競賽與教學相融合的開放式物理實驗教學探索

鐘菊花 顧英俊 章登宏 房 毅 朱云霞

(華東理工大學理學院，上海 200237)

競賽與教學相融合的開放式物理實驗教學探索

鐘菊花 顧英俊 章登宏 房 毅 朱云霞

(華東理工大學理學院，上海 200237)

大學物理實驗是一門體系完整，具有豐富的物理實驗思想、方法和手段的基礎課程。CUPT賽題來源于日常生活及生產與工程技術，內容豐富而新穎，道理深刻而發(fā)人深思，極易激發(fā)學生學習興趣和探索欲望，在培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和能力方面成為物理實驗課程的極好補充。為了有效調動學生的學習積極性，將CUPT競賽融入物理實驗教學，形成了多元化、開放式的物理實驗教學模式，營造充分發(fā)揮學生自主性和創(chuàng)造性學習的環(huán)境。本文通過實例闡述將兩者融合對活躍學生思維、探索未知能力的培養(yǎng)所產生的作用。

大學物理實驗；開放式教學； CUPT競賽

物理實驗課程著重講授基本實驗原理、實驗方法和實驗的科學思想，但在與應用結合方面考慮較少，這在一定程度上降低了學生的參與熱情。與此同時，多數教材中實驗步驟已十分詳實，學生很難有自由發(fā)揮的余地，只能照章辦事，這就進一步降低了學生的自主學習興趣。久而久之，學生將養(yǎng)成循規(guī)蹈矩的思維模式，缺乏想象力和創(chuàng)造力，不利于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

提高人才培養(yǎng)質量是高等教育最核心、最緊迫的任務，其中學生創(chuàng)新精神、實踐能力的提升是人才培養(yǎng)的關鍵，因此實驗教學應成為加強學生基本操作技能、創(chuàng)新思維、科學探索精神和科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)[1]。由于傳統(tǒng)的實驗教學模式相對封閉，學生獲得的往往只是對課本知識的加深及基本技能的鍛煉。因此，國內外高校紛紛開展開放式實驗教學研究，打破常規(guī)實驗教學中指定時間、指定地點、指定內容的局限，以充分發(fā)揮學生的主動性、創(chuàng)造性，提高其實驗操作技能，培養(yǎng)科研創(chuàng)新意識和能力[2]。

1 開放式實驗教學，激發(fā)思維

開放式實驗教學強調以學生為主體，為學生營造充分發(fā)揮自主性學習和創(chuàng)造性的環(huán)境[3]。但也不可否認，由于經驗不足，不少高校所開展的開放式實驗教學還停留在形式和表面上，對實驗過程缺乏有效的指導，學生自選實驗內容時缺乏系統(tǒng)性，無法對學生進行個性化的指導，評價方式缺乏科學性，對學生打好實驗基礎、提高實驗的設計能力不利。為此，許多高校都針對自己學校學生的特點，開展了各種類型的開放式教學研究。本文將介紹我校多年來開展的以學生興趣為導向、學術競賽為載體的開放式物理實驗教學模式。

近年有國內眾多高校參與的大學生物理學術競賽(CUPT)與傳統(tǒng)物理實驗課程內容有明顯不同[4]，它要求學生對某些實際物理問題進行綜合性理論與實驗研究，突破了實驗教學的傳統(tǒng)模式。例如，2012年競賽第2題 “Cutting the air—When a piece of thread (e.g., nylon) is whirled around with a small mass attached to its free end, a distinct noise is emitted. Study the origin of this noise and the relevant parameters”(譯：切割空氣——當在一段繩子如尼龍的自由端系上一個小物體后甩動將發(fā)出噪音，請就噪音的根源與影響參數進行研究)，是一個在日常生活中經常遇到的現(xiàn)象，人們很少會深究這聲音的來源。它要求學生不僅要觀測實驗現(xiàn)象，還得尋找發(fā)聲的規(guī)律，從理論上分析產生聲音的原因。這道題目既包含振動與波的知識，還與流體力學相關。要求學生首先要查閱相關資料與文獻，再通過實驗設計和理論分析，確定聲音產生的原因，得到聲音的頻率與相關參量的表達式，通過濾波等技術從實驗采集的聲音信號中獲取其頻率數據，驗證此頻率與小重物直徑、甩動角速度、雷諾數等的關系。

