基于新工科理念的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)新途徑的探索

吳小平，朱暉文，李超榮，劉愛(ài)萍，陳瑞品，李小云

（浙江理工大學(xué)理學(xué)院浙江省物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，杭州 310018）

0 引言

新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式等新經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)各類人才的基本科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新遷移能力等都提出了新的更高的要求。為了落實(shí)新時(shí)期人才培養(yǎng)，引領(lǐng)我國(guó)高等教育改革、推動(dòng)我國(guó)邁向高等教育強(qiáng)國(guó)，教育部推出了以立德樹(shù)人為引領(lǐng)，以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來(lái)為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，以培養(yǎng)未來(lái)多元化、創(chuàng)新型卓越人才為主要目標(biāo)的新工科等建設(shè)的重要戰(zhàn)略舉措［1-2］，并于近期頒布了《教育部辦公廳關(guān)于啟動(dòng)部分領(lǐng)域教學(xué)資源建設(shè)工作的通知》（教高廳函〔2020〕4 號(hào)），決定啟動(dòng)部分領(lǐng)域教學(xué)資源建設(shè)工作，探索基于新工科理念的教學(xué)資源建設(shè)新路徑，推動(dòng)高等教育“質(zhì)量革命”［3］。我校理學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)中心在推進(jìn)“新工科”建設(shè)過(guò)程中，就如何進(jìn)行新工科人才培養(yǎng)以及與之相匹配的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)上進(jìn)行了一系列的探索，并取得了一些成效。

1 “新工科”人才培養(yǎng)的基本內(nèi)涵與人才培養(yǎng)現(xiàn)狀

《國(guó)家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出：要培養(yǎng)學(xué)生具有獨(dú)立而有批判性思維和能夠適應(yīng)不斷變化環(huán)境的能力［4］；中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)在工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)本科生畢業(yè)要求更突出地體現(xiàn)在利用科學(xué)原理解決問(wèn)題的能力要求［5］；《教育部高等教育司關(guān)于開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的通知》也指出：未來(lái)新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)需要高素質(zhì)復(fù)合型的人才，他們不僅在某一學(xué)科專業(yè)上學(xué)業(yè)精深，而且還應(yīng)具有學(xué)科交叉融合的特征［6-7］。因此，創(chuàng)新能力成為新工科人才培養(yǎng)的核心指向，批判性、綜合性、跨學(xué)科、人文情懷等已成為現(xiàn)代高素質(zhì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的基本內(nèi)涵［8-13］。然而，在目前的創(chuàng)新人才培養(yǎng)中存在著批判性、創(chuàng)造性思維培養(yǎng)不足，人文、理學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)不厚實(shí)，與新工科人才培養(yǎng)相匹配教學(xué)資源不足等問(wèn)題。

物理實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的先驅(qū)和創(chuàng)新的源泉，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新天性，引導(dǎo)學(xué)生掌握創(chuàng)新工具（方法論、方法、技術(shù)），形成創(chuàng)新習(xí)慣，物理實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生與科學(xué)發(fā)展相適應(yīng)的綜合能力中有著無(wú)可替代的作用。因此，探索新工科理念下物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)途徑和人才培養(yǎng)新模式，解決創(chuàng)新人才培養(yǎng)過(guò)程中由于物理基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)不深厚，而嚴(yán)重影響新工科人才的創(chuàng)新能力與水平的問(wèn)題是非常有必要的［12、14］。

2 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)新途徑

2.1 中學(xué)為體，用中華智慧創(chuàng)建新工科理念的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系

繼承和弘揚(yáng)中華優(yōu)秀教育思想，用中華智慧創(chuàng)新新工科人才培養(yǎng)新體系。所謂的學(xué)習(xí)，《辭源》說(shuō)：“學(xué)”乃“仿效”也，通過(guò)觀察、模仿、復(fù)制、內(nèi)化來(lái)獲得知識(shí)；“習(xí)”乃“復(fù)習(xí)”也，即以復(fù)習(xí)鞏固來(lái)提升個(gè)體的能力，以便能夠適應(yīng)現(xiàn)實(shí)的自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境?！墩撜Z(yǔ)》中“學(xué)而時(shí)習(xí)之，不亦說(shuō)乎？”朱熹在《四書集注》中的見(jiàn)解是：學(xué)而又時(shí)時(shí)習(xí)之，則所學(xué)者熟，而中心喜說(shuō)，其進(jìn)自不能已矣。《禮記大學(xué)》中有云：物格而后知至，知至而后意誠(chéng)，意誠(chéng)而后心正，心正而后身修。

