PDCA引導(dǎo)下的CUPT科研先修訓(xùn)練

翁雨燕，董裕力，方 亮，高 雷

(蘇州大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 蘇州 215006)

長期以來高校低年級本科生仍然習(xí)慣于高中的教育模式，在課堂教學(xué)教師主導(dǎo)下，通過反復(fù)的練習(xí)學(xué)生熟練掌握知識，其主要思維模式是“答案引導(dǎo)式”的被動思維[1]，以“項目引導(dǎo)式”的創(chuàng)新主動思維模式還未能充分建立. 因此，在“答案引導(dǎo)式”思維和“項目引導(dǎo)式”思維之間建立有效途徑，讓學(xué)生打開“創(chuàng)新思維”的大門是創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系中的重要環(huán)節(jié). 蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院依托中國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽(China Undergraduate Physics Tournament，CUPT)[2]這一平臺，借用質(zhì)量管理模式(Plan， do， check, analysis， PDCA)[3]，將CUPT(本科生大一、大二階段)和科研創(chuàng)新訓(xùn)練(本科生大三、大四階段)有效銜接. 通過完成CUPT賽題為訓(xùn)練階梯，幫助學(xué)生構(gòu)建“項目引導(dǎo)式”思維模式[3]，熟悉基本科研手段和方法，提高團(tuán)隊協(xié)作能力，從而為學(xué)生進(jìn)入高階段創(chuàng)新科研訓(xùn)練夯實基礎(chǔ)，構(gòu)建不同階段創(chuàng)新人才培養(yǎng)的體系.

1 項目引導(dǎo)式學(xué)習(xí)及中國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽

項目學(xué)習(xí)(Project based learning)[4]是以實踐性的項目完成為核心，將跨學(xué)科的內(nèi)容、高級思維能力發(fā)展與真實生活環(huán)境聯(lián)系起來，充分體現(xiàn)學(xué)生為中心的教學(xué)方式. 通過將先進(jìn)的教育理論應(yīng)用于教學(xué)實踐，讓學(xué)生以團(tuán)隊合作的方式，在系列任務(wù)的指引下，搜索必要的學(xué)習(xí)資源并解決實際問題，從而獲得知識與技能，該方式能有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[5]. 項目學(xué)習(xí)的核心要素之一是建立合適的項目供學(xué)生學(xué)習(xí)，同時通過構(gòu)建合理的運行模式來完成項目. 在大學(xué)本科階段，各種學(xué)科專業(yè)競賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目和教師科研課題都是項目學(xué)習(xí)的最佳載體.

中國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽(CUPT)是面對大學(xué)低年級階段本科生，以培養(yǎng)和考查學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力、協(xié)作精神和實踐能力為目的的物理學(xué)科專業(yè)競賽活動. 競賽模式借鑒了國際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽(International Young Physicists’ Tournament， IYPT). CUPT的17道物理問題源于生活，具有極強開放性，沒有標(biāo)準(zhǔn)答案，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，同時這些物理問題融合了科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)等多方面因素，有利于教師引導(dǎo)學(xué)生開展科研訓(xùn)練. 比賽以團(tuán)隊協(xié)作的形式研究物理問題，在辯論過程中交流研究成果，不僅可以促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)物理等專業(yè)知識，而且還能培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊合作精神和創(chuàng)新開放思維，能很好地將學(xué)生從“答案引導(dǎo)式”思維轉(zhuǎn)變?yōu)椤绊椖恳龑?dǎo)式”思維. 因此本科低年級階段CUPT的訓(xùn)練，將為本科高年級階段的科研訓(xùn)練奠定良好的基礎(chǔ).

