基于物理實驗競賽的新工科創新型人才培養

鐵小勻 崔乃毅 張進治

[摘 要] 新工科創新型人才是適應并滿足未來新興產業和新經濟需要的，具有更強實踐能力、創新能力、國際競爭力的高素質、復合型人才。物理實驗課和物理實驗競賽在新工科人才培養中發揮重要作用。優質的物理實驗課程可以培養學生的創新能力和提高學生的實踐技能，而物理實驗競賽不僅能夠讓優秀人才脫穎而出，而且也能讓普通學生的創新和實踐能力得到鍛煉和提高。北京市物理實驗競賽的宗旨是創新、實踐、合作，競賽采用半開放的命題方式，可以充分發揮參賽者的創新思維及與工科專業結合。在大學物理實驗課的基礎上，把物理實驗競賽作為實踐教學平臺，更有利于新工科創新型人才的培養。

[關鍵詞] 物理實驗競賽;新工科;創新型人才;實踐平臺

[基金項目] 2020年度北方工業大學教育教學改革基金“基于物理實驗競賽的新工科創新型人才培養的探索與實踐”（207051360020XN136）

[作者簡介] 鐵小勻（1970—），女，貴州務川人，學士，北方工業大學理學院副教授（通信作者），主要從事物理實驗教學和與工科專業相結合的創新物理實驗研究;崔乃毅（1963—），男，吉林吉林人，博士，北方工業大學理學院教授，主要從事表面等離子體刻蝕和表面改性、表面測試技術等研究;張進治（1963—），男，山東日照人，學士，北方工業大學理學院副教授，主要從事光催化納米材料研究。

[中圖分類號] TM02? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）07-0009-04? ? [收稿日期] 2020-10-13

培養大學生創新意識和實踐能力是世界各國高等教育改革的方向[1]?（P115），而新工科建設迫切要求改革傳統的教育模式，貫徹工程教育思想，提高人才培養質量。以成果或產出為導向的教育模式，已成為國內地方工科院校廣泛關注的焦點[2]?（P58）。由此，各工科院校勢必把創新、實踐作為人才培養的核心要素。物理實驗課程應該在培養學生創新能力和實踐技能方面發揮重要作用，但工科學生的物理實驗課時明顯偏少，學生只能進行一些基礎性實驗的學習與操作，主要是進行基本理論、基本方法、基本技能的“三基”系統訓練。可以說，學生的創新意識剛剛有所啟發，就“戛然而止”，不利于學生創新能力的培養[3]?（P265）。因此，改革現有的實驗教學模式，探索培養大學生的創新精神和創新能力的新方法和新舉措已經勢在必行[4]?（P21）。李道勇等在《基于創新能力培養的大學物理實驗教學模式改革》一文中提到結合物理科技創新平臺和學科競賽構建并完善了“以賽促練、以練促學”的課外實踐教學模式[5]?（P103）。從2009年開始的北京市大學生物理實驗競賽，其競賽宗旨是創新、實踐、合作，競賽的方式是基于物理原理的實用裝置制作，正符合成果為導向的教育模式。物理實驗競賽與傳統的物理實驗課程相比，更加接近實際的工程技術問題，半開放式的命題方式更有利于培養學生的創新思維，三人一組的方式也能夠培養學生的合作意識。比如北京市2010年物理實驗競賽規定題目是設計并制作流量計。作者指導學生完成的項目是基于霍爾傳感器的渦輪流量計，通過這個裝置的設計制作，參賽學生經歷了從理論知識到理論的實驗驗證到實用裝置的整個過程，從而深刻理解了知識的應用過程，也了解到在把知識變成實用裝置的過程中，需要具備哪些條件、哪些技能，在這個過程當中，自己的優勢是什么、劣勢是什么。該題目正好在物理實驗的基礎上延伸到實際工程技術問題。競賽準備階段的開放性和超過半年的準備時間，充分說明競賽重過程，希望學生在過程中得到鍛煉和提高。如果把物理實驗競賽作為物理實驗課的實踐平臺，必將提升物理實驗課在培養新工科創新型人才當中的作用。

