CUPT 競(jìng)賽與教學(xué)相融合的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

田 雁

（興義民族師范學(xué)院 物理與工程技術(shù)學(xué)院， 貴州 興義 562400）

一、引言

“CUPT”是中國(guó)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽（China Undergraduate Physics Tournament）的簡(jiǎn)稱(chēng)，是中國(guó)借鑒國(guó)際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽（International Young Physicists’Tournament，簡(jiǎn)稱(chēng)IYPT）的模式創(chuàng)辦的全國(guó)賽事，該項(xiàng)活動(dòng)得到了教育部的支持，是實(shí)踐《國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》和《國(guó)家教育中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃綱要》的重要競(jìng)賽活動(dòng)之一。CUPT 是一項(xiàng)以團(tuán)隊(duì)對(duì)抗為形式的物理競(jìng)賽，比賽題目新穎開(kāi)放，參賽學(xué)生就物理問(wèn)題的基本知識(shí)、理論分析、實(shí)驗(yàn)研究、結(jié)果討論等進(jìn)行辯論性比賽。比賽對(duì)團(tuán)隊(duì)協(xié)作、開(kāi)放思維和表達(dá)能力要求較高。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生必修的專(zhuān)業(yè)實(shí)踐課程，在興義民族師范學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“我?！保┱加? 個(gè)學(xué)分，分四個(gè)學(xué)期開(kāi)設(shè)，分別包含力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)四個(gè)部分。我校的汽車(chē)服務(wù)工程、電子科學(xué)與技術(shù)、安全工程三個(gè)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生也開(kāi)設(shè)了該課程。2019 年下半年由貴州大學(xué)主辦的貴州省首屆大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽（CUPT），讓貴州高校的學(xué)生開(kāi)始有了實(shí)踐的平臺(tái)。目前為止國(guó)內(nèi)CUPT 競(jìng)賽已經(jīng)開(kāi)展了十二屆，它的作用和意義眾所周知。[1`5]許多老師把這個(gè)競(jìng)賽和教學(xué)相結(jié)合開(kāi)展了許多研究和實(shí)踐[6～12]，取得了不少的成果。筆者2019 年下半年結(jié)合我校實(shí)際將該競(jìng)賽內(nèi)容納入到2018 級(jí)物理學(xué)本科班的電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。經(jīng)過(guò)嘗試，取得了良好的效果。目前我校已六次參與該競(jìng)賽，均取得了優(yōu)良的成績(jī)。

疫情的到來(lái)使實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式發(fā)生了改變，實(shí)驗(yàn)課也需重新設(shè)計(jì)。筆者以光學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì)為例進(jìn)行闡述，旨在為開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的同行們提供借鑒。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

搭建線(xiàn)上和線(xiàn)下相融合的教學(xué)模式，在線(xiàn)上建立實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目平臺(tái)、仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、素養(yǎng)平臺(tái)、課外交流平臺(tái)；線(xiàn)下建立課堂教學(xué)平臺(tái)、課后學(xué)習(xí)平臺(tái)。

（二）平臺(tái)內(nèi)容的介紹[14～17]

線(xiàn)上，首先進(jìn)行光學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)及實(shí)驗(yàn)基本要求的介紹；其次在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目平臺(tái)內(nèi)開(kāi)展四個(gè)方面設(shè)計(jì)：實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及操作要求（采用文檔的形式在“超星學(xué)習(xí)通”平臺(tái)上發(fā)布）、儀器介紹和操作示范（通過(guò)視頻展現(xiàn)）、實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)測(cè)試。仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為學(xué)生提供12 個(gè)光學(xué)實(shí)驗(yàn)（該平臺(tái)能為學(xué)生提供涉及力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、近代物理仿真實(shí)驗(yàn)等等總計(jì)51個(gè)。）。素養(yǎng)平臺(tái)分人文素養(yǎng)和科學(xué)素養(yǎng)兩部分。人文素養(yǎng)包含30 個(gè)物理知識(shí)講座、光現(xiàn)象領(lǐng)域物理學(xué)家傳記、與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有關(guān)的故事、物理學(xué)最美實(shí)驗(yàn)——光學(xué)部分以及其他一些光學(xué)的故事?？茖W(xué)素養(yǎng)平臺(tái)包含科學(xué)軟件（Origin 軟件、Traker 視頻分析軟件、Phyphox 手機(jī)工作坊、3D 建模軟件等）、辦公軟件（Office、WPS、Excel 等）、演示文稿制作軟件（iSlider 插件、Focusky 動(dòng)畫(huà)演示大師、EasySketchpro3 手繪版PPT、錄屏軟件CS、音頻編輯軟件）三部分。課外交流平臺(tái)為“超星泛雅學(xué)習(xí)通”平臺(tái)、QQ 課程群、“大學(xué)生科技”協(xié)會(huì)。

