新工科背景下近代物理實驗教學改革與實踐

陳 靖， 孔勇發(fā)， 徐 音， 陳宗強

（南開大學物理科學學院，天津 300071）

0 引 言

近年來，教育部實施系列新工科建設(shè)計劃［1-5］，引導全國高校全力探索領(lǐng)跑全球工程教育的中國方案，助力我國高等教育強國建設(shè)。新工科建設(shè)具有引領(lǐng)性、交融性、創(chuàng)新性、跨界性和發(fā)展性的典型特征［6-7］，這在國家所需求的創(chuàng)新人才培養(yǎng)中起著重要的作用。新工科的建設(shè)必定會引起教學模式的改革，而課程建設(shè)則是改革成功的關(guān)鍵問題。

物理學是自然科學的支柱學科之一，是一門重視實驗研究的學科。物理實驗課程在新工科背景下的建設(shè)是十分強調(diào)物理學內(nèi)涵的［8］，應(yīng)兼顧多學科的交叉與融合。因此，以綜合性、技術(shù)性、廣泛性和研究性見長的“近代物理實驗”就成為培養(yǎng)新工科創(chuàng)新型、復合型人才的重要課程之一，是光電信息科學工程、電子科學技術(shù)等新工科專業(yè)的必修實驗課程。應(yīng)對新工科建設(shè)提出的要求，課程應(yīng)作出適于新工科人才培養(yǎng)的改革和建設(shè)。

傳統(tǒng)的“近代物理實驗”課程多以驗證性實驗為主，學生學習主動性不強；課程內(nèi)容盡管選題經(jīng)典，但是不夠貼近新工科前沿科研和實際應(yīng)用，學生學習興趣不高；實驗方案預先擬定，學生僅需按照教材要求完成實驗流程，學生學習收獲不大；實驗中不少學生輕視實驗過程，過于關(guān)注實驗結(jié)果，對于實驗探究積極性不足。因此，課程需要根據(jù)新工科建設(shè)和人才培養(yǎng)需求進一步改革和完善。

1 近代物理實驗教學改革與實踐

針對上述不足之處，我們對“近代物理實驗”教學模式開展改革探索，提出了基于任務(wù)驅(qū)動式教學模式的“近代物理實驗”改革思路，如圖1 所示。在教學設(shè)計中，學生作為主體，教師作為引導，緊緊圍繞某個具體物理課題任務(wù)開展學習，在解決問題動機的驅(qū)動下，學生通過任務(wù)學習和目標的達成，將各學科知識、技術(shù)進行邏輯重組，以獲得深刻理解和靈活應(yīng)用，提升綜合實驗?zāi)芰ΓB(yǎng)成嚴謹?shù)目茖W思維習慣和創(chuàng)新精神，同時培養(yǎng)了團隊合作、溝通交流和自我管理的等綜合素質(zhì)。

1.1 重構(gòu)課程教學目標

根據(jù)國家對創(chuàng)新人才需求和新工科建設(shè)要求，結(jié)合近代物理實驗教學大綱，通過國家政策文件學習、教學大綱修訂、學生問卷、師生研討、行業(yè)調(diào)研等多種形式，確定“近代物理實驗”教學需要達成的學生能力培養(yǎng)目標，見表1。

表1 新工科背景下“近代物理實驗”課程的培養(yǎng)目標

1.2 建設(shè)任務(wù)驅(qū)動型教學模式

對標上述教學目標，以任務(wù)驅(qū)動式教學模式開展實驗教學活動。任務(wù)驅(qū)動式教學方法是通過完成與實驗教學內(nèi)容緊密聯(lián)系的研究任務(wù)，獲得符合學生認知規(guī)律的知識與技能的一種教學方法［9-11］。在任務(wù)驅(qū)動式教學方法中，如何能夠調(diào)動起學生的學習動機與研究興趣是教學成功的關(guān)鍵。因此，設(shè)計具有實用性、趣味性、可行性和挑戰(zhàn)性的實驗課題任務(wù)，是教學獲得成功的關(guān)鍵問題，也是課程建設(shè)的主要內(nèi)容。

首先，課程建設(shè)之初，對“近代物理實驗”教學知識點進行重新梳理、整合，確定實驗教學內(nèi)容。結(jié)合這些知識點設(shè)計與新工科相關(guān)聯(lián)的實際研究任務(wù)，注重課題任務(wù)的主動性、獨立性、多樣性、研究性。例如：光信息的存儲與處理、核磁共振成像、結(jié)構(gòu)微加工與測試等貼近實際應(yīng)用或科學前沿的研究任務(wù)。教師在課程開始前向?qū)W生發(fā)布理論學習資料、明確學習任務(wù)和目標，使學生充分認識到實驗課題的研究意義和應(yīng)用價值，充分調(diào)動學生的學習興趣和研究積極性。

