以競賽為導(dǎo)向的物理實驗教學(xué)改革研究與實踐

李明標(biāo)，史力斌，張研研

(渤海大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州 121013)

1 研究背景

2013年在東北大學(xué)舉辦了第一屆遼寧省大學(xué)生物理實驗競賽和物理學(xué)術(shù)競賽，到2020年這兩項物理專業(yè)賽事已舉辦了八屆。從最初參賽的七所高校，7支代表隊，到現(xiàn)已發(fā)展到十五所高校，近300支代表隊，參賽隊伍逐年增加，學(xué)生參賽熱情和參賽水平不斷提高，擴大了參與程度和受益面，比賽影響力越來越高。在對競賽題目研究的過程中，學(xué)生們加深了對物理學(xué)原理的理解，提高了實踐能力和創(chuàng)新能力。

競賽的題目都是與實際生活密切相關(guān)的物理問題，沒有確定的答案，解決方法并不唯一，打破了傳統(tǒng)物理實驗“在規(guī)定時間內(nèi)，按固定的步驟，得出確定結(jié)果”的模式。競賽培養(yǎng)了學(xué)生動手能力、分析問題與解決問題能力和科學(xué)研究基本素養(yǎng)，為其理論學(xué)習(xí)提供了有力的幫助。在多年實踐教學(xué)和競賽指導(dǎo)中發(fā)現(xiàn)，實驗教學(xué)與競賽指導(dǎo)相互融合、相互促進(jìn)、共同提升能取得更好的實踐教學(xué)效果。為此，結(jié)合競賽要求在教學(xué)中改革實踐教學(xué)方法，注重對學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、理論聯(lián)系實際能力、初步科研能力、改進(jìn)創(chuàng)新能力、思辨交流能力和團(tuán)隊合作能力的培養(yǎng)，達(dá)到提高學(xué)生的綜合實踐素質(zhì)的目的。

2 實踐過程

2.1 開展學(xué)術(shù)講座和課程思政，激勵學(xué)生勇于探索科學(xué)奧秘

(1)舉辦物理競賽講座

舉辦物理學(xué)術(shù)競賽講座[1]，介紹大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽起源、意義、比賽規(guī)則、評分標(biāo)準(zhǔn)、題目與備、參賽情況等，通過組織學(xué)生參加比賽，培養(yǎng)學(xué)生研究性學(xué)習(xí)的能力，使他們能從日常生活普通的物理現(xiàn)象中，提煉出物理本質(zhì)。通過理論、實驗以及數(shù)值分析和模擬，有條理、有步驟地解釋和分析這些問題產(chǎn)生的物理原理，將課堂上學(xué)到的知識靈活地運用到解決實際問題上。比賽還鍛煉了學(xué)生利用PPT有條理地講述自己的工作，針對研究的問題進(jìn)行辯論的能力，培養(yǎng)了團(tuán)隊合作精神，為今后的學(xué)習(xí)和科研打下了良好的基礎(chǔ)。

(2)開展課程思政

積極開展物理實驗 “課程思政”，主要從以下兩個方面考慮。一是針對自然科學(xué)課程的屬性以及專業(yè)人才培養(yǎng)的需要，開展科學(xué)精神教育，突出敬業(yè)精神、培養(yǎng)責(zé)任意識。二是針對物理現(xiàn)象與日常生活的密切相關(guān)性，開展人文教育。在課程教學(xué)上，把人們對物理現(xiàn)象的認(rèn)識過程，物理實驗的時代背景，以及科學(xué)家不懈努力尋找實驗方法，融入到教學(xué)中。在介紹科學(xué)成果的同時，傳播科學(xué)家探索科學(xué)的勇氣，堅韌不拔的精神和愛國情懷，激發(fā)學(xué)生勇于探索科學(xué)的志向，傳承科學(xué)家的高尚品格和情操。

2.2 培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力，完善物理實驗教學(xué)方法

(1)采用層次分明、循序漸進(jìn)的教學(xué)方法

通過專業(yè)基礎(chǔ)實驗、綜合性實驗、設(shè)計性實驗、仿真實驗并融合實驗競賽指導(dǎo)等，按照由淺入深、由簡單到復(fù)雜、由單一到綜合的原則開設(shè)實驗項目，形成層次分明、循序漸進(jìn)的實驗教學(xué)方法：知識結(jié)構(gòu)上相互銜接，由點及面逐漸深入，既形成系統(tǒng)理論，又具有相對獨立性。