中學(xué)為體，依據(jù)以上的中華智慧，創(chuàng)建“文化引領(lǐng)、自主學(xué)習(xí)、實(shí)踐創(chuàng)新”的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。設(shè)計(jì)開(kāi)放式的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，即更加注重實(shí)驗(yàn)的開(kāi)放性而非驗(yàn)證性。如增加無(wú)形的力、空中成像、穿墻而過(guò)、液晶玻璃、會(huì)導(dǎo)電的布、意念彎勺、太陽(yáng)能發(fā)電等趣味性、探索性和啟發(fā)性的物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目［15-16］；學(xué)習(xí)拓展系列經(jīng)典的、具有里程碑作用的物理實(shí)驗(yàn)，形成一批綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如光電效應(yīng)、激光原理等實(shí)驗(yàn)；引導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法、自制實(shí)驗(yàn)儀器，如：分光計(jì)可視化調(diào)節(jié)支架及設(shè)備［17-18］、一種原子力顯微鏡模擬實(shí)驗(yàn)裝置［19］、一種熱電壓電裝置控制系統(tǒng)［20］、利用PSD器件的固體線膨脹系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置等。營(yíng)造獨(dú)立思考、自由探索、勇于創(chuàng)新的學(xué)習(xí)環(huán)境，倡導(dǎo)一種啟發(fā)式、討論式、參與式、探究式的學(xué)→習(xí)→創(chuàng)新教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)學(xué)思結(jié)合、知行統(tǒng)一。

這部分趣味性、探索型的物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容還很好地滿足了人文、社科類學(xué)生和青少年對(duì)自然科學(xué)學(xué)習(xí)的需求。為普及科學(xué)知識(shí)、促進(jìn)學(xué)生學(xué)以致用服務(wù)社會(huì)，學(xué)院依托物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心成立青少年科普教育基地，并于2018 年獲浙江省科普教育基地稱號(hào)。近年來(lái)，科普基地年均服務(wù)近萬(wàn)人，讓科學(xué)知識(shí)與科學(xué)精神在青少年心中扎根，激發(fā)他們的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，為提高全民科學(xué)素養(yǎng)貢獻(xiàn)智慧和力量。

2.2 西學(xué)為用，挖掘系列諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)實(shí)驗(yàn)中蘊(yùn)含的隱性教學(xué)資源

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)系列事件是一座豐富的知識(shí)寶庫(kù)，是學(xué)生學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)不可或缺的內(nèi)容。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)系列實(shí)驗(yàn)中除了具有巧妙的方法和精湛的實(shí)驗(yàn)技術(shù)外，科學(xué)巨匠們身上具備的堅(jiān)韌研究品質(zhì)、敢于質(zhì)疑權(quán)威的創(chuàng)新思維和探索真理的執(zhí)著精神更是學(xué)生學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)不可或缺的內(nèi)容。因此，在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過(guò)詮釋邁克爾遜干涉、拉曼效應(yīng)、光電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、塞曼效應(yīng)、掃描隧道顯微鏡、原子光譜、居里溫度測(cè)量、X射線衍射等這些具有里程碑作用的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)實(shí)驗(yàn)的背景，展示其中物理學(xué)家的人文情懷、科學(xué)思想和實(shí)驗(yàn)方法以及實(shí)驗(yàn)中呈現(xiàn)的美學(xué)特征，有效促進(jìn)愛(ài)國(guó)情懷、社會(huì)責(zé)任、國(guó)際視野的高素質(zhì)創(chuàng)新創(chuàng)意創(chuàng)業(yè)卓越人才的培養(yǎng)［19］。例如，美國(guó)物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷為研究“以太”漂移而設(shè)計(jì)制造出邁克爾遜干涉儀，邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)結(jié)果否定了“以太”的存在，被稱為物理史上“兩朵烏云”之一。通過(guò)詮釋邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)的背景，培養(yǎng)大學(xué)生的批判、創(chuàng)新精神。通過(guò)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)、居里溫度測(cè)量等實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生查閱背景資料以及課外閱讀愛(ài)因斯坦的《我的人生觀》《居里夫人傳》等資料，培養(yǎng)大學(xué)生探索未知、追求真理的科學(xué)精神，樹(shù)立奉獻(xiàn)社會(huì)的人生觀，倡導(dǎo)愛(ài)國(guó)、敬業(yè)、誠(chéng)信、友善的人文情懷。通過(guò)霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，介紹美籍華裔崔琦以及清華大學(xué)薛其坤院士及其團(tuán)隊(duì)在量子霍爾效應(yīng)的最新成就，培養(yǎng)學(xué)生探索未知、勇攀科學(xué)高峰的責(zé)任感和使命感以及家國(guó)情懷。隱性資源在教學(xué)中的應(yīng)用可以貫穿于課前預(yù)習(xí)、課堂匯報(bào)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及期末考試中。也可以把這些背景資料整理成文本，錄制成音頻、視頻，以音頻、視頻二維碼等形式落實(shí)于教材里。挖掘并利用實(shí)驗(yàn)中蘊(yùn)含的隱性教學(xué)資源，不僅可以增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更重要的是讓學(xué)生感受科學(xué)發(fā)展中蘊(yùn)藏的人文精神，從而促進(jìn)新工科人才批判性、創(chuàng)新性、人文情懷的養(yǎng)成，在教學(xué)中進(jìn)行立德樹(shù)人的引領(lǐng)。

