基于全國大學生物理實驗競賽命題導向的物理實驗教學探索

王 槿，王 錚，惠王偉，李文華，劉東奇， 鄭大懷，錢 鈞，姚江宏，孔勇發

(南開大學 a.物理科學學院；b.基礎物理國家級實驗教學示范中心，天津 300071)

2019年7月18日，第5屆全國大學生物理實驗競賽(Chinese undergraduate physics experiment competition， CUPEC)在南開大學成功舉辦. 這是繼第1～2屆在中國科技大學，第3～4屆在南京大學成功舉辦后的全國規模最大的物理實驗類學科競賽. 來自國家級物理實驗教學示范中心、國家理科基礎科學研究和教學人才培養基地物理學專業點、國家工科基礎課程物理教學基地等的全國56所高校的214名選手分別參加了基礎實驗題A“液體的表面張力系數的測量”、基礎實驗題B“濾波電路的研究”、綜合實驗題A“基于傅里葉變換的頻譜測量與應用”和綜合實驗題B“基于鈮酸鋰晶體探究激光與物質的相互作用”4項命題式競賽. 本文結合歷屆全國大學生物理實驗競賽命題，分析命題特點與導向，以期夯實基礎物理實驗教學，并且探討物理實驗教學改革的方向.

1 題目分析

表1和表2中匯總了1～5屆全國大學生物理實驗競賽的基礎題和綜合題[1-11]. 從命題上看，基礎物理實驗命題基于常規物理實驗，始終圍繞著對基本量的測量和思考，體現了對學生動手能力、思考能力的要求. 在歷屆命題中，考察了質量、切變模量、楊氏模量、泊松比、表面張力系數等力學量，溫度、比熱容、熔解熱等熱學量，電壓、電流、阻抗、功率、頻率、相位、電導率、磁導率、磁矩、磁感應強度等電磁學參量，以及折射率、色散關系等光學相關參量.

全國大學生物理實驗競賽的基礎題命題，立足于基本知識點的考核，其衍生內容為實驗改進提供了非常好的思路和素材. 在基礎物理實驗中，RLC電路相關實驗既是重點，也是難點，在第1屆、第4屆和第5屆命題中都有考核. 第1屆綜合實驗題A中，要求用基礎的RLC共振的實驗方法研究光在介質中的傳播速度，將折射率的測量轉化為相對電容率和相對磁導率的測量，并且同分光計上的表面等離子體激元共振(Surface plasmon resonance, SPR)方法比較，依舊是非常經典的案例. 第4屆基礎實驗題B中，要求基于RLC串聯電路，研究RLC串聯諧振電路的暫態和穩態過程，并且在此基礎上進行了內容拓展，引入了非線性元件，研究非線性RLC振蕩電路. 在第5屆基礎實驗題B中，要求利用RLC電路研究無源濾波電路的特性，包括一階和二階RC濾波電路、RLC選頻電路以及利用濾波電路的特性進行元件判斷和參量測量. 相關競賽內容既可以獨立地作為實驗項目，也可以作為實驗的拓展補充，為相關實驗內容改革和實驗裝置設計提供了新的思路.

表1 1～5屆全國大學生物理實驗競賽基礎題目匯總

表2 1～5屆全國大學生物理實驗競賽綜合題目匯總

磁場測量是大學物理實驗中的重要組成部分，也是競賽命題的重點之一，多屆競賽命題都有涉及. 在第1屆基礎題A中，要求基于霍爾效應測量霍爾片的不等位電勢、載流子濃度和電導率等相關參量，并且在此基礎上研究銻化銦的磁阻效應. 第3屆基礎題A中，將力學和電磁學知識相結合，研究磁針在磁場中的運動，測量磁場分量、磁針的磁矩和轉動慣量等相關參量. 第3屆綜合題B中，要求利用霍爾效應測量樣品的霍爾系數、電阻、載流子濃度等相關參量，考察了考生利用所掌握的基礎知識解決實際問題的能力.

