基于新工科理念的物理實驗教學(xué)資源建設(shè)新途徑的探索

吳小平，朱暉文，李超榮，劉愛萍，陳瑞品，李小云

（浙江理工大學(xué)理學(xué)院浙江省物理實驗教學(xué)示范中心，杭州 310018）

0 引言

新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式等新經(jīng)濟的發(fā)展對各類人才的基本科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新遷移能力等都提出了新的更高的要求。為了落實新時期人才培養(yǎng)，引領(lǐng)我國高等教育改革、推動我國邁向高等教育強國，教育部推出了以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，以培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越人才為主要目標的新工科等建設(shè)的重要戰(zhàn)略舉措［1-2］，并于近期頒布了《教育部辦公廳關(guān)于啟動部分領(lǐng)域教學(xué)資源建設(shè)工作的通知》（教高廳函〔2020〕4 號），決定啟動部分領(lǐng)域教學(xué)資源建設(shè)工作，探索基于新工科理念的教學(xué)資源建設(shè)新路徑，推動高等教育“質(zhì)量革命”［3］。我校理學(xué)院物理實驗中心在推進“新工科”建設(shè)過程中，就如何進行新工科人才培養(yǎng)以及與之相匹配的物理實驗教學(xué)資源建設(shè)上進行了一系列的探索，并取得了一些成效。

1 “新工科”人才培養(yǎng)的基本內(nèi)涵與人才培養(yǎng)現(xiàn)狀

《國家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出：要培養(yǎng)學(xué)生具有獨立而有批判性思維和能夠適應(yīng)不斷變化環(huán)境的能力［4］；中國工程教育專業(yè)認證協(xié)會在工程教育認證標準中對本科生畢業(yè)要求更突出地體現(xiàn)在利用科學(xué)原理解決問題的能力要求［5］；《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》也指出：未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟需要高素質(zhì)復(fù)合型的人才，他們不僅在某一學(xué)科專業(yè)上學(xué)業(yè)精深，而且還應(yīng)具有學(xué)科交叉融合的特征［6-7］。因此，創(chuàng)新能力成為新工科人才培養(yǎng)的核心指向，批判性、綜合性、跨學(xué)科、人文情懷等已成為現(xiàn)代高素質(zhì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的基本內(nèi)涵［8-13］。然而，在目前的創(chuàng)新人才培養(yǎng)中存在著批判性、創(chuàng)造性思維培養(yǎng)不足，人文、理學(xué)等基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)不厚實，與新工科人才培養(yǎng)相匹配教學(xué)資源不足等問題。

物理實驗是現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的先驅(qū)和創(chuàng)新的源泉，物理實驗教學(xué)可以激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新天性，引導(dǎo)學(xué)生掌握創(chuàng)新工具（方法論、方法、技術(shù)），形成創(chuàng)新習(xí)慣，物理實驗在培養(yǎng)學(xué)生與科學(xué)發(fā)展相適應(yīng)的綜合能力中有著無可替代的作用。因此，探索新工科理念下物理實驗教學(xué)資源建設(shè)途徑和人才培養(yǎng)新模式，解決創(chuàng)新人才培養(yǎng)過程中由于物理基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)不深厚，而嚴重影響新工科人才的創(chuàng)新能力與水平的問題是非常有必要的［12、14］。

2 物理實驗教學(xué)資源建設(shè)新途徑

2.1 中學(xué)為體，用中華智慧創(chuàng)建新工科理念的物理實驗教學(xué)新體系

繼承和弘揚中華優(yōu)秀教育思想，用中華智慧創(chuàng)新新工科人才培養(yǎng)新體系。所謂的學(xué)習(xí)，《辭源》說：“學(xué)”乃“仿效”也，通過觀察、模仿、復(fù)制、內(nèi)化來獲得知識；“習(xí)”乃“復(fù)習(xí)”也，即以復(fù)習(xí)鞏固來提升個體的能力，以便能夠適應(yīng)現(xiàn)實的自然環(huán)境和社會環(huán)境。《論語》中“學(xué)而時習(xí)之，不亦說乎？”朱熹在《四書集注》中的見解是：學(xué)而又時時習(xí)之，則所學(xué)者熟，而中心喜說，其進自不能已矣。《禮記大學(xué)》中有云：物格而后知至，知至而后意誠，意誠而后心正，心正而后身修。

