基于跨學科創新型本科人才培養的“立”型大學物理實驗課程教學模式研究

樊代和， 魏 云， 常相輝， 劉其軍， 賈欣燕

（西南交通大學物理國家級實驗教學示范中心；物理科學與技術學院，成都 611756）

0 引 言

創新是推動經濟社會發展的核心驅動力。習近平總書記在全國教育大會中特別強調，高校要在增強綜合素質上下功夫，教育引導學生培養綜合能力，培養創新思維［1］。在創新型本科人才的培養過程中，包含物理在內的公共基礎課程的教學模式是否能夠滿足新時代國家的要求，將直接決定創新型本科人才培養的數量和質量。目前，大學物理實驗課程是我國絕大多數理工科高校均開設的公共基礎必修課之一，是本科生接受系統實驗方法和實驗技能訓練的開端。一方面，課程內容中涉及的基本方法和實驗技術，可體現出大多數學科科學實驗的共性［2］，另一方面，課程具有學生接觸時間早、數量規模大、學科范圍廣等顯著特點。因此，大學物理實驗課程在培養跨學科本科生的動手能力、科學思維和創新能力方面，起著重要的基礎作用。

然而，也正是由于物理基礎課程具有的上述特點，再加上實驗課程教學受限于實驗儀器數量及實驗場地環境等特點，使得國內傳統大學物理實驗課程的教學模式在培養跨學科創新型本科人才的培養過程中，普遍存在著學生學習主動性不高（為了學分而學）、課程教學資源不能滿足學生的個性化學習需求（局限在書本知識范圍內）、本科生應用所學物理實驗技術解決實際問題的能力不強（應對考試）等問題，最終導致大學物理實驗課程對跨學科創新型本科人才的培養效果不明顯。

為了改變上述狀況，國內一些學者也嘗試對傳統大學物理實驗課程的教學模式進行了探索和研究。例如，李富全等［3］提出通過物理演示實驗基地，來培養學生創新能力。秦艷芬［4］從“卓越計劃”培養核心出發，論述了大學物理實驗課程“層次＋套餐”教學組織方式的構建和實踐。張瑩瑩等［5］構建了以大學生創新創業訓練計劃為導向的物理專業實驗教學模式，用以培養學生嚴謹的思維能力和科學創新能力。為了明確教學改革思路，周雨青等［6］通過對大學物理實驗課程現狀進行的調研，提出物理實驗課程要在教材建設、教師教學技能方面進行改革。劉自團等［7］基于15所高校的調查和分析提出，應建立基礎實驗、綜合性實驗、創新性實驗、研究性實驗等多層次實驗構成的實驗教學體系，提升高素質創新人才的培養力度。白艷紅［8］從工程教育專業認證的角度出發，提出了可量化的實驗類課程多元化評價方法。樊英杰［9］研究了以工程思維能力培養為導向的大學物理實驗改革。在跨學科人才培養方面，屈世顯等［10］提出了“X-物理學”的概念，構建了多學科交叉融合的跨學科X-物理人才培養新體系，以國家級X-物理實驗教學示范中心為平臺，介紹了實驗課的3個環節等。從這些已有研究可以看出，圍繞創新型本科人才培養這一主題，不同高校從不同角度開展了一定的大學物理實驗課程教學模式探索工作。然而，到目前為止，一套完整且適用于我國各理工科高校，并能夠有效進行跨學科創新型本科人才培養和培養效果檢驗的大學物理實驗課程教學模式還未見報道。

作為四川省內唯一的物理國家級實驗教學示范中心，近些年，以培養跨學科創新型本科人才為目標，對大學物理實驗課程教學的教學模式有針對性地進行了一些探索研究，在此基礎上構建了一種“立”型大學物理實驗課程教學模式。經過近5年的教學實踐發現，該教學模式可有效地解決傳統大學物理實驗課程教學模式中普遍存在的上述問題，進而能夠培養出一批具有創新能力的跨學科創新型本科人才。

