基于新工科理念的物理實驗教學資源建設新途徑的探索

吳小平，朱暉文，李超榮，劉愛萍，陳瑞品，李小云

（浙江理工大學理學院浙江省物理實驗教學示范中心，杭州 310018）

0 引言

新技術、新業態、新模式等新經濟的發展對各類人才的基本科學素養、創新遷移能力等都提出了新的更高的要求。為了落實新時期人才培養，引領我國高等教育改革、推動我國邁向高等教育強國，教育部推出了以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，以培養未來多元化、創新型卓越人才為主要目標的新工科等建設的重要戰略舉措［1-2］，并于近期頒布了《教育部辦公廳關于啟動部分領域教學資源建設工作的通知》（教高廳函〔2020〕4 號），決定啟動部分領域教學資源建設工作，探索基于新工科理念的教學資源建設新路徑，推動高等教育“質量革命”［3］。我校理學院物理實驗中心在推進“新工科”建設過程中，就如何進行新工科人才培養以及與之相匹配的物理實驗教學資源建設上進行了一系列的探索，并取得了一些成效。

1 “新工科”人才培養的基本內涵與人才培養現狀

《國家教育事業發展“十三五”規劃》指出：要培養學生具有獨立而有批判性思維和能夠適應不斷變化環境的能力［4］；中國工程教育專業認證協會在工程教育認證標準中對本科生畢業要求更突出地體現在利用科學原理解決問題的能力要求［5］；《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》也指出：未來新興產業和新經濟需要高素質復合型的人才，他們不僅在某一學科專業上學業精深，而且還應具有學科交叉融合的特征［6-7］。因此，創新能力成為新工科人才培養的核心指向，批判性、綜合性、跨學科、人文情懷等已成為現代高素質創新人才培養的基本內涵［8-13］。然而，在目前的創新人才培養中存在著批判性、創造性思維培養不足，人文、理學等基礎知識學習不厚實，與新工科人才培養相匹配教學資源不足等問題。

物理實驗是現代科學發展的先驅和創新的源泉，物理實驗教學可以激發學生創新天性，引導學生掌握創新工具（方法論、方法、技術），形成創新習慣，物理實驗在培養學生與科學發展相適應的綜合能力中有著無可替代的作用。因此，探索新工科理念下物理實驗教學資源建設途徑和人才培養新模式，解決創新人才培養過程中由于物理基礎知識學習不深厚，而嚴重影響新工科人才的創新能力與水平的問題是非常有必要的［12、14］。

2 物理實驗教學資源建設新途徑

2.1 中學為體，用中華智慧創建新工科理念的物理實驗教學新體系

繼承和弘揚中華優秀教育思想，用中華智慧創新新工科人才培養新體系。所謂的學習，《辭源》說：“學”乃“仿效”也，通過觀察、模仿、復制、內化來獲得知識；“習”乃“復習”也，即以復習鞏固來提升個體的能力，以便能夠適應現實的自然環境和社會環境。《論語》中“學而時習之，不亦說乎？”朱熹在《四書集注》中的見解是：學而又時時習之，則所學者熟，而中心喜說，其進自不能已矣。《禮記大學》中有云：物格而后知至，知至而后意誠，意誠而后心正，心正而后身修。

中學為體，依據以上的中華智慧，創建“文化引領、自主學習、實踐創新”的物理實驗教學體系。設計開放式的物理實驗教學模式，即更加注重實驗的開放性而非驗證性。如增加無形的力、空中成像、穿墻而過、液晶玻璃、會導電的布、意念彎勺、太陽能發電等趣味性、探索性和啟發性的物理實驗項目［15-16］；學習拓展系列經典的、具有里程碑作用的物理實驗，形成一批綜合性、設計性、創新性的實驗項目，如光電效應、激光原理等實驗；引導學生改進實驗方法、自制實驗儀器，如：分光計可視化調節支架及設備［17-18］、一種原子力顯微鏡模擬實驗裝置［19］、一種熱電壓電裝置控制系統［20］、利用PSD器件的固體線膨脹系數測量實驗裝置等。營造獨立思考、自由探索、勇于創新的學習環境，倡導一種啟發式、討論式、參與式、探究式的學→習→創新教學模式，實現學思結合、知行統一。

