星云图, 地面导弹、飞机场等设 施的卫星图像识别处理和医学诊断等
自动化控制是一种现代工业、农业、制造业等生产领域中，机械电气一体，自动化集成 控制技术和理论。广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输和家庭等方面。采用自 动化控制不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放 出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的 能力。因此，自动化控制是工业、农业、国防和科学技术现代化的重要条件和显著标志。 LC自动化控制是自动化控制的一种重要方式，本节通过数字灯光设计来学习PLC自 动化控制的整体架构。包含PLC控制系统设计的基本步骤、应用程序的质量、程序设计方 法、应用程序实例四个部分内容。 第七章案例分享 从本章开始，我们会从中教法实验、演示实验、普物实验、专业实验、前沿实验和创新 创业实验这几大类，案例式的和同学分享实验拓展的过程。我们希望通过几个案例的介绍， 由点及面，帮助大家打开思维的翅膀，自由翱翔于创新的天空中。 第一节中教法实验拓展 本节关于细丝直径测量的几个实验方法都是成熟的，然而我们可以通过引导和深入，让 同学将这几种实验方法进行串联。希望同学可以拓展问题外延，引入合适的课题，引导创新。 第二节中学演示实验拓展 从伽利略钟摆实验出发，构建了单摆模型，研究了简谐振动、阻尼振动和受迫振动的动 力学规律。并通过单摆实验验证了重力加速度的数值。通过一个的小单摆，我们看到了大世 界中的历史人物和实际应用，领略了物理之美。 第三节经典专业实验拓展 从X射线实验引入，通过DNA双螺旋和弹簧结构、X射线与红色激光的相似性对比 将经典专业实验只能看不见的物理过程可视化，有助于同学对物理图像的把握。 第四节科学前沿技术结合 将前沿科学中的非线性光学现象应用于酱油层的热透镜现象中，通过非线性光学中透镜 束腰半径的变化，解读酱油层在激光辐照下折射率呈现空间分布的过程。通过参赛学生的自 述，让同学们了解到其中的探索过程与其背后的物理图像。 第五节开放性问题 想知道科幻电影里神奇的激光枪音效是怎么做出来的吗？让我们走进开放性问题探索 第六节创新创业项目
自动化控制是一种现代工业、农业、制造业等生产领域中，机械电气一体，自动化集成 控制技术和理论。广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输和家庭等方面。采用自 动化控制不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放 出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的 能力。因此，自动化控制是工业、农业、国防和科学技术现代化的重要条件和显著标志。 PLC 自动化控制是自动化控制的一种重要方式，本节通过数字灯光设计来学习 PLC 自 动化控制的整体架构。包含 PLC 控制系统设计的基本步骤、应用程序的质量、程序设计方 法、应用程序实例四个部分内容。 第七章 案例分享 从本章开始，我们会从中教法实验、演示实验、普物实验、专业实验、前沿实验和创新 创业实验这几大类，案例式的和同学分享实验拓展的过程。我们希望通过几个案例的介绍， 由点及面，帮助大家打开思维的翅膀，自由翱翔于创新的天空中。 第一节 中教法实验拓展 本节关于细丝直径测量的几个实验方法都是成熟的，然而我们可以通过引导和深入，让 同学将这几种实验方法进行串联。希望同学可以拓展问题外延，引入合适的课题，引导创新。 第二节 中学演示实验拓展 从伽利略钟摆实验出发，构建了单摆模型，研究了简谐振动、阻尼振动和受迫振动的动 力学规律。并通过单摆实验验证了重力加速度的数值。通过一个的小单摆，我们看到了大世 界中的历史人物和实际应用，领略了物理之美。 第三节 经典专业实验拓展 从 X 射线实验引入，通过 DNA 双螺旋和弹簧结构、X 射线与红色激光的相似性对比， 将经典专业实验只能看不见的物理过程可视化，有助于同学对物理图像的把握。 第四节 科学前沿技术结合 将前沿科学中的非线性光学现象应用于酱油层的热透镜现象中，通过非线性光学中透镜 束腰半径的变化，解读酱油层在激光辐照下折射率呈现空间分布的过程。通过参赛学生的自 述，让同学们了解到其中的探索过程与其背后的物理图像。 第五节 开放性问题 想知道科幻电影里神奇的激光枪音效是怎么做出来的吗？让我们走进开放性问题探索。 第六节 创新创业项目