1 “立”型大學物理實驗課程教學模式構建

目前，我校開設的大學物理實驗課程，是面向學校41個理工科專業，每學期超過5 000名本科生的公共基礎必修課。在考慮大學物理實驗課程具有學生接觸時間早、數量規模大、學科范圍廣的顯著特點下，構建的“立”型大學物理實驗課程教學模式以課程思政建設作為先導，以建設豐富的數字化教學資源為平臺，通過將課外創新實踐訓練項目、學科競賽題目為抓手，將項目驅動的教學方法貫穿于整個教學過程中。最終以培養具有解決不同學科領域專業問題能力的創新型本科生人才作為課程學習效果的評價指標。其總體構架如圖1所示。

1.1 課程思政建設

事實上，每一個大學物理實驗項目，包括實驗原理、實驗儀器的設計及測量技術、實驗數據的處理方法等，都凝聚和體現了國內外先輩科學家們的智慧和永攀科學高峰的科學精神。而這些超越實驗知識背后的內涵，才是激發學生積極主動進行學習的源動力。為此，在構建“立”型教學模式中，將課程思政建設作為課程教學活動的先導，通過深入挖掘各實驗項目中包含的課程思政元素，建設了課程思政資源庫。在課堂教學這個主渠道中，充分利用好“實驗背景”（例如，圖2所示為部分實驗項目實驗背景內容）這一授課步驟。例如，當講授“邁克爾遜干涉儀”實驗時，引領學生體會美國第一個諾貝爾物理學獎獲得者邁克爾遜的科學奮斗故事［11］：當年，邁克爾遜不但大膽地對現有的理論提出質疑，而且還能夠不氣不餒，在多次實驗驗證失敗的情況下，與麥克斯韋、湯姆遜、瑞利、洛倫茲、莫雷等科學家團結合作，最終解決了當時物理學界中的兩朵烏云之一，即“以太漂移”這一重大問題。在講授“霍爾元件參數測量”實驗時，引領學生體會我國著名科學家薛其坤院士的堅毅事跡［12］。從2009年起，薛院士就對量子反?；魻栃膶嶒瀸崿F進行研究，期間不斷克服困難，在制備和測試上千樣品后，終于在國際上首次實驗發現了量子反?；魻栃?。該成果被2016年諾貝爾物理學獎評獎委員會列為拓撲物質領域20年來最重要的實驗進展等。

諸如類似上述課程思政資源庫的建設，一方面能夠引領學生品味科學家的故事、感悟科學家的精神，鍛造學生優秀的品格；另一方面，通過將科學領域中卓越奮斗著的堅毅事跡，潤物細無聲地引入課堂，啟迪了學生自強不息、銳意進取的精神。最終，實現課程思政對大學物理實驗課程的教學工作起到畫龍點睛的作用，使學生不再是僅僅為了學分而學。

1.2 數字化大學物理實驗教學資源建設

課程教學資源在創新型本科人才的培養過程中，起著非常重要的作用［6］。大學物理實驗作為一門實驗課程，受到實驗儀器臺套數和實驗場地環境的制約，使得基于傳統課程資源的教學活動存在三方面的缺點。①教學大綱有什么內容，學生就只能學什么內容，課程無法滿足學生個性化的學習需求。②學生無法在課前和課后（在沒有實驗儀器的情況下），對課程內容進行有效的預習和復習，導致學習效率不高。③傳統的課程教學資源重在實驗原理及具體實驗測量技術的講解，而不能關注科學發展前沿，這就導致了傳統大學物理實驗課程的教學資源無法體現出時代前沿性，進而導致本科生的學習效果缺乏探究性和創新性等。

為此，在構建的“立”型大學物理實驗課程教學模式中，有針對性地進行了新形態數字化課程教學資源的建設（見圖3）。①針對課程教學大綱中的實驗項目，在國內率先制作完成了能夠細致入微地呈現實驗操作對應出現的實驗現象的實驗操作視頻，并以二維碼的形式呈現在數字化教程［13］中。②關于實驗項目的實驗原理部分，制作完成了線上教學資源，并通過超星平臺對學生進行開放。③針對每一個實驗項目，制作的數字化資源還以二維碼的形式呈現了實驗項目相關的參考文獻介紹。這些參考文獻的內容有的是針對實驗項目儀器的改進，也有的是相關物理實驗技術在解決其他學科領域實際問題中的應用等。通過建設上述高質量大學物理實驗課程數字化教學資源，學生可在課前或課后，在不具備實驗儀器的環境下，仍然能有效地通過數字化資源對課程內容進行預習和復習。通過參考文獻的介紹，一方面可使學生及時地了解到相關實驗項目的最新發展動態，使課程內容緊跟時代前沿發展；另一方面也可使學生了解到實驗原理或裝置設計的精髓和內涵，為不同專業背景本科生取得創新性成果帶來源動力。