2.3 因勢(shì)而新，把最新研究成果及時(shí)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)

因時(shí)而進(jìn)、因勢(shì)而新，依托我校物理系浙江省光場(chǎng)調(diào)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、浙江省凝聚態(tài)物理重點(diǎn)學(xué)科、浙江省一流學(xué)科（A類材料科學(xué)與工程方向）、浙江省新興特色專業(yè)（光電材料與器件方向）建設(shè)、浙江省“雙萬(wàn)計(jì)劃”一流專業(yè)（應(yīng)用物理學(xué)），緊密結(jié)合浙江省新材料、新能源、高端制造、信息處理等九大新興產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略布局和特色小鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)劃對(duì)人才培養(yǎng)的需要，對(duì)系列諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)實(shí)驗(yàn)在內(nèi)容上由淺入深、在環(huán)節(jié)上由理論到應(yīng)用拓展，落實(shí)“文化引領(lǐng)、自主學(xué)習(xí)、實(shí)踐創(chuàng)新”的學(xué)習(xí)體系，開(kāi)展“回顧歷史，觸摸現(xiàn)在，預(yù)見(jiàn)未來(lái)”的教學(xué)模式，學(xué)習(xí)范例見(jiàn)表1。

表1 “文化引領(lǐng)、自主學(xué)習(xí)、實(shí)踐創(chuàng)新”的學(xué)習(xí)模式（范例）

特別是結(jié)合我校以紡織為特色的浙江省重點(diǎn)建設(shè)大學(xué)的特點(diǎn)，根據(jù)紡織工程學(xué)科的特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)智能服裝、可穿戴設(shè)備的發(fā)展要求，自主研發(fā)柔性器件、靜電紡絲、光譜技術(shù)分析等新實(shí)驗(yàn)。校企合作，開(kāi)發(fā)薄膜太陽(yáng)能電池材料表征及測(cè)試、薄膜光電器件結(jié)構(gòu)分析、矢量光場(chǎng)的產(chǎn)生與測(cè)試、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)全息實(shí)驗(yàn)、掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)及表面成分分析、虛實(shí)結(jié)合的傳感器原理及應(yīng)用等實(shí)驗(yàn)；開(kāi)展高可靠多路輸出電源的研究、基于藍(lán)牙通信的物聯(lián)網(wǎng)智能表的設(shè)計(jì)、基于無(wú)磁檢測(cè)技術(shù)的智能表研究等創(chuàng)新性研究。為將這些教學(xué)成果固化，新編出版《光電材料與器件綜合實(shí)驗(yàn)》《近代物理應(yīng)用實(shí)驗(yàn)》等教材，新增近代物理應(yīng)用實(shí)驗(yàn)、材料表征技術(shù)實(shí)驗(yàn)等課程。到目前為止，全校每年有近700 多名學(xué)生修學(xué)近代物理應(yīng)用實(shí)驗(yàn)這門課程，有效推進(jìn)了物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用，提高了新工科人才跨學(xué)科、綜合性等創(chuàng)新能力，對(duì)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型與持續(xù)發(fā)展起到有效的支撐作用［17］。

