淺析全國大學生物理實驗競賽(創新)指導與學生培養

陳舞輝,張 霆,劉彩霞,景 佳,范經緯,李恒宇

(合肥工業大學 物理學院,安徽 合肥 230106)

全國大學生物理實驗競賽(Chinese Undergraduate Physics Experiment Competition,CUPEC)是由教育部高教司批準的大學生競賽項目,分為教學賽和創新賽2項,其中教學賽始于2010年[1],2年1屆,采用現場命題的形式,旨在提升大學生的動手能力. 創新賽始于2020年,1年1屆,包含命題、自選、講課三大類別,旨在激發大學生對物理實驗的興趣與潛能,培養大學生的創新能力、實踐能力和團隊協作意識,促進物理實驗教學改革[2-5]. 2020年,首屆創新賽由東北大學承辦,參賽高校413所,參賽隊伍數達1 402支;2021年創新賽由南昌大學承辦,參賽高校480所,參賽隊伍數達1 853支;2022年創新賽由西安交通大學承辦,參賽高校535所,參賽隊伍數達2 040支. 空前賽況充分展示了各高校對賽事的廣泛關注和積極參與,基于該賽事的規模和影響力,2021年3月9日,全國高校競賽評估與管理體系研究專家委員會將全國大學生物理實驗競賽納入2020全國普通高校大學生競賽排行榜.

2020—2022年,合肥工業大學有20支隊伍參賽,其中12支隊伍獲得一等獎,7支隊伍獲得二等獎,1支隊伍獲得三等獎,獲獎率高達100%. 此外,合肥工業大學在近3年獲得了優秀組織獎,作者也獲得優秀領隊稱號,這些成績充分展示了合肥工業大學學生在創新賽的優異表現,也證明了合肥工業大學在競賽準備和培訓方面的獨到之處. 全國大學生物理實驗競賽在培養學生的科學素養和實驗技能方面起到了積極作用,但在競賽組織和指導過程中,發現存在學生基本物理素養薄弱、賽程前期學生選拔難度高、賽程中期學生分工不合理、賽程后期學生容易出現疲態等問題,本文將總結往屆我校在競賽指導中的經驗,設計競賽培養模式,并結合具體案例探討競賽中存在的問題,希望能夠為其他高校提供有益借鑒,促進全國大學生物理實驗競賽的長遠高質量發展.

1 競賽培養模式設計

在競賽培養模式設計中,需要考慮基本素養培養、競賽學生選拔和競賽教學引導3部分,以實現學生培養和競賽準備.

1.1 基本素養培養

物理實驗基本素養不僅是學生成功掌握物理知識的基礎,還是培養創新思維和科學能力的關鍵因素. 系統性的素養培養可以激發學生的學術興趣,提高實驗技能,培養批判性思維,能夠為后續參加物理實驗競賽打下堅實的基礎.

物理實驗基本素養的建立依賴于對物理實驗基礎知識的掌握程度,而大學物理實驗[6]包括廣泛的實驗項目,涵蓋了經典力學、電磁學、光學、熱學和量子力學等多個領域,囊括理論建模、仿真模擬、實驗操作、數據分析等內容,對培養物理實驗基本素養如科學思維、團結協作能力和創新意識具有重要意義. 近代物理實驗、現代物理實驗等實驗拓展課程,能夠進一步培養學生實驗方法和實驗技術的綜合運用能力和團隊協作能力. 例如,近代物理實驗電光調制使用電壓改變激光信號的相位,對光進行調制,需要學生建立電與光之間的聯系,才能更好地理解該實驗. 采用翻轉課堂的形式進行成果匯報,小組成員需互相配合調研資料,并進行實驗內容講解,此過程不僅可以鍛煉學生的表達能力,還可以將往屆物理學科系列競賽中的優質實驗項目制作成教學案例,在課堂上“還原”優秀作品,提供多樣化的教學內容,有助于培養學生更深層次的科學思維,提高學生的批判性思維能力和創新性思維水平.

大學物理實驗與近現代物理實驗和案例教學的有機結合,能夠幫助學生全方位、多層次地建立物理實驗基本素養(圖1),逐步提升競賽能力,做好競賽素養儲備.

