探究性物理實驗教學平臺建設的探索

鮑德松， 王業伍， 鄭 波

(浙江大學 物理系， 杭州 310058)

0 引 言

人們普遍認為, 本科人才培養模式是決定創新人才培養質量的重要基礎。近年來，高校都十分重視大學生的創新能力培養，十分重視培養學生運用現代技術手段獲取新知識的能力以及把知識轉化為實踐的能力，尤其是大學生實踐能力的培養日益受到人們的重視[1-7]，因為實踐是創新的基礎。在物理實驗教學中，除了完成對某一物理量的測量外，更重要的是要培養學生學會觀察、分析、理解物理實驗的基本物理思想和實驗裝置的巧妙設計理念，所以，物理實驗教學必須為學生構筑一個合理的實踐能力體系，應盡可能為學生提供綜合性、設計性、創造性比較強的實踐環境，讓每個學生在4年大學學習過程中能經過多個實踐環節的培養和訓練，這不僅能培養學生扎實的基本技能與實踐能力，而且也有益于提高學生的科學創新思維，開拓學生的科學視野。眾所周知，物理學是以實驗為基礎的學科，諾貝爾物理學獎獲得者丁肇中教授曾經說過：“物理學是從物理實驗中產生的”，物理實驗教學在整個物理教學中有著極重要的位置。本文將對物理實驗教學中心幾年年來探究性物理實驗教學方法做一總結，對進一步改革的方向做深入探討。

1 探究性實驗教學平臺的探索

大學物理實驗是學生進校后第一門科學實驗課程，是培養學生實驗技能和創新能力的主要實踐環節，如何設計實驗內容對培養學生的實驗興趣尤其重要[8-15]。物理實驗教學中心緊密結合現代化建設的實際，以教育質量為中心，按照知識、能力、素質三者協調發展的人才培養模式，將探究性實驗貫穿于本科生整個物理實驗教學過程，讓基礎規范型實驗、綜合設計型實驗和探究性實驗有機融合。注重基本實驗技能和實驗素養的培養，突出和加強大學生創新知識的傳授、創新能力和創新素質的培養，特別是以提高拔尖創新人才的培養水平為目標。目前每年的授課總人數為4 300人左右，已開設“物理學實驗I、II、Ⅲ”“近代物理實驗”和“大學物理實驗”系列課程。物理系目前擁有教授43 名，副教授33 名，教師隊伍以中青年為主，教授中有博士學位的比例高達84%，其中參加探究性實驗核心課程“物理學實驗Ⅲ”實驗教學的教授和副教授有30多名，其目的是注重對學生實驗技能的訓練以及促使學生將實驗課程與理論課程相融合，以便加深學生對所學的理論知識理解，探究性物理實驗教學過程中始終遵循“四結合”原則。

1.1 課程內容與學生實驗興趣相結合

“知之者不如好知者，好之者不如樂之者”。所以在實驗內容設置上及時將科研前沿引入實驗教學以盡量滿足學生個性發展的需要。到目前為止已經有30多位教授、副教授參與了探究性實驗教學，研究內容包括新型超導體合成和物性探索、鐵基鐵磁超導體的物性研究、多重極端條件下的物性測量以及液體表面薄膜的制備等50多個研究課題，學生根據自己興趣選擇探索研究方向；結合每年舉辦的全國大學生物理學術競賽(CUPT)，把CUPT的實驗內容納入實驗課程教學；另外還設置了一些物理實驗中心教學儀器的開發項目，讓學生參與實驗室建設，課程內容設置能充分滿足學生個性發展的需求。

1.2 獨立實驗能力與團隊協作相結合

探究性實驗研究實驗者完全不知道會出現何種結果，目的是培養實驗者大膽假設、小心求證、積極探究的品質，所以，探究性實驗必須擺脫 “灌輸式”教學方式。探究性實驗由學生自主組隊，一般以2或3人為1個研究小組，教師只做適當引導，激勵學生自主學習，引導學生如何在原有的知識經驗的基礎上開展工作，定期組織學生討論，為生生、師生間構建相互交流和質疑的平臺，學生之間的分工協作將貫穿于整個探究過程，教師將純粹以知識傳授的教學方式變成知識的處理和轉換，引導學生能夠用現有的知識主動開展探索并能夠解決實際問題；使整個研究過程從孤立學習變成了團隊協作，從靜態學習變成了動態獲得知識、應用知識、解決問題的學習過程。