一、物理實驗競賽資源積累

（一）實驗項目的積累

自2009年以來，北京市物理實驗競賽已經走過了12年的歷程，共舉辦過12屆競賽，以后還將繼續進行下去。每年兩個規定題目、一個自選題目、一篇論文，每一所學校每年至少有4個項目，最多的有8個項目。12年下來，積累了幾十個競賽題目，其中一等獎的題目大約15%，這些題目都是具備創新點、理論嚴謹、研究深入、數據完整、制作精良的好作品，而且大多數獲獎作品都有實際應用價值。眾所周知，要想培養學生的自主學習能力和創新思維，設計性實驗比驗證性實驗價值更大，而只有開發出合適的設計性實驗，這種價值才能充分體現出來，如果題目太難，學生容易放棄，也會打擊學生的積極性;如果太脫離實際，不能激發學生的興趣;如果與前期學生做的驗證性實驗沒有很好地銜接和提升，學生沒有積累和準備。而這些獲獎的作品為設計性實驗提供了很好的素材。甚至一些沒有獲獎的作品，本來很有創新點，可能只是后期制作出現問題而沒有獲獎。像這樣一些題目都可以作為素材積累起來。一方面在此基礎上開發設計性實驗，一方面作為演示實驗。比如2019年作者指導的規定題目——偏振光干涉的應用裝置，設計思路是雙層薄膜的反射式偏振光干涉的應用裝置，其難點是圖案裁剪，恰好有一個學生擅長剪紙，最后學生設計制作出了可旋轉變色的剪紙畫，只不過用薄膜替代了紙。難點變成了亮點，這個作品非常漂亮（見圖1）。如果有喜歡剪紙的學生，這個作品就是這些學生深入理解研究偏振光干涉的切入點。

（二）人才的積累

大學物理實驗課程的難度設計要考慮大多數學生的接受程度，又由于實驗場地和學時的限制，學生只能在規定的時間規定的地點完成規定的實驗，實驗內容單一，跟學生的專業結合不夠，跟實際生產當中的工程技術問題結合不夠，具有創新意識和實踐技能的復合型人才很難脫穎而出。而物理實驗競賽恰恰彌補了這個不足，其選題都經過物理實驗競賽組委會討論，難度合適，又跟實際的工程技術問題結合，其開放的命題方式又讓學生能夠跟自己的專業知識結合。比如2016年的題目，用智能手機參與經典的物理實驗，我校的一個項目“手機App控制的智能化火災自動報警系統”獲得三等獎，這個題目充分發揮了學生的編程能力，把學生的專業知識用到實驗競賽中，也讓我們實驗室多了一個助手，在后面幾屆的競賽中，這位學生都積極幫助輔導學弟學妹。后來在我們實驗室開發新實驗項目的工作中，這位學生發揮了積極的作用，幫助我們編程，使我們的實驗項目實現智能檢測、自動顯示。我們實驗室在實驗競賽中篩選培養出來的人才，再回過來服務于實驗課程建設，而優質的實驗課程有利于提高學生的競賽技能和實力，形成了一個良性的回饋和互動。