圖1 基本素養培養

1.2 競賽學生選拔

構建競賽隊伍,需要合理選拔學生,以確保競賽隊伍的質量. 在校賽選拔過程中,需要打造多元化的校賽選拔模式,在關注學生競賽硬實力的同時,兼顧競賽軟實力,如是否具有較強的主觀能動性和團隊意識等. 2020年首屆創新賽,選拔過程單調,考查賽題單一,導致參賽學生少,作品質量低,為后續競賽指導和參賽遺留了隱患. 為擴大學生選拔面,提高競賽參與度,2021年創新賽校賽將自選類賽題作為校賽題目,在該改善舉措下,參賽學生數得到了顯著的提高,但參賽作品來源不定給作品評判和人員選拔帶來了更大的挑戰. 基于前兩年的問題,2022年進一步完善了校賽選拔,將2022年命題類賽題做作為參賽題目,采用作品評審和現場答辯相結合的方式進行作品篩選和學生選拔,這種面對面的方式能夠直觀感受學生的態度和基本素質,保證了競賽學生質量.

在競賽隊伍組建中需考慮到學生的實驗技能、團隊協作能力和創新潛力. 2020年,本校共組建了5支參加國賽的隊伍,每支隊伍有5名學生和2名指導教師. 除了滿足基本的人數要求,還要充分結合各專業優勢,組建人人有特色、特色不盡同的團隊. 例如,在確保團隊中有理論扎實的成員的基礎上,搭配其他專業如機械、電子、計算機等專業的學生,這樣就可以對競賽環節進行詳細的分工,提高效率和作品完成度. 除了正式的參賽學生和指導教師以外,還可以設置1～2名領隊,領隊由往屆參賽選手擔任(圖 2),可以為參賽學生提供指導意見,并幫助解決遇到的問題.

圖2 隊伍組建

1.3 競賽教學引導

教師作為競賽的指導者與引導者,在競賽過程中扮演著關鍵角色[7](圖 3). 1名合格的指導教師,需在賽前掌握賽事規則,制定合理的競賽計劃. 賽中需要考慮學生的課程任務量大、裝置制作周期長等客觀問題,適時把控研究進度和研究質量,確保學生能夠在規定的時間內完成研究任務. 指導教師還應把握教與學的辯證關系,不僅傳授知識、實驗技巧和解決問題的方法,還要鼓勵和引導學生多聽、多看、多思、自主研究、積極合作、互相啟發,及時歸納總結與討論,以培養學生的創新意識與能力. 在培養學生的同時,教師要提高自身的教育教學水平,和學生同步成長,才能適應創新賽的發展.

圖3 創新賽指導教師指導流程及學生培養

同時,學生之間的教與學關系也發揮著不可或缺的作用,學生之間應積極合作,共享知識及經驗,互相啟發和挑戰,共同解決競賽中的難題. 學生與學生之間的合作和互助精神有助于充分發揮團隊的潛力,最終完成更高質量的作品.

2 競賽實戰案例

高質量的物理實驗創新作品必須具備多重要素,包括創新的物理模型、詳實的實驗過程、規范的實驗操作、標準的數據處理和資源文檔,以及對學生知識認知和能力構建具有良好的教學實踐意義、具備推廣應用價值. 下文將通過2022年創新賽命題類獲獎作品“聲音定位”展示競賽的全過程(圖 4),包括賽題分析、初步實驗、創新點挖掘與改進、答辯技巧等,詳細闡述了如何打造高質量的物理實驗創新作品.

圖4 創新賽命題類賽題備賽全過程

2.1 確認選題

隊伍組建后,應該盡快確定參賽題目,為后續研究預留足夠的時間. 學生在選題過程中,可通過知網、維普、Web of Science等數據庫進行前期調研,之后在組內開展討論,確定最終選題為“聲音定位”,在對競賽規則和評分標準進行仔細的研究后,確定要將聲音定位設計成演示實驗,重點突出聲音定位的物理內涵.

