新時代物理實驗課程建設探索

摘 要 物理實驗是理工科學校培養學生自主學習能力和實踐創新能力的基礎核心課程，面向科學前沿和國家需求的人才培養在新時代也有了新的要求。本文圍繞新學院物理實驗教學課程建設所面對的問題，基于“提高學生發現、分析和解決實際問題的能力，以及通過實驗探索新知識的能力”的實驗教學理念，并結合目前提倡的“基礎—深入—提升—拓展”四層次實驗教學模式，重新梳理知識點，使高年級的綜合實驗在知識、技術和規范3個維度分解的相關要素穿插在低年級的實驗項目中。在實驗教學改革中將裝置模塊化、可視化，儀器數字化、通用化，使之更適合于問題導向和自主學習的教學方式，并取得初步成效。

關鍵詞 實驗教學;課程體系;知識拼圖;多層次;教學模式

1 新建學院物理實驗課程建設問題及機遇

隨著數字技術的高速發展以及新時代國家與科學前沿對科研人才素質的需求不斷提高，包括教學內容、教學方法和教學模式在內的原課程體系支持能力不足，物理實驗課程遇到一些普遍性問題：

（1） 實驗教學的內容與方法，往往受限于所采購的實驗儀器，且不少儀器是集成一體的結構，與教學理念相違背;看重驗證理論知識，物理建模與具體實驗裝置、實驗條件的聯系不足;

（2） 教學模式較為單一，不利于滿足學生興趣和差異化發展的需求;

（3）不少剛剛入學的學生對實驗課的目的和意義認識與教師期待的不相符，他們習慣以學習理論知識的方式和要求對待實驗;如以“用最少的時間做出標準結果”為衡量好實驗的標志，習慣套用公式解釋實驗數據，而忽略公式背后的物理圖像。

上述問題不少是國內實驗教學中的共性問題，許多院校做了不少探索和改革。如北京大學以科研引領實驗教學的改革以適應新技術和新理論發展[1]，中國科學技術大學的英才物理實驗教學試點以適應學生個性化、差異化發展的需求[2]，同濟大學引入混合式教學模式實現“學生主體、教師主導”的實驗教學[3]，中山大學國家級物理實驗示范中心引入數值仿真打通理論物理、實驗物理和計算物理研究思維、并使實驗可視化[4，5]，東北大學在“基礎—進階—高階”實驗模式下引入信息化教學手段，提升學生實驗設計能力和解決問題能力[6]。

成立于2015年的中山大學物理與天文學院位于珠海校區，2016年開始招生并服務珠海校區物理教學。建設資金與實驗場地相對充裕，為統籌改進上述問題提供了機遇和后發優勢，但也面臨新教師經驗不足等問題。參考兄弟院校的經驗，對照《大學物理實驗課程教學基本要求（2010版）》[7]（后簡稱《基本要求》），我們探索適合于自己特點的物理實驗課程建設。

2 物理實驗教學課程建設探索

2.1 問題分析

實驗教學的目的不是系統地講授知識，而是培養學生的物理（實驗）思維，培養運用知識解決實際問題的手腦協調能力;培養學生通過自主實驗學習知識、鞏固知識和發現新知識的能力。試問在互聯網優質網絡課程資源日益豐富的環境下，尤其是在人工智能高速發展的今天，學生非到學校才能獲得的教學資源是什么？ 最容易想到的是實驗室，以及與一流教師和優秀同學形式多樣的現場互動的教學方式。讓學生明白實驗教學在人才培養中的重要性很有必要。

一項實驗內容對理論課來說是一個知識點，但對一個深入的實驗就是一個知識點群：除實驗原理的知識點外，還包括支持實驗的相關技術、保證實驗安全和少走彎路的操作規范、真實的實驗裝置與理想假設的差異，以及不可隔離的環境因素作用等。盡管能力的訓練不依賴于具體實驗內容，但仍可根據認知規律和知識的內在邏輯，選擇有利于加強知識體系建立、與其他科目和技術關聯的知識點，包括對未能在理論課充分講授的知識點，以實驗教學的方式進行補充或加強。這些知識點的選擇和組織遵從的原則是：在技術和規范層面扎實，在方法、方案和思考層面上放開。考慮到學生實驗能力的差異大和實驗教學自主性強的特點，在無分級的課程體系下，有必要設置具有彈性和可塑性的實驗內容和要求，以適應不同的學生個性需求。

此外，實驗是培養實事求是科學精神有力方式，是“實踐是檢驗真理的唯一標準”的唯物觀的最好體現;區分事實和觀點及其表述方式———客觀描述現象和實驗原始記錄，與分析、推測的不同，是春雨潤物般的思政元素和課程思政的體現。