綜合題的命題體現了聚焦經典物理理論、國際前沿性、技術引領性和綜合性的特點，對學生閱讀文獻能力、融會貫通的物理思維能力以及團隊合作能力進行了考核. 綜合題對同組的2位考生要求更高，需要閱讀大量的背景材料，運用基礎物理知識和技能進行分析和推理，設計實驗步驟，搭建實驗裝置，完成相應測量和問題解答. 第2屆綜合實驗題A中的磁光效應源于1902年諾貝爾獎. 第4屆綜合實驗題B中研究的類切倫科夫輻射源于1958年諾貝爾獎，第5屆綜合實驗題B中考核的光折變效應是2018年諾貝爾獎獲得者Arthur Ashkin發現的. 綜合命題對于表面等離子體共振、高溫超導等物理現象，以及對超聲探測、薄膜導向性、場效應管等與技術應用聯系緊密的物理現象有考核.

全國大學生物理實驗競賽的命題在基礎和綜合命題上體現了融會貫通、對學生能力培養的梯度要求. 例如，對于霍爾效應相關知識的考核，體現在第1屆基礎實驗題A、第3屆基礎實驗題A以及綜合實驗題B的命題中. 從霍爾效應及其副效應到磁阻效應的研究，再到利用霍爾效應相關知識測量樣品的電阻、霍爾系數、載流子濃度等相關參量，從原理到應用，命題內容梯度分明，考察考生能否將所掌握的基礎知識和實驗技能融會貫通，學以致用.

2 對學生實驗素養培養的新要求

全國大學生物理實驗競賽反映的不僅僅是對傳統實驗知識和實驗技能的要求，更體現了對學生實驗素養的新要求. 要求學生在具備基本實驗技能的基礎上，具有較全面的物理量和測量的基礎知識，掌握基本的生物、化學等相關科學領域的基本知識，了解實驗室安全操作規定，這些派生要求往往在基礎物理實驗課程大綱之外.

通過競賽命題，可以看到“專題式實驗教學”模式的重要性. “專題式實驗教學”可以理解為圍繞某個物理中的待測量，開展一系列的思考、探索和測量. 這種教學方法可以在教材[12-14]中找到很好的范例，即針對某個基本物理量開展教學引導. 由于物理知識的廣博深邃、測量方式千變萬化，基礎物理實驗教學盡管不可能做到在有限的學時內窮盡各種測量原理和測量方式，但仍然可以開展類似的探索.

以溫度的測量為例，基于物質的膨脹、壓力、電阻、熱電勢和輻射性質隨溫度變化的原理，可以分為膨脹式溫度計、壓力式溫度計、電阻式溫度計、溫差電偶溫度計和輻射式高溫計. 由于測溫原理和材質的不同，各種溫度計的測溫范圍不一. 按感溫元件是否直接接觸被測溫度場或者介質，又可以分為接觸式和非接觸式溫度計. 一般地，膨脹型溫度計、壓力式溫度計、電阻溫度計和溫差電偶溫度計等屬于接觸式測溫. 非接觸式測溫方法按原理來分，又涵蓋基于聲學和基于光學的測溫方法. 基礎實驗室如果配備了熱成像儀和標準黑體等裝置,可以探索熱輻射相關實驗. “專題式實驗教學”可以涵蓋基本物理量的各個方面，能夠引導學生從常見的測量儀器出發，從思維上進行拓展.

再以折射率的測定為例，在1～3屆試題中都有體現，分別使用了雙光柵Lau效應、邁克耳孫干涉儀和最小偏向角法. 除上述實驗方法外，在基礎物理實驗中，常用的在分光計上開展的測量折射率的方法還有全內反射法和布魯斯特角法，部分高校還開展了基于干涉原理的光學相干層析(OCT)方法. 這些方法的精度如何，適用于何種樣品，實驗現象有何區別，“專題式實驗教學”能夠從待測量出發，引導學生進行方法比較，深入理解相關的物理知識. 比如在測量空氣比熱容比實驗中，可以利用絕熱膨脹法、振動法和聲速法進行測量. 基于物理量開展的系列實驗，可以開闊學生視野，對知識融會貫通.