這部分趣味性、探索型的物理實驗內容還很好地滿足了人文、社科類學生和青少年對自然科學學習的需求。為普及科學知識、促進學生學以致用服務社會，學院依托物理實驗教學示范中心成立青少年科普教育基地，并于2018 年獲浙江省科普教育基地稱號。近年來，科普基地年均服務近萬人，讓科學知識與科學精神在青少年心中扎根，激發他們的創新創造能力，為提高全民科學素養貢獻智慧和力量。

2.2 西學為用，挖掘系列諾貝爾物理學獎實驗中蘊含的隱性教學資源

諾貝爾物理學獎系列事件是一座豐富的知識寶庫，是學生學習物理實驗不可或缺的內容。諾貝爾物理學獎系列實驗中除了具有巧妙的方法和精湛的實驗技術外，科學巨匠們身上具備的堅韌研究品質、敢于質疑權威的創新思維和探索真理的執著精神更是學生學習物理實驗不可或缺的內容。因此，在物理實驗教學中，通過詮釋邁克爾遜干涉、拉曼效應、光電效應、霍爾效應、塞曼效應、掃描隧道顯微鏡、原子光譜、居里溫度測量、X射線衍射等這些具有里程碑作用的諾貝爾物理學獎實驗的背景，展示其中物理學家的人文情懷、科學思想和實驗方法以及實驗中呈現的美學特征，有效促進愛國情懷、社會責任、國際視野的高素質創新創意創業卓越人才的培養［19］。例如，美國物理學家邁克爾遜和莫雷為研究“以太”漂移而設計制造出邁克爾遜干涉儀，邁克爾遜干涉實驗結果否定了“以太”的存在，被稱為物理史上“兩朵烏云”之一。通過詮釋邁克爾遜干涉實驗的背景，培養大學生的批判、創新精神。通過光電效應實驗、居里溫度測量等實驗，引導學生查閱背景資料以及課外閱讀愛因斯坦的《我的人生觀》《居里夫人傳》等資料，培養大學生探索未知、追求真理的科學精神，樹立奉獻社會的人生觀，倡導愛國、敬業、誠信、友善的人文情懷。通過霍爾效應實驗，介紹美籍華裔崔琦以及清華大學薛其坤院士及其團隊在量子霍爾效應的最新成就，培養學生探索未知、勇攀科學高峰的責任感和使命感以及家國情懷。隱性資源在教學中的應用可以貫穿于課前預習、課堂匯報、實驗報告以及期末考試中。也可以把這些背景資料整理成文本，錄制成音頻、視頻，以音頻、視頻二維碼等形式落實于教材里。挖掘并利用實驗中蘊含的隱性教學資源，不僅可以增加學生的學習興趣，更重要的是讓學生感受科學發展中蘊藏的人文精神，從而促進新工科人才批判性、創新性、人文情懷的養成，在教學中進行立德樹人的引領。

2.3 因勢而新，把最新研究成果及時融入實驗教學

因時而進、因勢而新，依托我校物理系浙江省光場調控技術重點實驗室、浙江省凝聚態物理重點學科、浙江省一流學科（A類材料科學與工程方向）、浙江省新興特色專業（光電材料與器件方向）建設、浙江省“雙萬計劃”一流專業（應用物理學），緊密結合浙江省新材料、新能源、高端制造、信息處理等九大新興產業戰略布局和特色小鎮建設規劃對人才培養的需要，對系列諾貝爾物理學獎實驗在內容上由淺入深、在環節上由理論到應用拓展，落實“文化引領、自主學習、實踐創新”的學習體系，開展“回顧歷史，觸摸現在，預見未來”的教學模式，學習范例見表1。