其次，為了發(fā)揮學生學習主動性，將學生分成小組（2 或3 人／組）開展團隊學習，主張學生根據(jù)教師提供的學習資料，進一步開展文獻調(diào)研和檢索，開展自主學習和同伴學習。通過小組調(diào)研、討論、匯報等形式，在教師的輔助下，自擬實驗方案，自組實驗系統(tǒng)，獨立完成學習任務(wù)。在實驗學習活動中，通過任務(wù)驅(qū)動、小組研討、師生交流等方式，使學生成為課程學習的參與者、知識的生產(chǎn)者，教師成為教學過程的引導者、結(jié)果的評價者。學生作為主體完成任務(wù)，解決實際問題。教師作為輔助，確保實驗研究一直朝正確的方向開展，以及保證學生能夠及時尋求到幫助。以真實的研究任務(wù)為驅(qū)動，促使學生主動構(gòu)建知識體系、鍛煉創(chuàng)新思維。

最后，由師生共同對學生小組完成任務(wù)的情況和獲得的成果進行全方位、過程化評價。根據(jù)學生實踐、匯報、研討、論文、組織等各方面情況進行評價總結(jié)。通過知識點考核、研究匯報、成果總結(jié)等客觀評價和主觀評價相結(jié)合的方式，對整體教學過程進行評價。過程化考核以教師評價為主，學生評價作為補充，向師生實時反饋學習效果。這保證了學生學習質(zhì)量，同時也提升了實驗教學質(zhì)量。在考核方式上，設(shè)計多元化評價方案，包括過程化考核與階段性考核、集體考核與個人考核、教師評價與同伴評價等方式，多維度全方位評價學生在課程中的能力培養(yǎng)成果。這也為課程持續(xù)發(fā)展和完善提供具體參考依據(jù)。

1.3 設(shè)計交叉融合的實驗教學內(nèi)容

將傳統(tǒng)的“近代物理實驗”課程內(nèi)容和知識點進行梳理、整合和優(yōu)化，結(jié)合當前與物理相關(guān)的一些科學前沿問題，設(shè)計具有多學科交叉融合特點的創(chuàng)新型物理實驗研究課題。

新的實驗內(nèi)容要求理論與實驗并重，交叉與融合同步，學習與研究銜接。將物理學科范圍內(nèi)的力學、熱學、光學、電學、磁學等內(nèi)容結(jié)合起來，同時融合理工學科的相關(guān)內(nèi)容，如：材料、化工、電氣自動化、機械、計算機、數(shù)學等專業(yè)內(nèi)容，改變現(xiàn)有的近代物理實驗以重復性、驗證性學習為主的特點。學生通過創(chuàng)新型物理實驗課程的訓練，能將從物理實驗課中學到的嚴謹?shù)目茖W思維和創(chuàng)新能力應(yīng)用到本專業(yè)研究中，將物理知識與本專業(yè)的科學前沿應(yīng)用結(jié)合起來，真正體現(xiàn)物理實驗是各個學科實驗的奠基石作用，使學生具備多學科交叉融合的特征，為未來培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程師提供支撐。這種反向設(shè)計目標、正向?qū)嵤┙虒W的任務(wù)驅(qū)動型“近代物理實驗”分為三大類型任務(wù)課題，它們具有不同的教學內(nèi)容。

（1）理工類交叉融合的研究型實驗。依托南開大學弱光非線性光子學教育部重點實驗室科研平臺，結(jié)合新工科與物理學交叉融合的特點，我們整合原有的實驗內(nèi)容和相關(guān)知識點，設(shè)計研究課題任務(wù)。課堂中學生通過自主學習，依照自身學習特點和知識層次重構(gòu)知識邏輯體系，深度融合各學科專業(yè)知識，靈活運用各種實驗手段，以達成實驗研究目標。“近代物理實驗”的相關(guān)實驗題目包括：晶體光折變與全息存儲、傅里葉變換光譜、電光調(diào)制實驗、超分辨光學成像等。研究型實驗使學生親身體會新工科多學科交叉融合的特征，學習科學研究的方法和工程實施的方法。

