以學啟創 以創促學 構建物理學引領多學科融合的創新實踐教學模式

摘 要 本文以激發學術志趣、提升創新能力及科學素養、提高創新人才培養質量為目標，構建了物理學引領多學科融合創新實踐教學模式。該教學模式下，多學科學生融合組隊，以物理學專業學生為領隊，歷經雙創課程的前期理論培訓、實訓基地動手實操到成果輸出，協同完成創新研究項目。經過創新實踐教學模式的全過程錘煉，學生們意識到學習物理的重要性，提高了對物理的學習興趣。創新實踐教學模式的實施，全方位培養了本科生主動、探索、批判、思維、表達、適應環境及自主發展的科學素養，有效提高其多學科融合能力、創新能力、發現和解決有價值問題及團隊協作等綜合能力。

關鍵詞 物理學;多學科融合;創新實踐;教學模式;雙創課程

過去的十幾年里，隨著“錢學森之問”的提出，國家越來越重視創新人才的培養。在教育部的大力推廣、扶持下，卓班教育計劃相繼出臺，全國高校的各類“創新班”也如雨后春筍般相繼成立[1-2]。在此期間，人們也越來越意識到“創新人才”與“應試人才”的重要區別，怎樣通過創新實踐教學激發學生的創新意識、培養創新性思維、提高創新能力才是創新人才培養的重中之重[3]。但是，目前國內高校創新實踐教學依然面臨如下幾個亟須解決的問題：一是，當前我國科學技術出現瓶頸困難，致使創新發展遇到“卡脖子”的問題，其主要原因之一是由于基礎學科創新能力不足[4]。而基礎學科創新能力不足則主要是由基礎學科學生缺乏創新實踐鍛煉，以及其他學科學生忽視基礎學科在生產實踐中的重要性而導致的。二是，大多數創新實踐教學模式存在嚴格按學科劃分的弊端[5-6]，忽視了交叉學科團隊協作創新的重要性，導致創新訓練面過窄、創新課題缺乏、普及面低等問題。三是，一般的創新實踐訓練依然是指導教師預設題目、學生參與，忽視了鍛煉學生發現問題能力的重要性[7-8]。解決預設問題與解決自主發現問題并非同等價值的創新能力，它們是創新能力培養的遞進關系，能夠發現有價值問題的能力才是創新、探索、批判、自主發展的源泉。如何解決以上創新實踐教學中的問題，則是我國高校創新人才培養能否到達教學目標的關鍵所在。

針對以上問題，本文以物理學引領科技創新為主線，依托“大學物理創新實訓導論”雙創課程，培養和激發多學科學生融合創新意識;通過完成一系列協同創新項目、學科競賽，使學生體會物理學在實踐、生產、創新中起到的重要指導作用，喚醒學生對物理學的學習興趣;在實踐育人過程中，以成果輸出為激勵，從物理原理出發，通過啟發、引導、輔助的教學方法鍛煉學生發現問題、解決問題的創新能力，達到“以學啟創、以創促學”的創新實踐教學目的。

1 構建物理學引領多學科融合創新實踐教學模式

吉林大學物理學院面向全校理、工、農、醫、信息等學部 75 個專業、7000余名本科生開設大學物理及大學物理實驗課程，基于教師團隊長期以來在本科生創新實踐方面取得的系列經驗和成果，依托物理雙一流基礎學科的優勢，我們構建了以項目為驅動，以物理學引領多學科融合為基礎，以成果輸出為激勵并反哺教學的創新實踐教學模式（如圖1所示）。該模式主要面向已修完大學物理課程的本科學生。教師團隊針對全校各學院有序組織宣講，感興趣、有余力的優秀本科生自愿報名加入創新實踐活動。