另外，CUPT的賽題幾乎都是全開放式的，基本不設置限定性條件和參量。如2014年競賽第8題“Freezing droplets—Place a water droplet on a plate cooled down to around -20℃. As it freezes, the shape of the droplet may become cone-like with a sharp top. Investigate this effect.”(譯：冷凍水滴—將一個水滴放在冷卻到約-20℃的盤上，在它結冰時水滴的形狀變?yōu)橛袀€尖頂的錐形體。請研究這個效應)。此題要求水滴在約-20℃的盤上凍結，而其他參量和實驗條件均需要學生在研究中自行設計和深入探討，并且影響因素較多：如水滴的體積、盤的導熱系數與比熱、環(huán)境溫度、盤的溫度、潤濕角等等，給學生提供了很大的自由探索空間。

2 CUPT競賽，探索未知

“知之者不如好之者，好之者不如樂之者”，說明人的興趣對于從事一項活動的重要性。由于CUPT的賽題基本來源于日常生活及生產與工程技術，是未被加工或被加工成份甚少的實際問題[5]。這種實際問題使學生感到親切，激發(fā)了學生學習興趣和探索欲望，他們充分認識到物理學不是抽象的理論體系，而是活生生的、非常有用和有趣的，從而形成科學的自然觀、世界觀。

開展CUPT競賽將解決學生不善于、不愿意提問的缺點。提問是一向被國內教育所忽視的問題，學生們也習慣于被問，不善于在生活中發(fā)現(xiàn)和提出問題，而科學研究的第一步就是“質疑”[6]。由于CUPT賽題只給出了現(xiàn)象性描述，學生必須從現(xiàn)象入手提出科學性、理論性問題。進行理論分析時需要運用抽象、簡化等科學方法將客觀、真實的物理問題轉化為物理和數學模型，從而有效地提高學生分析、解決實際問題的能力。

以下將通過若干實例說明將CUPT競賽引入普通物理實驗教學對學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)所產生的作用。

圖1 液柱上的類“駐波”現(xiàn)象

(1) 2016年競賽第10題為“Light Rings—Let a liquid jet fall onto a surface. If the contact point is illuminated by a laser beam, rings of light around the jet can be observed. Investigate the light rings and determine how they depend on relevant parameters of the whole system.” (譯：光環(huán)——將液體噴向一表面。如果激光照射到接觸點處，人們便會看到圍繞液柱的光環(huán)。請研究這些光環(huán)，并確定它們如何受到整個系統(tǒng)相關參量的影響)。這是一個在生活中很容易觀察到的現(xiàn)象，當打開自來水龍頭調細水流或用手指或平板阻擋水流時，就會產生如圖1所示的“駐波”現(xiàn)象。將激光照射在水柱和平面接觸點上，可在液柱上清楚地觀察到一圈圈的光環(huán)。“駐波”是如何產生的？光環(huán)又是如何形成的？與哪些因素有關？如何才能觀察到穩(wěn)定圖像？學生需要通過綜合運用伯努利方程、表面毛細波模型，以及光的漫反射、全反射和折射原理等相關知識，將問題簡化處理，再通過實驗檢驗，才能準確地解釋這些問題。

