淺談大學生物理競賽與新工科建設*

安 煒 徐 平 王 崢

(北京航空航天大學中法工程師學院 北京 100191)

新工科建設對人才培養體系的要求是希望通過一系列的研究和實踐，打造具備新結構、新質量、新理念、新體系、新模式特色的工科教育體系.物理學作為一門支撐工程技術創新發展科學的基礎學科，一直引領著科學技術的發展，滲透于當今各個領域，并在工程技術人才培養中發揮著舉足輕重的作用.面對工程界的重大變革，基礎物理學教育應在新工科建設中發揮重要作用，由工程界引出的系列改革創新要求我們對物理學在工程教育中的支撐作用進行更好的思考與探索，為新工科建設做出積極貢獻.

1 新工科與大學生物理競賽

隨著新工科建設不斷推進，各高校越來越重視基礎物理課程，并將其針對新工科的內涵進行了改革，形成了一批示范性成果[1～3].新工科的內涵為：以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才[4].其中的“應對變化”即需要我們培養學生的適應能力，而“塑造未來”則要求我們注重學生的創新能力培養.

人才終身學習和不斷自我更新的能力可以幫助其“應對變化”，適應快速變遷的產業技術變革.所謂“授人以魚不如授人以漁”，而“授人以漁不如授人以欲”.只有激發出內生的源源不斷的學習動力，才可能使我們培養出來的人才能夠主動應對變化，并在不同領域取得創新.目前，眾多高校以立德樹人為引領，以學生為中心進行了大學物理課程的改革，將傳統填鴨式教學向小班化的討論式、工作室形式轉變.翻轉課堂、同伴教學、圓桌教學、MOOC線上線下混合教學等教學模式也被不斷引入課堂[5]，充分調動了學生的積極性和求知欲.另一方面，面向未來，預測未來技術制高點，則需要工程人才的創新能力.創新需要的是多領域的綜合和多元化思想的交融.創新能力亦是長期實踐探索的結果.因此，多學科交叉背景下的實踐應用型探索目前也是各個高校大學物理課程尤其是大學物理實驗課程改革的重要方向.同時，不少高校通過引入物理演示實驗進入理論課，通過進行項目式考核,將產業需求融入大學物理實驗等手段，將大學物理課程變得更具實踐性[6].

目前大學物理課程的改革有三大特點,即“以學生為中心、多學科融合、注重實踐應用”.然而，受制于課程學時以及學科特性，大學物理課程對于新工科建設的作用并沒有完全顯現出來.這時，作為課堂教學的補充，形式多樣的大學生物理競賽能夠起到延續大學物理課堂教學成果的作用.大學生物理競賽不僅要求學生掌握扎實的物理基礎，更要求學生具備科學思辨能力和融合其他學科專業知識的能力.多數大學生物理競賽與工科的融合異常緊密，因此，物理競賽目前已成為各大工科院校對學生進行先期工科思維培養的重要一環.本文以中國大學生物理學術競賽和全國大學生物理實驗競賽為例，分析大學生物理競賽對新工科背景下學生培養的重要作用.

2 中國大學生物理學術競賽

談到中國大學生物理學術競賽(China Under-graduate Physics Tournament簡稱CUPT)是一項團隊對抗形式的全國性物理競賽，這一賽事源自國際青年物理學家錦標賽(International Young Physicists′ Tournament，簡稱IYPT).競賽采用同年IYPT題目，通常在力、熱、電、光等物理分支下共開設十幾個題目.賽題貼近實際生活且為開放性物理問題，并在競賽前一年公布，便于選手提前準備.

