探究性物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的探索

鮑德松， 王業(yè)伍， 鄭 波

(浙江大學(xué) 物理系， 杭州 310058)

0 引 言

人們普遍認(rèn)為, 本科人才培養(yǎng)模式是決定創(chuàng)新人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要基礎(chǔ)。近年來，高校都十分重視大學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)，十分重視培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)手段獲取新知識(shí)的能力以及把知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐的能力，尤其是大學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)日益受到人們的重視[1-7]，因?yàn)閷?shí)踐是創(chuàng)新的基礎(chǔ)。在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，除了完成對(duì)某一物理量的測(cè)量外，更重要的是要培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)觀察、分析、理解物理實(shí)驗(yàn)的基本物理思想和實(shí)驗(yàn)裝置的巧妙設(shè)計(jì)理念，所以，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須為學(xué)生構(gòu)筑一個(gè)合理的實(shí)踐能力體系，應(yīng)盡可能為學(xué)生提供綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)造性比較強(qiáng)的實(shí)踐環(huán)境，讓每個(gè)學(xué)生在4年大學(xué)學(xué)習(xí)過程中能經(jīng)過多個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)的培養(yǎng)和訓(xùn)練，這不僅能培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的基本技能與實(shí)踐能力，而且也有益于提高學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新思維，開拓學(xué)生的科學(xué)視野。眾所周知，物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者丁肇中教授曾經(jīng)說過：“物理學(xué)是從物理實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的”，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)在整個(gè)物理教學(xué)中有著極重要的位置。本文將對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心幾年年來探究性物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法做一總結(jié)，對(duì)進(jìn)一步改革的方向做深入探討。

1 探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的探索

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是學(xué)生進(jìn)校后第一門科學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新能力的主要實(shí)踐環(huán)節(jié)，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣尤其重要[8-15]。物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心緊密結(jié)合現(xiàn)代化建設(shè)的實(shí)際，以教育質(zhì)量為中心，按照知識(shí)、能力、素質(zhì)三者協(xié)調(diào)發(fā)展的人才培養(yǎng)模式，將探究性實(shí)驗(yàn)貫穿于本科生整個(gè)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，讓基礎(chǔ)規(guī)范型實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和探究性實(shí)驗(yàn)有機(jī)融合。注重基本實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)的培養(yǎng)，突出和加強(qiáng)大學(xué)生創(chuàng)新知識(shí)的傳授、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新素質(zhì)的培養(yǎng)，特別是以提高拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)水平為目標(biāo)。目前每年的授課總?cè)藬?shù)為4 300人左右，已開設(shè)“物理學(xué)實(shí)驗(yàn)I、II、Ⅲ”“近代物理實(shí)驗(yàn)”和“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”系列課程。物理系目前擁有教授43 名，副教授33 名，教師隊(duì)伍以中青年為主，教授中有博士學(xué)位的比例高達(dá)84%，其中參加探究性實(shí)驗(yàn)核心課程“物理學(xué)實(shí)驗(yàn)Ⅲ”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教授和副教授有30多名，其目的是注重對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練以及促使學(xué)生將實(shí)驗(yàn)課程與理論課程相融合，以便加深學(xué)生對(duì)所學(xué)的理論知識(shí)理解，探究性物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中始終遵循“四結(jié)合”原則。

1.1 課程內(nèi)容與學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣相結(jié)合

“知之者不如好知者，好之者不如樂之者”。所以在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置上及時(shí)將科研前沿引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)以盡量滿足學(xué)生個(gè)性發(fā)展的需要。到目前為止已經(jīng)有30多位教授、副教授參與了探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，研究?jī)?nèi)容包括新型超導(dǎo)體合成和物性探索、鐵基鐵磁超導(dǎo)體的物性研究、多重極端條件下的物性測(cè)量以及液體表面薄膜的制備等50多個(gè)研究課題，學(xué)生根據(jù)自己興趣選擇探索研究方向；結(jié)合每年舉辦的全國(guó)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽(CUPT)，把CUPT的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容納入實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)；另外還設(shè)置了一些物理實(shí)驗(yàn)中心教學(xué)儀器的開發(fā)項(xiàng)目，讓學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，課程內(nèi)容設(shè)置能充分滿足學(xué)生個(gè)性發(fā)展的需求。