1.1 申請并獲批“大學物理創新實訓導論”雙創課程建設

由于創新實踐活動的多元化，如開放性創新實驗項目、大學生創新創業項目、全國大學生物理實驗競賽、中國大學生物理學術競賽等，對于不同類別的項目（賽事），指導教師需要分別協調不同專業學生的課余時間，借用教室或實驗室對項目進展進行面對面討論、指導及推進，重復性勞動極大降低師生工作學習效率。為此教師團隊于2020年5月申請并獲批了雙創課程———大學物理創新實訓導論，在走進實驗室開展實驗之前，我們將所有報名的學生組織在同一課堂中。第一階段，教師以授課方式為學生們講解完成項目及賽事的一般流程、規則及相關基礎知識，包括論文、專利、創新項目立項申請書的撰寫方法等;組織物理學引領科技前沿講座;對歷年優秀或獲獎項目開展案例教學，對項目設計背景、實驗設計、方案實施及項目優點和不足等進行模塊拆解分析，并組織學生討論，使學生初步了解總體流程及框架。第二階段，以物理學專業學生為負責人（凸顯物理學知識、思想及方法在實踐活動中的指導作用）、多學科學生自主組隊，以團隊形式落座，在教師團隊引導和輔助下，學生獨立完成與項目匹配的實踐調研、查閱文獻、確定選題、設計方案及分析、解決可能遇到的問題等。學期末，學生撰寫立項申報書，通過現場答辯后，進入到實驗室開展實驗階段。

大學物理創新實訓導論課程經過三個學期的嘗試和運行，得到師生的一致認可。雙創課程的開展，化零為整，避免了師生的重復性工作、提高了效率;暢所欲言、自由的課堂形式激發了學生的學習興趣，拓展了學生思維與探索的空間，搭建了友誼的橋梁。

1.2 依托國家級物理實驗教學平臺，建設大學物理創新實踐教學基地

整合優化校院優質教研資源，充分調動師生積極性，經過調研、設計及實施，我們建設了大學物理創新實踐教學基地。目前學院已開設8個專用創新實踐活動室，面積約500平方米，室內配置實驗所需所有基本儀器及實驗附件，教師團隊根據具體項目情況實時補充或更新儀器及備件。為提高學生學習質量及效果，學院正進一步將其打造成開放的、現代化管理的智能實踐教學基地[9-12]，有利于引導和鼓勵學生廣泛開展自主學習、合作學習和研究性學習。

1.3 以成果輸出為激勵，喚醒學習物理的原動力、激發學習興趣、反哺物理教學

學生參與創新實踐活動，歷經項目申報書撰寫、立項答辯、結題答辯等流程最終完成項目，成果輸出包括實物器件展示、專利申請、論文撰寫及學科競賽獲獎等形式。在此過程中，學生能夠深刻體會到物理學對幾乎所有應用學科的實踐都是有指導作用的，并理解近代幾乎所有科技變革都是由物理學的研究突破引發的，進而意識到學習物理的重要性，喚醒學生學習物理的原動力。

若干優秀成果將陳列于演示實驗室或課堂中介紹給學生，激發學習興趣、反哺物理教學。成果輸出使學生體會到成就感和自豪感，有些學生會參加下一輪的創新實踐活動，或口碑相傳給學弟學妹們。近三年來，我校本科生的創新實踐活動參與度呈明顯上升趨勢，不少學生是慕名而來，人數逐年遞增，充分體現了“物理學學習—多學科融合—創新實踐—成果輸出”閉環實踐教學模式的培養優勢。

2 創新實踐教學模式下成果舉例

基于以上創新實踐教學模式，以學生為主體，課堂上實驗室中教師適度啟發、引導學生思考、拓展、延伸，學生們相互支撐、相互補充、共同配合，逐步完成全過程創新活動。下面列舉一個實例。

