培養(yǎng)拔尖本科生的CUPT教學模式的探索與實踐

蒲賢潔，吳小志，韓 忠，王少明

(重慶大學 物理學院 物理實驗國家級實驗教學示范中心，重慶 401331)

2020年，教育部發(fā)布了《關(guān)于在部分高校開展基礎(chǔ)學科招生改革試點工作的意見》，稱為“強基計劃”，以選拔培養(yǎng)有志于服務國家重大戰(zhàn)略需求且綜合素質(zhì)優(yōu)秀或基礎(chǔ)學科拔尖的學生[1].物理學是理工科的基礎(chǔ)學科，目前物理學科人才培養(yǎng)仍然以教師為中心，在學生能力培養(yǎng)目標和考核評價方式上較為單一[2-3].為培養(yǎng)滿足國家所需的拔尖人才，需要對傳統(tǒng)物理學科人才培養(yǎng)模式進行升級改造，建立“以學生為中心，教師為引導的自主學習、自主研究”的教學氛圍及豐富全面的科學考核評價機制，培養(yǎng)“科研素養(yǎng)、開放思維、合作精神、表達交流能力”等綜合素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的本科拔尖人才[4-6].

1 以CUPT為主體的培養(yǎng)體系建設(shè)背景

中國大學生物理學術(shù)競賽(China Undergraduate Physics Tournament，CUPT)是南開大學借鑒國際青年物理學家錦標賽(International Young Physicists’ Tournament，IYPT)，于2010年發(fā)起的面向理工科大學生開展的全國性賽事[4-5].CUPT以開放的競賽題目、辯論的競賽形式、科學的評價方法為特色.競賽題目通常來源于生活中的趣味問題，在正式競賽前1年公布，參賽者利用課余時間進行文獻調(diào)研、理論學習、實驗裝置搭建、建模與仿真、誤差分析、理論模型或者實驗裝置的優(yōu)化改進等.競賽時參賽者分為正方、反方和評論方，以對抗辯論形式進行比賽.裁判通過隊員的賽場表現(xiàn)，依據(jù)評分表對團隊進行科學評價.

重慶大學物理學院從2012年開始組隊參加CUPT.從最初的參加競賽，到推動“CUPT西南地區(qū)賽”的舉行和參與制定西南地區(qū)大學生物理學術(shù)競賽(Southwest China Undergraduate Physics Tournament，SWUPT)指南，再到依托CUPT賽事開展一系列教育教學改革[7-8].例如：

1)將CUPT“自主研究、對抗辯論”的教學模式推廣應用于第一課堂，建立本科生創(chuàng)新平臺，開設(shè)創(chuàng)新實驗項目和思辨性課程；

2)開展賽后科研拓展訓練，與大學生創(chuàng)新實踐項目融合；

3)融入新生研討課及聯(lián)合重慶市中學開展“大-中銜接教育”；

4)充實“強基計劃”培養(yǎng)方案.

逐步豐富和拓展CUPT的內(nèi)涵，構(gòu)建“一體多維二元融合”的CUPT模式拔尖人才綜合素質(zhì)培養(yǎng)體系，如圖1所示.

圖1 “一體多維二元融合”的CUPT模式拔尖人才綜合素質(zhì)培養(yǎng)體系

2 一體多維二元融合的CUPT培養(yǎng)體系

以CUPT為主體(一體)，開展與CUPT相關(guān)的多維度教育教學改革(多維)，包括：成立CUPT創(chuàng)新團隊和實驗室，開設(shè)創(chuàng)新實驗項目和思辨性課程，將CUPT教學模式推廣到第一課堂，充實“強基計劃”培養(yǎng)方案，促進第一課堂和第二課堂在教師團隊、教學模式、教學內(nèi)容、評價體系、儀器設(shè)備和教學空間的銜接與融合(二元融合).

2.1 CUPT創(chuàng)新團隊和實驗室

隨著物理學術(shù)競賽培訓工作的持續(xù)開展，在學校教務處和學院的大力支持下，首先成立了CUPT創(chuàng)新團隊，形成了穩(wěn)定的指導教師隊伍.在學院本科生創(chuàng)新實踐基地的基礎(chǔ)上建成了CUPT創(chuàng)新團隊實驗室，購置了3D打印機、高速攝像機和小型服務器等通用儀器設(shè)備，同時也與物理實驗中心、專業(yè)實驗室和科研實驗室達成了儀器共享協(xié)議.

針對CUPT創(chuàng)新團隊實驗室運行中存在的人力資源不足、服務保障能力低等問題，建立了學生自主管理的實驗室制度，主要包括：

1)學生自主創(chuàng)建CUPT創(chuàng)新團隊網(wǎng)頁，編寫《實驗室使用和維護指南》《計算與數(shù)據(jù)科學入門》《關(guān)于CUPT財務報銷的暫行規(guī)定》《實驗室服務器使用指南》等文檔；

2)學生財務員負責實驗室儀器和耗材的購置與管理；

3)制定學生教練和領(lǐng)隊制度，發(fā)揮往屆隊員的競賽經(jīng)驗優(yōu)勢；

4)組織學生匯編CUPT團隊論文集，將完成較好的項目總結(jié)成小論文供后期參考，同時也增強了學生的凝聚力，積累了資源.