(2) 2014年競賽第17題“ Chocolate Hysteresis—Chocolate appears to be a solid material at room temperature but melts when heated to around body temperature. When cooled down again, it often stays melted even at room temperature. Investigate the temperature range over which chocolate can exist in both melted and ‘solid’ states and its dependence on relevant parameters.”(譯：巧克力熱滯——巧克力在室溫下表現(xiàn)為固態(tài)，但約在體溫下就會融化。如果再次冷卻，即使在室溫下它常常會仍然保持著熔融狀態(tài)。研究巧克力能以熔融和固態(tài)兩種形式存在的溫度范圍，以及與相關參數的依賴關系)。這個課題的研究瓶頸在于巧克力的融化和凝固點的判斷方法，尋找準確有效地測量方法就是研究的關鍵。學生們首先嘗試了直接觀察法，即用光學顯微鏡觀察流動性。實驗發(fā)現(xiàn)，雖然用直接觀察法能較準確觀察到升溫過程中巧克力的融化，但不易通過流動性判斷其在降溫過程中的凝固點。在不斷探索中，發(fā)現(xiàn)如果測量巧克力的粘度(可使用旋轉粘度測量儀)，就能有效判斷其融化和凝固點。因為升溫和降溫過程中巧克力粘度的變化非常之大，且存在多態(tài)現(xiàn)象，如圖2所示。在降溫過程中，巧克力的粘度會緩慢增大；如果粘度突然變大，此時的溫度可認為是凝固點F。在升溫過程中，粘度逐漸變小，如果突然不變，此時的溫度認為是熔化點M。

圖2 巧克力升降溫過程的粘度隨溫度變化的“熱滯回線”

(3) 再如2014年競賽第7題“Pot-in-pot refrigerator—The ‘pot-in-pot refrigerator’ is a device that keeps food cool using the principle of evaporative cooling. It consists of a pot placed inside a bigger pot with the space between them filled with a wet porous material, e.g. sand. How might one achieve the best cooling effect?”(譯：罐中罐冰箱——“罐中罐冰箱”是利用蒸發(fā)制冷原理使食物保持冷卻的裝置。它是將一個小壺置于另一個較大的壺內，其間填充了濕潤的多孔材料，如沙子。如何達到最佳冷卻效果?)。這是一道源自非洲沙漠中的居民夏天用來保鮮食物的一種“沙漠冰箱”——罐中罐冰箱。要求參賽者通過現(xiàn)象觀察、實驗研究和理論分析，優(yōu)化相關參數，達到最佳降溫效果。對眾多的影響因素綜合研究后，學生們發(fā)現(xiàn)：環(huán)境風速越大，降溫速率越大，但為了保持多孔材料的濕度需要頻繁加水。如何穩(wěn)定多孔材料的濕度？學生們構建了補水裝置，即通過在罐中罐冰箱的外罐底部開孔，用海綿與水罐相連，使得多孔物質中的水分得到有效補充，保證其濕度在一小范圍內波動，從而大大延長了低溫時間，因而裝置也更具有實用性。

3 競賽與教學的融合，培養(yǎng)能力

CUPT賽題源自IYPT(International Young Physicists’Tournament)，每年17個課題，提前一年公布。我們將此課題作為我校一、二年級學生 “自主設計研究型實驗”內容引入物理實驗教學中，這樣實驗教學年年增加新內容，保持了教學的趣味性、先進性、創(chuàng)造性和有效性。

為了使“自主設計研究型實驗”和CUPT學術競賽有序開展，我們以物理實驗中心現(xiàn)有的儀器設備為依托，建設了100 m2大學生物理學術研究基地，增配了部分基本物理量測量傳感器等自主研究所需的儀器設備，基地對學生全方位開放。

3.1 組織與實施

“自主設計研究型實驗”由學生自由組隊，2～4名同學組成一個研究小組，每組從CUPT賽題中選擇一個有興趣的課題進行研究，各班小組間題目不能重復。研究時間為一學期，定為6學時，占物理實驗總成績的20%。在此期間，學生可在課程網站上查閱實驗室現(xiàn)有儀器設備、實驗方案設計實例、PPT制作規(guī)范以及學生們發(fā)表的相關論文等有助學習和研究開展的信息。在研究階段，要求學生相互配合，查閱文獻資料，自行設計研究方案，添置實驗器材，搭建實驗平臺，采集實驗數據，進行理論知識的自我學習和運用，直到完成實驗數據分析、總結、得出研究結論、報告撰寫與答辯。