2 PDCA項目管理方法及在CUPT和科研項目訓(xùn)練中的改進(jìn)

“項目引導(dǎo)式”思維可以借鑒PDCA[3,6]項目管理方法具體實施和完成. 傳統(tǒng)的PDCA循環(huán)法又稱為戴明循環(huán)或戴明環(huán),PDCA原本是指在管理活動中，為提高管理質(zhì)量和管理效益,所進(jìn)行的計劃(Plan)、實施(Do)、檢查(Check)和處理(Action)4個階段工作的循環(huán)過程. 循環(huán)過程的4個階段必須環(huán)環(huán)相扣，同時這4個階段會不斷循環(huán)，最終形成大環(huán)套小環(huán)，不斷持續(xù)改進(jìn). 如果將PDCA移植到CUPT和科研項目訓(xùn)練上，可以將PDCA改為設(shè)計實驗方案(Plan)、實驗現(xiàn)象表征(Do)、理論模擬驗證(Check)和物理機制闡述(Analysis)，如圖1所示.

圖1 PDCA工作方法

PDCA工作方法的具體優(yōu)勢主要體現(xiàn)為：

1)4個部分在整個大循環(huán)中，不斷嵌套，不斷改進(jìn)，從而提升項目完成質(zhì)量；

2)4個部分互相關(guān)聯(lián)，每一部分都可作為獨立環(huán)運行，同時大環(huán)套小環(huán)，小環(huán)保大環(huán)，互相促進(jìn)，不斷提升；

3)PCDA大環(huán)都是在上次循環(huán)的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)問題，因此，每個循環(huán)都是一次提升；

4)對于PDCA的具體內(nèi)容，學(xué)生根據(jù)項目出發(fā)點和項目進(jìn)度，進(jìn)行自我設(shè)計、自我研究、自我創(chuàng)新，有助于提高學(xué)生的核心素養(yǎng).

3 PDCA在CUPT賽題的應(yīng)用

以2018年CUPT賽題“粉末的顏色”為例，闡述PDCA工作方法在賽題中的應(yīng)用.

賽題內(nèi)容為：Color of powders: If a colored material is ground to a powder, in some cases the resulting powder may have a different color to that of the original material. Investigate how the degree of grinding affects the apparent color of the powder. 粉末的顏色：如果將有色材料研磨成粉末，則在某些情況下，所得到的粉末可能具有與原始材料不同的顏色. 探究研磨程度如何影響粉末的表觀顏色.

3.1 Plan階段

學(xué)生需要對該賽題進(jìn)行解析，并和小組其他成員及教師討論，分配團(tuán)隊成員工作任務(wù). 圖2是學(xué)生最終構(gòu)建的戴明環(huán)，從圖2中可以看出，通過前期的文獻(xiàn)閱讀以及討論，賽題目標(biāo)最終明確為研究CuSO4·5H2O顆粒的顏色變化. 同時學(xué)生將按照顆粒樣品制備(改變粒徑)、結(jié)構(gòu)和物性表征、米氏散射理論及Comsol模擬、基本規(guī)律總結(jié)4部分進(jìn)行整個賽題的推進(jìn)工作. 同時在初期、中期和終期3個階段，學(xué)生都將按照戴明環(huán)結(jié)構(gòu)不斷進(jìn)行理論和實驗的修正.

圖2 PDCA線路圖

通過對題目的初步分析，學(xué)生根據(jù)高中階段的知識做出初步判斷:CuSO4·5H2O是帶5個H2O的金屬鹽，其原始塊材呈現(xiàn)藍(lán)色，這是由于電子軌道躍遷吸收特定波長的可見光導(dǎo)致的顯色現(xiàn)象. 由于CuSO4·5H2O是晶體，學(xué)生開始會比較困惑：該晶體顏色是否與晶格相關(guān)，類似于光子晶體的顯色原理？經(jīng)過深入分析和討論，學(xué)生發(fā)現(xiàn)：可見光的波長遠(yuǎn)大于CuSO4·5H2O的晶格常量，因此該顯色現(xiàn)象應(yīng)該與CuSO4·5H2O晶體的晶格結(jié)構(gòu)無關(guān).