實驗技能的培養中，學生的動手能力、探索能力、閱讀理解能力同樣重要. 當考生面對一堆散件，類似于頭腦風暴，需要在短時間內能利用最基本的物理原理，搭建裝置并進行測量，例如，第5屆基礎實驗題A“液體表面張力系數的測量”，全部是散件，包括鐵架臺、玻璃器皿、乳膠管、光源等合計30余種器材，需要學生有較強的動手能力進行組裝. 第4屆綜合實驗題A中，要求學生將超導樣品焊接在低溫恒溫器上，進而利用四端子法進行電阻測量. 第5屆綜合實驗題A中，傅里葉頻譜測量成像透鏡焦距原理，以附件形式展現的內容有9頁之多. 要求考生在短時間內了解相關背景知識，掌握關鍵知識點，這對考生提出了極高的要求.

基礎物理實驗命題體現了學科交融，對學生的基本實驗素養提出了更高的要求. 譬如，第5屆基礎實驗題A“液體表面張力系數的測量”考察了2種方法：毛細管上升法和最大泡壓法. 傳統的物理實驗教材中介紹了毛細管上升法、拉絲法和拉環法等，而最大泡壓法是化學基礎實驗中常見的方法. 利用滴液產生壓差是常見的物理方法，但是考試現場許多考生沒有想到. 第1屆綜合實驗題A需要使用超聲波清洗器對表面等離子激元組件中的樣品池進行清洗. 第4屆綜合實驗題B中，材料出現了聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)的硅膠、PDMS固化劑和甲苯溶液，需要學生配置至少9種以上配比的PDMS溶液，以得到不同的折射率，搭建光路觀測切倫科夫輻射角. 盡管實驗提供了配置樣品的視頻指導，但考生還是叫苦不迭. 可見，物理實驗教學在一定程度上融入通識教育的內涵，要求學生培養科學的操作習慣、科學的思維方式，能夠在一定范圍內發現問題并解決問題.

3 對實驗室建設的啟示

從歷屆的成績來看，綜合題的考核結果普遍不理想，值得反思. 2013年至2016年及2018年，國際物理奧林匹克競賽和亞洲物理奧林匹克競賽(以下簡稱奧賽)的國家隊集訓和實驗培訓在南開大學基礎物理實驗中心進行[15-21]. 實驗中心有包括“風能及其測量”、“摩擦系數的測定”、“利用激光衍射測量螺旋結構參量”、“液體中的超聲速度”等若干套競賽儀器. 比較高中生和大學生的2種競賽命題，結合目前的基礎物理實驗課程設置，競賽主要考察學生的實驗設計能力、動手能力以及利用所掌握的知識解決問題的能力. 奧賽所提供都是基礎元件和簡單器件，對學生的動手能力要求非常高，學生要利用這些元件和器件完成實驗方案設計，搭建實驗系統，完成數據測量和處理. 反觀目前大學基礎物理實驗教學，許多儀器由于智能化和集成化較高，實驗設計和動手操作的內容很少，對于學生來說這些儀器就是“黑箱”，反而不利于學生能力的培養.

全國大學生物理實驗競賽為物理實驗教學提供了大量低成本的實驗室改進方案，可以使偏遠地區和缺乏實驗經費的學校受益. 從實驗室的建設成本來說，以測量表面張力系數的幾種方法為例，基于液滴形貌識別的懸滴法和液橋法需要CCD相機和計算機處理，增加了基礎實驗室改造成本，而毛細管上升法和滴體積法的成本都非常低，可以將單套實驗裝置成本限制在百元左右. 最大泡壓法既可以利用成本較低的滴液瓶產生負壓，也可以利用比較昂貴的氣泵裝置產生正壓，可以參考第5屆實驗競賽設計，采用成本較低的滴液瓶來產生. 基礎物理實驗室的建設在注重高精尖測量設備的配套同時，應該保持傳統的開放和自組的經典實驗，讓學生真正地動手搭建實驗裝置，增強對物理相關知識的理解.

傳統實驗課的課時、場地以及實驗室建設成本一定程度上限制了“專題式實驗教學”的開展，因此混合式的線上線下課提供了解決問題的一種手段. 相關高校管理部門應該在儀器配備上予以支持，讓學生通過實驗預習了解更多的測量方法和手段，能夠在完成若干基本測量方法的基礎上，進行更多形式的探索.

