拔尖人才培養背景下開展英才物理實驗教學試點的總結和展望

趙 偉，王中平，韋先濤，代如成，曲廣媛，張憲鋒，張增明

(中國科學技術大學 物理學院，安徽 合肥 230026)

為培養適應國家中長期發展戰略的創新型人才，推進解決“錢學森之問”，教育部在2009年開始實施基礎學科拔尖學生培養試驗計劃.2018年10月，教育部發布了《關于實施基礎學科拔尖學生培養計劃2.0的意見》，擬在原有“拔尖計劃”基礎上進一步提高學生培養質量和增加受益學生數量，推進培養具有家國情懷的未來科學家.2021年上半年教育部發布了《關于2021年度基礎學科拔尖學生培養基地建設工作的通知》，通過加快建設一批培養基地，全面推進拔尖學生培養計劃.

大學物理實驗課程是高校理工專業重要的核心基礎課,是學生科學素質教育和實踐能力培養的重要基礎環節,是培養學生的創新意識、創新思維和創新能力的重要平臺.在“拔尖計劃2.0”工作持續推進的要求下，大學物理實驗課程也需要進行相應的調整才能在拔尖人才培養計劃中發揮實驗實踐課程應有的能力培養作用.在拔尖人才培養的背景下，國內各高校在物理實驗教學方面的調整普遍集中在高年級物理實驗或者近代物理實驗中增加與科研前沿相結合的研究導向型實驗項目教學[1-2]，同時也有部分高校在低年級普通物理實驗中增加以賽促學型實驗和互動演示實驗等教學內容[3-5].

中國科學技術大學物理實驗課程體系中，面向大三上學期的物理類專業學生,大學物理研究型實驗課程是以科研訓練為目標的研究導向型實驗，具有較強的開放性、設計性和研究性[2,6].在研究型實驗課程之前的大學物理基礎實驗、綜合實驗和現代技術實驗，分別面向大一下學期、大二上學期和大二下學期的學生，內容涵蓋了普通物理實驗中的基礎實驗和部分近代物理實驗內容.近年來，作為拔尖人才培養課程體系改革的一部分，物理實驗教學中心將中國大學生物理學術競賽(CUPT)項目作為以賽促學的教學內容加入到大學物理基礎實驗和大學物理綜合實驗課程教學體系中，取得了較好的效果.但該實驗課程原有的實驗項目還是以傳統的做實驗學物理作為課程建設原則，對學生的自主設計和創新能力培養重視不夠.另一方面近年來大學生群體學情顯示出明顯多樣化的新特點，例如受到高考要求影響，部分學生高中物理基礎知識不扎實，動手能力偏弱，需要在物理實驗課程中夯實基礎物理知識和基本實驗技能；有些學生在物理實驗課中只關注明顯與自己專業相關的內容，而不愿探究相關性弱的實驗內容；也有部分學生具有扎實的物理基礎和較強的動手能力，其中一些學生不滿足于經典驗證性實驗較多的傳統普通物理實驗項目，希望有機會在開放探索的物理實驗中體驗探究的樂趣.

為了推進雙一流建設要求下的拔尖人才培養教學體系改革，同時考慮到大學物理實驗課程面對全校本科生的多樣化需求，物理實驗教學中心必須積極行動.在大學物理綜合實驗和大學物理現代技術實驗課程中推動分層次實驗教學體系改革，一方面對原有實驗項目進行分層次教學內容建設，另一方面嘗試引入適應拔尖人才培養計劃的具有挑戰性的實驗教學內容,滿足學有余力且對物理實驗探索保有強烈好奇心的學生的學習需要.在此需求下，中國科學技術大學物理實驗教學中心首先以大學物理綜合實驗課程作為試點,加入了面向學有余力且喜愛物理實驗的學生的英才實驗教學內容，組織有經驗的一線教師細致準備，通過一對一討論、研討課、實踐動手指導和期末匯報考核等教學過程，英才實驗教學試點取得了良好效果.

1 課程體系的調整

中國科學技術大學的大學物理綜合實驗課程面向全校大二上學期的所有專業學生，課程包括的實驗項目為普通物理實驗中綜合性較強的實驗，例如邁克耳孫干涉儀實驗、光纖傳感器實驗和非平衡電橋實驗等.對學校部分院系學生而言，綜合實驗課是他們需要修讀的最后一門實驗課程.近年來學校教學反饋中，部分動手能力較強的學生希望實驗課程能提供具有挑戰性和開放性的實驗項目.同時物理實驗教學中心在大學物理基礎實驗和大學物理綜合實驗課程中加入的CUPT以賽促學類型的實驗項目，對部分學生而言在上一階段實驗課程中已經體驗過，他們希望有不同模式的實驗課程可以選擇.

