PDCA引導下的CUPT科研先修訓練

翁雨燕，董裕力，方 亮，高 雷

(蘇州大學 物理科學與技術學院,江蘇 蘇州 215006)

長期以來高校低年級本科生仍然習慣于高中的教育模式，在課堂教學教師主導下，通過反復的練習學生熟練掌握知識，其主要思維模式是“答案引導式”的被動思維[1]，以“項目引導式”的創新主動思維模式還未能充分建立. 因此，在“答案引導式”思維和“項目引導式”思維之間建立有效途徑，讓學生打開“創新思維”的大門是創新人才培養體系中的重要環節. 蘇州大學物理科學與技術學院依托中國大學生物理學術競賽(China Undergraduate Physics Tournament，CUPT)[2]這一平臺，借用質量管理模式(Plan， do， check, analysis， PDCA)[3]，將CUPT(本科生大一、大二階段)和科研創新訓練(本科生大三、大四階段)有效銜接. 通過完成CUPT賽題為訓練階梯，幫助學生構建“項目引導式”思維模式[3]，熟悉基本科研手段和方法，提高團隊協作能力，從而為學生進入高階段創新科研訓練夯實基礎，構建不同階段創新人才培養的體系.

1 項目引導式學習及中國大學生物理學術競賽

項目學習(Project based learning)[4]是以實踐性的項目完成為核心，將跨學科的內容、高級思維能力發展與真實生活環境聯系起來，充分體現學生為中心的教學方式. 通過將先進的教育理論應用于教學實踐，讓學生以團隊合作的方式，在系列任務的指引下，搜索必要的學習資源并解決實際問題，從而獲得知識與技能，該方式能有效地培養學生的創新能力[5]. 項目學習的核心要素之一是建立合適的項目供學生學習，同時通過構建合理的運行模式來完成項目. 在大學本科階段，各種學科專業競賽、大學生創新創業項目和教師科研課題都是項目學習的最佳載體.

中國大學生物理學術競賽(CUPT)是面對大學低年級階段本科生，以培養和考查學生創新意識、創新能力、協作精神和實踐能力為目的的物理學科專業競賽活動. 競賽模式借鑒了國際青年物理學家錦標賽(International Young Physicists’ Tournament， IYPT). CUPT的17道物理問題源于生活，具有極強開放性，沒有標準答案，有利于激發學生學習興趣，同時這些物理問題融合了科學、技術、工程、藝術和數學等多方面因素，有利于教師引導學生開展科研訓練. 比賽以團隊協作的形式研究物理問題，在辯論過程中交流研究成果，不僅可以促進學生學習物理等專業知識，而且還能培養學生團隊合作精神和創新開放思維，能很好地將學生從“答案引導式”思維轉變為“項目引導式”思維. 因此本科低年級階段CUPT的訓練，將為本科高年級階段的科研訓練奠定良好的基礎.

2 PDCA項目管理方法及在CUPT和科研項目訓練中的改進

“項目引導式”思維可以借鑒PDCA[3,6]項目管理方法具體實施和完成. 傳統的PDCA循環法又稱為戴明循環或戴明環,PDCA原本是指在管理活動中，為提高管理質量和管理效益,所進行的計劃(Plan)、實施(Do)、檢查(Check)和處理(Action)4個階段工作的循環過程. 循環過程的4個階段必須環環相扣，同時這4個階段會不斷循環，最終形成大環套小環，不斷持續改進. 如果將PDCA移植到CUPT和科研項目訓練上，可以將PDCA改為設計實驗方案(Plan)、實驗現象表征(Do)、理論模擬驗證(Check)和物理機制闡述(Analysis)，如圖1所示.

圖1 PDCA工作方法

PDCA工作方法的具體優勢主要體現為：

1)4個部分在整個大循環中，不斷嵌套，不斷改進，從而提升項目完成質量；

2)4個部分互相關聯，每一部分都可作為獨立環運行，同時大環套小環，小環保大環，互相促進，不斷提升；

3)PCDA大環都是在上次循環的基礎上發現問題，因此，每個循環都是一次提升；

4)對于PDCA的具體內容，學生根據項目出發點和項目進度，進行自我設計、自我研究、自我創新，有助于提高學生的核心素養.