表1 “文化引領、自主學習、實踐創新”的學習模式（范例）

特別是結合我校以紡織為特色的浙江省重點建設大學的特點，根據紡織工程學科的特點及發展趨勢，針對智能服裝、可穿戴設備的發展要求，自主研發柔性器件、靜電紡絲、光譜技術分析等新實驗。校企合作，開發薄膜太陽能電池材料表征及測試、薄膜光電器件結構分析、矢量光場的產生與測試、增強現實全息實驗、掃描電鏡微觀結構及表面成分分析、虛實結合的傳感器原理及應用等實驗；開展高可靠多路輸出電源的研究、基于藍牙通信的物聯網智能表的設計、基于無磁檢測技術的智能表研究等創新性研究。為將這些教學成果固化，新編出版《光電材料與器件綜合實驗》《近代物理應用實驗》等教材，新增近代物理應用實驗、材料表征技術實驗等課程。到目前為止，全校每年有近700 多名學生修學近代物理應用實驗這門課程，有效推進了物理實驗技術在工程實踐中的應用，提高了新工科人才跨學科、綜合性等創新能力，對產業經濟的轉型與持續發展起到有效的支撐作用［17］。

2.4 運用新技術創新物理實驗教學新模式

推進現代信息技術與物理實驗教學的融合。一方面，將傳統教學中缺少的物理人文文化錄成音頻，將實驗內容與步驟以及學生學習成果拍成視頻，將視頻與音頻以二維碼的形式印于教材，作為預習內容，支持學生建構式學習與創新能力培養。另一方面，把互聯網新技術和基于人工智能概念的傳感器技術引用到實驗教學中來，實現實驗遠程共享操作功能。比如，利用藍牙技術、無線傳感器和Sparkvue 軟件，實現用手機進行光電效應實驗、弗蘭克-赫茲實驗、霍爾效應、理想真空二極管綜合實驗、PN結特性和玻爾茲曼常數測量等實驗數據測量與分析；利用軟件接口共享功能，實現電腦、平板、手機等設備在同一個局域網或不在同一個局域網內共享，這樣學生在家里也可以在自己的電腦、平板或者手機上看到老師做實驗和實驗數據采集過程；同時老師設置放權功能，學生在自己軟件頁面也能控制實驗數據的采集，從而實現實驗遠程共享操作功能。現代信息技術與實驗教學項目深度融合，有效拓展了物理實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間，為創新人才培養提供了超越時空限制的知識獲取途徑，可以有效解決與新工科人才培養相匹配的實驗教學資源和實驗實踐平臺短缺的問題。

3 實踐效果

基于新工科理念，探索了將中華優秀傳統文化元素、諾貝爾物理學獎系列事件、科研成果及時轉化、產學合作協同育人項目、現代信息技術融入物理實驗教學的物理實驗優質教學資源有效建設的新途徑，推進了“文化引領、自主學習、實踐創新”物理實驗教學體系的構建和物理實驗學習模式的創新。學生通過課前預習，回顧歷史，了解科學知識、實驗技術、實驗方法產生的歷史背景，感受其中人性光輝，培養學生具有獨立而有批判性思維和能夠適應不斷變化環境的能力；通過課堂實驗，觸摸現在，掌握科學知識、實驗技術、實驗方法；通過課后探索，對所學知識的進行創新實踐，預見未來。這種“三維現實+時間”的四維立體物理實驗學習模式幫助學生確立正確的世界觀和科學思想，啟發學生的創新思維與創新意識，提高了學生學習物理的有效性，從而解決了由于物理基礎學習不厚實，嚴重影響創新人才創新能力與水平的問題。物理實驗教學育人效果顯著，以我校應用物理學專業學生培養為例，3 年來，本科生獲大學生“挑戰杯”“互聯網+”創新創業大賽等省賽二等獎及以上17 項；學生發表SCI、EI收錄論文10 余篇，獲國家專利20 項，國家大學生創新創業訓練計劃項目12 項，新苗項目28 項。升學率屢創新高，2017～2019 年的升學率分別為33%，50%和51%。“文化引領、自主學習、實踐創新的物理實驗教學體系的構建與實踐”獲2016 年浙江省教學成果二等獎，“近代物理技術助力現代紡織創新人才培養的探索與實踐”獲2019 年中國紡織工業聯合會教學成果三等獎。

4 結語

面對新技術、新業態、新模式、新產業等新經濟的發展，基于新工科人才培養的要求與“中學為體，西學為用，因時而進、因勢而新”的理念，有效建設了物理實驗優質教學資源庫，優化教育教學條件，推進了物理實驗教學方法改革，在資源建設中培養教師隊伍，激發文化傳承，樹立文化自信，推動物理實驗教學從以“教”為中心向以“學、習”為中心轉變，實現了“價值塑造、知識傳授和能力培養”的有機統一。