針對上述情況和學生要求，物理實驗教學中心在大學物理綜合實驗中加入了英才實驗項目.調整后的物理實驗課程教學體系如圖1所示，加入的英才實驗可以為部分學有余力而且對物理實驗特別感興趣的學生提供以驗證性實驗為主的綜合普通物理實驗和命題式CUPT，可進行實驗差異化的選擇.

圖1 中國科學技術大學物理實驗課程教學體系

2 英才實驗的教學模式和內容

大學物理綜合實驗課程中的英才實驗是普通物理和簡單近代物理范圍內的開放性和創新性實驗.英才實驗項目面向前一級大學物理基礎實驗中成績較好、動手能力表現突出的學生.考慮到實驗教學中心的場地和儀器條件，通過分析大學物理基礎實驗課程中學生的成績并結合自愿報名，物理實驗教學中心計劃每學期組織30～40名學生參加英才實驗.試點學期實際參加的學生人數為36人.

物理實驗教學中心組織一線教師對英才實驗的教學內容和教學模式進行了廣泛調研和反復討論，最后將試點英才實驗項目的教學模式定為將高年級研究性實驗完全開放教學和命題式CUPT實驗項目相結合的教學模式.

教師提出確定的實驗探索方向并提供基本實驗方案和相關資料，學生閱讀資料并在教師指導下完成基本實驗方案，分析數據并總結后，可自行設計個性化實驗方案，教師與學生討論方案的可行性，教師指導學生組裝器材完成實驗.該教學模式可兼顧學習基礎實驗技能和培養自主設計創新能力兩方面.根據前期調研學生學情反饋，物理實驗教學中心為英才實驗教學準備了專用實驗室，每個實驗項目都有指定教師負責.任課教師為每個項目提供可行的基本實驗設計方案、參考資料和實驗器材.10項英才實驗項目分為以普通物理實驗為基礎的設計實驗、綜合探究型實驗和儀器設計制作實驗3大類，如圖2所示.選擇這樣的實驗項目是為使英才實驗教學盡量兼顧普通物理實驗內容和開放性探究型內容.

圖2 英才實驗教學試點的實驗題目和選擇情況

以微小物理量的測量實驗為例，該實驗要求學生測量相對微小的物理量，可以是時間、長度、質量和溫度等基本物理量，也可以是速度、加速度、磁感應強度、電場強度、真空度和照度等導出物理量.該實驗以普通物理實驗中的多項實驗為基礎，包括等厚干涉測量細絲直徑、彈性模量測量、非平衡電橋和傳感器等實驗都可以為學生設計實驗方案提供參考[7].在此基礎上教師引導和鼓勵學生綜合應用力學、光學和電磁學等學科中的基本方法，借助傳感器、光譜和視頻捕捉等現代技術手段，分析、設計和完成實驗方案并科學分析實驗數據.按照從基礎到綜合的教學路徑，作為與大學物理綜合實驗常規課程平行的英才實驗，可幫助學生自然地從大學物理綜合實驗過渡到現代技術實驗和研究性實驗課程的學習.

為了能夠給予學生充分的時間對英才實驗項目進行較為深入的探索研究，也為在教學中培養學生團隊協作精神，在英材實驗教學中規定學生每2人1組在學期結束前完成圖2中的3項實驗即可參加期末實驗匯報考核.學期總評成績由期末匯報考核成績和所選題目的負責教師的主觀評價2部分構成.基于拔尖人才培養的教學目標，總體評價的原則是考慮實驗方案設計創新性的同時鼓勵學生盡量深入探究題目的物理過程.

3 英才實驗的教學過程

物理實驗教學中心在大學物理綜合實驗中加入英才實驗的目標是為英才學生提供個性化、多層次的實驗教學內容，激發學生學習物理的興趣，培養學生的實踐創新能力.為了實現這一目標，在實驗教學過程中必須堅持以啟發引導學生主動學習為主，同時將以立德樹人為目的的課程思政元素有機融入教學的全過程.