（2）理工類密切相關(guān)的應(yīng)用型實驗。熟悉理工專業(yè)常見的大型儀器設(shè)備的用途和使用方法，了解其物理工作機制和性能，也是課程的主要教學內(nèi)容之一。依托學校的大型儀器設(shè)備平臺，設(shè)計具有實際研究意義的學習任務(wù)。“近代物理實驗”的相關(guān)實驗題目包括：紫外光刻、X 射線衍射、熒光光譜、拉曼光譜、微弱信號測量、真空濺射鍍膜等。通過這些實驗學習，學生能夠根據(jù)研究內(nèi)容選擇適當?shù)膶嶒瀮x器設(shè)備，進行課題的研究與測量。使學生了解國家在相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和“卡脖子”的關(guān)鍵科學問題，在一定程度上，能開展測試方法和研發(fā)計劃的優(yōu)化。

（3）物理類通識型實驗。對于核物理實驗、原子物理實驗等物理學重要學科分支的教學內(nèi)容，這些實驗更強調(diào)物理內(nèi)涵，對工科專業(yè)學生來講難度較大，且與本專業(yè)呈現(xiàn)弱關(guān)聯(lián)度特征。但這些實驗內(nèi)容對于培養(yǎng)學生的物理素養(yǎng)、科研思維是十分必要的。特別是在物理學史上獲得過諾貝爾物理學獎的、具有里程碑意義的研究內(nèi)容，對培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維十分有指導意義。“近代物理實驗”的相關(guān)實驗題目包括：塞曼效應(yīng)、符合測量、核衰變、輻射與屏蔽原理等。對于上述這些通識型實驗，我們借助虛擬仿真實驗［12］，開展線上線下相結(jié)合的開放教學研究。學生通過完成教師布置的任務(wù)，了解物理學史上的重要物理發(fā)現(xiàn)，學習科學家的思維方法和研究方法，提升研究視野和創(chuàng)新能力。

1.4 推行多元化的實驗教學方法

教學方法上，探究多元化教學手段對學生物理綜合能力的促進作用。依靠微課、在線課程平臺等信息化教學手段，解決理論課與實驗課脫節(jié)的問題，調(diào)動教師教學熱情和學生學習積極性。借助虛擬仿真實驗、信息化軟件開展核物理、原子物理、微納光學等極端環(huán)境、極端條件下的實驗學習研究。

具體地，以線上慕課或微課講授和線下研討的融合式教學形式完成理論教學。在教師的指導和幫助下，學生通過小組研討、同伴學習等方法完成實驗方案擬定。借助現(xiàn)代化研究手段，將實際實驗操作、仿真模擬軟件與虛擬仿真實驗相互融合，以保障充分的實驗學習研究。盡管學習研究任務(wù)目標是一定的，但教學過程中鼓勵學生利用不同方法、不同手段開展實驗設(shè)計，實現(xiàn)一致的學習目標。在最后的研究報告中，不同團隊報告各自的解決方案和獲得的研究成果。各團隊之間就研究方法和實驗方案開展討論，比較各研究方案的優(yōu)劣。這種具有競爭意味的比較式學習，有助于學生深入理解實驗蘊含的各學科知識，促進其對物理知識、專業(yè)知識、實驗技能的重組與融合，激發(fā)學生的創(chuàng)新意識和研究興趣。

這種多元化的教學方法，有效提升了學生的學習效率和教師的教學效果。通過融合式教學方法，師生的學習空間不再受限于實驗室，而是擴展到課堂之外，學生將前期調(diào)研報告、實驗方案、研究成果報告通過網(wǎng)絡(luò)平臺提交給教師，師生通過在線課程平臺開展線上研討，有效推進任務(wù)驅(qū)動式學習，完善教學研究內(nèi)容。這種方法激發(fā)了學生的學習興趣，開拓了教師的教學思路，實現(xiàn)了教學相長。

1.5 制定過程化的實驗考核方法

針對任務(wù)驅(qū)動型“近代物理實驗”教學模式改革，我們在評價考核機制上也做了相應(yīng)改變。由傳統(tǒng)的重視實驗結(jié)果轉(zhuǎn)向重視實驗過程，以“教師教為核心”轉(zhuǎn)向以“學生學為核心”，逐漸引導學生更加重視實驗過程，并在過程中實現(xiàn)知識內(nèi)化，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和實驗?zāi)芰Α?/p>

課程建立了過程化的考核方案，對學生課前調(diào)研、方案擬定、實驗研究、歸納總結(jié)、創(chuàng)新思維、實驗規(guī)范、團隊合作等能力開展全方位的考核：