中學(xué)為體，依據(jù)以上的中華智慧，創(chuàng)建“文化引領(lǐng)、自主學(xué)習(xí)、實踐創(chuàng)新”的物理實驗教學(xué)體系。設(shè)計開放式的物理實驗教學(xué)模式，即更加注重實驗的開放性而非驗證性。如增加無形的力、空中成像、穿墻而過、液晶玻璃、會導(dǎo)電的布、意念彎勺、太陽能發(fā)電等趣味性、探索性和啟發(fā)性的物理實驗項目［15-16］；學(xué)習(xí)拓展系列經(jīng)典的、具有里程碑作用的物理實驗，形成一批綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性的實驗項目，如光電效應(yīng)、激光原理等實驗；引導(dǎo)學(xué)生改進實驗方法、自制實驗儀器，如：分光計可視化調(diào)節(jié)支架及設(shè)備［17-18］、一種原子力顯微鏡模擬實驗裝置［19］、一種熱電壓電裝置控制系統(tǒng)［20］、利用PSD器件的固體線膨脹系數(shù)測量實驗裝置等。營造獨立思考、自由探索、勇于創(chuàng)新的學(xué)習(xí)環(huán)境，倡導(dǎo)一種啟發(fā)式、討論式、參與式、探究式的學(xué)→習(xí)→創(chuàng)新教學(xué)模式，實現(xiàn)學(xué)思結(jié)合、知行統(tǒng)一。

這部分趣味性、探索型的物理實驗內(nèi)容還很好地滿足了人文、社科類學(xué)生和青少年對自然科學(xué)學(xué)習(xí)的需求。為普及科學(xué)知識、促進學(xué)生學(xué)以致用服務(wù)社會，學(xué)院依托物理實驗教學(xué)示范中心成立青少年科普教育基地，并于2018 年獲浙江省科普教育基地稱號。近年來，科普基地年均服務(wù)近萬人，讓科學(xué)知識與科學(xué)精神在青少年心中扎根，激發(fā)他們的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，為提高全民科學(xué)素養(yǎng)貢獻智慧和力量。

2.2 西學(xué)為用，挖掘系列諾貝爾物理學(xué)獎實驗中蘊含的隱性教學(xué)資源

諾貝爾物理學(xué)獎系列事件是一座豐富的知識寶庫，是學(xué)生學(xué)習(xí)物理實驗不可或缺的內(nèi)容。諾貝爾物理學(xué)獎系列實驗中除了具有巧妙的方法和精湛的實驗技術(shù)外，科學(xué)巨匠們身上具備的堅韌研究品質(zhì)、敢于質(zhì)疑權(quán)威的創(chuàng)新思維和探索真理的執(zhí)著精神更是學(xué)生學(xué)習(xí)物理實驗不可或缺的內(nèi)容。因此，在物理實驗教學(xué)中，通過詮釋邁克爾遜干涉、拉曼效應(yīng)、光電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、塞曼效應(yīng)、掃描隧道顯微鏡、原子光譜、居里溫度測量、X射線衍射等這些具有里程碑作用的諾貝爾物理學(xué)獎實驗的背景，展示其中物理學(xué)家的人文情懷、科學(xué)思想和實驗方法以及實驗中呈現(xiàn)的美學(xué)特征，有效促進愛國情懷、社會責(zé)任、國際視野的高素質(zhì)創(chuàng)新創(chuàng)意創(chuàng)業(yè)卓越人才的培養(yǎng)［19］。例如，美國物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷為研究“以太”漂移而設(shè)計制造出邁克爾遜干涉儀，邁克爾遜干涉實驗結(jié)果否定了“以太”的存在，被稱為物理史上“兩朵烏云”之一。通過詮釋邁克爾遜干涉實驗的背景，培養(yǎng)大學(xué)生的批判、創(chuàng)新精神。通過光電效應(yīng)實驗、居里溫度測量等實驗，引導(dǎo)學(xué)生查閱背景資料以及課外閱讀愛因斯坦的《我的人生觀》《居里夫人傳》等資料，培養(yǎng)大學(xué)生探索未知、追求真理的科學(xué)精神，樹立奉獻社會的人生觀，倡導(dǎo)愛國、敬業(yè)、誠信、友善的人文情懷。通過霍爾效應(yīng)實驗，介紹美籍華裔崔琦以及清華大學(xué)薛其坤院士及其團隊在量子霍爾效應(yīng)的最新成就，培養(yǎng)學(xué)生探索未知、勇攀科學(xué)高峰的責(zé)任感和使命感以及家國情懷。隱性資源在教學(xué)中的應(yīng)用可以貫穿于課前預(yù)習(xí)、課堂匯報、實驗報告以及期末考試中。也可以把這些背景資料整理成文本，錄制成音頻、視頻，以音頻、視頻二維碼等形式落實于教材里。挖掘并利用實驗中蘊含的隱性教學(xué)資源，不僅可以增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更重要的是讓學(xué)生感受科學(xué)發(fā)展中蘊藏的人文精神，從而促進新工科人才批判性、創(chuàng)新性、人文情懷的養(yǎng)成，在教學(xué)中進行立德樹人的引領(lǐng)。