1.2 獨(dú)立實(shí)驗(yàn)?zāi)芰εc團(tuán)隊(duì)協(xié)作相結(jié)合

探究性實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)者完全不知道會(huì)出現(xiàn)何種結(jié)果，目的是培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)者大膽假設(shè)、小心求證、積極探究的品質(zhì)，所以，探究性實(shí)驗(yàn)必須擺脫 “灌輸式”教學(xué)方式。探究性實(shí)驗(yàn)由學(xué)生自主組隊(duì)，一般以2或3人為1個(gè)研究小組，教師只做適當(dāng)引導(dǎo)，激勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生如何在原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上開展工作，定期組織學(xué)生討論，為生生、師生間構(gòu)建相互交流和質(zhì)疑的平臺(tái)，學(xué)生之間的分工協(xié)作將貫穿于整個(gè)探究過程，教師將純粹以知識(shí)傳授的教學(xué)方式變成知識(shí)的處理和轉(zhuǎn)換，引導(dǎo)學(xué)生能夠用現(xiàn)有的知識(shí)主動(dòng)開展探索并能夠解決實(shí)際問題；使整個(gè)研究過程從孤立學(xué)習(xí)變成了團(tuán)隊(duì)協(xié)作，從靜態(tài)學(xué)習(xí)變成了動(dòng)態(tài)獲得知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)、解決問題的學(xué)習(xí)過程。

1.3 分析研究能力與基本實(shí)驗(yàn)技能培養(yǎng)相結(jié)合

基礎(chǔ)規(guī)范型實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)在知識(shí)傳授和對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能培養(yǎng)上功不可沒，足夠的知識(shí)積累和較強(qiáng)的實(shí)際操作能力是開展探究性實(shí)驗(yàn)的必要條件，例如，“物理學(xué)實(shí)驗(yàn)Ⅰ、Ⅱ”課程內(nèi)容是以基礎(chǔ)規(guī)范型實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)為主，為進(jìn)一步提高本科生的物理實(shí)驗(yàn)技能和水平，啟迪創(chuàng)新思想，在這2門課程教學(xué)中，為學(xué)生設(shè)置了包括挑戰(zhàn)杯、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目、SRTP、CUPT項(xiàng)目、國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目以及浙江省新苗計(jì)劃項(xiàng)目等探究性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將探究性實(shí)驗(yàn)和基礎(chǔ)規(guī)范型實(shí)驗(yàn)及綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)有機(jī)融合，著重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能。

1.4 注重實(shí)驗(yàn)過程與注重實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合

通過探究性實(shí)驗(yàn)，不僅在實(shí)驗(yàn)中學(xué)到專業(yè)知識(shí)，而更多的是為了獲得學(xué)習(xí)的方法與能力。所以，在探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中注重過程管理：包括文獻(xiàn)查閱、方案設(shè)計(jì)、設(shè)備搭建和改進(jìn)、實(shí)驗(yàn)記錄、數(shù)據(jù)分析、合作討論等。通過開題報(bào)告、中期檢查報(bào)告、結(jié)題報(bào)告、探究性實(shí)驗(yàn)感想的形式上傳到中心實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)供教師檢查，期中和期末組織學(xué)生參加教授組織的答辯，及時(shí)讓學(xué)生歸納、總結(jié)以糾正實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題，使學(xué)生始終處于主動(dòng)探究并注重解決實(shí)際問題的狀態(tài)，激勵(lì)學(xué)生不怕受挫，在探究過程中培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究作風(fēng)。

2 物理探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建

充分依托物理系現(xiàn)有的凝聚態(tài)物理、光學(xué)、等離子體物理、理論物理、粒子物理與核物理、原子分子物理和無線電物理等學(xué)科，構(gòu)建適合于本科生探究性實(shí)驗(yàn)需要的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練平臺(tái)，表1列出了3個(gè)研究訓(xùn)練平臺(tái)以及與之相應(yīng)的5個(gè)模塊，其中包括科研基礎(chǔ)訓(xùn)練平臺(tái)；科研能力訓(xùn)練平臺(tái)以及特色專業(yè)訓(xùn)練平臺(tái)。與之相應(yīng)的5個(gè)模塊包括實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練項(xiàng)目、物理學(xué)前沿研究課題、交叉學(xué)科研究課題、等離子體理論與實(shí)驗(yàn)研究課題和量子信息與量子計(jì)算。

表1 物理探究性實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練平臺(tái)概況

2.1 科研基礎(chǔ)訓(xùn)練平臺(tái)

針對(duì)一、二年級(jí)本科生，此時(shí)學(xué)生還處于一個(gè)淺顯的認(rèn)識(shí)層面，這時(shí)教師必須站在學(xué)生的角度設(shè)計(jì)教學(xué)導(dǎo)入，在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)訓(xùn)練平臺(tái)時(shí)遵循由淺入深，由易到難，由簡(jiǎn)到繁的原則，結(jié)合大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，鼓勵(lì)學(xué)生參與大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃(SRTP)、挑戰(zhàn)杯等項(xiàng)目、CUPT及實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器的調(diào)試與開發(fā)，目的是使基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練完美結(jié)合；培養(yǎng)獨(dú)立工作能力，使學(xué)生及早了解科學(xué)研究的基本方法與思維方式；培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，充分尊重學(xué)生興趣和個(gè)性發(fā)展需求，從學(xué)生的主體認(rèn)識(shí)出發(fā)，激發(fā)學(xué)生的求知欲望和創(chuàng)新意識(shí)。

