適合物理拔尖人才培養的物理實驗教學模式探索

鮑德松，鄭 遠，王業伍

（浙江大學 物理系，浙江 杭州 310058）

物理實驗作為培養學生綜合素質和創新能力的實踐課程，對學生素質培養、能力提高和品格塑造具有理論課無可替代的重要作用，而本科人才培養模式是決定創新人才培養質量的重要基礎。探索注重個性發展和協作創新的實驗教學體系是目前物理實驗教學改革的一項重要內容[1-5]。創新能力有賴于一定的基本能力與素養，并在此基礎上經過長時間的訓練才有可能建立[6-14]。我校物理實驗教學中心始終堅持夯實基礎、強調實踐、鼓勵創新的教學模式，以下介紹我們在物理拔尖人才培養過程中對物理實驗教學平臺的構建，以及所取得的成效。

1 物理實驗教學平臺的構建

我校物理學拔尖創新人才培養模式于2010 年啟動，十年來始終以培養物理學科領域領軍人物為宗旨，注重創新人才培養過程，實施科學思想的養成和科學能力的訓練。經過多年探索實踐，整合了各種教學資源，構建了適合拔尖人才培養的實驗教學體系，基本滿足了物理學科拔尖學生共性與個性的培養需求。

1.1 教學團隊建設

大學物理實驗本身具有教學內容的基礎性、教學過程的實踐性以及教學方法的研究性等特點，其目標是為學生夯實基礎、筑牢根基，而物理學拔尖創新人才培養對師資隊伍建設提出了更高的要求。為了培養學生自主學習能力，我校物理實驗教學中心調動物理學系教學科研一線的全部教授，組建了秉承“強化基礎、激發興趣、提升能力、驅動創新”理念的實驗教學團隊。在強化學生基本實驗技能、數據采集與數據處理訓練的基礎上，構建了由教授指導、以各研究所為基地的本科生實驗教學平臺，包括科研基礎訓練平臺、科研能力訓練平臺和特色專業研究平臺[2]，有序進行由科研成果向物理實驗教學的轉化，以科研成果反哺實驗教學，保證實驗教學與教學資源建設的良性循環。

1.2 以演示實驗為載體實現互動式實驗教學

通過對物理現象與過程的展示，物理演示實驗把難以理解的概念和理論知識轉化成直觀的圖像，消除了學生在學習中因抽象、枯燥而產生的厭煩心理。將物理演示實驗納入物理實驗教學，并在理論教學課堂上以物理演示實驗為載體，能夠打破理論與實驗教學的界限，激發學生的興趣與熱情，提升學生課堂參與度。在此過程中，讓學生自主選擇理論知識點作為研究選題，制作相應的演示儀器，強化實驗與理論相結合的學習效果。從實驗選題設計到裝置搭建測量，從數據采集分析到物理建模模擬，直至最后的成果總結，都由學生自主完成，使學生的實驗素質得到全方位提升。這一演示教學突出了過程互動性，加強了理論知識的課堂講授效果，豐富了實驗教學手段，改進了現有灌輸式的教學模式，消除了學生的被動心理，激發了學生的主觀能動性，使理論教學與實驗教學相得益彰。尤其各環節順暢銜接的進階式學習，不僅培養了學生扎實的基本技能與實踐能力，而且在激發學生求知熱情的同時，提高了學生的科學創新思維，開拓了學生的科學視野。

以2019 年中國大學生物理學術競賽第6 題為例。該題為用吸管吹氣使兩顆相連的鋼球高速旋轉問題（hurricane balls），這是經典剛體力學教學的一個生動而全面的實例。一般在理論教學中，往往是先通過演示兩顆鋼球的運動狀態（見圖1），使學生清晰地觀察物理現象并很快進入學習情境，然后結合理論知識進行圖文并貌的受力分析，將與剛球相關的轉矩、轉動慣量、角速度、質量、幾何尺寸及摩擦力等概念通過拉格朗日量以方程形式聯系起來，實現從演示實驗到理論模型的過渡，理論教學便可在此基礎上展開。

圖1 剛體運動示意圖

而在實驗教學中，應區別于理論教學，適當減少公式推導，使學生抓住如下關鍵物理規律：①當兩鋼球轉速較高時，受摩擦力作用進入無滑滾動狀態，從而抬升一側鋼球；②在無滑滾動限制下，抬升角與小球轉動角速度以一固定形式正相關；③存在小于90°的最大抬升角，它與兩顆小球在兩個垂直方向上的轉動慣量有關。