3 PDCA在CUPT賽題的應用

以2018年CUPT賽題“粉末的顏色”為例，闡述PDCA工作方法在賽題中的應用.

賽題內容為：Color of powders: If a colored material is ground to a powder, in some cases the resulting powder may have a different color to that of the original material. Investigate how the degree of grinding affects the apparent color of the powder. 粉末的顏色：如果將有色材料研磨成粉末，則在某些情況下，所得到的粉末可能具有與原始材料不同的顏色. 探究研磨程度如何影響粉末的表觀顏色.

3.1 Plan階段

學生需要對該賽題進行解析，并和小組其他成員及教師討論，分配團隊成員工作任務. 圖2是學生最終構建的戴明環，從圖2中可以看出，通過前期的文獻閱讀以及討論，賽題目標最終明確為研究CuSO4·5H2O顆粒的顏色變化. 同時學生將按照顆粒樣品制備(改變粒徑)、結構和物性表征、米氏散射理論及Comsol模擬、基本規律總結4部分進行整個賽題的推進工作. 同時在初期、中期和終期3個階段，學生都將按照戴明環結構不斷進行理論和實驗的修正.

圖2 PDCA線路圖

通過對題目的初步分析，學生根據高中階段的知識做出初步判斷:CuSO4·5H2O是帶5個H2O的金屬鹽，其原始塊材呈現藍色，這是由于電子軌道躍遷吸收特定波長的可見光導致的顯色現象. 由于CuSO4·5H2O是晶體，學生開始會比較困惑：該晶體顏色是否與晶格相關，類似于光子晶體的顯色原理？經過深入分析和討論，學生發現：可見光的波長遠大于CuSO4·5H2O的晶格常量，因此該顯色現象應該與CuSO4·5H2O晶體的晶格結構無關.

3.2 Do階段

3.2.1 樣品的制備

在樣品制備預實驗時，低年級學生最初想到手工研磨，但在研磨過程中會發現，這種方法雖然簡單，卻耗時長，同時顆粒粒徑的改變也不明顯. 此時教師啟發學生用機器研磨代替手工研磨，學生通過咨詢高年級學生了解到了球磨機這一設備，并開始進一步實驗.

在實驗過程中，學生主動注意到在中學階段已經掌握的知識點，即CuSO4·5H2O在一定溫度下存在受熱分解的現象，通過稱重法最終確定CuSO4帶的水分子數. 但是在機器球磨過程中，CuSO4·5H2O顆粒會出現一定程度的脫水，導致物質成分的改變，這就需要學生再次修訂實驗方案. 通過在Do階段的層層引導，使學生逐步提升解決復雜問題的綜合能力和高階思維.

通過研磨和分篩，最終得到不同粒徑的顆粒，并且可清楚地肉眼觀察到顏色隨顆粒粒徑變化，如圖3所示.

(a)原始顆粒 (b)手工研磨20 min

(c)手工研磨40 min (d)手工研磨60 min

(e)手工研磨90 min (f)手工研磨150 min圖3 CuSO4·5H2O顆粒顏色和粒徑大小的表觀現象

3.2.2 樣品的物性與結構表征

包括樣品形貌表征和光學性質定性測量. 形貌表征方案是通過光學顯微鏡(OM)的暗場模式，對單個顆粒的大小和顏色進行觀察，如圖4所示. 光學性質的定性測量則是通過漫反射譜和色相圖表征顆粒堆的顏色隨粒徑的變化，使用的儀器是島津紫外-可見分光光度計，實驗結果如圖5所示. 同時還可以在漫反射譜的基礎上繪制色相圖，如圖6所示. 前者光學顯微鏡的使用對于低年級的本科生來說在高中階段可能接觸到，但由于需要考慮入射光波長對顆粒呈現顏色的影響，學生要在多種顯微鏡成像模式(明場、暗場、偏光還是微分干涉襯成像)中進行選擇，學生可以在基礎光學顯微鏡使用上進行知識的拓展. 而紫外-可見分光光度計的使用、色相圖的標定則是全新事物. 學生需要自己了解分光光度計的工作原理，學習設備的操作，知道透射譜、反射譜和吸收譜的差異，并對實驗結果的合理性給出判斷.