CUPT競賽題目源于生活現象且多數為半開放式，其中有不少問題源自《Science》《Nature》以及《Physical Review Letters》等頂級雜志，需要選手針對具體的每個課題都建立理論模型，然后通過實驗或模擬仿真對模型進行修正，最終給出該道題令人信服的解答.CUPT競賽旨在提高學生綜合運用所學知識分析解決實際物理問題的能力，培養學生的開放性思維能力[7].參賽學生就實際物理問題的基本知識、理論分析、實驗研究、結果討論等進行辯論性比賽.這種比賽模式不僅可以鍛煉學生分析問題、解決問題的能力，提高科研素養，還能培養學生的創新意識、團隊合作精神、交流表達能力，使學生的知識、能力和素質得到全面發展.CUPT從競賽題目到競賽規則都十分契合新工科對于工科人才培養的目標.

(1) CUPT競賽培養了學生“應對變化”的適應能力

在為期一年的時間里，選手需要對十幾個領域中風格多樣的題目進行破題，快速地掌握不同領域的基礎知識需要選手極強的適應能力；同時選手需要盡快掌握諸如MATHEMATICA，MATLAB，COMSOL等專業軟件，從而進行建模分析、數據處理、繪圖、仿真、數值求解方程等.為了最終進行成品實驗，選手還需要掌握一些零件加工如3D打印等知識和技能.不僅如此，辯論性質的比賽方式要求選手還要應對復雜多樣的比賽狀況，適應不同角色，完成相應任務.

(2)新工科內涵中要求的“交叉融合”在CUPT比賽中也有很好的體現

以2021年CUPT競賽的第1題“自己發明”為例，題目為：“設計一艘只因內部部件的周期性機械運動而移動的船，并且它只通過堅硬的船體與環境(空氣、水)相互作用產生移動.優化你所建的船的參數以達到最大速度.”該題目需要選手自行進行理論構思、機械設計、計算機仿真模擬并且最終制作出成品進行實驗，并且需要指明可變參數和最終的目的“最大速度”是否達成.這是一道典型的與工科緊密結合的、需要物理基礎理論作為建模設計基礎的綜合性實踐題目.整個過程融合了彈性力學、空氣動力學以及流體力學等專業知識.如何設計以及如何得到滿意的實驗效果，這其中蘊藏著工程問題需要有對應的工科專業的滲透和融合.由于參賽學生普遍為低年級學生，專業知識還較為匱乏，CUPT競賽恰好給了這部分學生以大學物理基礎知識為入口融合各個工科專業的平臺.

(3)新工科要以立德樹人為基礎，“以學生為中心”

在CUPT競賽發展壯大的過程中，學生的自主性不斷顯現.不少高校已自發產生了針對CUPT的社團，社團貫徹同伴學習理念，高年級帶動低年級，開展學術培訓以及傳授比賽經驗.大家相互合作研究，在社團活動時展開辯論，引導新生對物理現象進行自主研究，營造熱愛物理、學習物理、研究物理的氛圍.學生自我管理、自主研究、自主決定設計和實驗走向是CUPT的一大特色.CUPT競賽過程大于競賽結果，全過程全方位培養學生，充分體現了“以學生為中心”的理念.

(4)新工科內涵崇尚的創新實踐理念在CUPT競賽中也有很好的貫徹

CUPT以培養參賽者的創新意識、創新能力、協作精神和實踐能力為根本理念.競賽題目多為開放性課題，沒有標準答案，鼓勵學生學習新事物、提出新想法、嘗試新方法.目前已有不少學生在CUPT比賽研究過程中發表科技論文.

3 全國大學生物理實驗競賽

全國大學生物理實驗競賽(Chinese Under-graduate Physics Experiment Competition，簡稱CUPEC)是一項面向在校大學生的物理學科競賽活動，包括“全國大學生物理實驗競賽(教學賽)”和“全國大學生物理實驗競賽(創新賽)”兩種形式.前者分為“基礎類”和“綜合類”兩類題目，題目事先不公布，進入賽場之后抽簽決定，全面考查學生物理實驗基本技能和分析解決實際問題的綜合能力；后者分為“命題類創新作品”“自選課題類創新作品”和“大學生物理實驗講課比賽”3個類別，預先公開競賽內容與要求，選手組隊在各高校進行場外準備，為期一年.

