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(zhǎng)期以來(lái)高校低年級(jí)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(guò)反復(fù)的練習(xí)學(xué)生熟練掌握知識(shí)，其主要思維模式是“答案引導(dǎo)式”的被動(dòng)思維[1]，以“項(xiàng)目引導(dǎo)式”的創(chuàng)新主動(dòng)思維模式還未能充分建立. 因此，在“答案引導(dǎo)式”思維和“項(xiàng)目引導(dǎo)式”思維之間建立有效途徑，讓學(xué)生打開(kāi)“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(guó)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽(China Undergraduate Physics Tournament，CUPT)[2]這一平臺(tái)，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(guò)完成CUPT賽題為訓(xùn)練階梯，幫助學(xué)生構(gòu)建“項(xiàng)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(duì)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(shí)基礎(chǔ)，構(gòu)建不同階段創(chuàng)新人才培養(yǎng)的體系.

1 項(xiàng)目引導(dǎo)式學(xué)習(xí)及中國(guó)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽

項(xiàng)目學(xué)習(xí)(Project based learning)[4]是以實(shí)踐性的項(xiàng)目完成為核心，將跨學(xué)科的內(nèi)容、高級(jí)思維能力發(fā)展與真實(shí)生活環(huán)境聯(lián)系起來(lái)，充分體現(xiàn)學(xué)生為中心的教學(xué)方式. 通過(guò)將先進(jìn)的教育理論應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，讓學(xué)生以團(tuán)隊(duì)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(shí)際問(wèn)題，從而獲得知識(shí)與技能，該方式能有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[5]. 項(xiàng)目學(xué)習(xí)的核心要素之一是建立合適的項(xiàng)目供學(xué)生學(xué)習(xí)，同時(shí)通過(guò)構(gòu)建合理的運(yùn)行模式來(lái)完成項(xiàng)目. 在大學(xué)本科階段，各種學(xué)科專業(yè)競(jìng)賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目和教師科研課題都是項(xiàng)目學(xué)習(xí)的最佳載體.

中國(guó)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽(CUPT)是面對(duì)大學(xué)低年級(jí)階段本科生，以培養(yǎng)和考查學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力、協(xié)作精神和實(shí)踐能力為目的的物理學(xué)科專業(yè)競(jìng)賽活動(dòng). 競(jìng)賽模式借鑒了國(guó)際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽(International Young Physicists’ Tournament， IYPT). CUPT的17道物理問(wèn)題源于生活，具有極強(qiáng)開(kāi)放性，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)這些物理問(wèn)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(kāi)展科研訓(xùn)練. 比賽以團(tuán)隊(duì)協(xié)作的形式研究物理問(wèn)題，在辯論過(guò)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(shí)，而且還能培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作精神和創(chuàng)新開(kāi)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?xiàng)目引導(dǎo)式”思維. 因此本科低年級(jí)階段CUPT的訓(xùn)練，將為本科高年級(jí)階段的科研訓(xùn)練奠定良好的基礎(chǔ).

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

“項(xiàng)目引導(dǎo)式”思維可以借鑒PDCA[3,6]項(xiàng)目管理方法具體實(shí)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(dòng)中，為提高管理質(zhì)量和管理效益,所進(jìn)行的計(jì)劃(Plan)、實(shí)施(Do)、檢查(Check)和處理(Action)4個(gè)階段工作的循環(huán)過(guò)程. 循環(huán)過(guò)程的4個(gè)階段必須環(huán)環(huán)相扣，同時(shí)這4個(gè)階段會(huì)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(xiàng)目訓(xùn)練上，可以將PDCA改為設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案(Plan)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表征(Do)、理論模擬驗(yàn)證(Check)和物理機(jī)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(shì)主要體現(xiàn)為：

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

2)4個(gè)部分互相關(guān)聯(lián)，每一部分都可作為獨(dú)立環(huán)運(yùn)行，同時(shí)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(wèn)題，因此，每個(gè)循環(huán)都是一次提升；

4)對(duì)于PDCA的具體內(nèi)容，學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目出發(fā)點(diǎn)和項(xiàng)目進(jìn)度，進(jìn)行自我設(shè)計(jì)、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(duì)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(duì)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(guò)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(shí)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(gè)賽題的推進(jìn)工作. 同時(shí)在初期、中期和終期3個(gè)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(shí)驗(yàn)的修正.

圖2 PDCA線路圖

通過(guò)對(duì)題目的初步分析，學(xué)生根據(jù)高中階段的知識(shí)做出初步判斷:CuSO4·5H2O是帶5個(gè)H2O的金屬鹽，其原始?jí)K材呈現(xiàn)藍(lán)色，這是由于電子軌道躍遷吸收特定波長(zhǎng)的可見(jiàn)光導(dǎo)致的顯色現(xiàn)象. 由于CuSO4·5H2O是晶體，學(xué)生開(kāi)始會(huì)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(guò)深入分析和討論，學(xué)生發(fā)現(xiàn)：可見(jiàn)光的波長(zhǎng)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(wú)關(guān).