1.3 項目驅動的教學方法

大學物理實驗課程涉及的實驗思想、實驗技術和手段等，是各不同學科專業領域科學實驗的基礎。傳統的實驗課程教學過程，多數重視的是物理實驗方法和技術手段的講授，未能有效地將課程的內涵與其他學科專業領域知識相融合，最終導致培養的本科生解決跨學科實際問題的綜合能力不強。

為此，在構建的“立”型課程教學模式中，采用了項目驅動的教學實施方法（見圖4）。首先，針對各不同學科專業的學生，通過預先對其學科專業背景和學習背景進行問卷等形式進行調研，然后適應性地設立一些課外創新實踐項目和學科競賽題目，以項目驅動的形式開展大學物理實驗課程內容的教學工作，使具有不同專業背景的本科生，能夠將其在大學物理實驗課程中學習到的物理理論知識和實驗技術，應用到解決其專業領域的實際問題中，最終培養其創新實踐能力。

例如，據不完全調研統計，國內所有物理國家級示范中心高校的大學物理實驗課程均開設了邁克爾遜干涉儀實驗項目。而該實驗項目，實際上提供了一種可將長度測量精確到百納米量級的方案。通過對我校學生的學科專業背景調研發現，精確檢測無砟軌道的沉降是土木學科中當前重要的研究課題之一。為此，面向土木學科的本科生，在大學物理實驗課程中設置了基于邁克爾遜干涉儀的無砟軌道沉降檢測裝置設計這一課外創新實踐項目。機械學科背景的本科生，具有較強的機械結構設計能力。為此，在大學物理實驗課程中，結合彈性模量測量實驗項目，為該學科的本科生設置了改進的彈性模量測量儀課外創新實踐項目，充分發揮該學科學生機械結構設計的能力。低成本電能的獲取，在電氣學科中有著重要的意義。為此，結合超聲波聲速測量實驗項目中涉及的壓電換能器原理，為該學科學生設置了風力發電裝置這一課外創新實踐項目。循環擺現象，是全國大學生物理學術競賽的賽題之一，結合大學物理實驗課程中單擺的研究這一實驗項目，為物理學科背景的本科生，設置了循環擺現象研究這一物理學科競賽題目。

從上述示例可以看出，通過設置一些與學科專業背景相結合的大學物理實驗課程課外創新實踐項目，基于項目驅動的教學模式，可使具有不同專業背景的本科生，能夠有興趣、有針對性地對課程所涉及的物理知識和實驗技術進行學習，進而應用到解決其科領域的實際問題中，極大地培養了本科生的創新實踐能力。

1.4 課程學習效果評價

除了傳統大學物理實驗課程通過實驗報告、實驗理論考試等課程學習評價方式外，構建的“立”型大學物理實驗課程教學模式中，新增了實驗操作考試、實驗項目思考匯報、項目完成成果答辯、實驗論文和發明專利撰寫等多元化學習效果評價方式（見圖5）。新增的這些學習效果評價方式，一方面，解決了傳統大學物理實驗課程評價方式單一的問題，可更加科學地評價學生對課程的學習效果。同時，這種以匯報為主體的評價方式，還可以實現示范效果，在一定程度上培養學生的批判質疑能力和團隊合作精神。

2 “立”型教學模式在跨學科創新型本科人才培養中的教學實踐效果

構建的“立”型大學物理實驗課程教學模式，進行了深入的教學實踐。

（1）針對建設的數字化大學物理實驗課程教學資源，通過機械工業出版社的網絡平臺后臺，對2020年9～12月份之間學生對大學物理實驗課程中3個典型實驗（分光計的調整與使用、彈性模量測量、示波器的調整和使用）的點擊學習情況進行了統計，結果如圖6所示。