（1）考核內(nèi)容。通過理論知識考察、實驗規(guī)范考察、實驗方案考察、流程實施考察等方面進行實驗?zāi)芰Φ目陀^評價，通過文獻調(diào)研、實驗探究、實驗研討、總結(jié)匯報等方式進行科學素養(yǎng)、實驗技能、創(chuàng)新能力、科學表達能力、團隊合作能力等方面的主觀評價。

（2）考核角色。教師和學生共同就學生小組達成的任務(wù)情況進行評價。教師根據(jù)學生表現(xiàn)出的學習能力、思考能力、實驗?zāi)芰Α⒀芯磕芰蛣?chuàng)新能力，綜合考慮后給以評價。小組的其他成員對某位學生在小組中的貢獻和能力進行評價，作為教師打分的參考。

通過這種客觀（占比60%）與主觀（占比40%）相結(jié)合，教師（占比80%）與學生（占比20%）相結(jié)合的方式，對每位學生個體開展評價。過程化考核評價實時向師生反饋教學效果，包括橫向的全員學習反饋和縱向的個體學習比較。引導學生重視實驗過程，在學習過程中實現(xiàn)知識的重構(gòu)融合，實現(xiàn)創(chuàng)新思維和能力的培養(yǎng)，實現(xiàn)團隊意識和領(lǐng)導力的提升，培養(yǎng)實事求是的科學態(tài)度和科學誠信的研究作風。實驗學習中交流和比較，促進了學生的持續(xù)自我提升意識，增強了學生的研究自信心。

2 教學案例

我們以“近代物理實驗”中的研究型實驗“晶體光折變與光學存儲”為例［13-14］，說明具體教學改革方法與實施方案。

2.1 案例內(nèi)容

光折變效應(yīng)是光致折射率變化效應(yīng)的簡稱，鈮酸鋰（LiNbO3）晶體是性質(zhì)優(yōu)良的光折變材料。實驗要求學生基于全息術(shù)在摻鐵鈮酸鋰晶體（Fe：LiNbO3）中實現(xiàn)光信息的存儲與讀取。并在完成此基礎(chǔ)課題后，提出和研究創(chuàng)新型課題。實驗案例設(shè)計見圖2，本實驗涉及的學科知識和實驗技術(shù)豐富，包括物理學中的干涉、衍射等波動光學知識和全息技術(shù)，泡克爾斯效應(yīng)、Z 掃描等非線性光學知識和技術(shù)，能帶理論、晶格理論等材料學知識，編碼、解碼等信息處理技術(shù)，以及光電探測原理與技術(shù)等，此外還需要學生綜合應(yīng)用數(shù)學、機械和計算機等學科的知識技術(shù)才能實現(xiàn)實驗?zāi)繕恕Ｍ瓿苫A(chǔ)實驗課題后，通過教師啟發(fā)和小組調(diào)研，學生自主選擇高階實驗題目，例如：信息編碼優(yōu)化、多圖存儲質(zhì)量提高、信息加密處理等開放研究內(nèi)容，以小組形式完成高階實驗探究。本案例面向信息光學與工程專業(yè)的本科生開放，充分體現(xiàn)了物理學、光電子學、信息學等專業(yè)知識交叉融合的特征。

圖2 光折變?nèi)⒋鎯嶒灲虒W思路與內(nèi)容設(shè)計

2.2 教學方案

本案例來源自南開大學弱光非線性光子學教育部重點實驗室的優(yōu)秀科研成果，以科研平臺為依托，設(shè)置真實的科研研究情境，使學生浸潤式體驗科學研究的全過程。教學實施過程中，以完成光信息存儲為實驗任務(wù)，秉承實驗教學“自擬”“自組”“開放”“創(chuàng)新”的教學思路，驅(qū)動學生以小組為單位，在完成實驗?zāi)繕说尿?qū)動下，自擬實驗方案、自組實驗系統(tǒng)、開放研究內(nèi)容、創(chuàng)新實驗思維。

課程首先通過線上微課方式，講授學生尚不具備的非線性光學、光折變效應(yīng)等實驗基礎(chǔ)知識，介紹LiNbO3晶體作為“光學硅”在科技、國防、生產(chǎn)中的重要地位以及我國科學家的貢獻［15］。在知識傳授的同時，增加學生為國家解決“卡脖子”攻關(guān)問題的自信心。理論授課后，教師向?qū)W生發(fā)布研究任務(wù)。學生小組開展文獻調(diào)研，教師啟發(fā)學生借鑒全息術(shù)知識，由學生小組自行確定實驗方案。教師在學生自擬方案的基礎(chǔ)上指出不足，啟發(fā)學生主動修正，最終確定正確的實驗方案。

