基于物理實驗競賽的新工科創(chuàng)新型人才培養(yǎng)

鐵小勻 崔乃毅 張進治

[摘 要] 新工科創(chuàng)新型人才是適應(yīng)并滿足未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟需要的，具有更強實踐能力、創(chuàng)新能力、國際競爭力的高素質(zhì)、復(fù)合型人才。物理實驗課和物理實驗競賽在新工科人才培養(yǎng)中發(fā)揮重要作用。優(yōu)質(zhì)的物理實驗課程可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和提高學(xué)生的實踐技能，而物理實驗競賽不僅能夠讓優(yōu)秀人才脫穎而出，而且也能讓普通學(xué)生的創(chuàng)新和實踐能力得到鍛煉和提高。北京市物理實驗競賽的宗旨是創(chuàng)新、實踐、合作，競賽采用半開放的命題方式，可以充分發(fā)揮參賽者的創(chuàng)新思維及與工科專業(yè)結(jié)合。在大學(xué)物理實驗課的基礎(chǔ)上，把物理實驗競賽作為實踐教學(xué)平臺，更有利于新工科創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞] 物理實驗競賽;新工科;創(chuàng)新型人才;實踐平臺

[基金項目] 2020年度北方工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革基金“基于物理實驗競賽的新工科創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的探索與實踐”（207051360020XN136）

[作者簡介] 鐵小勻（1970—），女，貴州務(wù)川人，學(xué)士，北方工業(yè)大學(xué)理學(xué)院副教授（通信作者），主要從事物理實驗教學(xué)和與工科專業(yè)相結(jié)合的創(chuàng)新物理實驗研究;崔乃毅（1963—），男，吉林吉林人，博士，北方工業(yè)大學(xué)理學(xué)院教授，主要從事表面等離子體刻蝕和表面改性、表面測試技術(shù)等研究;張進治（1963—），男，山東日照人，學(xué)士，北方工業(yè)大學(xué)理學(xué)院副教授，主要從事光催化納米材料研究。

[中圖分類號] TM02? ?[文獻標(biāo)識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）07-0009-04? ? [收稿日期] 2020-10-13

培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新意識和實踐能力是世界各國高等教育改革的方向[1]?（P115），而新工科建設(shè)迫切要求改革傳統(tǒng)的教育模式，貫徹工程教育思想，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。以成果或產(chǎn)出為導(dǎo)向的教育模式，已成為國內(nèi)地方工科院校廣泛關(guān)注的焦點[2]?（P58）。由此，各工科院校勢必把創(chuàng)新、實踐作為人才培養(yǎng)的核心要素。物理實驗課程應(yīng)該在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐技能方面發(fā)揮重要作用，但工科學(xué)生的物理實驗課時明顯偏少，學(xué)生只能進行一些基礎(chǔ)性實驗的學(xué)習(xí)與操作，主要是進行基本理論、基本方法、基本技能的“三基”系統(tǒng)訓(xùn)練。可以說，學(xué)生的創(chuàng)新意識剛剛有所啟發(fā)，就“戛然而止”，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[3]?（P265）。因此，改革現(xiàn)有的實驗教學(xué)模式，探索培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的新方法和新舉措已經(jīng)勢在必行[4]?（P21）。李道勇等在《基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的大學(xué)物理實驗教學(xué)模式改革》一文中提到結(jié)合物理科技創(chuàng)新平臺和學(xué)科競賽構(gòu)建并完善了“以賽促練、以練促學(xué)”的課外實踐教學(xué)模式[5]?（P103）。從2009年開始的北京市大學(xué)生物理實驗競賽，其競賽宗旨是創(chuàng)新、實踐、合作，競賽的方式是基于物理原理的實用裝置制作，正符合成果為導(dǎo)向的教育模式。物理實驗競賽與傳統(tǒng)的物理實驗課程相比，更加接近實際的工程技術(shù)問題，半開放式的命題方式更有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，三人一組的方式也能夠培養(yǎng)學(xué)生的合作意識。比如北京市2010年物理實驗競賽規(guī)定題目是設(shè)計并制作流量計。作者指導(dǎo)學(xué)生完成的項目是基于霍爾傳感器的渦輪流量計，通過這個裝置的設(shè)計制作，參賽學(xué)生經(jīng)歷了從理論知識到理論的實驗驗證到實用裝置的整個過程，從而深刻理解了知識的應(yīng)用過程，也了解到在把知識變成實用裝置的過程中，需要具備哪些條件、哪些技能，在這個過程當(dāng)中，自己的優(yōu)勢是什么、劣勢是什么。該題目正好在物理實驗的基礎(chǔ)上延伸到實際工程技術(shù)問題。競賽準(zhǔn)備階段的開放性和超過半年的準(zhǔn)備時間，充分說明競賽重過程，希望學(xué)生在過程中得到鍛煉和提高。如果把物理實驗競賽作為物理實驗課的實踐平臺，必將提升物理實驗課在培養(yǎng)新工科創(chuàng)新型人才當(dāng)中的作用。