圖4 單個顆粒顏色隨粒徑的變化

圖5 不同粒徑CuSO4·5H2O顆粒的漫反射譜

圖6 不同粒徑CuSO4·5H2O顆粒的色相圖

3.3 Check階段

Check階段包括理論分析和模擬對照. 因為所研究的顆粒粒徑分布在百nm到μm級別，因此米氏散射理論適用于該體系. 本題選定以米氏散射理論對其進行定性分析，通過Comsol有限元模擬來驗證顆粒顏色的變化規律. 在Comsol模擬中，將顆粒設計為球形做等效處理，外部邊界條件設定為散射邊界條件，入射波為平面波. 模擬得到顆粒顏色隨幾何結構的關系與實驗相符. 人眼觀察到的顆粒顏色受到顆粒的散射和吸收共同決定. 一方面，從Comsol的模擬結果(如圖7所示)可知，隨著粒徑的減小，散射率提高，導致顆粒本身的吸收所占的比例減少，所以宏觀上看顆粒顏色變淺了. 另一方面，在微觀上，顆粒粒徑越小，長波長的散射越強，所以看到顯微鏡下顆粒粒徑越小，顏色越發黃. 在這2個過程中，理論分析和模擬手段對于低年級本科生來說同樣是陌生的，學生需要通過資料搜索和文獻調研才能找到合適的切入點，同時在教師的引導下，對陌生的知識進行學習和消化，從而對未知問題進行開放式探索，將自主學習內化為能力，逐步培養創新性思維[7-8].

學生創新創業素養的培養和提升是目前高校人才培養的重點和難點. 為了自身科研素養的提升，越來越多的學生希望盡早地進入課題組鍛煉和學習. 然而，學生要真正進入課題組進行科學研究需要基本知識和能力的培訓，比如文獻查閱、數據搜集、計算機語言、成果總結與匯報、團隊協作等. 而PDCA項目管理實施的過程中，一方面是學生學習知識，但是更重要的是通過項目的實施，培養提出問題、分析問題、解答問題和陳述問題的能力.

(a)3 500 nm

(b)1 500 nm

(c)700 nm圖7 Comsol有限元模擬的結果

3.4 Analysis階段

Analysis階段，即實驗與結果的對照，從結果中總結和分析問題的能力是從事科研工作必須具備的素養，尋找到科研項目的分析脈絡是項目引導式思維的最終落腳點，學生在總結和討論的過程中，對于對照相符部分，則固化為規律；不符部分，需要進行實驗改進和理論修正，并反饋給Plan階段，與此對應的是對Do階段和Check階段進行相應的調整. Analysis階段提升了學生尋找和發現問題的能力，這對未來高年級階段的科研創新至關重要.

4 科研論文中的PDCA管理

通過完成CUPT賽題，學生可以從中學會項目的基本路線制定、修改和完善，并且不斷地用PDCA循環來確認自己項目實施的進展和存在的缺陷，這為高年級階段科研項目的訓練奠定了良好的基礎.

下面以文獻[9]為例，對比PDCA在科研工作和CUPT賽題完成過程的相似性，見表1.

表1 文獻[9]和CUPT賽題完成過程對照表

從表1中的對比結果可以看出，CUPT賽題與科研論文的完成過程具有極高的相似度，完全可以把CUPT的賽題當成科研課題，將其作為科研先修訓練的有效手段，讓低年級本科生借助CUPT的競賽培訓實現思維模式的轉型，建立“項目引導式”思維，為本科階段創新人才的培養奠定基礎.

5 結束語

創新人才的培養已成為高等教育的緊要任務，需要從教育理念、教育模式和教育內容上進行全方位的革新. 建立有效的科研先修訓練體系，提升學生科研素養，讓學生過渡到“項目引導式”思維模式，是當下本科教育中創新人才培養亟待解決的問題. 借助PDCA項目管理模式，連通低年級的學科競賽與高年級的科研創新，為創新人才培養提供合力.