1.3 分析研究能力與基本實驗技能培養相結合

基礎規范型實驗和綜合設計型實驗在知識傳授和對學生實驗技能培養上功不可沒，足夠的知識積累和較強的實際操作能力是開展探究性實驗的必要條件，例如，“物理學實驗Ⅰ、Ⅱ”課程內容是以基礎規范型實驗和綜合設計型實驗為主，為進一步提高本科生的物理實驗技能和水平，啟迪創新思想，在這2門課程教學中，為學生設置了包括挑戰杯、實驗室建設項目、SRTP、CUPT項目、國家大學生創新計劃項目以及浙江省新苗計劃項目等探究性實驗內容，將探究性實驗和基礎規范型實驗及綜合設計型實驗有機融合，著重培養學生的實驗技能。

1.4 注重實驗過程與注重實驗結果相結合

通過探究性實驗，不僅在實驗中學到專業知識，而更多的是為了獲得學習的方法與能力。所以，在探究性實驗教學中注重過程管理：包括文獻查閱、方案設計、設備搭建和改進、實驗記錄、數據分析、合作討論等。通過開題報告、中期檢查報告、結題報告、探究性實驗感想的形式上傳到中心實驗管理系統供教師檢查，期中和期末組織學生參加教授組織的答辯，及時讓學生歸納、總結以糾正實驗過程中出現的問題，使學生始終處于主動探究并注重解決實際問題的狀態，激勵學生不怕受挫，在探究過程中培養學生嚴謹的科學研究作風。

2 物理探究性實驗教學平臺的構建

充分依托物理系現有的凝聚態物理、光學、等離子體物理、理論物理、粒子物理與核物理、原子分子物理和無線電物理等學科，構建適合于本科生探究性實驗需要的實驗訓練平臺，表1列出了3個研究訓練平臺以及與之相應的5個模塊，其中包括科研基礎訓練平臺；科研能力訓練平臺以及特色專業訓練平臺。與之相應的5個模塊包括實驗技能訓練項目、物理學前沿研究課題、交叉學科研究課題、等離子體理論與實驗研究課題和量子信息與量子計算。

表1 物理探究性實驗訓練平臺概況

2.1 科研基礎訓練平臺

針對一、二年級本科生，此時學生還處于一個淺顯的認識層面，這時教師必須站在學生的角度設計教學導入，在設計基礎訓練平臺時遵循由淺入深，由易到難，由簡到繁的原則，結合大學物理實驗課程教學，鼓勵學生參與大學生科研訓練計劃(SRTP)、挑戰杯等項目、CUPT及實驗教學儀器的調試與開發，目的是使基礎理論學習和實驗技能訓練完美結合；培養獨立工作能力，使學生及早了解科學研究的基本方法與思維方式；培養學生嚴謹的工作作風和實事求是的科學態度，充分尊重學生興趣和個性發展需求，從學生的主體認識出發，激發學生的求知欲望和創新意識。

2.2 科研能力訓練平臺

“毫無例外地使所有人的創造才能、創造潛能都能結出豐碩的果實, 這一目標比其他所有的目標都重要”。因為實驗教學過程就是創造性思維發展的過程，讓學生自己選擇有興趣的研究課題，肯定有助于發掘學生的潛能，鍛煉學生提出問題、分析問題和解決問題的能力。根據物理系目前教師隊伍的優勢研究方向，開展有教授指導的以本科生為主體的科學研究工作，基本能力訓練和前沿課題研究相結合，近年來物理學前沿研究課題包括：新型超導體合成和物性探索；非常規超導體的探索研究；鐵基鐵磁超導體的物性研究；多重極端條件下的物性測量；可調諧半導體激光功率放大器的輸出特性、光束和偏振態研究；量子信息與量子計算研究課題主要包括量子相變和量子調控；重費米子超導電性和非費米液體行為；磁性系統中的量子糾纏和量子關聯特性研究；統計物理學在金融動力學研究中的應用以及從物理學、心理學、認知神經科學、醫學、神經信息學和計算機科學等不同層面研究腦與心智。