2.2 科研能力訓(xùn)練平臺(tái)

“毫無例外地使所有人的創(chuàng)造才能、創(chuàng)造潛能都能結(jié)出豐碩的果實(shí), 這一目標(biāo)比其他所有的目標(biāo)都重要”。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)教學(xué)過程就是創(chuàng)造性思維發(fā)展的過程，讓學(xué)生自己選擇有興趣的研究課題，肯定有助于發(fā)掘?qū)W生的潛能，鍛煉學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題的能力。根據(jù)物理系目前教師隊(duì)伍的優(yōu)勢(shì)研究方向，開展有教授指導(dǎo)的以本科生為主體的科學(xué)研究工作，基本能力訓(xùn)練和前沿課題研究相結(jié)合，近年來物理學(xué)前沿研究課題包括：新型超導(dǎo)體合成和物性探索；非常規(guī)超導(dǎo)體的探索研究；鐵基鐵磁超導(dǎo)體的物性研究；多重極端條件下的物性測(cè)量；可調(diào)諧半導(dǎo)體激光功率放大器的輸出特性、光束和偏振態(tài)研究；量子信息與量子計(jì)算研究課題主要包括量子相變和量子調(diào)控；重費(fèi)米子超導(dǎo)電性和非費(fèi)米液體行為；磁性系統(tǒng)中的量子糾纏和量子關(guān)聯(lián)特性研究；統(tǒng)計(jì)物理學(xué)在金融動(dòng)力學(xué)研究中的應(yīng)用以及從物理學(xué)、心理學(xué)、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)、醫(yī)學(xué)、神經(jīng)信息學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等不同層面研究腦與心智。

2.3 特色專業(yè)訓(xùn)練平臺(tái)

創(chuàng)新教育并不是一個(gè)獨(dú)立的教育過程，而是整個(gè)人才培養(yǎng)模式中的有機(jī)組成部分，創(chuàng)新型拔尖人才的培養(yǎng)，是國(guó)家的戰(zhàn)略目標(biāo)。針對(duì)一些擁有扎實(shí)的數(shù)理基礎(chǔ)，習(xí)慣于開放式思維和普遍個(gè)性較強(qiáng)的學(xué)生，盡量設(shè)置靈活的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、科學(xué)研究訓(xùn)練課題和寬松的管理措施，給優(yōu)秀學(xué)生脫穎而出創(chuàng)造條件?？蒲心芰ε囵B(yǎng)是創(chuàng)新人才成長(zhǎng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在探究性實(shí)驗(yàn)過程中著重強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)和良好的科研素養(yǎng)，避免眼高手低和功利主義，著重加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新興趣、意識(shí)和科學(xué)研究能力的培養(yǎng)。結(jié)合國(guó)家重大需求和國(guó)際前沿課題，學(xué)校建設(shè)了聚變等離子體理論與模擬特色專業(yè)本科生研究平臺(tái)。因?yàn)閲?guó)家已將“磁約束聚變能源研究”和“慣性約束聚變點(diǎn)火計(jì)劃”分別作為前沿高技術(shù)項(xiàng)目和重大專項(xiàng)列入《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》，學(xué)校于2006年成立了聚變理論與模擬中心，中心目前有416 個(gè)CPU 的計(jì)算機(jī)集群1套，并有1套計(jì)算能力達(dá)到15TFlops 的計(jì)算機(jī)集群，目前承擔(dān) “973”項(xiàng)目，“863 ”項(xiàng)目，ITER 專項(xiàng)，激光聚變等多項(xiàng)國(guó)家重大專項(xiàng)。該探究性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠使學(xué)生將所學(xué)的理論知識(shí)直接結(jié)合到國(guó)家重大需求和國(guó)際前沿課題研究當(dāng)中，極大地提高了學(xué)生的探究興趣，使課本知識(shí)直接有了用武之地，另外，通過理論模擬和實(shí)驗(yàn)探究所發(fā)現(xiàn)的問題，反過來又能加深對(duì)理論知識(shí)的深入學(xué)習(xí)，可謂相得益彰。

2.4 探究性實(shí)驗(yàn)的過程管理

教育必須以育人為本，而教學(xué)的價(jià)值產(chǎn)生于過程，探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程力求逐漸培養(yǎng)學(xué)生良好的實(shí)驗(yàn)意識(shí)和實(shí)驗(yàn)行為方式，逐步擺脫由于灌輸式實(shí)驗(yàn)教學(xué)而產(chǎn)生的被動(dòng)感，取而代之的是由興趣帶來的自發(fā)的熱情投入，探究性實(shí)驗(yàn)管理基本過程如圖1所示。

