近代物理實驗課程的SCOP教學方法探討
——以光譜系列實驗為例

王春亮,嚴端廷，劉春光,王長華，郭景富,付申成，賈 艷，李金環

(東北師范大學 a.物理學院；b.物理學國家級實驗教學示范中心(東北師范大學)，吉林 長春 130024)

Problem-based learning是指一類基于問題的教學方法[1]，多年來在醫學教育領域受到廣泛的認可[2]. 借鑒用問題引導教學的思路，同時結合物理學科的特點，李金環等[3]提出了基于物理問題的教學模式(Physics problem based learning，PPBL). 該教學模式強調以物理問題為基礎，以學生為中心，以運用知識分析和解決問題的能力為目標. 該教學模式在光學理論課程和基礎物理實驗課程中取得了很好的教學效果[4].

將PPBL教學模式推廣到近代物理實驗教學，分析近代物理實驗課程的組織方式、教學目標和教學內容的特點，結合教學實踐，提出適合近代物理實驗課程的SCOP(Scientific problem guiding, cooperative exploration, open discussion, progressive experiments)教學方法. 在SCOP教學方法中，教師用科學問題來引導學生主動學習；學生通過合作式探究開展研究；鼓勵以開放討論的方式，對問題進行多角度分析；通過漸進式實驗設計與安排，不斷提升學生的綜合能力.

1 SCOP方法提出的背景

隨著科技的迅猛發展與時代的快速變革，近代物理實驗課程越來越強調培養學生的創新能力. 近代物理實驗作為物理學專業人才培養體系中的高階課程，對高素質創新人才的培養具有不可替代的作用. 近年來，隨著高等教育教學改革的逐漸深入，近代物理實驗課程的目標已經從簡單的知識傳授逐漸過渡到對學生綜合能力的培養，包括文獻調研、動手能力、自主探究、表達溝通等，最終提升學生的創新能力. 各高校紛紛將前沿的科研問題與研究方法引入近代物理實驗教學[5-6]，革新教學理念[7]，探索研究型教學方法[8].

信息化時代，近代物理實驗教學也出現了新的問題. 由于網絡技術的迅速發展和手機的大規模應用，人們獲取信息的渠道越來越多，獲取的信息量也越來越大. 然而，這也帶來了負面的影響，例如：信息質量良莠不齊，信息碎片化嚴重.

優秀的課程需要傳承與建設. 近代物理實驗課程由整個教學團隊完成，當團隊成員由于崗位調整等原因離開，新成員補充進入教學團隊時，需要把優秀的教學經驗和傳統保留、傳承下來. 教學團隊整體性優良品質的傳承需要合適的載體.

為了適應新形勢，針對新問題，傳承優良傳統，提出了SCOP教學方法.

2 SCOP教學方法的概念與結構

SCOP包括科學問題引領(Scientific problem guiding)、合作式探究(Cooperative exploration)、開放式討論(Open discussion)和漸進式實驗(Progressive experiments)等4個方面.

2.1 科學問題引領

科學問題引領是指用科學的問題來引領學生探究、思考和學習的過程，最終構建完整的知識體系和物理模型. SCOP教學方法是從PPBL教學模式發展而來，秉承“基于問題”的基本思想. 同時，近代物理實驗課程的教學內容又有著自身的特點，因此需要對“問題”重新補充說明. 近代物理實驗有很強的綜合性，在解決問題的過程中，需要綜合運用光、電、機械、電子技術、數據處理等多方面的知識. 此外，在前沿的科學研究中，學科交叉、融合非常普遍. 學生在近代物理實驗課程中掌握的知識和技能是在未來從事科技前沿和現實應用研究的重要工具. 基于教學內容和學生發展需求，將“物理問題”擴充為“科學問題”. 鼓勵學生探索授課內容與前沿領域的聯系.

科學問題引領的形式是問答式與研討式相結合，這2種方式分別適用于相對簡單和相對復雜的問題. 引領的目的是以問題為節點，幫助學生梳理知識點之間的邏輯關系，最終構建完整的知識體系.