一、物理實驗競賽資源積累

（一）實驗項目的積累

自2009年以來，北京市物理實驗競賽已經(jīng)走過了12年的歷程，共舉辦過12屆競賽，以后還將繼續(xù)進行下去。每年兩個規(guī)定題目、一個自選題目、一篇論文，每一所學(xué)校每年至少有4個項目，最多的有8個項目。12年下來，積累了幾十個競賽題目，其中一等獎的題目大約15%，這些題目都是具備創(chuàng)新點、理論嚴(yán)謹(jǐn)、研究深入、數(shù)據(jù)完整、制作精良的好作品，而且大多數(shù)獲獎作品都有實際應(yīng)用價值。眾所周知，要想培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新思維，設(shè)計性實驗比驗證性實驗價值更大，而只有開發(fā)出合適的設(shè)計性實驗，這種價值才能充分體現(xiàn)出來，如果題目太難，學(xué)生容易放棄，也會打擊學(xué)生的積極性;如果太脫離實際，不能激發(fā)學(xué)生的興趣;如果與前期學(xué)生做的驗證性實驗沒有很好地銜接和提升，學(xué)生沒有積累和準(zhǔn)備。而這些獲獎的作品為設(shè)計性實驗提供了很好的素材。甚至一些沒有獲獎的作品，本來很有創(chuàng)新點，可能只是后期制作出現(xiàn)問題而沒有獲獎。像這樣一些題目都可以作為素材積累起來。一方面在此基礎(chǔ)上開發(fā)設(shè)計性實驗，一方面作為演示實驗。比如2019年作者指導(dǎo)的規(guī)定題目——偏振光干涉的應(yīng)用裝置，設(shè)計思路是雙層薄膜的反射式偏振光干涉的應(yīng)用裝置，其難點是圖案裁剪，恰好有一個學(xué)生擅長剪紙，最后學(xué)生設(shè)計制作出了可旋轉(zhuǎn)變色的剪紙畫，只不過用薄膜替代了紙。難點變成了亮點，這個作品非常漂亮（見圖1）。如果有喜歡剪紙的學(xué)生，這個作品就是這些學(xué)生深入理解研究偏振光干涉的切入點。