二、建設物理實驗實踐平臺的措施

（一）組織競賽，開設創新物理實驗選修課

既然是教學實踐平臺，就要盡可能地讓更多的學生參與進來。大學物理實驗課程面向全校工科專業開設，超過一千人。最終有機會參加北京市大學生物理實驗競賽的不會超過三十人，但這并不意味著其他學生不能分享北京市物理實驗競賽的育人優勢。而如何讓這些學生分層成才是物理實驗課程建設需要思考的問題。不同層次的學生需要不同的動力和不同的激發方式，例如：能力很強的學生，目標就是在北京市物理實驗競賽中獲獎，而能力相對比較弱的學生更在意學分，大多數學生都會在意是否在校內競賽中獲獎，而一些上進心很強的學生則更在意自己能力的提高。由此我們的物理實驗課有四個層次的課程目標：第一層是完成十個實驗，包括基礎性綜合型實驗和設計性實驗;第二個層次是創新物理實驗選修課;第三個層次是校內物理實驗競賽;第四個層次是北京市大學生物理實驗競賽。第二個層次和第三個層次都是以北京市大學生物理實驗競賽為導向的，創新物理實驗課是以競賽題目為內容的開放式教學，包括兩個北京市競賽的指定題目、兩個自選題目。實驗室提供場地，學生按照自己的空余時間到實驗室做實驗，完成實驗裝置，定期或不定期地跟老師溝通討論。在創新物理實驗課中完成裝置的可以參加校內物理實驗競賽，沒有完成裝置的，也必須有設計思路和實驗報告，作為創新物理實驗課最后提交的小論文取得學分。在校內競賽中表現出色的，再選拔參加北京市物理實驗競賽，所以校內競賽既是北京市競賽的選拔賽，又讓一些能力不是很強的學生有一個在校內賽中獲獎的目標，從而提高參加競賽的動力。所以通過這樣一種分層成才的方式，把只有很少的學生有機會參加的北京市大學生物理實驗競賽不同程度地惠及更大范圍的學生，這正是把競賽作為實踐平臺的優勢。

（二）重視競賽過程的管理和賽后裝置的完善利用

實驗競賽是一個長期的系統工程，從4月份報名到11月份的北京市競賽，足足有7個月的時間。我們專門給競賽學生提供了一個競賽實驗室，在保證安全和紀律的前提下，由學生自己管理，自由使用實驗室。但是也有一些學生在自己的專業實驗室做實驗，有的時候要用到一些電子元器件或者集成塊，他們為了省事兒，就從專業實驗室借用。雖然我們要求比賽結束后實驗裝置不能破壞，要原封不動地留在實驗室，但是還是有一些學生會把借用的東西拆卸下來，這就導致了實驗裝置被破壞。為了避免這種情況，實驗室一定要加強管理。首先，保證所有元器件都由實驗競賽經費購買，特殊情況下，借用別的實驗室的東西，之后用其他的方式歸還，絕對不能拆卸實驗裝置。因為實驗裝置是學生和實驗指導教師幾個月智力勞動、精力、汗水的結晶，有的裝置還經過反復修改方案、調試，甚至經歷過數次失敗。如果實驗競賽的目的只是最終的競賽結果，就很容易在競賽結束后對這些裝置棄之如敝屣。而如果把實驗競賽當成培養人才的手段，那么實驗競賽過程中產出的任何東西，包括經驗、信息、展板、裝置、競賽的學生信息，我們都應該認真收集整理。學生信息便于我們后期跟蹤競賽學生的發展軌跡，也便于我們在學生中樹立榜樣。競賽的裝置我們收集起來，再加上必要的說明，包括競賽學生的姓名、獲獎等級、裝置說明，做成展示柜向其他學生展示、宣傳競賽，提高學生對競賽和物理實驗的興趣，也可以提高競賽獲獎學生的榮譽感。

（三）注重對獲獎學生的跟蹤和后續培養

在競賽中脫穎而出的學生，我們要跟蹤了解他們成才的軌跡，給他們提供更多成才的機會、更多施展才華的機會。大學物理實驗課程在保證傳統經典實驗題目不變的情況下，可以開發一些跟工科專業結合的實驗，有利于提高學生對物理實驗的興趣，學科的融合也有利于培養新工科復合型人才。但是畢竟術業有專攻，即便我們現學現用，我們對工科專業的了解也是非常有限的，這個時候我們需要學生的幫助。比如我們實驗室開發了一個光敏傳感器的設計性實驗，需要制作感光模塊、單片機編程、數碼實時顯示，而單片機編程是我們實驗老師的短板。于是我們找到2013年北京市物理實驗競賽一等獎獲得者，他們的專業是自動化，參賽題目是“智能化伸縮系數測量儀的研究”，正好用上他們剛剛學完的單片機。他們的強項正是我們實驗室老師們的弱項，在他們的幫助下，我們花了很少的成本，自己制作了感光模塊，在顯示屏上留下了他們的名字（見圖2）。學弟學妹們每次使用感光模塊，打開開關，首先看到的就是制作者的姓名。這對于制作者來說是榮譽感和學有所用，對于學弟學妹來說是榜樣。這個例子正是物理實驗競賽回饋于物理實驗教學的典型。