2.3 因勢而新，把最新研究成果及時融入實驗教學(xué)

因時而進、因勢而新，依托我校物理系浙江省光場調(diào)控技術(shù)重點實驗室、浙江省凝聚態(tài)物理重點學(xué)科、浙江省一流學(xué)科（A類材料科學(xué)與工程方向）、浙江省新興特色專業(yè)（光電材料與器件方向）建設(shè)、浙江省“雙萬計劃”一流專業(yè)（應(yīng)用物理學(xué)），緊密結(jié)合浙江省新材料、新能源、高端制造、信息處理等九大新興產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略布局和特色小鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)劃對人才培養(yǎng)的需要，對系列諾貝爾物理學(xué)獎實驗在內(nèi)容上由淺入深、在環(huán)節(jié)上由理論到應(yīng)用拓展，落實“文化引領(lǐng)、自主學(xué)習(xí)、實踐創(chuàng)新”的學(xué)習(xí)體系，開展“回顧歷史，觸摸現(xiàn)在，預(yù)見未來”的教學(xué)模式，學(xué)習(xí)范例見表1。

表1 “文化引領(lǐng)、自主學(xué)習(xí)、實踐創(chuàng)新”的學(xué)習(xí)模式（范例）

特別是結(jié)合我校以紡織為特色的浙江省重點建設(shè)大學(xué)的特點，根據(jù)紡織工程學(xué)科的特點及發(fā)展趨勢，針對智能服裝、可穿戴設(shè)備的發(fā)展要求，自主研發(fā)柔性器件、靜電紡絲、光譜技術(shù)分析等新實驗。校企合作，開發(fā)薄膜太陽能電池材料表征及測試、薄膜光電器件結(jié)構(gòu)分析、矢量光場的產(chǎn)生與測試、增強現(xiàn)實全息實驗、掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)及表面成分分析、虛實結(jié)合的傳感器原理及應(yīng)用等實驗；開展高可靠多路輸出電源的研究、基于藍牙通信的物聯(lián)網(wǎng)智能表的設(shè)計、基于無磁檢測技術(shù)的智能表研究等創(chuàng)新性研究。為將這些教學(xué)成果固化，新編出版《光電材料與器件綜合實驗》《近代物理應(yīng)用實驗》等教材，新增近代物理應(yīng)用實驗、材料表征技術(shù)實驗等課程。到目前為止，全校每年有近700 多名學(xué)生修學(xué)近代物理應(yīng)用實驗這門課程，有效推進了物理實驗技術(shù)在工程實踐中的應(yīng)用，提高了新工科人才跨學(xué)科、綜合性等創(chuàng)新能力，對產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟的轉(zhuǎn)型與持續(xù)發(fā)展起到有效的支撐作用［17］。