2.2 合作式探究

合作式探究是指學生以小組合作的方式，針對實驗過程中涉及到的科學問題展開研討. 特別是鼓勵和引導學生將實驗與理論相結合，針對實驗現象、實驗方法，運用相關的理論知識進行多角度分析. 大量研究表明，采用科技支持，以學生為中心，采用小組討論、合作式的學習方式，可以有效地提升教學效果[9]. 在授課過程中，將2～4名學生分為1個小組，共同觀測實驗現象，針對有一定深度和開放性的問題展開研討.

2.3 開放式討論

開放式討論貫穿授課全過程. 學生隨時就實驗相關的問題與同學或教師進行探討. 教師根據學生的討論情況適時引導，調整學生討論的方向和節奏. 討論的內容不僅限于課內的知識點，還包括物理學史、科技前沿、應用領域、方法論及思政等內容. 通過開放式討論，教師根據自己的知識背景展開教學內容，介紹相關的科技前沿與應用技術，激發學生的學習興趣. 由于基本思路是科學問題引領，而不是狹義的物理問題，所以教師可以大膽地拓寬視野，將科學問題引入教學. 開放式討論也鼓勵教師與學生多交流，只要是正面引導學生的問題都可以討論，例如德育、美育等.

2.4 漸進式實驗

漸進式實驗是引導學生由淺入深、系統地掌握實驗思想、培養研究能力的手段. 首先，在課程整體安排上，在完成常規實驗后，開設設計性實驗；其次，在完成實驗項目的基本流程后，安排集中研討，對實驗項目中涉及到的物理模型、方案設計等內容進行深入挖掘；第三，對于系列實驗項目，采用先易后難的原則合理安排；最后，在實驗課中，對學生進行由淺入深、漸進式的引導.

2.5 SCOP方法的4個方面的關系

SCOP方法的4個方面密切相關，相互配合、交叉、融合，形成有機的整體，如圖1所示. 科學問題引領是核心，其他3個方面都圍繞科學問題展開；合作式探究和開放式討論是授課的基本形式；漸進式實驗是組織教學、安排內容的方法和原則. 科學問題是探究、討論、實驗探索的主題，引領著整個教學過程的方向. 同時，由于科學問題有著深刻的內涵和廣闊的外延，所以需要合作式探究和開放式討論進行多角度的探討，需要漸進式實驗來不斷加深研究層次. 開放式討論與合作式探究是融合的過程：開放式討論促進合作式探究順利進行，合作式探究為開放式討論提供議題. 合作式探究、開放式討論和漸進式實驗之間是相互配合、相互促進的關系. 開放式討論、合作式探究的結合會在基本教學內容的基礎上衍生出更多新的問題，這些問題為漸進式實驗提供研究對象；漸進式實驗不斷拓展科學問題研究的深度和廣度，為開放式討論和合作式探究提供新的思路.

圖1 SCOP結構圖

3 SCOP教學方法的具體實施方式

總結我校近代物理實驗課程多年的教學實踐經驗，基于PPBL教學模式，提出SCOP教學方法. 我校近代物理實驗是最高級的必修實驗課程，在本科二年級下學期和三年級上學期開設，每周4學時，總教學時長為28周. 課程包括25周(5個輪回)的常規實驗和3周的設計性實驗. 課程采用模塊化的組織方式，分為原子與分子物理及光譜、現代光學、真空/低溫技術、微波與磁共振技術和原子核物理等5個教學模塊. 課程中實驗項目取材于物理學經典實驗和科學研究前沿問題，綜合性強，具有豐富的物理內涵. 5個教學模塊相對獨立，各由1位核心教師負責，并由任課教師配合課程的建設. 在每個常規實驗輪回中，學生有5周的時間集中完成1個模塊的實驗內容. 在完成所有模塊的常規實驗后，再自選題目，完成設計性實驗. 下面以原子與分子物理及光譜模塊為例，介紹SCOP教學方法的具體實施方式.