新工科的內涵要求除了“應對變化”外更要“塑造未來”，而“塑造未來”依靠的是人才的創新能力，長期不懈的實踐又是創新的必要條件.CUPEC緊貼新工科建設需求，強調實驗實踐創新.尤其是創新賽的設立，更加強化了學生實踐能力、創新能力以及團隊協作意識的培養，激發了廣大學生對物理實驗的興趣與潛能.全國大學生物理實驗競賽不同于前文所介紹的CUPT競賽，該項競賽沒有正反方辯論環節，參賽選手專注于實驗設計和開發，需要在一年的時間內完成從理論構想、實驗搭建到結果(作品)展示，具有很高的訓練價值.

CUPEC的競賽題目具備極大的開放性，且相較于CUPT更為寬泛，使得選手更容易交叉融合工程元素.以2021年全國賽為例，第5題 “磁場”，題目要求“搭建能夠產生磁場的實驗裝置，并對磁場進行測量表征”，還要“制作一個利用磁場特性的實際應用裝置或實驗研究裝置”.學生們提出了各式各樣的具體構想，包括“磁流體光纖電流計的制作”“陣列式磁性流體觸覺傳感器”“鐵鎵合金的磁致伸縮效應的探究和基于此的發生裝置制作”“磁性探測與反潛”等題目，內容涉及磁學、光學、聲學、電學以及傳感器等專業領域.以基本物理問題為出發點，關聯多個學科和技術領域已成為競賽的命題趨勢，而這一趨勢與新工科建設的理念是一致的.

CUPEC所倡導的物理實驗是不斷嘗試不斷創新的，學生需要通過模擬計算或者實際實驗去探究物理原理的本質，而現代工業系統或產品的研制也是建模仿真、實驗測試并與期望指標進行比對再進一步優化迭代的過程[8]，見圖1.因此，CUPEC對于培養學生的工程思維和解決復雜問題的能力具有重要的促進作用.

圖1 物理實驗思維與工程設計思路的相似性

CUPEC鼓勵學生以團隊形式參加競賽，自主研發，導師指導，在課余時間進行實驗探索，從“教什么學什么”向學生的“學什么教什么”轉變，體現了“以學生為中心”的理念.同時物理實驗競賽也倒逼物理實驗教學的改革[9].

4 總結與展望

在新工科建設過程中，大學物理教育起到了重要的支撐作用，現行的大學物理課程改革 “以學生為中心、多學科融合、注重實踐應用”的特點，很好地貼合了新工科“應對變化、塑造未來”的理念.大學生物理競賽作為大學物理課程的有利補充，踐行了新工科 “繼承與創新、交叉與融合、協調與共享”的建設途徑，為新工科“培養未來多元化、創新型卓越工程人才”目標的實現發揮了重要作用.

5 結束語

為積極主動應對迅速發展的新一輪科技革命與產業變革，支撐服務創新驅動發展和“中國制造2025”等一系列國家戰略，全力探索形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗，助力高等教育強國戰略，我國教育部從2017年開始在全國高校部署實施了新工科建設，幾年來已取得可喜進展.

就當前國際國內科技發展態勢而言，一些新興學科和新興產業蓬勃發展，主要包括“大數據”“云計算”“人工智能”“量子計算與通訊”“航空航天”等高科技領域.這些高科技領域都是以物理學為基礎發展起來的，而新工科建設的目標是為高科技領域的進一步發展培養前瞻性和戰略性創新人才.作為理工科發展重要基礎的物理學，在高校教學改革設計中自然應該作出相應的調整.比如采取更新教學內容、改進教學方式、加強理工融合、充實考試和競賽題目等措施，以滿足新工科建設對物理學知識和技能的需求.如何實現這樣的教學改革，是每位物理教師應該深入思考的問題.