3.2 Do階段

3.2.1 樣品的制備

在樣品制備預(yù)實驗時，低年級學(xué)生最初想到手工研磨，但在研磨過程中會發(fā)現(xiàn)，這種方法雖然簡單，卻耗時長，同時顆粒粒徑的改變也不明顯. 此時教師啟發(fā)學(xué)生用機器研磨代替手工研磨，學(xué)生通過咨詢高年級學(xué)生了解到了球磨機這一設(shè)備，并開始進(jìn)一步實驗.

在實驗過程中，學(xué)生主動注意到在中學(xué)階段已經(jīng)掌握的知識點，即CuSO4·5H2O在一定溫度下存在受熱分解的現(xiàn)象，通過稱重法最終確定CuSO4帶的水分子數(shù). 但是在機器球磨過程中，CuSO4·5H2O顆粒會出現(xiàn)一定程度的脫水，導(dǎo)致物質(zhì)成分的改變，這就需要學(xué)生再次修訂實驗方案. 通過在Do階段的層層引導(dǎo)，使學(xué)生逐步提升解決復(fù)雜問題的綜合能力和高階思維.

通過研磨和分篩，最終得到不同粒徑的顆粒，并且可清楚地肉眼觀察到顏色隨顆粒粒徑變化，如圖3所示.

(a)原始顆粒 (b)手工研磨20 min

(c)手工研磨40 min (d)手工研磨60 min

(e)手工研磨90 min (f)手工研磨150 min圖3 CuSO4·5H2O顆粒顏色和粒徑大小的表觀現(xiàn)象

3.2.2 樣品的物性與結(jié)構(gòu)表征

包括樣品形貌表征和光學(xué)性質(zhì)定性測量. 形貌表征方案是通過光學(xué)顯微鏡(OM)的暗場模式，對單個顆粒的大小和顏色進(jìn)行觀察，如圖4所示. 光學(xué)性質(zhì)的定性測量則是通過漫反射譜和色相圖表征顆粒堆的顏色隨粒徑的變化，使用的儀器是島津紫外-可見分光光度計，實驗結(jié)果如圖5所示. 同時還可以在漫反射譜的基礎(chǔ)上繪制色相圖，如圖6所示. 前者光學(xué)顯微鏡的使用對于低年級的本科生來說在高中階段可能接觸到，但由于需要考慮入射光波長對顆粒呈現(xiàn)顏色的影響，學(xué)生要在多種顯微鏡成像模式(明場、暗場、偏光還是微分干涉襯成像)中進(jìn)行選擇，學(xué)生可以在基礎(chǔ)光學(xué)顯微鏡使用上進(jìn)行知識的拓展. 而紫外-可見分光光度計的使用、色相圖的標(biāo)定則是全新事物. 學(xué)生需要自己了解分光光度計的工作原理，學(xué)習(xí)設(shè)備的操作，知道透射譜、反射譜和吸收譜的差異，并對實驗結(jié)果的合理性給出判斷.

圖4 單個顆粒顏色隨粒徑的變化

圖5 不同粒徑CuSO4·5H2O顆粒的漫反射譜

圖6 不同粒徑CuSO4·5H2O顆粒的色相圖

3.3 Check階段

Check階段包括理論分析和模擬對照. 因為所研究的顆粒粒徑分布在百nm到μm級別，因此米氏散射理論適用于該體系. 本題選定以米氏散射理論對其進(jìn)行定性分析，通過Comsol有限元模擬來驗證顆粒顏色的變化規(guī)律. 在Comsol模擬中，將顆粒設(shè)計為球形做等效處理，外部邊界條件設(shè)定為散射邊界條件，入射波為平面波. 模擬得到顆粒顏色隨幾何結(jié)構(gòu)的關(guān)系與實驗相符. 人眼觀察到的顆粒顏色受到顆粒的散射和吸收共同決定. 一方面，從Comsol的模擬結(jié)果(如圖7所示)可知，隨著粒徑的減小，散射率提高，導(dǎo)致顆粒本身的吸收所占的比例減少，所以宏觀上看顆粒顏色變淺了. 另一方面，在微觀上，顆粒粒徑越小，長波長的散射越強，所以看到顯微鏡下顆粒粒徑越小，顏色越發(fā)黃. 在這2個過程中，理論分析和模擬手段對于低年級本科生來說同樣是陌生的，學(xué)生需要通過資料搜索和文獻(xiàn)調(diào)研才能找到合適的切入點，同時在教師的引導(dǎo)下，對陌生的知識進(jìn)行學(xué)習(xí)和消化，從而對未知問題進(jìn)行開放式探索，將自主學(xué)習(xí)內(nèi)化為能力，逐步培養(yǎng)創(chuàng)新性思維[7-8].