3.1 根據課程目標，按照漸進式實驗的原則設計安排實驗項目

我校近代物理實驗的課程目標包括：夯實物理知識和概念，訓練實驗技能、方法和技巧，培養觀察、分析、歸納、掌握新技術等多方面能力，培育實驗素養、科學作風和創新思維. 為了達成課程目標，在原子與分子物理及光譜模塊選取了“氫氘光譜”“塞曼效應”“吸收光譜”和“拉曼光譜”這4個實驗作為常規實驗項目. 在設計性實驗環節開設了“自組光柵光譜儀”“自組光譜觀測系統”“自組光學顯微鏡”“原子與分子光譜對比研究”“拉曼光譜拓展研究”“朗德g因子研究”“F-P腔實驗與數值模擬研究”“表面等離激元的光譜研究”等題目. 設計性實驗的題目會不斷更新.

按照漸進式實驗的原則，學生先完成所有模塊的常規實驗，掌握各模塊實驗的知識和技能后，再完成綜合性、探索性更強的設計性實驗.

在1個輪回內，前4周進行實驗項目的教學和實驗，在第5周進行集中討論，對完成的實驗項目進行深入反思和擴展.

為期4周常規實驗的項目也按照“先簡單后復雜”的原則來安排. 學生先完成“氫氘光譜”和“塞曼效應”2個原子物理的實驗，然后再進行“吸收光譜”和“拉曼光譜”2個分子實驗. 從知識層次來看，由能級結構相對簡單的原子到能級結構復雜的分子；從實驗手段來看，在相對簡單的“氫氘光譜”實驗中，學生可以充分了解光柵光譜儀的原理和使用方法，在相對復雜的“吸收光譜”和“拉曼散射”實驗中，光譜儀將與連續譜光源、光子計數器和激光器等設備協同工作.

3.2 在每個常規實驗中，用SCOP方法進行教學

每個實驗題目的目標都是解決核心的科學問題. 學生從現有知識背景和實驗條件出發，解決這些科學問題，掌握與之相關的物理知識，鍛煉相應的實驗技能，進而培養物理思維. 在教學實踐中發現，如果只給出抽象的核心問題，學生往往無從下手，不能在規定課時內順利地完成學習任務. 為此，針對每個實驗題目，在核心物理問題的基礎上，提出一系列具體的問題，引導學生思考，最終理順實驗脈絡，建立完整的物理模型和知識結構.

以塞曼效應實驗為例，實驗的核心問題是研究磁場對原子光譜性質的影響. 在此基礎上設定2個明確的實驗目標：通過磁場方向找出偏振片透振方向和λ/4波片的快、慢軸方向；通過磁感應強度計算電子的比荷. 根據課堂上與學生的互動情況，提出關于原子物理和光學的一系列問題，來引導學生的思考過程. 塞曼效應實驗的科學問題脈絡如圖2所示.

圖2 塞曼效應實驗的科學問題脈絡

在每個實驗項目中，合作式探究與開放式討論是學生掌握實驗知識和技能的主要途徑. 我校近代物理實驗課程采用小班授課的形式，每位教師指導8名學生. 在教學過程中，將3～4名學生分為1個學習小組，強調以學生為主體，圍繞研究的科學問題，通過合作式探究來進行實驗探索，觀察實驗現象，針對實驗中遇到的問題和涉及到的知識點進行開放式討論.

例如，在“氫氘光譜”實驗中，學生會以合作式探究的方式觀察和分析氫原子光譜規律、同位素位移等原子物理問題；探索光柵狹縫大小、光電倍增管電壓等技術問題；探討波長校正、曲線平滑等數據處理和分析問題. 在保證安全的前提下，學生還可以觀察光譜儀的內部結構，討論各部分功能與工作過程. 該方式提高了學生的積極性和參與度，同時能培養學生的溝通和合作能力.

近年來，在學校的大力支持下，近代物理實驗課程的教學條件得到了大幅度改善，這為學生的合作式探究和開放式討論提供了硬件保障. 教師不斷補充教學資料，為學生提供文本、圖片、課件、視頻等資源. 教師在授課過程中根據學生的具體情況提出問題來引導教學進度，通過與學生單獨討論來確保所有學生都參與學習過程. 同時，教師也會觀察學生在探究與討論中的表現，作為過程性評價的重要標準.