線(xiàn)下課堂教學(xué)平臺(tái)主要把實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分層，循環(huán)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的具體操作。教師引導(dǎo)學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)的思想和調(diào)節(jié)過(guò)程，并開(kāi)展過(guò)程評(píng)價(jià)。課后學(xué)習(xí)平臺(tái)采取兩種方式。一種是利用實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展同伴教育，促使學(xué)生解決遺留的各種問(wèn)題；第二種是利用建立的“大學(xué)生科技”協(xié)會(huì)開(kāi)展學(xué)生對(duì)各種科學(xué)軟件、辦公軟件、PPT 制作軟件的學(xué)習(xí)和分享。

（三）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)[13]

根據(jù)光學(xué)理論知識(shí)的框架、學(xué)?，F(xiàn)有的儀器和時(shí)間安排，把實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分三層開(kāi)展。第一層為基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)。讓學(xué)生掌握光學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí)、基本方法、基本技能。該層次把分光計(jì)的調(diào)節(jié)、光具組基點(diǎn)的測(cè)定、利用牛頓環(huán)的等厚干涉測(cè)透鏡的曲率半徑、邁克耳孫干涉儀測(cè)光波波長(zhǎng)定為必做。把簿透鏡焦距的測(cè)定、阿貝折射計(jì)測(cè)透明介質(zhì)的折射率、法布里——珀羅標(biāo)準(zhǔn)具測(cè)光波波長(zhǎng)定為選做；第二層為綜合型實(shí)驗(yàn)。旨在學(xué)生能利用教師提供的資料獨(dú)立開(kāi)展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的研究。把棱鏡玻璃折射率的測(cè)定、菲涅耳雙棱鏡測(cè)單色光波長(zhǎng)、單絲和單縫衍射實(shí)驗(yàn)、光偏振實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)定為必做實(shí)驗(yàn)。把偏振面的旋轉(zhuǎn)和旋光儀、平行光管測(cè)透鏡的焦距、透射光柵測(cè)定光波波長(zhǎng)、測(cè)定移測(cè)顯微鏡的放大率等實(shí)驗(yàn)定為選做實(shí)驗(yàn)；第三層為提高型實(shí)驗(yàn)。內(nèi)容為：學(xué)生課外完成的仿真實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（包含“CUPT 競(jìng)賽課題內(nèi)與光學(xué)有關(guān)的課題研究”和“與光現(xiàn)象有關(guān)的研究”）。以協(xié)同創(chuàng)新為根本理念，鍛煉學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)科研素質(zhì)、開(kāi)放性思維能力及創(chuàng)新意識(shí)、團(tuán)隊(duì)合作精神、交流表達(dá)能力，使學(xué)生的知識(shí)、能力和素質(zhì)得予全面協(xié)調(diào)發(fā)展，同時(shí)注重加強(qiáng)青年學(xué)生之間的團(tuán)結(jié)友誼與交流。

在課堂教學(xué)中我們注重小組成員之間的協(xié)調(diào)，開(kāi)展同伴教育，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程的記錄（包括文字的表述和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的拍攝）訓(xùn)練，有針對(duì)性地訓(xùn)練他們的綜合能力，使他們具備參加CUPT競(jìng)賽的素質(zhì)。

（四）教學(xué)方法的設(shè)計(jì)

教學(xué)分三輪開(kāi)展，在第一、二輪教學(xué)中，教師以文檔和視頻的方式在“超星泛雅學(xué)習(xí)通”平臺(tái)提供實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目理論知識(shí)的介紹、實(shí)驗(yàn)儀器介紹和操作示范、實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的要求，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的預(yù)習(xí)測(cè)試。在第一輪實(shí)驗(yàn)中師生主要采用講授法和問(wèn)題法；第二輪實(shí)驗(yàn)中師生主要采用啟發(fā)法、同伴教育法、提問(wèn)法；第三輪教師引導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展創(chuàng)新研究，主要采用練習(xí)法、讀書(shū)指導(dǎo)法和討論法。

（五）教學(xué)手段

利用“超星泛雅學(xué)習(xí)通”平臺(tái)在課前發(fā)布實(shí)驗(yàn)中涉及的所有資料，如實(shí)驗(yàn)中的理論知識(shí)介紹（包括文檔和視頻以及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的演示文稿等），彌補(bǔ)光學(xué)理論課和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)展不同步給學(xué)生帶來(lái)的困擾；利用虛擬的仿真實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生加深對(duì)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和過(guò)程的理解。課中，加強(qiáng)對(duì)CUPT 比賽過(guò)程中需求的能力進(jìn)行訓(xùn)練；課后利用“超星泛雅學(xué)習(xí)通”平臺(tái)、QQ 課程群、開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室、“大學(xué)生科技”協(xié)會(huì)等渠道開(kāi)展學(xué)生與學(xué)生，教師與學(xué)生之間的溝通和交流。