（四）實驗競賽的宗旨融入實驗課程建設中

北京市物理實驗競賽的宗旨是創新、實踐、合作，基本符合新工科人才的培養目標。而如果我們把創新、實踐、融合作為課程的建設宗旨，物理實驗課程一定能為培養新工科人才發揮不可替代的作用。作為一門自然科學，物理學本身的知識體系相對穩定，受社會發展和科技發展的影響相對較小，有很多經典的實驗題目是不可更改的，但是這并不意味著我們不能在實驗題目上做更替和增加。為了適應我校的人才培養目標——高水平應用型人才，我校的自編教材《工科物理實驗》在綜合性實驗中增加了傳感器系列實驗[6]?（P2）。傳感器是自動化測量不可缺少的環節。一般傳感器的結構原理都是物理的范疇，而傳感器的設計應用是工科的范疇。對結構原理的透徹理解是設計傳感器的基礎，要想在傳感器的設計上創新，需要結合底層的基礎原理和上層的工程應用實際，而在物理實驗課中開設傳感器實驗，可以把傳感器的結構原理講得很透徹。我們的教材還增加了一個章節——研究型實驗，研究型實驗的內容包含各種光譜儀的原理和應用，以及生產生活中一些常用材料的性能研究，既沒有脫離物理這個關鍵詞，又更加接近實際的工程技術問題。有了好的教材，還需要教師們通過課堂把這種創新、實踐、融合的理念傳遞給學生，落實到位。

三、結語

物理實驗競賽涉及的環節太多，儀器設備狀態的不可控性，實際操作的偶然性，評價標準的復雜性，每一個實驗的獨立性，競賽方式的多樣性，諸如此類的原因使得主辦物理實驗競賽難度很大。而當大環境對我們提出了更高的要求，對人才提出了更高的要求，尤其是對具有更強實踐能力、創新能力、國際競爭力的高素質、復合型人才的需求，使得我們對實驗課程、實踐環節不得不加強重視。2009年由北京市教委主辦、北京交通大學承辦的北京市物理實驗競賽終于開啟了它的光輝歷程。北京交通大學年年承辦，功不可沒。這十多年以來，我們親眼見證了一屆又一屆的學生在大半年的實驗競賽準備中一點一點地成長，其中有不少學生連續參加了兩次實驗競賽。這段競賽經歷時間長，開放式的競賽準備方式，必將對他們以后的成才產生積極的、課堂學習不可替代的影響。

（課題組成員：鐵小勻，崔乃毅，張進治，安艷偉，謝亮，于建強）

參考文獻

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[6]張進治，李靈杰，鐵小勻，等.工科物理實驗[M].濟南：山東大學出版，2015.

Training Innovative Talents under the “Emerging Engineering Education”

Based on Physics Experiment Competition

TIE Xiao-yun， CUI Nai-yi， ZHANG Jin-zhi

（College of Science， North China University of Technology， Beijing 100144， China）

Abstract： New engineering talents are high-quality and compound talents with stronger practical ability， innovation ability and international competitiveness to meet the needs of new industries and new economy in the future. Physics Experiment course and physics experiment competition play an important role in the training of new engineering talents. High quality Physics Experiment course can cultivate students innovation ability and improve their practical skills. The physics experiment competition can not only make outstanding talents stand out， but also make ordinary student's innovation and practical ability be trained and improved. The aim of Beijing Physics Experiment Competition is innovation， practice and cooperation. The semi-open propositional method is adopted in the competition， which can give full play to the innovative thinking of the participants and combine with the engineering majors. On the basis of college Physics Experiment course， the physics experiment competition is regarded as a practice teaching platform， which is conducive to the cultivation of new engineering talents.

Key words： physics experiment competition;“emerging engineering education”; innovative talents; practice platform