在常規實驗項目中，漸進式實驗的含義為：

1)由于實驗項目豐富、綜合的性質，只通過1個操作流程學生很難理解全部的實驗內容，需要反復探究，不斷加深理解. 例如，在拉曼光譜實驗中，首先體驗拉曼光譜測試的過程，建立直觀感受；然后思考原子、分子相關的知識，掌握關鍵物理概念，對一些物理量的量級建立直觀感受；最后，針對實驗現象，發現問題并嘗試分析和驗證. 在反復研究的過程中，強化物理知識，使得知識的運用成為潛意識的反應，固化成自己的能力.

2)學生的知識背景、興趣和職業生涯規劃等存在個體差異，在實驗過程中，學生都有機會根據自己的需要和興趣進行探究和學習. 因此，通過近代物理實驗課程，每名學生都獲得成長.

3.3 在集中討論環節充分挖掘實驗的相關物理機理及應用領域，拓展學習的深度和廣度

在4周的實驗探究中，學生對實驗項目有了自己的理解. 在集中討論環節，學生對課程內容進行反思，思索教學內容的內在聯系和實驗過程的設計，特別是在以下4方面有所提高：

1)對技術細節、方案設計等方面的思考. 例如，在用紫外-可見分光光度計研究溶液吸收光譜的實驗中，涉及到基線、參比樣品等內容. 在實驗過程中，學生按照標準的流程進行操作，了解流程設計的物理依據. 在集中討論環節，學生細致地分析樣品池對光的吸收、反射等問題.

2)完整物理規律的理解與知識體系的建立. 在集中完成光譜系列的4個常規實驗之后，學生可以回顧整個模塊的實驗，思考不同實驗之間的區別與聯系，更好地掌握原子、分子、光譜、光電探測等方面的知識. 例如，光柵在不同實驗中的作用與參量選擇，濾光片與F-P標準具的聯系，分子能級結構在不同光譜中的表現形式，等等.

3)課程內容與科技、應用技術前沿之間的聯系擴展. 例如，學生分享與討論拉曼光譜技術在材料研究、食品安全、安檢與刑偵領域的應用.

4)文獻調研、口頭表達與交流能力的培養. 學生查閱與課程內容相關的資料，篩選、組織和加工后，形成報告，以口頭匯報將學習心得與同學分享，同時也對其他同學的報告內容進行學習與研討. 在此環節，教師糾正學生報告過程中出現的內容或形式方面的問題，發現學生對授課內容理解的不足并給予補充講解. 此外，集中討論也是對學生過程性評價的重要環節.

3.4 以前沿研究與應用為導向，開展設計性實驗，提升學生的研究能力，培育創新思維

在近代物理實驗課程的最后3周，每位教師會在自己授課模塊的基礎上，提出設計性實驗題目，由學生自由選擇指導教師，開展自主研究. 在這個環節，學生在教師的指導下，確定實驗目標，設計實驗過程，選擇實驗儀器，獨立開展實驗，采集實驗數據，撰寫實驗報告. 這個環節更貼近于實際的研究，可作為開展科學研究的切入點. 在這個環節，學生也有機會探究自己感興趣的實驗，例如，在“光纖光譜儀應用”實驗中，學生可以對日常生活中的衣物、飲料等物品進行光譜測試.

4 實施SCOP教學方法需要注意的問題

4.1 安全教育

在SCOP教學方法下，提倡學生自主探究和探索，這些探索一定要在保證安全的前提下進行. 因此，在教學過程中，教師要不斷開展安全教育，強調人身安全、儀器安全的重要性. 例如，在實驗室的墻面、地面等位置放置醒目的安全標識，潛移默化地對學生進行安全教育；在設計性實驗等環節，讓學生通過自制安全海報等方式，主動參與安全教育.

4.2 資源建設

在SCOP教學方法下，學生要進行大量的自主探究和探索,這些活動需要充足、優質的學習資源來支撐. 因此，SCOP方法要求教師不斷建設高質量的課程資源，包括文本、課件、視頻等. 在實驗室放置參考書，在實驗室的計算機里放置優質的講義、課件和視頻等資源. 在建設資源時，一方面靠教師搜集和積累，同時，也可以將學生在集中討論和設計性實驗等環節中制作的優秀作品進行甄別、整理、加工和展示.