（二）人才的積累

大學(xué)物理實驗課程的難度設(shè)計要考慮大多數(shù)學(xué)生的接受程度，又由于實驗場地和學(xué)時的限制，學(xué)生只能在規(guī)定的時間規(guī)定的地點完成規(guī)定的實驗，實驗內(nèi)容單一，跟學(xué)生的專業(yè)結(jié)合不夠，跟實際生產(chǎn)當(dāng)中的工程技術(shù)問題結(jié)合不夠，具有創(chuàng)新意識和實踐技能的復(fù)合型人才很難脫穎而出。而物理實驗競賽恰恰彌補了這個不足，其選題都經(jīng)過物理實驗競賽組委會討論，難度合適，又跟實際的工程技術(shù)問題結(jié)合，其開放的命題方式又讓學(xué)生能夠跟自己的專業(yè)知識結(jié)合。比如2016年的題目，用智能手機參與經(jīng)典的物理實驗，我校的一個項目“手機App控制的智能化火災(zāi)自動報警系統(tǒng)”獲得三等獎，這個題目充分發(fā)揮了學(xué)生的編程能力，把學(xué)生的專業(yè)知識用到實驗競賽中，也讓我們實驗室多了一個助手，在后面幾屆的競賽中，這位學(xué)生都積極幫助輔導(dǎo)學(xué)弟學(xué)妹。后來在我們實驗室開發(fā)新實驗項目的工作中，這位學(xué)生發(fā)揮了積極的作用，幫助我們編程，使我們的實驗項目實現(xiàn)智能檢測、自動顯示。我們實驗室在實驗競賽中篩選培養(yǎng)出來的人才，再回過來服務(wù)于實驗課程建設(shè)，而優(yōu)質(zhì)的實驗課程有利于提高學(xué)生的競賽技能和實力，形成了一個良性的回饋和互動。

二、建設(shè)物理實驗實踐平臺的措施

（一）組織競賽，開設(shè)創(chuàng)新物理實驗選修課

既然是教學(xué)實踐平臺，就要盡可能地讓更多的學(xué)生參與進來。大學(xué)物理實驗課程面向全校工科專業(yè)開設(shè)，超過一千人。最終有機會參加北京市大學(xué)生物理實驗競賽的不會超過三十人，但這并不意味著其他學(xué)生不能分享北京市物理實驗競賽的育人優(yōu)勢。而如何讓這些學(xué)生分層成才是物理實驗課程建設(shè)需要思考的問題。不同層次的學(xué)生需要不同的動力和不同的激發(fā)方式，例如：能力很強的學(xué)生，目標(biāo)就是在北京市物理實驗競賽中獲獎，而能力相對比較弱的學(xué)生更在意學(xué)分，大多數(shù)學(xué)生都會在意是否在校內(nèi)競賽中獲獎，而一些上進心很強的學(xué)生則更在意自己能力的提高。由此我們的物理實驗課有四個層次的課程目標(biāo)：第一層是完成十個實驗，包括基礎(chǔ)性綜合型實驗和設(shè)計性實驗;第二個層次是創(chuàng)新物理實驗選修課;第三個層次是校內(nèi)物理實驗競賽;第四個層次是北京市大學(xué)生物理實驗競賽。第二個層次和第三個層次都是以北京市大學(xué)生物理實驗競賽為導(dǎo)向的，創(chuàng)新物理實驗課是以競賽題目為內(nèi)容的開放式教學(xué)，包括兩個北京市競賽的指定題目、兩個自選題目。實驗室提供場地，學(xué)生按照自己的空余時間到實驗室做實驗，完成實驗裝置，定期或不定期地跟老師溝通討論。在創(chuàng)新物理實驗課中完成裝置的可以參加校內(nèi)物理實驗競賽，沒有完成裝置的，也必須有設(shè)計思路和實驗報告，作為創(chuàng)新物理實驗課最后提交的小論文取得學(xué)分。在校內(nèi)競賽中表現(xiàn)出色的，再選拔參加北京市物理實驗競賽，所以校內(nèi)競賽既是北京市競賽的選拔賽，又讓一些能力不是很強的學(xué)生有一個在校內(nèi)賽中獲獎的目標(biāo)，從而提高參加競賽的動力。所以通過這樣一種分層成才的方式，把只有很少的學(xué)生有機會參加的北京市大學(xué)生物理實驗競賽不同程度地惠及更大范圍的學(xué)生，這正是把競賽作為實踐平臺的優(yōu)勢。