此外，利用競賽題目的開放性特點，在競賽結(jié)束后繼續(xù)開展賽后科研拓展訓練，以更高標準和要求將賽題的理論分析和實驗設(shè)計提升到新的高度，并以科學論文形式進行項目工作總結(jié).實踐表明：賽后拓展訓練是學生從學科競賽邁向科學研究的中轉(zhuǎn)站，有助于“科教融合”培養(yǎng)高年級拔尖本科生.

2.2 創(chuàng)新實驗項目和思辨性課程

作為選拔和繼續(xù)培養(yǎng)高年級拔尖本科生的途徑之一，賽后拓展訓練往往和大學生科研訓練計劃(Student Research Training Program, SRTP)、國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃(簡稱“國創(chuàng)”)等具體項目結(jié)合.SRTP由1969年美國麻省理工學院倡導的“本科研究機會計劃”變革而來，于20世紀90年代在中國部分大學開展；“國創(chuàng)”于2012年教育部在“十二五”期間正式啟動實施，二者有共通之處，即通過科研訓練實踐，推動學生在研究中學，在做中學，在問題、同伴和教師引導下自主學習并成長為創(chuàng)新人才[9].而CUPT賽題由于其開放性及所包含的科學問題，非常適合演變?yōu)镾RTP和“國創(chuàng)”項目的研究內(nèi)容，能夠為學生提供科研訓練的實踐機會，讓學生掌握系統(tǒng)的科研方法并構(gòu)建正確的科研態(tài)度.同時為了擴大受益學生范圍，自2017年起學院在全校范圍開設(shè)“趣味物理問題探索”“CUPT物理問題創(chuàng)新探討”和“物理體驗與探索”課程，以解決CUPT賽題為導向，具體過程是將參與課程的學生分成若干小組，引導學生應用所學知識解決具體物理問題，如圖2所示.實踐表明：基于問題的學習能夠有效提升學生的學習熱情、自學能力和階段性學習的獲得感，從而激發(fā)學生自主成長為具有創(chuàng)新實踐能力和科研思維能力的拔尖人才的主觀能動性.

圖2 課程與CUPT賽題相結(jié)合的培養(yǎng)模式

2.3 CUPT教學模式

CUPT賽事在全國高校蓬勃發(fā)展，基于CUPT的教育教學改革也在不斷深入.2019年召開的“物理學術(shù)競賽10周年暨素質(zhì)教育新模式研討會”，預示著CUPT教育教學改革進入新的階段.近年來，重慶大學物理學院已開展CUPT教學模式在“大學物理”“大學物理實驗”“物理類專業(yè)實驗”等理論和實驗課程的教學實踐，并在相鄰的西南大學、陸軍勤務學院和西南交通大學等高校推廣第一課堂的CUPT教學模式，獲得了較好的實施效果[7-8].

以“大學物理實驗”為例(圖3)，過去這門課程多采用“教師講—學生聽—教師演示—學生模仿”的教學模式.該模式對于學生掌握實驗方法，驗證和加深對理論的理解有很好的效果，但在培養(yǎng)學生獨立思考能力、自主實踐能力、創(chuàng)新意識及創(chuàng)造能力存在嚴重不足，不利于拔尖人才的培養(yǎng)[10-11].因此，選取合適的CUPT競賽題目，經(jīng)過改進后作為低年級本科生的設(shè)計性、創(chuàng)新性實驗項目，并以CUPT組隊進行文獻查閱、建模仿真、實驗設(shè)計、裝置搭建、數(shù)據(jù)測量與分析、結(jié)論報告與辯論的模式開展，不僅能激發(fā)學生的學習主動性，同時也能激發(fā)教師的教學研究與改革興趣.目前“大學物理實驗”課程CUPT教學模式的應用已從最初的4個試點班擴展到10多個教學班，量表測試數(shù)據(jù)和統(tǒng)考成績從主客觀檢驗的角度充分肯定了該教學模式在培養(yǎng)學生自主學習能力、實驗實踐能力和創(chuàng)新能力方面的作用[7-8].

圖3 CUPT教學模式的物理實驗教學實踐及研討流程[8]

建立回歸第一課堂的CUPT教學模式需要形成科學的學習評價標準.CUPT教學模式通過學習評價量表對學習效果進行評價，如表1所示.學習評價量表能夠促進學生中心、成果導向、持續(xù)改進的教育教學理念在CUPT教學模式中的實施，在改進教師的教、學生的學、師生互動關(guān)系以及公平公正的育人氛圍等方面具有良好的塑造、提升和促進作用.