隨著學院的發展和定位的不斷明確，逐漸調整課程建設內容，糅入學院特色———加強與量子、精密測量物理、天文觀測與空間科學實驗等內容的關聯，引入相關的、已有長足發展的當代實驗技術，包括現代傳感器技術、數字化測量技術與儀器、計算技術、仿真技術以及互聯網技術，遙測與遙控技術。現在學生已普遍自備筆記本電腦，習慣網上搜索與閱讀，計算機編程已得到普遍重視并成為本科標配課程，這都為實驗教學改革提供了豐富的技術支撐和可行性。

2.2 對策措施

2.2.1 提高認識

針對新生對實驗課的目的和意義認識不足的問題，首先在教師集體備課時多講實驗教學理念，統一認識;在實驗課緒論、與學生討論問題時對學生（重復）講解實驗教學的方式和要求與理論課的差異，更新觀念。講解什么是實驗以及測量的本質。自始至終要求學生按規范客觀如實記錄實驗現象和數據，尤其鼓勵記錄那些與預想不一致的異常現象，要求對自己所記錄信息負責（簽字）;對于用平板記錄的數據，為防止修改，要求在簽退前上傳已簽名的實驗記錄，在培養學生客觀記錄的好習慣的同時，培養實事求是的科學精神。

2.2.2 逐步推進能力培養

（1） 基于模型的預測與基于實驗的驗證：加強實驗中的物理建模，通過模型建立實驗原理與實驗裝置之間的關系;重視物理過程討論，運用所學知識解決實際問題。

（2） 有意安排部分實驗內容超前于理論課，設置從觀察現象、尋找規律到猜想機理的過程體驗，更貼近真實科研場景;結合問題導向的研究性實驗，培養想象力和通過實驗學習知識和發現新知識的能力。

（3） 培養基于實驗結果的獨立思考素養，用實驗結果回答問題。

（4） 實驗中環境因素往往存在不確定性，分析這類實驗現象非常適合訓練領軍人才所需的、在信息不充分、不確定時作判斷、作決定的氣質和能力。

2.2.3 改善裝置

針對原實驗裝置中存在的“黑箱”式實驗裝置問題，一方面，逐步改造、開發新實驗項目和新儀器，例如將貨架“一體化”儀器、設備拆解，更換為帶標準通訊接口的通用測量儀器，通過在不同實驗中的反復使用，使學生熟識和掌握通用儀器的使用及實驗數據采集方法;另一方面，為便于展現實驗原理和培養學生腦手協調能力，實驗裝置盡量做到可視化和可及性模塊化（可搭拆），為設計性實驗和研究性實驗的開展提供更好的條件。此外，帶標準通信接口的常用測量儀器還為進一步拓展自動測量和遠程實驗打下基礎，以滿足《基本要求》[7]中“逐步引進在當代科學研究與工程技術中廣泛應用的現代物理技術”的要求。

梳理當代物理實驗技術主線，得到通用測量裝置的流程如圖1所示，以此為參考改進對包括傳感器、數據采集儀器、數字化電源等實驗裝置架構，并通過PC機管理實驗、控制實驗條件與實施遠程、自動測量。

1） 傳感器

除開出傳感器專項實驗外，推進傳感器在各實驗中的應用（詳見圖2）。實驗中除適當保留少量需要人為判讀的測量儀表（如毫安計、真空表）、以便于展示傳感器的發展歷程外，大部分實驗項目（尤其是新增實驗和改進實驗）采用不同代級的分立式傳感器（如熱敏電阻、熱電偶、力傳感器、AMR傳感器、熱電堆輻射傳感器、光功率計），模擬電信號輸出范圍對應量程的變送器（如溫度變送器，壓力傳感器、流量計），具備通訊地址的數字式傳感器（如DS溫度傳感器，數字真空計），以及無線通訊功能的數字式傳感器（如三維霍爾傳感器），對材料物性類的要求掌握其物理原理，其他類型的只要求了解。

2） 通用儀器

數字化數據采集儀器包括數字示波器、數字多用表、NI myDAQ、CompactDAQ、PXI數據采集模塊、數字鎖相放大器（圖2），它們的共同特點是具備對輸入模擬信號放大、模數轉換、數字或圖形化顯示、數據緩存、在通信協議下授受上位機指令和向上位機輸出數據。另一類輸出數據的常用儀器包括數字函數發生器（弱電）、程控直流電源（強電）。

3） 計算機控制與遠程實驗

用PC機作為上位機，用LabVIEW 開發常用儀器的實驗控制和數據自動采集功能。通過遠程桌面控制，實現遠程實驗。試點實驗包括示波器、函數發生器、數字萬用表使用，玻爾振動實驗，磁滯回線測量，電阻熱噪聲和玻爾茲曼常數測量，繆子宇宙線測量等。