3.1 英才實驗的教學過程舉例

在水的膨脹系數測量實驗的教學過程中，教師組織選該課題的學生進行研討，以回顧基礎物理實驗中物質密度的測量為導入內容[7]，之后從密度自然過渡到體積變化.接著提醒學生注意水是生活中最常見的液體，在高中階段將水的密度作為常量，引導學生調研水的物理常量尤其是密度和體膨脹系數的測量方法以及二者與溫度的依賴關系.學生調研資料后，教師組織小組討論，并請學生介紹調研情況，學生通常都會提到在4 ℃附近時水的密度出現極大值，此時教師要提醒學生注意4 ℃前后溫度區間一定質量水的體積和體膨脹系數與溫度的依賴關系，同時提醒學生查閱水的微觀結構和相結構的前沿科學研究成果.通過導入實驗和討論引導學生主動學習，通過介紹生活中常見的水的物理參量與溫度的依賴關系激發學生的學習熱情.

實驗方面，教師可將靜力稱衡法[8]或毛細管法[9]作為基本實驗方法介紹給學生，指導學生搭建實驗裝置測量并分析實驗數據.之后建議學生嘗試利用基礎實驗或綜合實驗中的其他實驗方法設計方案測量水的體膨脹系數，學生容易想到光學方法，教師引導學生嘗試光杠桿或者衍射干涉方法，學生主動學習光學衍射干涉的基本原理和測量方法，此時教師要鼓勵學生自主設計并搭建裝置，利用光學干涉衍射測量水的體膨脹系數.

圖3(a)是學生設計的利用光的衍射測量液體膨脹系數的實驗裝置，通過記錄分析衍射光斑的移動計算液體的體膨脹量.學生測數據后，教師要引導學生評價實驗方案的合理性，并分析實驗系統誤差，提醒學生嘗試優化實驗裝置.

(a)實驗裝置

在英才實驗教學過程，學生在教師的引導下，自主調研資料,學習相關物理知識，搭建儀器裝置、測量實驗數據并改進優化實驗裝置.學生在學習過程中不再是傳統的做實驗學物理的被動狀態，而是主動學習探索，該過程有利于激發學生的學習熱情.

在復雜結構的干涉和衍射實驗的教學過程中，教師先回顧基礎物理實驗中衍射法測量圓孔和細絲直徑導入實驗內容[10]，之后過渡到光的電磁橫波屬性和波粒二象性的介紹，提醒學生回想生活中光的邊緣衍射現象.在此基礎上教師引導學生調研如何用Matlab軟件對光的衍射現象進行計算模擬，并了解衍射光學元件的原理和制作方法.在學生調研資料后，教師組織小組討論，學生通常會提到菲涅耳衍射的理論計算方法，此時教師要提醒學生注意實際實驗中衍射元件的制作公差和入射光束等因素對實驗結果的影響.

實驗方面，教師可將計算模擬和實驗觀察方孔和雙縫屏的衍射現象作為基本實驗內容介紹給學生，展示使用Matlab軟件對方孔的模擬結果，指導學生利用激光器觀察衍射圖像并與模擬結果進行比對分析.建議學生使用Matlab軟件對其他結構的圖案進行建模和模擬，學生學習使用激光打孔裝置制作實際的衍射屏完成衍射實驗，將實驗結構和模擬結構進行比對分析.圖4是學生對幾種旋轉對稱的衍射屏進行的Matlab模擬和實驗觀察，實驗結果與模擬結果具有較高的一致性.通過基于開放實驗項目的啟發引導式教學，學生在教學過程中不再局限于本實驗的內容學習，還在實驗探索的需求下有目的性地擴展學習了其他相關知識和技能，此過程有利于學生綜合創新能力的培養.

圖4 旋轉對稱衍射屏實驗

3.2 英才實驗的思政元素

英才實驗教學為拔尖人才培養服務，培養具有家國情懷的拔尖創新人才.物理實驗作為實踐課程具有易于進行課程思政融合教學的特點.在英才實驗的試點學期教學中，主要融入了以下2方面的課程思政元素：

1)在實驗中需要利用現代科學先進儀器時，對比我國“兩彈一星”元勛等著名科學家，他們在國家經濟困難且技術落后于西方國家時，在艱苦的條件下，克服困難攻克技術難關，為祖國科學事業的發展和國家富強做出了巨大的貢獻.青年學生應該珍惜現在的生活和學習條件，要不忘初心、刻苦努力，成為中華民族偉大復興的建設者和接班人.