由圖6可見，學生針對課程實驗項目的學習點擊量非常大。例如，分光計的調整與使用實驗項目，僅在2020年第4季度，總的學習點擊量就高達8 167次等。據機械工業出版社不完全統計，該課程建設的數字化教學資源點擊量，甚至超過該出版社部分數字資源3年的點擊量總和。因此，可以認為，“立”型大學物理實驗課程教學模式中建設的數字化課程教學資源，受到了廣大學生的歡迎。同時，有學生在使用該數字化教學資源后，曾評價到：“每次做實驗在預習與課本配套的視頻之后，都可以很快地掌握實驗的每一個步驟，讓我越來越喜歡上了動手做實驗”等。

（2）以匿名的方式，對已經完成大學物理實驗課程的本科生進行了問卷調查，用以分析建設的數字化課程資源對課程學習幫助性以及項目驅動式的大學物理實驗課程教學方式在跨學科專業能力培養方面的情況。通過回收的557份問卷，得到的調查結果如圖7所示。

由圖7可見，有超過97%的同學認為建設的數字化課程教學資源，對大學物理實驗課程的學習有幫助（其中“非常有幫助”占73%）。有80%的同學認為，通過大學物理實驗課程的學習，對其學科專業能力的培養有幫助（其中“非常有幫助”占16%）。因此，從這些匿名問卷調查的結果可以認為，“立”型大學物理實驗課程教學模式中建設的數字化教學資源，對大學物理實驗課程的教學工作起到了非常積極的作用，同時也為跨學科本科人才的培養提供了支持。

（3）從具有不同專業背景的本科生取得創新性成果角度出發，對“立”型大學物理實驗課程教學模式在跨學科創新型本科人才培養過程中的教學實踐效果進行說明。依托上述基于項目驅動的大學物理實驗課程教學模式，我校具有土木工程專業背景的本科生，通過將該課程中相關邁克爾遜干涉儀可精確測量長度的實驗思想，應用到其專業領域實際問題中，設計出了一種基于邁克爾遜干涉的無砟軌道沉降檢測裝置，該裝置以本科生為第1發明人獲得了發明專利授權［14］。我校具有機械設計制造專業背景的本科生，通過將大學物理實驗課程中學習到的彈性模量測量實驗內容與其專業背景相結合，設計并制作了一種高精度全自動彈性模量測量儀，該成果以本科生為第1作者發表于《實驗技術與管理》核心期刊［15］。我校具有電氣工程及其自動化專業背景的本科生，通過學習大學物理實驗課程項目超聲波聲速測量實驗中涉及到的壓電換能器工作原理，設計出了一種基于風力的低成本發電和儲能裝置，該裝置以本科生為第1發明人獲得了發明專利的授權［16］。我校具有物理專業背景的本科生，利用其所學到的力學專業知識并結合大學物理實驗課程項目之單擺實驗測量方法，實驗研究了中國大學生學術競賽賽題涉及的循環擺現象中的物理問題，該成果以本科生為第1作者發表于European Journal of Physics期刊（SCI）［17］。

近5年，通過深入實施構建的“立”型大學物理實驗課程教學新模式，我校具有不同專業背景的本科生，以本科生為第1作者發表包含《激光與光電子學進展》《物理實驗》《大學物理》《物理與工程》等期刊論文18篇、以本科生為第1發明人獲得授權發明專利14項，在全國大學生物理實驗競賽、全國大學生創新方法應用大賽、中國大學生物理學術競賽、挑戰杯等學科競賽中累計獲獎30余項等，跨學科創新型本科人才的培養效果顯著。

3 結 語

本文提出了一種“立”型大學物理實驗課程教學模式。該教學模式以課程思政建設作為先導，以建設數字化課程教學資源為平臺，以課外創新實踐訓練項目、學科競賽題目為抓手，將項目驅動的教學方法貫穿于整個教學過程中。最后，以能夠培養出具有解決不同學科領域專業問題能力的創新型本科生人才作為課程學習效果的評價指標。經過近5年的教學實踐，基于該教學模式，我校具有不同專業背景的本科生取得了一系列如研究論文發表、發明專利授權、學科競賽獲獎等創新性成果，可認為該教學模式在跨學科創新型本科人才的培養過程中效果顯著。也正是基于該教學模式的教學實踐，我校的大學物理實驗課程也通過了國家首批一流本科課程的認定工作。