（六）考核方式的設(shè)計(jì)

注重過(guò)程評(píng)價(jià)，讓學(xué)生認(rèn)真完成每個(gè)過(guò)程的內(nèi)容，激發(fā)他們內(nèi)心的學(xué)習(xí)動(dòng)力，從而提升綜合能力，提高學(xué)習(xí)成績(jī)。考核結(jié)果由平時(shí)成績(jī)和期末成績(jī)構(gòu)成，平時(shí)成績(jī)占60%，其中考勤占5%+（基礎(chǔ)知識(shí)測(cè)試+ 任務(wù)點(diǎn)）占10%+ 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)測(cè)試占10%+ 實(shí)驗(yàn)操作成績(jī)占15%+ 實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)占15%+仿真實(shí)驗(yàn)成績(jī)占5%。

期末成績(jī)占40%，其中創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)占20%，操作考試占20%，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)成績(jī)又包含：創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)PPT 制作、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)PPT 匯報(bào)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)報(bào)告，各占5%。操作考試則按抽簽的方式進(jìn)行實(shí)際。

三、課程設(shè)計(jì)實(shí)踐結(jié)果

該模式應(yīng)用到電磁學(xué)、光學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，經(jīng)過(guò)2 年的教學(xué)嘗試，教學(xué)效果初見(jiàn)成效，目前取得的效果如下表1。

表1 我校學(xué)生參加貴州省、西南片區(qū)的大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽（GZUPT）取得的成績(jī)

從這六次比賽的結(jié)果來(lái)看，把CUPT 競(jìng)賽的模式運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中是可行的。通過(guò)參加競(jìng)賽激發(fā)了學(xué)生的潛力，使學(xué)生的文獻(xiàn)檢索、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力得到了大幅度的提高。學(xué)生與競(jìng)賽者之間的相互溝通方法和技巧、語(yǔ)言表達(dá)能力也大幅度提高。同時(shí)增強(qiáng)了同學(xué)們的集體榮譽(yù)感、創(chuàng)新意識(shí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，拓寬了教師和學(xué)生的視野，為學(xué)生后續(xù)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

四、展望和思考

通過(guò)對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)展的線(xiàn)上線(xiàn)下設(shè)計(jì)，把CUPT 競(jìng)賽人員具備的素質(zhì)融入到教學(xué)過(guò)程中，在六個(gè)平臺(tái)中進(jìn)行逐次的訓(xùn)練，讓學(xué)生學(xué)會(huì)思考；再利用學(xué)會(huì)的各種技能進(jìn)行探索，使他們具有了一定的創(chuàng)新能力。學(xué)生通過(guò)參與競(jìng)賽接觸了不同學(xué)校的同學(xué)，激發(fā)了他們奮進(jìn)的斗志，參與競(jìng)賽的同學(xué)大都參與到考研的隊(duì)伍，有了繼續(xù)深造的機(jī)會(huì)。在課中融入多方面的內(nèi)容，真正的讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)學(xué)習(xí)并加強(qiáng)了學(xué)生的綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

依托CUPT 競(jìng)賽的模式在實(shí)施的過(guò)程中仍然還存在不足，比如學(xué)生報(bào)名參賽的人員中部分同學(xué)不能克服學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)中的各種困難，使得課題開(kāi)展到一定階段就以失敗告終，最終導(dǎo)致自己創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的成績(jī)不佳。也有些學(xué)生查閱文獻(xiàn)，解析文獻(xiàn)的能力不足，使得實(shí)驗(yàn)建模過(guò)程中理論上得不到突破等等。這些都需要教師提升自身能力，在以后的教學(xué)中因材施教，擔(dān)負(fù)起指導(dǎo)作用，讓教書(shū)育人落到實(shí)處。目前這種教學(xué)模式主要應(yīng)用在電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)和光學(xué)實(shí)驗(yàn)兩門(mén)課程中，后續(xù)我們還將加大力度進(jìn)行力學(xué)、熱學(xué)部分實(shí)驗(yàn)的建設(shè)。

課程是人才培養(yǎng)的基本單元，教師在教學(xué)中要優(yōu)化課程體系，不斷探索創(chuàng)新教學(xué)模式。創(chuàng)造更多的學(xué)習(xí)平臺(tái)，讓學(xué)生學(xué)思結(jié)合，知行同一，通過(guò)多渠道訓(xùn)練，讓學(xué)生的多種技能得到不同程度的提高，為他們今后的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這是作為當(dāng)代大學(xué)教師應(yīng)該肩負(fù)的責(zé)任和使命。