2.4 運用新技術(shù)創(chuàng)新物理實驗教學(xué)新模式

推進現(xiàn)代信息技術(shù)與物理實驗教學(xué)的融合。一方面，將傳統(tǒng)教學(xué)中缺少的物理人文文化錄成音頻，將實驗內(nèi)容與步驟以及學(xué)生學(xué)習(xí)成果拍成視頻，將視頻與音頻以二維碼的形式印于教材，作為預(yù)習(xí)內(nèi)容，支持學(xué)生建構(gòu)式學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)。另一方面，把互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)和基于人工智能概念的傳感器技術(shù)引用到實驗教學(xué)中來，實現(xiàn)實驗遠程共享操作功能。比如，利用藍牙技術(shù)、無線傳感器和Sparkvue 軟件，實現(xiàn)用手機進行光電效應(yīng)實驗、弗蘭克-赫茲實驗、霍爾效應(yīng)、理想真空二極管綜合實驗、PN結(jié)特性和玻爾茲曼常數(shù)測量等實驗數(shù)據(jù)測量與分析；利用軟件接口共享功能，實現(xiàn)電腦、平板、手機等設(shè)備在同一個局域網(wǎng)或不在同一個局域網(wǎng)內(nèi)共享，這樣學(xué)生在家里也可以在自己的電腦、平板或者手機上看到老師做實驗和實驗數(shù)據(jù)采集過程；同時老師設(shè)置放權(quán)功能，學(xué)生在自己軟件頁面也能控制實驗數(shù)據(jù)的采集，從而實現(xiàn)實驗遠程共享操作功能。現(xiàn)代信息技術(shù)與實驗教學(xué)項目深度融合，有效拓展了物理實驗教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實驗教學(xué)時間和空間，為創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供了超越時空限制的知識獲取途徑，可以有效解決與新工科人才培養(yǎng)相匹配的實驗教學(xué)資源和實驗實踐平臺短缺的問題。

3 實踐效果

基于新工科理念，探索了將中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化元素、諾貝爾物理學(xué)獎系列事件、科研成果及時轉(zhuǎn)化、產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目、現(xiàn)代信息技術(shù)融入物理實驗教學(xué)的物理實驗優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源有效建設(shè)的新途徑，推進了“文化引領(lǐng)、自主學(xué)習(xí)、實踐創(chuàng)新”物理實驗教學(xué)體系的構(gòu)建和物理實驗學(xué)習(xí)模式的創(chuàng)新。學(xué)生通過課前預(yù)習(xí)，回顧歷史，了解科學(xué)知識、實驗技術(shù)、實驗方法產(chǎn)生的歷史背景，感受其中人性光輝，培養(yǎng)學(xué)生具有獨立而有批判性思維和能夠適應(yīng)不斷變化環(huán)境的能力；通過課堂實驗，觸摸現(xiàn)在，掌握科學(xué)知識、實驗技術(shù)、實驗方法；通過課后探索，對所學(xué)知識的進行創(chuàng)新實踐，預(yù)見未來。這種“三維現(xiàn)實+時間”的四維立體物理實驗學(xué)習(xí)模式幫助學(xué)生確立正確的世界觀和科學(xué)思想，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維與創(chuàng)新意識，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的有效性，從而解決了由于物理基礎(chǔ)學(xué)習(xí)不厚實，嚴重影響創(chuàng)新人才創(chuàng)新能力與水平的問題。物理實驗教學(xué)育人效果顯著，以我校應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)為例，3 年來，本科生獲大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等省賽二等獎及以上17 項；學(xué)生發(fā)表SCI、EI收錄論文10 余篇，獲國家專利20 項，國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目12 項，新苗項目28 項。升學(xué)率屢創(chuàng)新高，2017～2019 年的升學(xué)率分別為33%，50%和51%。“文化引領(lǐng)、自主學(xué)習(xí)、實踐創(chuàng)新的物理實驗教學(xué)體系的構(gòu)建與實踐”獲2016 年浙江省教學(xué)成果二等獎，“近代物理技術(shù)助力現(xiàn)代紡織創(chuàng)新人才培養(yǎng)的探索與實踐”獲2019 年中國紡織工業(yè)聯(lián)合會教學(xué)成果三等獎。

4 結(jié)語

面對新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)等新經(jīng)濟的發(fā)展，基于新工科人才培養(yǎng)的要求與“中學(xué)為體，西學(xué)為用，因時而進、因勢而新”的理念，有效建設(shè)了物理實驗優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源庫，優(yōu)化教育教學(xué)條件，推進了物理實驗教學(xué)方法改革，在資源建設(shè)中培養(yǎng)教師隊伍，激發(fā)文化傳承，樹立文化自信，推動物理實驗教學(xué)從以“教”為中心向以“學(xué)、習(xí)”為中心轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)了“價值塑造、知識傳授和能力培養(yǎng)”的有機統(tǒng)一。