2.2.4 實驗內容與教學方法

1） 內容編排———知識點

針對實驗學時有限，實驗內容分散，一方面注重各實驗項目間知識點之間的聯系，以及與理論知識點對應的均衡，梳理關聯實驗知識點如圖3所示;另一方面，將如圖4所示實驗基本流程各環節拆解，作為教學側重點安排在不同的實驗課程和不同類型的實驗項目中;同時注重實驗各維度的鏈接，將相關知識、技術穿插編排到各年級的教學內容中（如表1所示），把一些高年級復雜實驗所需要的知識、技術分解到低年級的實驗中，適當地重復常用技術和通用儀器的使用、可強化操作，使學生由淺入深，更有利于知識的系統性學習和靈活應用。

2） 梳理實驗類型和要求

按《基本要求》[7]，基礎性實驗 、綜合性實驗、設計性或研究性實驗這 3 類實驗教學層次的建議比例分別為：60%、30%、10%。在《基本要求》解讀的基礎上以及數十年來的技術發展，針對新教師經驗不足、學生能力提升和物理專業要求更高等的問題，細化實驗類型，以便于教師設計教學方案。

基礎性實驗：內容包括基本物理量的測量、基本實驗儀器的使用、基本實驗技能和基本測量方法的運用、不確定度分析及數據處理理論與方法的掌握、區分客觀描述與主觀分析判斷的表述規范，以及安全意識的培養。基礎性實驗側重學習知識，培養獨立實驗的能力：一方面，它通常給出實驗方案和儀器用具，通過實驗驗證對應的理論知識（通常在理論課有講述），實驗結果在誤差范圍內唯一;另一方面，它提供通用儀器使用、電路連接、光路搭建及調試等操作規范的訓練。例如，示波器與數字萬用表的使用，鎖相放大器使用，LabVIEW 初步，分光計使用;工具使用以往貫穿于其他實驗之中，僅對常用但復雜的工具單獨設置實驗項目，側重于實驗操作規范的基本訓練，以及對常見實驗系統故障進行分析、判斷和排除能力的訓練，同時學習儀器原理相關的物理知識。

設計性實驗：針對目標和需求，在實驗室提供的實驗條件基礎上，提出實驗原理、方法和實驗方案，這些方法和方案通常并非唯一;對高要求的設計性實驗，要求學生分析和驗證實驗方案;實驗評價不僅看實驗設計，還要看最后目標能否或多大程度上實現。設計性實驗側重解決實際問題能力的訓練，學生學習分解目標和需求，然后逐一解決。通用儀器的使用為設計性實驗提供必要的支持。

研究性實驗：針對某一現象或問題提出假設，通過研究現象的內在規律、得到規律背后的物理機理，檢驗假設是否符合預期。假設、研究方案可多樣，機理和答案也不必唯一;研究性實驗側重探索新知識的能力訓練;通過實驗學習理論課未講過或未講到的知識，甚至是全新的知識，訓練學生的洞察力和判斷力，培養大膽假設、小心求證的作風。同時也學習科研規范流程，要求以科研論文形式提交實驗結論。

綜合性實驗：通常指涉及多個知識點，或多項實驗技術才能完成的實驗。

實驗教學要求基本技能和操作扎實、符合規范;對設計性和研究性實驗，要求在講義和實驗前提供相關知識介紹和實驗指引，開展問題導向方式的實驗教學。

為適應個性化教學的需求和發展趨勢，我們響應全國高等學校實驗教學示范中心聯席會對實驗項目推行四個層次分級的倡議（已列入2023年版的《基本要求》[8]），選出數個實驗項目開展教學試點，按認知規律和知識的內在邏輯，摸索各層次的內涵和要求，將“基礎、深入、提升、拓展”四個層次對應知識學習的“播種、生根、發芽、成長”四個階段（如表2）;在教學安排上，便于學生基于自己的基礎、能力或興趣選擇至某一層次的實驗內容。

針對因耗時長、實驗結果偏差大、學生體驗不佳導致熱學實驗開出偏少這一全國性問題，以熱學及熱學相關的實驗為教學改革切入點，探索在照顧知識點均衡的同時，提高教學質量的教學方法。

3 建設成效

原“冰熔化熱測量”實驗用時長、測量準確度低，分析原因主要是漏熱補償偏差，該偏差是因原模型中的環境溫度的定義不明確、測量該溫度的熱電偶位置不明確而造成的;這是典型的物理建模與實驗裝置不匹配的例子。用絕熱性能好的家用真空杯改進了“混合法測量冰的熔化熱實驗”，簡化實驗和模型的同時，厘清了模型與裝置之間的關系，培養學生利用模型分析實驗結果的能力，并鍛煉了學生在不確定范圍內通過分析未知量做出合理決定的能力，知識點覆蓋熱力學第一定律[8]。