2.3 特色專業訓練平臺

創新教育并不是一個獨立的教育過程，而是整個人才培養模式中的有機組成部分，創新型拔尖人才的培養，是國家的戰略目標。針對一些擁有扎實的數理基礎，習慣于開放式思維和普遍個性較強的學生，盡量設置靈活的實驗內容、科學研究訓練課題和寬松的管理措施，給優秀學生脫穎而出創造條件。科研能力培養是創新人才成長的一個重要環節，在探究性實驗過程中著重強調培養嚴謹的科學作風和良好的科研素養，避免眼高手低和功利主義，著重加強對學生的創新興趣、意識和科學研究能力的培養。結合國家重大需求和國際前沿課題，學校建設了聚變等離子體理論與模擬特色專業本科生研究平臺。因為國家已將“磁約束聚變能源研究”和“慣性約束聚變點火計劃”分別作為前沿高技術項目和重大專項列入《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》，學校于2006年成立了聚變理論與模擬中心，中心目前有416 個CPU 的計算機集群1套，并有1套計算能力達到15TFlops 的計算機集群，目前承擔 “973”項目，“863 ”項目，ITER 專項，激光聚變等多項國家重大專項。該探究性實驗平臺能夠使學生將所學的理論知識直接結合到國家重大需求和國際前沿課題研究當中，極大地提高了學生的探究興趣，使課本知識直接有了用武之地，另外，通過理論模擬和實驗探究所發現的問題，反過來又能加深對理論知識的深入學習，可謂相得益彰。

2.4 探究性實驗的過程管理

教育必須以育人為本，而教學的價值產生于過程，探究性實驗教學過程力求逐漸培養學生良好的實驗意識和實驗行為方式，逐步擺脫由于灌輸式實驗教學而產生的被動感，取而代之的是由興趣帶來的自發的熱情投入，探究性實驗管理基本過程如圖1所示。

圖1 探究性實驗管理的基本過程

探究性物理實驗教學平臺內有包括30多位教授、5個模塊的50多個研究項目可供學生選擇，物理實驗中心為每一個參加探究性實驗的學生在中心實驗管理系統上建立個人賬號，學生登錄后可以查閱各教授的研究方向及探究性實驗項目。學生和教授之間實行雙向自由選擇。① 培養學生的溝通能力，通常，學生和老師溝通時會畏首畏尾，通過這一平臺強制學生和老師溝通，以此建立師生之間的流暢交流溝通機制；② 改變以往“注入式”的實驗教學模式，學生完全按照自己的興趣選擇探究方向、自己組織探究小組，其在自組織力的驅使下會自然形成精神上的探求欲；③ 教師通過和學生溝通能夠充分了解學生的基礎以及興趣，可以避免學生選題的盲目，另外也讓老師提前配置學生在探究過程中所需要的主要設備及器件，以保證學生探究性實驗的正常開展。

3 探究性實驗的特色及成果

3.1 探究性實驗特色

探究性實驗具體特色可歸納為：① 課內與課外結合、教學與科研結合、變被動教學為主動求學；注重教與學的過程，使學生始終處于主動探究并解決實際問題的狀態，層層遞進，激發學生的學習興趣及求知欲望。② 物理系各研究所的教授為了吸引更多優秀的大學生主動投入到物理實驗教學之中；由此使得物理實驗教學內容豐富多樣，學生從被動學習變為主動學習，從獨立學習變為團隊協作研究，從知識灌輸對象變為信息加工主體。③ 各指導教師帶著前沿課題研究進入本科實驗教學，因此形成了制備方式的多樣性、樣品表征手段的多樣性，使學生置身于富有探索和創造性的學習環境中，受到嚴格系統地實驗技能訓練，掌握科學實驗的基本方法和技巧，培養學生嚴謹的科學思維能力，分析和解決實際問題的能力。④ 讓本科生盡早接觸使用現代大型先進儀器設備，克服了研究型實驗設備的大型化、高價位與有限教學實驗經費有限的矛盾，有效克服了學生研究能力培養與實驗師資不足的矛盾，眾多活躍在科研一線的老師參加實驗教學，同時開闊了學生視野，為以后的發展打下良好的基礎。

3.2 學生屢獲佳績

探索性實驗始終圍繞著重培養學生的實驗興趣、獨立實驗能力、分析與研究能力、自主、創新能力以及歸納、總結及表達能力等。及時將科研前沿引入教學中，按照學生自己興趣選擇探索研究方向，經過幾年探究性實驗的實踐，本科生為第一作者的優秀作品已在Nature Communications，Optics Letter (ZJU100)，OPTICS EXPRESS， New J.Phys等SCI刊物發表了20余篇相關論文；另外，在各類各級大學生競賽中屢獲佳績，如浙江大學物理系代表隊在 2015～2017年中國大學生物理學術競賽(CUPT)中連續斬獲特等獎，2016年獲全國第“十四屆”挑戰杯二等獎，2017年獲全國第“十五屆”挑戰杯一等獎。

4 結 語

回顧探究性實驗幾年來的工作，其實不僅僅是培養了學生的實驗技能和探索精神，同時也考驗了老師，學生創造性學習的前提是老師必須創造性地教，無論是問題的提出還是探究性實驗的過程管理，都需要老師極大付出。但是，看到了這幾年來學生所取得的成績，覺得所有的付出都是值得的。