2)在教師和學生討論實驗方案的可行性時，可引導學生認識到物理學是1門實驗科學，實驗可以驗證理論設想的正確性，進而理解“實踐是檢驗真理的唯一標準”這一科學世界觀和方法論.

4 英才實驗試點的總結和反思

在大學物理綜合實驗中進行英才實驗教學試點，是為了在大學物理綜合實驗和大學物理現代技術實驗課程中系統地開展英才實驗教學，積累實踐經驗.為了解學生在英才實驗教學期間的收獲和學習情況，在試點學期結束后，物理實驗教學中心通過問卷調查收集了參加本次英才實驗學生的感受和建議.

表1是學生在英才實驗過程中自主學習的與實驗相關的學科理論知識.從反饋結果來看，學生不僅自主學習了物理中光學、力學、電磁學和熱學等多個領域的基礎知識，還跨學科了解了生物、計算機等學科的專業知識.同時也注意到，有很多的學生反映英才實驗促使他們主動學習了光學知識，這是由于本次試點教學中光學相關實驗項目較多，另外也說明在較為精確的測量中，光學方法通常更為簡單、有效，使用更為頻繁.計算機和人工智能學科知識也出現在物理實驗課程中，這說明物理實驗教學需要更多引入現代信息和數字處理技術.

表1 學生在英才實驗過程中主動學習的理論知識

表2是學生在英才實驗結束后總結得到鍛煉的實驗能力，除了光路搭建、焊接安裝、電路分析、示波器使用等典型物理實驗技能之外，學生還通過自學初步掌握了Matlab、單片機、Python和Comsol軟件等，這反映出計算機和相關技術作為重要工具在現代實驗技術中發揮著越來越重要的作用.與表1中的情況一致，由于英才實驗試點中光學實驗內容較多，因此學生在實驗過程中需要進行光路搭建和調整工作.

表2 學生在英才實驗過程中得到鍛煉的技能

從課后問卷調查以及教學過程中教師的直觀感受可以看出，英才實驗教學模式和試點實驗項目在激發學生的學習熱情和引導學生通過設計完成物理實驗提升解決問題的能力上，對大二上學期的學生效果較好.在實驗教學過程中學生主動性很強，在教師指導下完成第1個實驗項目后，后2個項目的探究工作更加有目的性和計劃性，研究的深度和實驗設計的合理性都有提高.英才實驗將完全自主研究性實驗和命題式CUPT實驗相結合的教學模式，既給予學生基礎知識的學習體驗，也給予學生探索和設計實驗項目的責任感，學生在此過程中自然地完成學習提高過程.

學生課后反饋和問卷調查顯示試點英才實驗教學模式和教學內容也存在一些問題.教學模式方面，首先需要評估如何平衡常規普通物理實驗項目和創新開放實驗的比例.如圖1所示，原有大學物理實驗課程序列中很多實驗項目是編排有序的，如果學生在大學物理綜合實驗課程中沒有學習相關實驗，在之后的大學物理現代技術實驗中學習某項實驗時會缺少知識基礎和操作基礎.其次學生希望減少必須完成的實驗數量，以給他們更多時間在1～2項英才實驗上探究得更深入.在教學內容方面，學生建議增加可選實驗項目數量并提供更為豐富的實驗支撐材料.對于上述問題，中國科學技術大學物理實驗教學中心已經和學校教務部門進行了討論，將會對現有實驗課程體系進行整體調整，滿足拔尖人才培養目標對于英才實驗教學的要求，同時英才實驗項目將具有更為彈性的教學要求，以鼓勵學生對實驗項目進行深入探究.教學內容方面，由于教師需要準備每個實驗項目可能用到的器材，而每個實驗可能有多組學生同時選擇，因此需要考慮場地和資源限制，這導致增加可選實驗項目的難度較大.物理實驗教學中心會在現有條件基礎上，提供更多的可選實驗項目并完善實驗支撐材料.

5 結束語

在大學物理綜合實驗課程中成功融入了為拔尖人才培養服務的英才實驗教學項目，并在試點學期中取得了良好的教學效果，得到了學生的積極響應和廣泛認可.在此過程中，參加教學指導的一線教師也收獲了很多教學經驗.培養拔尖創新人才是高校重要的歷史責任和使命，教師需要積極探索適合新時期創新人才培養的物理實驗教學體系和教學方法，為國家培養更多具有扎實基礎和較強創新能力的優秀人才.