2.4 運(yùn)用新技術(shù)創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式

推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合。一方面，將傳統(tǒng)教學(xué)中缺少的物理人文文化錄成音頻，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟以及學(xué)生學(xué)習(xí)成果拍成視頻，將視頻與音頻以二維碼的形式印于教材，作為預(yù)習(xí)內(nèi)容，支持學(xué)生建構(gòu)式學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)。另一方面，把互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)和基于人工智能概念的傳感器技術(shù)引用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中來(lái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程共享操作功能。比如，利用藍(lán)牙技術(shù)、無(wú)線傳感器和Sparkvue 軟件，實(shí)現(xiàn)用手機(jī)進(jìn)行光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)、弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)、霍爾效應(yīng)、理想真空二極管綜合實(shí)驗(yàn)、PN結(jié)特性和玻爾茲曼常數(shù)測(cè)量等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量與分析；利用軟件接口共享功能，實(shí)現(xiàn)電腦、平板、手機(jī)等設(shè)備在同一個(gè)局域網(wǎng)或不在同一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)共享，這樣學(xué)生在家里也可以在自己的電腦、平板或者手機(jī)上看到老師做實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集過(guò)程；同時(shí)老師設(shè)置放權(quán)功能，學(xué)生在自己軟件頁(yè)面也能控制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程共享操作功能?，F(xiàn)代信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目深度融合，有效拓展了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間，為創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供了超越時(shí)空限制的知識(shí)獲取途徑，可以有效解決與新工科人才培養(yǎng)相匹配的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐平臺(tái)短缺的問(wèn)題。

3 實(shí)踐效果

基于新工科理念，探索了將中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化元素、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)系列事件、科研成果及時(shí)轉(zhuǎn)化、產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目、現(xiàn)代信息技術(shù)融入物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源有效建設(shè)的新途徑，推進(jìn)了“文化引領(lǐng)、自主學(xué)習(xí)、實(shí)踐創(chuàng)新”物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建和物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)模式的創(chuàng)新。學(xué)生通過(guò)課前預(yù)習(xí)，回顧歷史，了解科學(xué)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)方法產(chǎn)生的歷史背景，感受其中人性光輝，培養(yǎng)學(xué)生具有獨(dú)立而有批判性思維和能夠適應(yīng)不斷變化環(huán)境的能力；通過(guò)課堂實(shí)驗(yàn)，觸摸現(xiàn)在，掌握科學(xué)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)方法；通過(guò)課后探索，對(duì)所學(xué)知識(shí)的進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐，預(yù)見(jiàn)未來(lái)。這種“三維現(xiàn)實(shí)+時(shí)間”的四維立體物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)模式幫助學(xué)生確立正確的世界觀和科學(xué)思想，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維與創(chuàng)新意識(shí)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的有效性，從而解決了由于物理基礎(chǔ)學(xué)習(xí)不厚實(shí)，嚴(yán)重影響創(chuàng)新人才創(chuàng)新能力與水平的問(wèn)題。物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)育人效果顯著，以我校應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)為例，3 年來(lái)，本科生獲大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等省賽二等獎(jiǎng)及以上17 項(xiàng)；學(xué)生發(fā)表SCI、EI收錄論文10 余篇，獲國(guó)家專利20 項(xiàng)，國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目12 項(xiàng)，新苗項(xiàng)目28 項(xiàng)。升學(xué)率屢創(chuàng)新高，2017～2019 年的升學(xué)率分別為33%，50%和51%?！拔幕I(lǐng)、自主學(xué)習(xí)、實(shí)踐創(chuàng)新的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建與實(shí)踐”獲2016 年浙江省教學(xué)成果二等獎(jiǎng)，“近代物理技術(shù)助力現(xiàn)代紡織創(chuàng)新人才培養(yǎng)的探索與實(shí)踐”獲2019 年中國(guó)紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)教學(xué)成果三等獎(jiǎng)。

4 結(jié)語(yǔ)

面對(duì)新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)等新經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，基于新工科人才培養(yǎng)的要求與“中學(xué)為體，西學(xué)為用，因時(shí)而進(jìn)、因勢(shì)而新”的理念，有效建設(shè)了物理實(shí)驗(yàn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源庫(kù)，優(yōu)化教育教學(xué)條件，推進(jìn)了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革，在資源建設(shè)中培養(yǎng)教師隊(duì)伍，激發(fā)文化傳承，樹(shù)立文化自信，推動(dòng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)從以“教”為中心向以“學(xué)、習(xí)”為中心轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了“價(jià)值塑造、知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)”的有機(jī)統(tǒng)一。