圖1 探究性實(shí)驗(yàn)管理的基本過程

探究性物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)內(nèi)有包括30多位教授、5個(gè)模塊的50多個(gè)研究項(xiàng)目可供學(xué)生選擇，物理實(shí)驗(yàn)中心為每一個(gè)參加探究性實(shí)驗(yàn)的學(xué)生在中心實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)上建立個(gè)人賬號(hào)，學(xué)生登錄后可以查閱各教授的研究方向及探究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。學(xué)生和教授之間實(shí)行雙向自由選擇。① 培養(yǎng)學(xué)生的溝通能力，通常，學(xué)生和老師溝通時(shí)會(huì)畏首畏尾，通過這一平臺(tái)強(qiáng)制學(xué)生和老師溝通，以此建立師生之間的流暢交流溝通機(jī)制；② 改變以往“注入式”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，學(xué)生完全按照自己的興趣選擇探究方向、自己組織探究小組，其在自組織力的驅(qū)使下會(huì)自然形成精神上的探求欲；③ 教師通過和學(xué)生溝通能夠充分了解學(xué)生的基礎(chǔ)以及興趣，可以避免學(xué)生選題的盲目，另外也讓老師提前配置學(xué)生在探究過程中所需要的主要設(shè)備及器件，以保證學(xué)生探究性實(shí)驗(yàn)的正常開展。

3 探究性實(shí)驗(yàn)的特色及成果

3.1 探究性實(shí)驗(yàn)特色

探究性實(shí)驗(yàn)具體特色可歸納為：① 課內(nèi)與課外結(jié)合、教學(xué)與科研結(jié)合、變被動(dòng)教學(xué)為主動(dòng)求學(xué)；注重教與學(xué)的過程，使學(xué)生始終處于主動(dòng)探究并解決實(shí)際問題的狀態(tài)，層層遞進(jìn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及求知欲望。② 物理系各研究所的教授為了吸引更多優(yōu)秀的大學(xué)生主動(dòng)投入到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中；由此使得物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容豐富多樣，學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，從獨(dú)立學(xué)習(xí)變?yōu)閳F(tuán)隊(duì)協(xié)作研究，從知識(shí)灌輸對(duì)象變?yōu)樾畔⒓庸ぶ黧w。③ 各指導(dǎo)教師帶著前沿課題研究進(jìn)入本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，因此形成了制備方式的多樣性、樣品表征手段的多樣性，使學(xué)生置身于富有探索和創(chuàng)造性的學(xué)習(xí)環(huán)境中，受到嚴(yán)格系統(tǒng)地實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練，掌握科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本方法和技巧，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維能力，分析和解決實(shí)際問題的能力。④ 讓本科生盡早接觸使用現(xiàn)代大型先進(jìn)儀器設(shè)備，克服了研究型實(shí)驗(yàn)設(shè)備的大型化、高價(jià)位與有限教學(xué)實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)有限的矛盾，有效克服了學(xué)生研究能力培養(yǎng)與實(shí)驗(yàn)師資不足的矛盾，眾多活躍在科研一線的老師參加實(shí)驗(yàn)教學(xué)，同時(shí)開闊了學(xué)生視野，為以后的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。

3.2 學(xué)生屢獲佳績(jī)

探索性實(shí)驗(yàn)始終圍繞著重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣、獨(dú)立實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、分析與研究能力、自主、創(chuàng)新能力以及歸納、總結(jié)及表達(dá)能力等。及時(shí)將科研前沿引入教學(xué)中，按照學(xué)生自己興趣選擇探索研究方向，經(jīng)過幾年探究性實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐，本科生為第一作者的優(yōu)秀作品已在Nature Communications，Optics Letter (ZJU100)，OPTICS EXPRESS， New J.Phys等SCI刊物發(fā)表了20余篇相關(guān)論文；另外，在各類各級(jí)大學(xué)生競(jìng)賽中屢獲佳績(jī)，如浙江大學(xué)物理系代表隊(duì)在 2015～2017年中國(guó)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽(CUPT)中連續(xù)斬獲特等獎(jiǎng)，2016年獲全國(guó)第“十四屆”挑戰(zhàn)杯二等獎(jiǎng)，2017年獲全國(guó)第“十五屆”挑戰(zhàn)杯一等獎(jiǎng)。

4 結(jié) 語

回顧探究性實(shí)驗(yàn)幾年來的工作，其實(shí)不僅僅是培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和探索精神，同時(shí)也考驗(yàn)了老師，學(xué)生創(chuàng)造性學(xué)習(xí)的前提是老師必須創(chuàng)造性地教，無論是問題的提出還是探究性實(shí)驗(yàn)的過程管理，都需要老師極大付出。但是，看到了這幾年來學(xué)生所取得的成績(jī)，覺得所有的付出都是值得的。