典型的光折變?nèi)⒋鎯饴吩O(shè)計如圖3 所示。學生按照研討方案進行實驗探究，在開放的實驗平臺中自主選擇課題研究，例如扇形光散射效應(yīng)、Bragg 體光柵衍射效率、曝光時間與曝光量關(guān)系、信息編碼和解碼等。以選定的研究內(nèi)容為指導，進一步優(yōu)化光信息存儲方案中的光偏振態(tài)、光強、寫入角度、存儲時間等參數(shù)。在這些前序研究的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)光信息的存儲與讀取的基本實驗?zāi)繕恕４瞬糠謱嶒炑芯侩y度一般，學生借鑒“光學”和“大學物理實驗”中的全息照相知識和實驗方法，并結(jié)合本實驗中的光折變光學新知識進行創(chuàng)新，即可得到實驗方案，見圖3。本部分實驗研究任務(wù)的設(shè)置，驅(qū)動學生體驗和踐行“類比—借鑒—創(chuàng)新”的科研工作方法，訓練學生的綜合實驗技能。實驗難度盡管不大，若想獲得理想的圖像存儲效果，學生需要在工作中注意精準校正光路，對曝光時間、曝光量等實驗參數(shù)細致研究。學生根據(jù)興趣和能力選擇上述1 ～3 個開放內(nèi)容深入研究，優(yōu)化實驗方案，歸納總結(jié)出影響信息存儲質(zhì)量的物理因素。同時，研究過程訓練了學生科研工作實施方法、團隊管理和協(xié)作方法，錘煉學生實事求是、精益求精的工作態(tài)度。

圖3 光折變?nèi)⒋鎯饴穲D

基礎(chǔ)研究完成后，教師組織學生小組之間就研究結(jié)果對比研討，啟發(fā)學生結(jié)合專業(yè)和興趣，主動尋找課題進行創(chuàng)新研究。例如：光折變中的透鏡效應(yīng)、多圖像存儲的衍射效率均勻化問題、信息編碼優(yōu)化、解碼誤碼率改進、3D全息存儲、信息加密等等。這些開放課題的實施，充分尊重學生個性化需求。教師參考學生基礎(chǔ)研究成果，因人施教，啟發(fā)學生主動提出并開展創(chuàng)新探究。實踐這些高階的創(chuàng)新研究內(nèi)容，能夠幫助學生提升創(chuàng)新思辨的科學思維，深度學習和理解科研工作流程，體會團隊合作的價值，促進科學創(chuàng)新意識。

3 教學效果

經(jīng)過近十年的建設(shè)，課程形成了一種適于新工科培養(yǎng)需要的任務(wù)驅(qū)動式實驗教學模式。這種教學模式由“近代物理實驗”逐步擴展到“高等物理實驗”“物理學專業(yè)實驗”等專業(yè)實驗課程中，共計建設(shè)有50 余個實驗題目，覆蓋從本科二年級至研究生一年級學生，形成了進階式、系列化實驗教學內(nèi)容體系。長鏈程的課程體系有利于學生培養(yǎng)效果的追蹤與教學實踐總結(jié)。追蹤顯示，課程對于學生科研創(chuàng)新能力具有明顯的提升效果，學生連續(xù)多年對課程評價為優(yōu)秀。同時，教學改革取得顯著成果。其中，“晶體光折變?nèi)⒋鎯嶒灐比脒x國家級物理實驗教學示范中心典型教學案例［13］。該項教學內(nèi)容還被選為第五屆全國高等學校物理實驗競賽綜合類題目［16］。2021 年課程被選為天津市本科一流建設(shè)課程，2022 年課程案例入選教育部大學物理教學指導委員會課程思政案例庫。

4 結(jié) 語

在新工科背景下，面向國家未來新技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對“近代物理實驗”課程進行了相應(yīng)改革。根據(jù)我校應(yīng)用物理學、光電子學、材料科學、信息科學等專業(yè)培養(yǎng)目標，結(jié)合物理學科的研究優(yōu)勢和科研平臺，重構(gòu)課程教學體系。在具體研究任務(wù)驅(qū)動下，設(shè)計真實的物理實驗研究情境，將物理實驗內(nèi)容與學生專業(yè)緊密關(guān)聯(lián)，將我國科學發(fā)展需求與實驗教學目標有機融合，夯實學生物理基礎(chǔ)，提升物理實驗?zāi)芰Γ瑔⒌蠈W生科學思維，增強學生科研自信和為國奮斗信念。課程教學改革的探索實踐為培養(yǎng)新工科人才提供了改革新思路和新方案。