學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)和提升是目前高校人才培養(yǎng)的重點和難點. 為了自身科研素養(yǎng)的提升，越來越多的學(xué)生希望盡早地進(jìn)入課題組鍛煉和學(xué)習(xí). 然而，學(xué)生要真正進(jìn)入課題組進(jìn)行科學(xué)研究需要基本知識和能力的培訓(xùn)，比如文獻(xiàn)查閱、數(shù)據(jù)搜集、計算機語言、成果總結(jié)與匯報、團(tuán)隊協(xié)作等. 而PDCA項目管理實施的過程中，一方面是學(xué)生學(xué)習(xí)知識，但是更重要的是通過項目的實施，培養(yǎng)提出問題、分析問題、解答問題和陳述問題的能力.

(a)3 500 nm

(b)1 500 nm

(c)700 nm圖7 Comsol有限元模擬的結(jié)果

3.4 Analysis階段

Analysis階段，即實驗與結(jié)果的對照，從結(jié)果中總結(jié)和分析問題的能力是從事科研工作必須具備的素養(yǎng)，尋找到科研項目的分析脈絡(luò)是項目引導(dǎo)式思維的最終落腳點，學(xué)生在總結(jié)和討論的過程中，對于對照相符部分，則固化為規(guī)律；不符部分，需要進(jìn)行實驗改進(jìn)和理論修正，并反饋給Plan階段，與此對應(yīng)的是對Do階段和Check階段進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整. Analysis階段提升了學(xué)生尋找和發(fā)現(xiàn)問題的能力，這對未來高年級階段的科研創(chuàng)新至關(guān)重要.

4 科研論文中的PDCA管理

通過完成CUPT賽題，學(xué)生可以從中學(xué)會項目的基本路線制定、修改和完善，并且不斷地用PDCA循環(huán)來確認(rèn)自己項目實施的進(jìn)展和存在的缺陷，這為高年級階段科研項目的訓(xùn)練奠定了良好的基礎(chǔ).

下面以文獻(xiàn)[9]為例，對比PDCA在科研工作和CUPT賽題完成過程的相似性，見表1.

表1 文獻(xiàn)[9]和CUPT賽題完成過程對照表

從表1中的對比結(jié)果可以看出，CUPT賽題與科研論文的完成過程具有極高的相似度，完全可以把CUPT的賽題當(dāng)成科研課題，將其作為科研先修訓(xùn)練的有效手段，讓低年級本科生借助CUPT的競賽培訓(xùn)實現(xiàn)思維模式的轉(zhuǎn)型，建立“項目引導(dǎo)式”思維，為本科階段創(chuàng)新人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ).

5 結(jié)束語

創(chuàng)新人才的培養(yǎng)已成為高等教育的緊要任務(wù)，需要從教育理念、教育模式和教育內(nèi)容上進(jìn)行全方位的革新. 建立有效的科研先修訓(xùn)練體系，提升學(xué)生科研素養(yǎng)，讓學(xué)生過渡到“項目引導(dǎo)式”思維模式，是當(dāng)下本科教育中創(chuàng)新人才培養(yǎng)亟待解決的問題. 借助PDCA項目管理模式，連通低年級的學(xué)科競賽與高年級的科研創(chuàng)新，為創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供合力.