3.2 監(jiān)督與管理

為使“自主設計研究型實驗”有效開展，使參與學生都有收獲，必要的督促和管理是不可缺少的。經過幾年的實踐探索，形成一套較為行之有效的方法。

(1) 實驗方案的確定。在選題后，學生用兩周時間查閱文獻資料，提交研究方案。老師要在一周內對這些方案的可行性進行評估與把關，學生根據老師的建議修改研究方案。

(2) 實驗裝置的搭建。學生進入實驗室了解實驗儀器設備和器材等情況，熟悉儀器的操作規(guī)程，自行搭建實驗裝置，做好實驗記錄工作。

(3) 研究進展督查。督促學生制訂研究計劃，根據研究目標，通過調節(jié)實驗參數和條件，記錄相關實驗數據，并拍攝相關視頻，獲得大量有價值的研究結果。

(4) 總結評比。在經過近半年的自主研究之后，期末進行綜合考察。所有小組成員都要對研究工作進行總結，使用多媒體在規(guī)定時間內匯報自己的研究結果，回答老師、同學提出的問題，要求小組每位同學都發(fā)言。最后，根據老師和學生組成的評委打分結果，對各小組進行排名。

這些舉措保證了研究計劃的有序開展，參與學生雖感到有壓力，但責任意識、競爭意識大大增強。

3.3 實施效果

通過這些訓練，學生初步體會到什么是研究。遇到不確定性的或者復雜的問題就不再恐慌，能嘗試用近似、模擬等方法進行處理。事實證明，將CUPT與基礎教學相融合所形成的開放式教學模式，不但使得學生在理論知識、文獻閱讀能力、實驗設計能力、數據處理能力、科研方法方面得到訓練，還在團隊協(xié)作精神、人文素養(yǎng)、論文寫作和表達能力方面得到提高。我們的教學效果也在大學生物理學術競賽中得到檢驗，華東理工大學代表隊自2011年參加全國CUPT比賽以來，共獲得二等獎6項，個人單項獎2項。

4 結語

CUPT課題作為我校一、二年級學生物理實驗教學中“自主設計研究型課題實驗”內容，通過6年的教學實踐與研究，有效促進了競賽與教學活動的相互融合，形成了多層次、開放型的立體化實驗教學模式，使得實驗教學平臺與創(chuàng)新競賽平臺建設都得到發(fā)展，兩平臺貫通使用、相得益彰。由于CUPT賽題來源于日常生活及生產與工程技術，能激發(fā)學生自主學習興趣和探索欲望。實踐證明，在經歷過開放性研究與探索后，學生的開放性思維能力、創(chuàng)新意識、解決實際問題的能力以及分工合作的人文素養(yǎng)都得到極大的提高，取得良好的教學效果。

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OPEN EDUCATION EXPLORATION IN UNDERGRADUATE PHYSICS EXPERIMENT BY INCORPORATION OF PHYSICS TOURNAMENT INTO THE ELEMENTARY COURSE

Zhong Juhua Gu Yingjun Zhang Denghong Fang Yi Zhu Yunxia

(College of Since， East China University of Since and Technology， Shanghai 200237)

The university physics experiment is a basic course of physical experiment with complete system, rich experiment ideas, methods and approaches. The CUPT contest which is originated from the daily life and production and engineering technology, with deep principles, and is rich in content and novel, is attractive to the students, and can provide much material for thinking, is proven as an excellent supplement to the traditional course of university physics experiment in cultivating students' innovation capability. In order to effectively inspire the enthusiasm of the undergraduate students, it is still necessary to incorporate the physics academic contest CUPT into the teaching of general physics experiments, so as to form a comprehensive and open teaching methodology，give full play to students' autonomy and creative learning environment. Through examples, this paper expounds the effect of the incorporation on the cultivation of active students’ thinking and the exploration of the unknown abilities.

college physics experiment; open education; China Undergraduate Physics Tournament (CUPT)

2017-06-17

華東理工大學2016年本科教育教學改革項目(ZK1626003)；華東理工大學2017年教育教學規(guī)律及方法研究項目(ZK1726105)。

鐘菊花，女， 副教授，主要從事物理實驗教學與研究，jhzhong@ecust.edu.cn。

鐘菊花，顧英俊，章登宏，等. 競賽與教學相融合的開放式物理實驗教學探索[J]. 物理與工程，2017，27(5)：99-102.