(2)通過項目組進(jìn)行問題研究

鼓勵學(xué)生積極參加物理競賽，組成項目組[2]，廣泛開展分工合作，獨立查閱文獻(xiàn)，撰寫項目書，利用物理實驗教學(xué)示范中心實驗室，根據(jù)項目要求設(shè)計多種實驗方案，尋找實驗方法，改變實驗參量，通過理論分析、仿真模擬、實驗驗證來體現(xiàn)物理原理對自然現(xiàn)象的完美詮釋。通過參加競賽答辯，開拓了參賽隊員的思路，促進(jìn)他們之間團(tuán)結(jié)合作，培養(yǎng)科學(xué)研究能力，激發(fā)在學(xué)習(xí)中奮發(fā)向上的決心和勇氣。

(3)應(yīng)用虛擬仿真實驗完成線上教學(xué)指導(dǎo)

虛擬仿真技術(shù)逼真的再現(xiàn)實驗環(huán)境，打破了時間和空間的限制，引入虛擬仿真實驗，人機互動、互為驗證，強化了知識點和實驗操作。如在波爾茲曼常數(shù)的測量實驗中，設(shè)計了虛擬仿真實驗，采用虛實兩種不同的教學(xué)手段，仿真實驗從實驗理論、實驗方法、實驗步驟都和應(yīng)用PN 結(jié)物理特性測定儀進(jìn)行實驗的過程相同，特別是得到的實驗數(shù)據(jù)以及曲線擬合較為精準(zhǔn)，對物理實驗的結(jié)果起到了很好的驗證，發(fā)表了《玻爾茲曼常數(shù)的 Multisim 仿真實驗測試》論文[3]。

在疫情期間，通過虛擬仿真實驗軟件完成了實驗教學(xué)任務(wù)，在學(xué)習(xí)通上發(fā)布實驗講義、教案和預(yù)習(xí)題；學(xué)生在預(yù)習(xí)相關(guān)實驗內(nèi)容后，在PPT上學(xué)習(xí)實驗原理，通過視頻學(xué)習(xí)操作步驟，然后在仿真軟件上進(jìn)行實驗?zāi)M操作,提交數(shù)據(jù)，軟件對關(guān)鍵步驟、調(diào)節(jié)精確度以及實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度進(jìn)行評價，得出實驗操作成績；通過釘釘回收批改預(yù)習(xí)作業(yè)和實驗報告。這和原來的實驗評定方式完全相同。利用虛擬仿真實驗，實虛結(jié)合、互為完善，豐富了教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)了教學(xué)手段，完成了疫情期間的教學(xué)任務(wù)，補充完善了實驗教學(xué)方法。

2.3 采用為學(xué)生主體，教師引導(dǎo) “自主學(xué)習(xí)”的實驗教學(xué)模式

(1)實踐教學(xué)改革中注重學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)

實驗教學(xué)采用“學(xué)生主體，教師引導(dǎo)”的教學(xué)模式，強調(diào)學(xué)生為主的教學(xué)理念，發(fā)揮教師引導(dǎo)作用。教學(xué)過程中注重學(xué)生綜合應(yīng)用能力和自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，在實驗過程，加大學(xué)生實驗的預(yù)習(xí)，要求學(xué)生實驗前全面了解實驗背景知識，熟悉實驗裝置、實驗原理和方法，教師講解旁征博引，給學(xué)生留有更多思考空間，提高自主學(xué)習(xí)和實踐能力。針對學(xué)生提出的問題，由淺入深引導(dǎo)學(xué)生，交互啟發(fā)，讓學(xué)生主動思考，悟出解決問題的方法；針對其易犯的錯誤，采取互動問答、互動討論方式，調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性。