（二）重視競賽過程的管理和賽后裝置的完善利用

實驗競賽是一個長期的系統(tǒng)工程，從4月份報名到11月份的北京市競賽，足足有7個月的時間。我們專門給競賽學(xué)生提供了一個競賽實驗室，在保證安全和紀(jì)律的前提下，由學(xué)生自己管理，自由使用實驗室。但是也有一些學(xué)生在自己的專業(yè)實驗室做實驗，有的時候要用到一些電子元器件或者集成塊，他們?yōu)榱耸∈聝?，就從專業(yè)實驗室借用。雖然我們要求比賽結(jié)束后實驗裝置不能破壞，要原封不動地留在實驗室，但是還是有一些學(xué)生會把借用的東西拆卸下來，這就導(dǎo)致了實驗裝置被破壞。為了避免這種情況，實驗室一定要加強管理。首先，保證所有元器件都由實驗競賽經(jīng)費購買，特殊情況下，借用別的實驗室的東西，之后用其他的方式歸還，絕對不能拆卸實驗裝置。因為實驗裝置是學(xué)生和實驗指導(dǎo)教師幾個月智力勞動、精力、汗水的結(jié)晶，有的裝置還經(jīng)過反復(fù)修改方案、調(diào)試，甚至經(jīng)歷過數(shù)次失敗。如果實驗競賽的目的只是最終的競賽結(jié)果，就很容易在競賽結(jié)束后對這些裝置棄之如敝屣。而如果把實驗競賽當(dāng)成培養(yǎng)人才的手段，那么實驗競賽過程中產(chǎn)出的任何東西，包括經(jīng)驗、信息、展板、裝置、競賽的學(xué)生信息，我們都應(yīng)該認真收集整理。學(xué)生信息便于我們后期跟蹤競賽學(xué)生的發(fā)展軌跡，也便于我們在學(xué)生中樹立榜樣。競賽的裝置我們收集起來，再加上必要的說明，包括競賽學(xué)生的姓名、獲獎等級、裝置說明，做成展示柜向其他學(xué)生展示、宣傳競賽，提高學(xué)生對競賽和物理實驗的興趣，也可以提高競賽獲獎學(xué)生的榮譽感。

（三）注重對獲獎學(xué)生的跟蹤和后續(xù)培養(yǎng)

在競賽中脫穎而出的學(xué)生，我們要跟蹤了解他們成才的軌跡，給他們提供更多成才的機會、更多施展才華的機會。大學(xué)物理實驗課程在保證傳統(tǒng)經(jīng)典實驗題目不變的情況下，可以開發(fā)一些跟工科專業(yè)結(jié)合的實驗，有利于提高學(xué)生對物理實驗的興趣，學(xué)科的融合也有利于培養(yǎng)新工科復(fù)合型人才。但是畢竟術(shù)業(yè)有專攻，即便我們現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用，我們對工科專業(yè)的了解也是非常有限的，這個時候我們需要學(xué)生的幫助。比如我們實驗室開發(fā)了一個光敏傳感器的設(shè)計性實驗，需要制作感光模塊、單片機編程、數(shù)碼實時顯示，而單片機編程是我們實驗老師的短板。于是我們找到2013年北京市物理實驗競賽一等獎獲得者，他們的專業(yè)是自動化，參賽題目是“智能化伸縮系數(shù)測量儀的研究”，正好用上他們剛剛學(xué)完的單片機。他們的強項正是我們實驗室老師們的弱項，在他們的幫助下，我們花了很少的成本，自己制作了感光模塊，在顯示屏上留下了他們的名字（見圖2）。學(xué)弟學(xué)妹們每次使用感光模塊，打開開關(guān)，首先看到的就是制作者的姓名。這對于制作者來說是榮譽感和學(xué)有所用，對于學(xué)弟學(xué)妹來說是榜樣。這個例子正是物理實驗競賽回饋于物理實驗教學(xué)的典型。