開設“熱電熱機與熱力學第二定律”實驗，在有限時間熱力學框架下探究熱力學第二定律，同時作為設計性實驗，提供不同層次實驗內容，使學生加深認識熱電效應，初步接觸耦合多變量系統實驗設計和數據處理，提高自主學習能力。結合對應熱力學第零定律的“溫度傳感器實驗”，知識點已覆蓋除第三定律外的熱力學定律。

結合空間科學技術需求和疫情期間非接觸測溫技術的廣泛應用，開設“低溫熱輻射測量”設計性實驗，作為高溫熱輻射實驗的補充;通過面輻射提高傳感器接收的照度，并通過熱電堆提高傳感器的靈敏度，用自主設計低溫熱輻射測量實驗儀器，分析展現能量從輻射面到傳感器的全物理過程[10]。知識點覆蓋熱能傳遞的三個基本方式之一和熱電效應應用，結合黑體輻射譜測量，展現從經典物理到量子物理過渡的重要實驗。

作為熱輻射實驗的拓展，在比宇宙微波背景輻射更低的頻率端，展現出電阻熱電壓噪聲[11]。通過測量該噪聲，不但可以認識熱噪聲的統計特性，還可以通過噪聲功率譜密度計算玻爾茲曼常數[12]，它可以作為少有的統計物理教學實驗補充，同時作為鎖相放大器應用于弱信號測量的實驗。通過改進實驗裝置的電磁屏蔽性能[13]，取得了較好的教學效果。需要指出的是，該實驗還可以進一步拓展，用于攝氏溫標和熱力學溫標這兩個獨立定義的溫標之間的關系研究，為熱學理論課提供實驗補充。

探索通過實驗學習新知識的實驗教學，自主設計“高溫超導電磁性質研究”實驗項目，通過測量高溫超導材料的電阻和交流磁化率，研究外加磁場對超導轉變影響的規律，同時學習低溫技術、強磁場技術和弱信號測量技術，在鞏固學過知識的同時，讓學生能力有綜合性的提高[14]。在該實驗中，通過改進實驗裝置，縮小溫度差和縮短實驗時間，為研究多種外部因素對超導性能的影響提供了技術保障。該綜合實驗亦是體現知識點之間的關聯的一個很好的例子。圖5展示了如何將該實驗在知識、技術和規范3個維度分解出相關要素，特別是那些在低年級實驗中已用過的技術和規范。

將上述熱學實驗改革模式進一步推廣至其他實驗項目，把實驗向裝置模塊化、可視化，儀器數字化、通用化，以及內容要求多層次的適應性改造。例如將磁滯回線實驗裝置模塊化，可方便更換磁性材料，采用myDAQ 采集數據，通過數字積分不僅還原磁滯回線，獲得鐵磁材料的磁性參數，還進一步拓展到磁滯損耗測量、磁隙漏磁損耗測量，加深對廣義力、廣義位移、和廣義功的認識[15]。

2023年中山大學承辦的第九屆全國大學生物理實驗競賽（教學），物理與天文學院負責珠海賽區命題，其賽題內容和要求也能反映出我們的物理實驗教學理念和教學模式。（2道基礎題和2道綜合題的解讀已分別發表在《物理實驗》雜志2024年第2期和第3期。）

4 結語

實驗課程建設和一系列有利于深入探究和能力培養的教學改革得到學生肯定，但同時普遍反映實驗課程占據時間長，實驗報告負擔重。這可能是新教學方式要求付出的時間代價。對此，一方面，需要教師加強引導，界定基本要求的必做內容與深入提升的選做內容;另一方面，鼓勵好學生挑戰選做內容，反過來需要壓縮實驗項目數量，騰出更多的時間聚焦于提高實驗教學質量。尺度如何把控，是我們在下一步需要探索的內容。

總的來說，所建物理實驗教學課程體系為中山大學珠海校區新建學院和相關專業的物理實驗教學提供了基本保障，同時還選取某些實驗項目為試點開展教學改革，取得了一些成效，然而離科學前沿、國家和社會需求人才的培養而言，仍有明顯的差距。實驗教學改革的路仍很漫長，未來的工作重點將從課程建設轉移到內涵式發展上來，提升教師隊伍水平、挖掘每個實驗項目潛力并提高教學質量。好的教學理念和教改措施，需要優秀的教師才能貫徹到位。

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