(2)專業(yè)競賽對學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力提出更高的要求

大學(xué)物理專業(yè)競賽主要考查學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、自主實踐能力。競賽營造了一種比拼向上的競爭氣氛，激發(fā)了學(xué)生力爭上游的斗志。競賽的命題是如何解決實際物理問題的開放性題目，需要學(xué)生自己查閱資料，設(shè)計實驗，提出理論，建立方程，對比分析，得出結(jié)論，使物理學(xué)理論和實際物理現(xiàn)象相符合。這是鍛煉學(xué)生獨立提出問題，分析問題，解決問題的一個過程。這有利于激發(fā)學(xué)習(xí)物理興趣，鞏固舊知識、學(xué)習(xí)新知識，加深對基礎(chǔ)理論的理解，掌握科學(xué)探究的基本技能。物理專業(yè)競賽促進(jìn)各院校同專業(yè)的大學(xué)生之間的相互交流，開闊視野，啟發(fā)思維，認(rèn)識到自己與其他學(xué)校同學(xué)的差距，促使學(xué)生有目標(biāo)、有計劃地主動學(xué)習(xí)。

3 創(chuàng)新模式

3.1 建立了融合專業(yè)賽事和大創(chuàng)項目的物理實踐教學(xué)培養(yǎng)路線

以物理專業(yè)競賽為導(dǎo)向，注重學(xué)生科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)如圖1所示。把學(xué)科競賽、大創(chuàng)項目與物理實驗教學(xué)相互有機融合[4]；教師將自己的科學(xué)研究、教學(xué)研究成果注入到物理實驗課程中，充實課程內(nèi)容，為競賽指導(dǎo)提供新思路；學(xué)生將大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的研究成果在實驗競賽中予以展現(xiàn)；競賽中的項目可以作為開放實驗項目充實到實驗教學(xué)體系，促進(jìn)教學(xué)改革，也可以拓展為大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目進(jìn)行深入研究。實現(xiàn)了物理實驗課程、物理學(xué)科競賽與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目三者之間相互結(jié)合、相互促進(jìn)、共同提高，建立了以競賽為導(dǎo)向的物理創(chuàng)新研究型人才實踐教學(xué)培養(yǎng)路線。

圖1 以競賽為導(dǎo)向的物理創(chuàng)新型人才實踐教學(xué)培養(yǎng)路線圖

3.2 形成了“獨立思考、自主學(xué)習(xí)”的競賽指導(dǎo)模式

物理專業(yè)競賽，進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生對物理實驗的興趣。由于題目沒有統(tǒng)一答案，需要學(xué)生自己查閱資料，獨立思考、自主研究。這個過程建立在對自我不斷肯定-否定-肯定的基礎(chǔ)上，從選題初期無從下手，需要老師指導(dǎo)，到后來逐漸能完成設(shè)計-計算-分析-總結(jié)等系列工作，養(yǎng)成了獨立思考的習(xí)慣，提出了分析問題的思路，找到了解決問題的方法，鍛煉獨立提出問題、分析問題、解決問題的能力，通過這一訓(xùn)練過程，學(xué)生的實踐能力有了質(zhì)的飛躍。特別是2020年疫情期間的物理學(xué)術(shù)競賽是在線上舉行的，項目組同學(xué)克服了缺少資料，沒有實驗儀器設(shè)備，教師不能直接指導(dǎo)的困難，利用網(wǎng)上資料，設(shè)計實驗，通過物理手機工坊軟件進(jìn)行實驗的測量，自主完成了競賽命題。

3.3 探索了融合多學(xué)科專業(yè)知識解決實際問題的研究方法

由于競賽題目研究問題所涉及的知識常常屬于某一學(xué)科的細(xì)分領(lǐng)域或者偏向于工科[5]，因此，要想較高質(zhì)量地完成競賽項目，需要融合其他相關(guān)專業(yè)的知識，在組建項目組時，吸收相關(guān)專業(yè)學(xué)生共同參與研究，有利于解決這一問題。這是一個結(jié)合已有知識、自主學(xué)習(xí)新知識、融合其他專業(yè)知識解決問題的過程。其他專業(yè)同學(xué)的參與可以彌補物理專業(yè)控制制作方面的不足。如：2016年物理實驗競賽自選實驗項目“霍爾效應(yīng)在出租車速度、行程及計價方面測量的應(yīng)用”，項目由物理系和工學(xué)院學(xué)生共同完成，物理系學(xué)生負(fù)責(zé)理論研究和實驗設(shè)計，工學(xué)院學(xué)生負(fù)責(zé)利用單片機實現(xiàn)控制和顯示，作品是不同專業(yè)知識融合的結(jié)果，精巧的設(shè)計和完美的控制顯示得到了專家評委的認(rèn)可，獲得了一等獎。