4.3 文化熏陶

SCOP提倡開放、自由和靈活，然而教育并不是放任自流. 教師需要保證學生活動的主流方向是積極、向上的. 例如，在實驗室周圍放置科學家、科學故事的張貼畫，將教師、學生實驗探究的優秀成果放在宣傳展板上. 通過文化熏陶的方式，正面引導學生進行科學問題探究.

4.4 SCOP方法的靈活性

SCOP方法總結了我校近代物理實驗教學團隊多年來的實踐經驗,其目的是為教師的教學過程提供方向性參考. 任課教師在授課過程中需要堅持SCOP方法的思想，而具體的外在形式是靈活的. 例如，在關鍵科學問題引領時，可以單純的口述，可以把經典的問題做成宣傳板，還可以隨授課進度逐條寫在白板上，等等.

4.5 提問和可探究問題的結合

SCOP是以問題為基礎的，這些問題既可以是立刻給出答案的簡單問題，也可以是綜合性和外延性較強的探究性問題. 授課過程中,用簡單的問題來了解學生的知識基礎和預習情況，用綜合性較強的問題來引領學生探究的方向. 當學生在探究過程遇到障礙時，教師可以把問題再細化，用簡單的問題來引導學生跨過障礙，繼續探究. 關鍵是通過問題讓學生保持思考和探究的狀態. 設置綜合性和外延性問題，讓學生保持學習和探究的興趣. 例如：關于F-P腔，學生在光學課學習了多光束干涉. 在塞曼效應實驗中，用它來測量微小波長差，讓學生進一步了解相關的物理規律. 教師引導學生反思相關的物理本質問題，例如：自由光譜范圍、分辨率和精細度的關系，具體應用時應當如何根據待測量選擇合適的儀器參量？為什么干涉儀能獲得很高的分辨率？滿足共振條件時，透射率很高，那么反射光哪里去了？滿足共振條件時，腔內的光強如何分布？教師通過外延的問題來引導學生認識F-P腔的廣泛用途. 例如：光學儀器里的濾光片是什么原理？為什么大多數激光器里面會有F-P腔？如何測量激光的光譜寬度？腔的光學模式會改變腔內物質的性質嗎？如何用F-P腔來檢測微量氣體？用于引力波探測的LIGO里也有F-P腔，它的作用是什么？

通過簡單、直接的問題，教師可以考察學生的學習情況，幫助學生跨過探究的障礙，完成授課過程. 通過綜合性、外延性的問題，教師可以在方向上引領學生的探究過程，同時給學生充分思考的時間和探索空間. 更重要的是，通過具有很強外延性的問題，開拓學生眼界，讓學生意識到科學研究的廣闊天地和深刻內涵.

5 SCOP教學方法對近代物理實驗教學的作用

在教學活動中，課程是連接教師和學生的橋梁. SCOP可以促進教師、課程與學生的協調發展，從而持續提高學生的培養質量.

5.1 提高人才培養質量

SCOP方法有助于學生提高綜合素質，培養學生優秀的意識品質. 教育的根本任務是立德樹人，高等教育要為國家培養德才兼備的高素質人才. SCOP方法幫助學生反復思考和訓練，逐漸在基礎知識、實驗技能和問題邏輯方面獲得全面提升. 此外，緊跟時代發展、與社會現實密切相關的科學問題還可以促進學生關于家國情懷、理想信念、文明素質、社會責任等多方面的思考；開放式討論可以讓師生產生更多的互動，從而在授課過程中對學生進行正面的引導；合作式探究與漸進式實驗培養學生批判質疑、勤于探索的精神.

SCOP有利于學生的個性化發展. 雖然實驗題目是相對固定的，但由于近代物理實驗題目的綜合性強，涉及的知識范圍廣，學生在完成基本的實驗流程后，可以根據自己的具體情況，在基礎科學問題、教學表達、應用技術等方面進行側重學習和訓練. 在集中討論環節，學生可以自由地反思，表述在知識細節、實驗技巧、學科思考、教學設計等方面的心得. 為期3周的設計性實驗更是為學生提供了充分發揮個性的研究平臺.