2.2 成員分工

為了提高團隊效率,確定賽題后,討論了成員的分工形式,最終確定了交叉分組和冗余分工的方式,讓每個學生身上有2項及以上任務,并且分工的學生數大于等于2人,以促進學生之間的討論,方便任務的推進. 小組共有4名成員(A,B,C,D),2名學生(B+C)進行聲音定位的調研及物理模型的建立,2名學生(A+D)完成聲音信號的采集及處理,3名學生完成實驗設計(A+B+C),2名學生(C+D)完成實驗操作和實驗過程中的視頻拍攝,1名學生(D)進行文檔撰寫. 在賽事進行1個月時,采用團隊成員匿名投票的方式,選拔出隊長,促進成員間的內部管理.

2.3 實驗設計及數據處理

一旦確定了賽題,需要通過初步實驗進行研究. 在聲音定位裝置的設計中,隊員首先進行一系列聲學實驗,以了解聲音的傳播原理和特性,比如聲波的速度、頻率和波長等基本參量的測量,通過這些實驗建立聲學模型的基礎. 在數據采集和處理過程中,應追求數據的準確性和真實性,例如實驗數據應該多次測量,以減小數據的隨機誤差,便于分析數據的不確定度. 在數據采集和處理過程中,應追求數據的準確性和真實性,及時分析出現數據偏差的原因,并進行改進控制.

2.4 創新點挖掘

比賽中挖掘創新點至關重要. 指導教師需要深入了解賽題要求,指導學生仔細研讀賽題和背景,確保理解準確和全面. 參賽學生通過調研現有的研究成果和實際需求,整合不同學科知識,不拘泥于傳統思維和解決方法,從多個角度思考解決方案,發現其中創新點. 例如,對“聲音定位”初步實驗后,發現傳統聲音定位裝置中存在精度不高、受環境干擾較大等問題,短時間內改善聲音定位的精度不現實,經過多次討論,決定另辟蹊徑將影響聲音定位精度的因素展現出來,設計制作研究聲音定位的裝置.

2.5 文檔撰寫及視頻拍攝

在全體成員進行“聲音定位”研究的同時,成員C和D進行實驗過程中的視頻拍攝,成員D進行過程文檔撰寫,記錄整個實驗過程以及階段性成果. 這樣可以及時優化實驗方案,為后續工作和改進方向提供指導和優化. 在研究報告初步完成后,應初步制作PPT,此階段的PPT應該以圖片為主,通過流程圖、實驗過程圖片、實驗數據等要素讓閱讀者盡快了解作品的核心思路. 視頻拍攝可以直觀展示研究內容以及實驗的操作流程. 評委能夠通過研究報告、PPT和視頻全方位地掌握作品的主體思想.

2.6 答辯演練及裝置演示

在復賽階段,學生需要進行答辯及裝置演示. 由于以往3屆為線上復賽答辯的方式,復賽階段,組織每位成員進行答辯,并由隊內選出主答辯隊員、裝置講解隊員、主裝置演示隊員、輔助演示隊員,隊員之間相互配合,邀請往屆成員組成評委團,對答辯者進行提問,團隊成員根據問題進行處理和優化,以確保復賽時作品能達到最佳效果.

3 結束語

本文結合近3年本校在全國大學生物理實驗競賽中積累的經驗,設計了競賽培養模式,并結合具體案例詳細分析競賽過程. 在競賽培養模式的設計中,探討了基本素養、競賽選拔和競賽教學3方面,以確保學生具備競賽所需的科學思維、團隊協作能力和創新意識. 在競賽實戰案例中,提供了具體案例,展示了如何將競賽培養模式付諸實踐,并詳細描述了選題確定、團隊分工、實驗設計、數據處理、創新點挖掘、文檔編寫、視頻制作和答辯演練等環節,強調了高質量作品的特征. 這2部分共同構成了競賽教學的完整生態,旨在為教師和學生提供全方位的參考,以提高學生的競賽水平和科學素養. 競賽培養模式的設計和競賽實戰案例相互補充,可以為其他高校參加此項賽事的準備工作提供有益的參考和借鑒,共同推動全國大學生物理實驗競賽(創新)的發展和進步.