3.2 Do階段

3.2.1 樣品的制備

在樣品制備預(yù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，低年級(jí)學(xué)生最初想到手工研磨，但在研磨過(guò)程中會(huì)發(fā)現(xiàn)，這種方法雖然簡(jiǎn)單，卻耗時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)顆粒粒徑的改變也不明顯. 此時(shí)教師啟發(fā)學(xué)生用機(jī)器研磨代替手工研磨，學(xué)生通過(guò)咨詢高年級(jí)學(xué)生了解到了球磨機(jī)這一設(shè)備，并開(kāi)始進(jìn)一步實(shí)驗(yàn).

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生主動(dòng)注意到在中學(xué)階段已經(jīng)掌握的知識(shí)點(diǎn)，即CuSO4·5H2O在一定溫度下存在受熱分解的現(xiàn)象，通過(guò)稱重法最終確定CuSO4帶的水分子數(shù). 但是在機(jī)器球磨過(guò)程中，CuSO4·5H2O顆粒會(huì)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(shí)驗(yàn)方案. 通過(guò)在Do階段的層層引導(dǎo)，使學(xué)生逐步提升解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力和高階思維.

通過(guò)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(cè)量. 形貌表征方案是通過(guò)光學(xué)顯微鏡(OM)的暗場(chǎng)模式，對(duì)單個(gè)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(cè)量則是通過(guò)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(jiàn)分光光度計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示. 同時(shí)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(duì)于低年級(jí)的本科生來(lái)說(shuō)在高中階段可能接觸到，但由于需要考慮入射光波長(zhǎng)對(duì)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(chǎng)、暗場(chǎng)、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(shí)的拓展. 而紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)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(jì)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(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的合理性給出判斷.

圖4 單個(gè)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(duì)照. 因?yàn)樗芯康念w粒粒徑分布在百nm到μm級(jí)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(duì)其進(jìn)行定性分析，通過(guò)Comsol有限元模擬來(lái)驗(yàn)證顆粒顏色的變化規(guī)律. 在Comsol模擬中，將顆粒設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(zhǎng)波長(zhǎng)的散射越強(qiáng)，所以看到顯微鏡下顆粒粒徑越小，顏色越發(fā)黃. 在這2個(gè)過(guò)程中，理論分析和模擬手段對(duì)于低年級(jí)本科生來(lái)說(shuō)同樣是陌生的，學(xué)生需要通過(guò)資料搜索和文獻(xiàn)調(diào)研才能找到合適的切入點(diǎn)，同時(shí)在教師的引導(dǎo)下，對(duì)陌生的知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)和消化，從而對(duì)未知問(wèn)題進(jìn)行開(kāi)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(diǎn)和難點(diǎn). 為了自身科研素養(yǎng)的提升，越來(lái)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(shí)和能力的培訓(xùn)，比如文獻(xiàn)查閱、數(shù)據(jù)搜集、計(jì)算機(jī)語(yǔ)言、成果總結(jié)與匯報(bào)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等. 而PDCA項(xiàng)目管理實(shí)施的過(guò)程中，一方面是學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)，但是更重要的是通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)施，培養(yǎng)提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解答問(wèn)題和陳述問(wèn)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(shí)驗(yàn)與結(jié)果的對(duì)照，從結(jié)果中總結(jié)和分析問(wèn)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(xiàng)目的分析脈絡(luò)是項(xiàng)目引導(dǎo)式思維的最終落腳點(diǎn)，學(xué)生在總結(jié)和討論的過(guò)程中，對(duì)于對(duì)照相符部分，則固化為規(guī)律；不符部分，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和理論修正，并反饋給Plan階段，與此對(duì)應(yīng)的是對(duì)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(wèn)題的能力，這對(duì)未來(lái)高年級(jí)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(guò)完成CUPT賽題，學(xué)生可以從中學(xué)會(huì)項(xiàng)目的基本路線制定、修改和完善，并且不斷地用PDCA循環(huán)來(lái)確認(rèn)自己項(xiàng)目實(shí)施的進(jìn)展和存在的缺陷，這為高年級(jí)階段科研項(xiàng)目的訓(xùn)練奠定了良好的基礎(chǔ).

下面以文獻(xiàn)[9]為例，對(duì)比PDCA在科研工作和CUPT賽題完成過(guò)程的相似性，見(jiàn)表1.

表1 文獻(xiàn)[9]和CUPT賽題完成過(guò)程對(duì)照表

從表1中的對(duì)比結(jié)果可以看出，CUPT賽題與科研論文的完成過(guò)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(jí)本科生借助CUPT的競(jìng)賽培訓(xùn)實(shí)現(xiàn)思維模式的轉(zhuǎn)型，建立“項(xiàng)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(yǔ)

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(guò)渡到“項(xiàng)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(wèn)題. 借助PDCA項(xiàng)目管理模式，連通低年級(jí)的學(xué)科競(jìng)賽與高年級(jí)的科研創(chuàng)新，為創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供合力.