SCOP方法有助于培養學生自主思辨、考證求真的習慣，抵御信息技術發展帶來的負面作用. SCOP方法強調圍繞待研究的科學問題，結合理論分析與實驗觀測，對相關知識點進行多層次、多角度的分析與討論. 在此過程中，許多錯誤信息可以被發現、考證并糾正. 同時，零散的知識點也可以被嵌入到物理模型之中，幫助學生構建完整的知識體系. 經過SCOP方法的訓練，學生在接收到信息時，可以養成獨立分析思辨，以及考證信息原始出處的習慣，從而獲取正確的知識.

SCOP教學方法使得學生上課的狀態有明顯的改善. 學生在實驗室的討論非常熱烈，能夠根據實驗需要，對學過的知識進行充分總結，將其用于指導實驗儀器的調節和實驗現象的觀測. 同時，在實驗過程中，學生對實驗現象進行充分討論，特別是對與理論預期有出入的細節進行探討，利用歸納法對書本上的知識進行修正，培養了學生批判、質疑的思維，將知識真正轉化為能力. 例如，在塞曼效應實驗中，學生觀察到比預期更多的圓環，從而認識到光學元件表面反射及濾光片的實際濾光效果對實驗的影響. 在理解塞曼效應的偏振問題時，對照實驗儀器，用角動量守恒的原理來分析和討論光子的偏振態. 這樣，學生對角動量守恒和光的偏振態可形成直觀的理解.

5.2 促進教學與科研的結合，助力教師的學術發展

SCOP方法對教師的學術水平提出了更高的要求. 鼓勵開放性討論意味著學生會提出更多與實驗內容相關的問題，這就要求教師透徹地理解授課內容，并且跟蹤相關領域的最新發展，不斷提升學術水平. 同時，SCOP方法也有利于教師教學與科研的結合. 例如，在設計性實驗環節，教師可以根據自身的科研興趣設計題目，既能將科技前沿內容引入教學，又能在完成教學任務的同時推進自己的科研工作. SCOP方法可以促進教學和科研深度融合、相互促進，如圖3所示：教師可以從學科相關的科技前沿中提煉知識點來融入教學內容；在課堂實踐中，教師也有機會對相關知識進行反復思辨；經過研討，教師可以凝練出值得研究的學術問題，擴充自己的科研主題；通過科學研究，教師可以繼續關注更多、更新的學科相關前沿內容. 如此循環往復，有助于教學和科研協調發展. 圖4給出了教學、科研相互促進的實例. 納米結構的干涉、衍射等內容是納米光學領域中的重要內容，這些科研內容可以融入到塞曼效應實驗中F-P腔的教學. 在教學過程中，教師可以對腔的光學模式等物理本質和光學特性進行深入思考；通過對腔的思考可以凝練出學術問題，融入Exciton-polariton領域的科學研究；對Exciton-polariton光譜性質的研究又可以進一步拓展對干涉、衍射等過程的認識. 通過這樣的流程，可以使納米光學領域的科學研究和原子物理實驗題目的教學共同進步.

圖3 教學、科研協調發展的過程示意圖

圖4 F-P腔教學內容與Exciton-polariton科研主題之間相互促進的流程示意圖

5.3 豐富課程內容，提升課程質量

SCOP是圍繞問題探究進行教學的方法. 探究問題過程中形成的成果經過整理后成為課程資源，持續豐富課程內容. 在教學活動中，教師以問題引領學生，學生通過問題來學習. 問題的不斷深入也讓課程的深度、廣度和高度都不斷提升. 當問題具有足夠的學術深度時，對問題的研究也就變成了學術研究.

6 結 論

SCOP教學方法是在總結了我校多年近代物理實驗教學經驗的基礎上，面向卓越人才培養的目標，針對信息化發展等因素帶來的新問題而提出的基于“問題”的教學方法. 科學問題引領、合作式探究、開放式討論和漸進式實驗這4個方面相互配合、交叉融合，可以促進學生、教師和課程協調發展. 在人才培養中，SCOP方法可以幫助學生掌握實驗的核心思想與知識脈絡，使學生在知識體系構建、實驗操作技能和問題邏輯的思維方式等多方面取得全面的進步. 同時，幫助學生養成獨立思考、批判質疑的精神，從而更加有效地采用信息技術獲取有用的知識. SCOP方法有助于教學與科研的融合，促進教師學術水平的提高，還可以豐富課程內容，提升課程質量.