在學年開學初，指導教師團隊對全校各個專業本科生做校級公選課“大學物理創新實訓導論”開課前宣講，介紹課程內容、先期實踐成果及教學模式，學生報名選課，學生人數上限暫定為30。課程主要分為兩階段，第一階段教師授課為主，以講課、案例分析、講座、成果分享等課堂模式使學生了解項目及賽事相關內容;第二階段學生以組/團隊為單位圓桌落座，各團隊課堂匯報討論為主，教師適度參與引導為輔。第一次即首次開課教師擬題為主，第二輪熟悉課程及教學模式后學生擬題為主，教師擬題為輔。其中一個題目出自2018年中國大學生物理學術競賽（CUPT）關于莫爾條紋形成原理的探究，莫爾條紋是指光柵常數在毫米、微米級的粗光柵成一定角度疊加在一起后，形成的規律性的明暗相間的條紋，這在生活中是十分常見的物理現象，遮陰視覺原理可解釋這一現象。指導教師與學生針對題目內容進行深入探討，當學生學習了光柵知識、查閱文獻了解到莫爾條紋現象后，第二階段課堂中（各團隊匯報擬研究內容及初步方案）教師繼續組織學生開放性討論，引導學生思考莫爾條紋成像規律在現實生活中會有哪些應用。仔細觀察、分析與討論后，學生發現莫爾條紋形成的規律性圖案與光柵常數有緊密的相關性，那么就可以利用莫爾條紋的成像原理檢測毫米及微米級光柵的光柵常數，再進一步，若已知光柵常數，即可測量織物的密度，而織物密度是衡量織物質量與用途的最重要參數，測量織物密度在工業生產中是十分重要的一環。經過多次探討確定了研究內容及方案，該小組同學完成了大學生創新創業項目立項申報書的撰寫，通過答辯考核結束選修課程的學習。

為了驗證可行性，學生們進入實驗室開展研究。如圖2所示，在亞麻布上放置我們自制的粗光柵，的確出現了相當明顯、規律的莫爾條紋。利用遮陰原理進行幾何推導出

我們發現亞麻布的經、緯織物密度僅與粗光柵的光柵常數（q+p）、光柵與亞麻布線的夾角θ、莫爾條紋與水平線的夾角α 有關，只需測量出這幾個量就可算出亞麻布的“（a+b）常數”，進而計算出亞麻布的織物密度，如圖3所示。

為了進一步驗證結論的正確性，我們利用顯微鏡人為數出亞麻布的線根數作為標準值與實驗測量值進行比較，結果如表1（經線密度測量表）、表2（緯線密度測量表）。在實驗中我們采用不同光柵常數的標準粗光柵進行測量，在選用比較恰當的光柵常數及織物與光柵夾角時，測量結果的相對誤差最小可以控制在1%左右，遠高于工業生產的測量精度要求。

最后在成果輸出方面。該團隊成功申請了國家級大學生創新創業項目立項，并獲得優秀結題;同時，指導教師將此項目內容在校內申請了開放性創新實驗，學生可根據興趣選修學習;師生依據項目研究結論，撰寫了一項發明專利（專利號：201910715525.6）和一項實用新型專利（專利號：ZL201921250075）。

3 實施效果

物理學引領多學科融合創新實踐教學模式，從2020年實施至今，已有100多名學生參與，師生獲得國家級、省級競賽獎項30余項;授權實用新型專利6項;授權發明專利4項;發表教研論文5篇。70%的學生選擇讀研、讀博或繼續從事科研深造，并在相關研究部門受到師生的一致好評。未來我們計劃依托該創新實踐教學模式，建設并壯大指導教師團隊，使更多的學生受益。

4 結語

圍繞重視基礎學科學習、激發學術志趣、提升創新能力及科學素養、提高創新人才培養質量為目標，本文構建了以項目為驅動、以物理學引領多學科融合為基礎、以成果輸出為激勵并反哺教學的創新實踐教學模式。多學科優秀本科生以雙創課程為入口，歷經相關理論培訓及課程考核后，進入大學物理創新實踐教學基地開展實驗，完成成果輸出。創新實踐教學模式經過近三年的探索與實踐，取得了較好的效果：提高本科生學習物理學興趣的同時，有效激發本科生學術志趣、提升科學素養、培養融合創新等諸多綜合能力。

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