基礎物理實驗室在經費允許的條件下，應該保持一定的通用測量儀器的更新率. 例如第4屆綜合實驗題B中需要用電腦和截圖軟件測量輻射角度，現場需要學生閱讀說明書、安裝軟件并測量. 第5屆綜合實驗題A中，需要利用CCD光強儀和示波器組合完成實驗測量，將光信號轉換成電信號，用示波器直接讀出. 示波器得到的信號的讀數為時間數據，需要轉換為頻譜點的空間距離數據進行后續計算.

在基礎物理實驗框架內，磁學方面除了競賽相關的考核內容外，鐵磁材料的磁化特性研究也是電磁學實驗的重要組成部分. 我校在基礎物理實驗中開設了鐵磁材料靜態磁化特性曲線測量和鐵磁材料交流磁特性實驗，這些實驗裝置均為自制裝置，實驗內容豐富，可以充分鍛煉學生的動手能力. 所以光學實驗室要建設光學平臺上的光學實驗，鼓勵學生開展自組、自擬的開放性實驗，最大程度讓學生多動手、多思考.

4 對實驗教師的新要求

“專題式實驗教學”對實驗教師的知識體系有了更高的要求：熟悉基礎測量，了解科研前沿，緊跟行業進步，將基礎實驗升華為學生探索科研和應用前景的一把鑰匙.

傳統實驗教學中的改進無處不在. 譬如成套的實驗裝置通常采用光電門方式進行速度讀取，可以利用手機傳感器phyphox測量軟件，讓學生探討其在轉動慣量、多普勒效應等實驗中的改進. 利用攝像機加上Tracker軟件進行氣墊轉盤等實驗的數據提取. 這些簡單易行的實驗改進手段可以非常好地融入到基礎物理實驗教學中，讓更多學生受益.

2019年春季，南開大學啟動了交叉學科實驗建設項目，計劃針對化學、醫學和電子信息與光學工程3個學院的學生開設實驗課程. 譬如，對化學專業，開設熒光光譜、測量分子吸收光譜、超聲光柵測量液體聲速、測量溶液折射率等實驗；對于醫學專業學生開展液體性質測量相關實驗；對于電光學院學生，開展利用NImultisim軟件進行仿真，利用鎖相放大器進行微小阻抗測量、電阻熱噪聲測量以及二極管結電容測量等實驗；對于物理系學生，開設萬用表的制作、液晶盒的制作、照相原理等實驗，通過焊接、液晶樣品配置、顯影液的配置等操作訓練，學生具備一定的化學基本常識，養成良好的操作規范.

新時期的實驗教學對實驗教師提出了更高的要求. 全國大學生物理學術競賽(China undergraduate physics tournament， CUPT)的開展讓參與學生受益頗豐，大有第二課堂趕超第一課堂之勢. 非常巧合的是，今年是第5屆暨第10年的CUPEC，也是CUPT十周年. 在CUPT過去的10年間，參與學生和教師在不斷地成長受益.

另一方面，應該認識到大學基礎物理實驗的受眾面往往是全校的理工科學生，是更大的群體. 非物理專業學生通過大學基礎物理實驗獲得的科學的測量方法、科學思維模式的培養、分析和解決問題的能力提高，會讓學生在以后的學習研究中受益.

物理實驗是博大精深的，伴隨著科技時代進步與不斷發展. 在傳統實驗教學中不斷地注入新鮮血液，讓實驗教學保持與時代發展同步，是實驗教師的使命所在.

5 結束語

在1～4屆競賽的基礎上，從第5屆競賽開始，安排了賽后的考場開放，教師可以自由進入考場，同命題專家進行交流. 競賽期間安排了教學交流會，賽后針對考生和學校課程設置等進行了問卷調查，并且計劃于2020年年初針對第5屆全國物理實驗競賽命題開展教師交流活動. 2019年11月15日，CUPT十周年研討會也將在南開大學舉辦. 以賽促建，全國大學生物理實驗競賽期待以更加開放的形式促進物理實驗的教育教學發展.

致謝：感謝第5屆全國大學生實驗競賽命題組和競賽組委會的各位專家！感謝各高校國家級物理實驗教學示范中心、國家理科基礎科學研究和教學人才培養基地物理學專業點、國家工科基礎課程物理教學基地等的鼎力支持！感謝南開大學物理實驗教學中心及物理科學學院參與競賽籌備的各位老師！感謝天津市物理學會、南開大學設備處和教務處、大賽參展廠商等單位對賽事的支持！