（四）實驗競賽的宗旨融入實驗課程建設(shè)中

北京市物理實驗競賽的宗旨是創(chuàng)新、實踐、合作，基本符合新工科人才的培養(yǎng)目標(biāo)。而如果我們把創(chuàng)新、實踐、融合作為課程的建設(shè)宗旨，物理實驗課程一定能為培養(yǎng)新工科人才發(fā)揮不可替代的作用。作為一門自然科學(xué)，物理學(xué)本身的知識體系相對穩(wěn)定，受社會發(fā)展和科技發(fā)展的影響相對較小，有很多經(jīng)典的實驗題目是不可更改的，但是這并不意味著我們不能在實驗題目上做更替和增加。為了適應(yīng)我校的人才培養(yǎng)目標(biāo)——高水平應(yīng)用型人才，我校的自編教材《工科物理實驗》在綜合性實驗中增加了傳感器系列實驗[6]?（P2）。傳感器是自動化測量不可缺少的環(huán)節(jié)。一般傳感器的結(jié)構(gòu)原理都是物理的范疇，而傳感器的設(shè)計應(yīng)用是工科的范疇。對結(jié)構(gòu)原理的透徹理解是設(shè)計傳感器的基礎(chǔ)，要想在傳感器的設(shè)計上創(chuàng)新，需要結(jié)合底層的基礎(chǔ)原理和上層的工程應(yīng)用實際，而在物理實驗課中開設(shè)傳感器實驗，可以把傳感器的結(jié)構(gòu)原理講得很透徹。我們的教材還增加了一個章節(jié)——研究型實驗，研究型實驗的內(nèi)容包含各種光譜儀的原理和應(yīng)用，以及生產(chǎn)生活中一些常用材料的性能研究，既沒有脫離物理這個關(guān)鍵詞，又更加接近實際的工程技術(shù)問題。有了好的教材，還需要教師們通過課堂把這種創(chuàng)新、實踐、融合的理念傳遞給學(xué)生，落實到位。

三、結(jié)語

物理實驗競賽涉及的環(huán)節(jié)太多，儀器設(shè)備狀態(tài)的不可控性，實際操作的偶然性，評價標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜性，每一個實驗的獨立性，競賽方式的多樣性，諸如此類的原因使得主辦物理實驗競賽難度很大。而當(dāng)大環(huán)境對我們提出了更高的要求，對人才提出了更高的要求，尤其是對具有更強實踐能力、創(chuàng)新能力、國際競爭力的高素質(zhì)、復(fù)合型人才的需求，使得我們對實驗課程、實踐環(huán)節(jié)不得不加強重視。2009年由北京市教委主辦、北京交通大學(xué)承辦的北京市物理實驗競賽終于開啟了它的光輝歷程。北京交通大學(xué)年年承辦，功不可沒。這十多年以來，我們親眼見證了一屆又一屆的學(xué)生在大半年的實驗競賽準(zhǔn)備中一點一點地成長，其中有不少學(xué)生連續(xù)參加了兩次實驗競賽。這段競賽經(jīng)歷時間長，開放式的競賽準(zhǔn)備方式，必將對他們以后的成才產(chǎn)生積極的、課堂學(xué)習(xí)不可替代的影響。

（課題組成員：鐵小勻，崔乃毅，張進治，安艷偉，謝亮，于建強）

參考文獻

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[6]張進治，李靈杰，鐵小勻，等.工科物理實驗[M].濟南：山東大學(xué)出版，2015.

Training Innovative Talents under the “Emerging Engineering Education”

Based on Physics Experiment Competition

TIE Xiao-yun， CUI Nai-yi， ZHANG Jin-zhi

（College of Science， North China University of Technology， Beijing 100144， China）

Abstract： New engineering talents are high-quality and compound talents with stronger practical ability， innovation ability and international competitiveness to meet the needs of new industries and new economy in the future. Physics Experiment course and physics experiment competition play an important role in the training of new engineering talents. High quality Physics Experiment course can cultivate students innovation ability and improve their practical skills. The physics experiment competition can not only make outstanding talents stand out， but also make ordinary student's innovation and practical ability be trained and improved. The aim of Beijing Physics Experiment Competition is innovation， practice and cooperation. The semi-open propositional method is adopted in the competition， which can give full play to the innovative thinking of the participants and combine with the engineering majors. On the basis of college Physics Experiment course， the physics experiment competition is regarded as a practice teaching platform， which is conducive to the cultivation of new engineering talents.

Key words： physics experiment competition;“emerging engineering education”; innovative talents; practice platform