3.4 拓展了比賽后課題深入研究的思路[6]

(1)賽后撰寫論文

在參賽過程中，學(xué)生對許多題目已經(jīng)研究的比較深入，賽后進(jìn)行論文寫作輔導(dǎo)。引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)深入研究，完善實驗數(shù)據(jù)，撰寫論文，深化研究成果。如：2015年大學(xué)生物理實驗競賽題目：空氣密度測量，學(xué)生利用單擺測量了空氣密度，賽后他們從單擺運動方程出發(fā)，仔細(xì)分析了空氣浮力的影響，推導(dǎo)出振動周期與空氣密度的關(guān)系，通過測量擺長相同、密度不同的兩個單擺的運動周期，計算出空氣密度，并分析了實驗測量中空氣浮力對重力加速度的影響，發(fā)表了《單擺法測量空氣密度實驗分析》教研論文。

(2)拓展研究申報大創(chuàng)項目

有些競賽題目本身就是較好的研究課題，賽后鼓勵學(xué)生進(jìn)行改進(jìn)，申請大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，依托大創(chuàng)項目進(jìn)行拓展研究，培養(yǎng)學(xué)生科研能力。如：2019年實驗競賽自選題目“電磁曲射炮”，學(xué)生對彈丸進(jìn)行改進(jìn)，將炮彈里面裝入干粉或其他滅火物質(zhì)，設(shè)計了滅火彈丸，申報的“消防型電磁曲射炮”已列入2020年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目。

4 應(yīng)用效果

4.1 學(xué)生綜合素質(zhì)得到提高，人才培養(yǎng)質(zhì)量明顯增強

在2013-2020年間，組織學(xué)生參加遼寧省大學(xué)生物理實驗競賽、物理學(xué)術(shù)競賽，榮獲過一等獎、二等獎、三等獎及優(yōu)秀獎等多個獎項。在競賽中，學(xué)生展示了自己理論分析能力、實踐制作功底和辯論的風(fēng)采，體現(xiàn)了應(yīng)用專業(yè)知識解決實際問題能力和實踐動手能力的明顯提高。有的參賽同學(xué)保送到哈工大、南開大學(xué)攻讀研究生；有的參賽同學(xué)考取了北京科大、大連理工、吉林大學(xué)等高校的研究生。

4.2 將競賽成果引進(jìn)教學(xué)，申請大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目

競賽內(nèi)容激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和實踐動手能力，把競賽項目引進(jìn)教學(xué)中，根據(jù)參賽實際情況，給予學(xué)生實驗成績適當(dāng)加分和課外實踐學(xué)分，以切實利益激勵每位學(xué)生都參與進(jìn)來[7]。將競賽過程中學(xué)到的理論和實驗方法應(yīng)用到實際中，對參賽課題進(jìn)行深入研究總結(jié)，充實內(nèi)容，改進(jìn)裝置，實現(xiàn)新的功能，發(fā)表論文，申報大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目。

4.3 總結(jié)研究成果，期待推廣應(yīng)用

遵循“理論實踐并重，能力素質(zhì)為先”的教學(xué)理念，不斷地優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)實驗教學(xué)方法，達(dá)到提高學(xué)生的實踐能力的目的。連續(xù)8年參與競賽，學(xué)生設(shè)計完成了100余個實驗項目，參與人數(shù)近1 000人，獲獎人數(shù)500余人，參賽學(xué)生的綜合素質(zhì)和實踐能力得到了很大提高。該實踐教學(xué)研究成果，注重自主學(xué)習(xí)方式、注重競賽組織指導(dǎo)、注重實驗方案設(shè)計、注重仿真技術(shù)手段、注重科研創(chuàng)新能力、注重團(tuán)隊合作精神，豐富了物理專業(yè)競賽的教學(xué)指導(dǎo)方法，建立了實踐教學(xué)創(chuàng)新研究型人才培養(yǎng)路線，促進(jìn)了學(xué)生研究能力、創(chuàng)新意識和綜合素質(zhì)的全面提高，對其他專業(yè)實踐教學(xué)中的競賽指導(dǎo)可起到一定的借鑒作用。