通過分析不同半徑鋼球的運動規律，結合高速攝像記錄實時數據，分析鋼球半徑、剛體轉動角速度以及抬升角之間的關系，如圖2 所示。驗證了抬升角與轉動角速度及鋼球半徑之間存在如下關系：

圖2 抬升角與轉動角速度的關系

1.3 成績評定注重過程與結果

教學的價值在很大程度是產生于過程的。只有采用與教學體系相適應的考評方法，才能全面釋放教學潛力。在成績評定中，采取過程與結果相結合的評定方式，并增大過程考評所占比重，力求使基礎理論學習與實驗技能訓練完美結合。通過演示實驗教學、研究型課題自主學習、開放實驗室、線上線下聯動等措施，可以拓展學生的學習空間，增加學生的實踐時間，也使教師能通過更多維度考察學生的基本實驗技能、動手能力、分析及解決問題能力、交流表達能力、科學研究能力、團隊協作精神和創新意識等。教師通過組織口頭匯報、討論辨析、數據報告等，能夠實現對實驗教學的過程評價管理，有助于培養學生良好的實驗意識和實驗行為方式，使學生逐步擺脫由灌輸式實驗教學產生的被動感，取而代之的是由興趣帶來的自發的積極投入。

2 物理實驗教學成效

2.1 將學科競賽融入實驗教學

我們將學科競賽融入實驗教學，引導學生自選研究題目，提煉物理內涵豐富的競賽問題，與實驗教學選題緊密融合，由教師團隊協作配合，給學生提供銜接緊密的教學過渡，實現實驗與理論、競賽與教學的高質量融合。這些學科競賽包括中國大學生物理學術競賽（CUPT）、中國大學生物理實驗競賽、浙江省大學生物理科技創新大賽等。這一舉措在促進學生個性化發展的同時，提升了學生的整體學業水平，培養了學生初步的科學研究能力、良好的實驗習慣和嚴謹的科學作風，將本科生科研能力、實驗技能的培養落實到了物理實驗教學的全過程。同時，將競賽與教學相結合進行演示實驗儀器的創新，喚起學生的強烈求知欲，使學生變被動學習為主動探索，將知識的吸收與運用過程完美結合。例如，在“物理學實驗II、III”課程中，將競賽內容融入其中，以競賽促教學，使學生主動調研物理教材和科研文獻，自發思考理論模型的建立、實驗裝置設計、測量方案制定等，并自主完成處理實驗數據、歸納研究結果、形成研究結論，最終完成實驗課程的全過程。

2.2 實驗教學對學生培養的貢獻

自2015 年以來，我校代表隊在全國大學生物理學術競賽獲三次特等獎、兩次一等獎，在華東地區物理學術競賽獲一次特等獎，在全國大學生物理實驗競賽獲三個一等獎，在第八屆、第九屆、第十屆浙江大學大學生物理創新競賽（實驗和理論）獲八個一等獎，在2017 年浙江省第十五屆挑戰杯·富陽大學生課外學術科技作品競賽獲特等獎，在第十五屆“挑戰杯”中國銀行全國大學生課外學術科技作品競賽獲一等獎。在歷年參加競賽的學生中，有13 名學生前往麻省理工學院、哈佛大學、普林斯頓大學等國際一流大學深造，并有學生在《Physical Review Letters》《Nature Communications》和《Optics Express》等期刊發表文章40 余篇。10 余件由學生結合各種學科競賽開發的優秀作品投入演示實驗教學，包括超聲懸浮、μ子探測、多吸引子混沌電路、旋風小球等，其中多吸引子 混沌電路裝置獲2016 年全國高等學校物理實驗教學自制儀器評比二等獎，并已在國內多個高校物理實驗教學中推廣使用。

3 結語

我們的教學模式打破了理論教學與實驗教學的界限，形成了由現象到理論、由直觀到抽象、由淺顯到深刻的循序漸進式的互動教學過程，使學生在物理實驗的基本知識、基本方法和基本技能方面受到系統訓練，在初步的科研能力、良好的實驗習慣和嚴謹的科學作風上得到有效培養。在教學的各個階段，我們給學生提供了緊密銜接的教學過渡，使對本科生實驗技能和科研能力的培養落實到了物理實驗教學的全過程。