表1 CUPT教學模式的學習評價量表

2.4 充實“強基計劃”培養(yǎng)方案

2020年，36所“雙一流”高校開展基礎(chǔ)學科招生改革試點(強基計劃)，主要選拔有志于服務國家重大戰(zhàn)略需求且綜合素質(zhì)優(yōu)秀或基礎(chǔ)學科拔尖的學生[1].根據(jù)教育部文件精神，各高校分別制訂了“強基計劃”培養(yǎng)方案.鑒于CUPT在培養(yǎng)拔尖學生和提升綜合素質(zhì)方面的積極作用，部分高校直接將CUPT寫入“強基計劃”培養(yǎng)方案.北京大學“強基計劃”培養(yǎng)方案(物理學類I)明確提出：一年級同學以國際青年物理學家錦標賽和全國大學生物理學術(shù)競賽的題目為課題，以實驗探索和理論詮釋為手段進行初步科研實踐.北京師范大學“強基計劃”培養(yǎng)方案(物理學專業(yè))也明確提出：以大學生物理學術(shù)競賽、大學生物理實驗競賽等為抓手，為學生提供自由探索的學習平臺，支持學生自主創(chuàng)新，為學生提供自主實驗室條件.這充分肯定了CUPT對低年級本科生綜合學術(shù)素質(zhì)訓練和科研創(chuàng)新能力訓練的積極作用.

重慶大學“強基計劃”物理學專業(yè)聚焦國家關(guān)鍵領(lǐng)域，突出基礎(chǔ)學科的支撐引領(lǐng)作用，選拔一批有志向、有興趣、有天賦的青年學生進行專門培養(yǎng)，為國家重大戰(zhàn)略領(lǐng)域輸送后備人才.遵循“先理后工”的培養(yǎng)思路，通過物理學專業(yè)招生，采取“3+1+X”的本碩博銜接培養(yǎng)模式.其中，“3”指本科前3年主要以基礎(chǔ)學科專業(yè)課程為主；“1”指本科第4年進入相關(guān)領(lǐng)域(高端芯片與軟件、智能科技、新材料、先進制造、國家安全等)學習，通過項目驅(qū)動完成專業(yè)基礎(chǔ)和選修課程；研究生階段可分流至相關(guān)領(lǐng)域的相應專業(yè)(電氣工程、計算機、熱能與動力工程、材料科學、土木工程等)開展研究工作，“X=2”指本碩銜接(碩士階段2年)，“X=4”指本碩博銜接(碩博階段4年).

基于近10年的CUPT參賽基礎(chǔ)和近年來率先建設(shè)并逐步完善的CUPT教學體系，重慶大學“強基計劃”物理學專業(yè)一年級學生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)實踐課程建設(shè)主要圍繞CUPT展開，課程規(guī)劃簡介如下：

1)中國大學生物理學術(shù)競賽綜合科研訓練，包括競賽介紹、口頭報告制作、演講辯論技巧、口頭報告練習等；

2)文獻資料檢索，包括檢索軟件分類及特點、中/英文數(shù)據(jù)庫檢索方法及技巧等；

3)理論分析及數(shù)值計算，包括力、熱、光、電、磁、流體力學的理論分析，數(shù)值計算軟件的種類、特點、適用問題，常用數(shù)值計算和仿真軟件的使用，等等；

4)實驗室規(guī)范、實驗方案探索和實驗技巧，包括實驗室安全規(guī)范制度和常識、預實驗、實驗設(shè)計原則、實驗進度安排、實驗儀器選擇、測量精度、操作流程等；

5)數(shù)據(jù)處理和誤差分析，包括數(shù)據(jù)處理軟件的特點及使用技巧、誤差分析方法等.

“強基計劃”重基礎(chǔ)、強交叉、尊重個性發(fā)展，融入CUPT的“強基計劃”培養(yǎng)方案，能夠有效提升學生自主學習和研究性學習的能力，幫助學生從中學期間以教師課堂授課和學生大量練習為主的學習模式，順利過渡到大學期間以獨立學習和自主研究探索為主的學習模式(圖4)，為后續(xù)高難度、高強度的學習和研究奠定基礎(chǔ)[12-13].

圖4 以CUPT為載體實現(xiàn)中學-大學學習模式的轉(zhuǎn)變

3 培養(yǎng)體系建設(shè)成效

一體多維二元融合的CUPT模式培養(yǎng)體系在我校經(jīng)過9年實踐創(chuàng)新，所培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)得以協(xié)調(diào)發(fā)展，同時也形成了教育理念先進的教師隊伍，豐富了教育教學資源，全方位實現(xiàn)了物理教育教學在“培養(yǎng)理念、培養(yǎng)體系、教學氛圍”3個層面的改革創(chuàng)新(圖5).

圖5 實現(xiàn)在“培養(yǎng)理念、培養(yǎng)體系、教學氛圍”3個層面的改革創(chuàng)新

1)提出了“科研素養(yǎng)、開放性思維、合作精神、表達和交流能力”綜合素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的培養(yǎng)理念，突破了傳統(tǒng)的“書本知識+大量習題+考試成績”的單一能力培養(yǎng)和考核模式，培養(yǎng)適應和引領(lǐng)未來的人才，實現(xiàn)綜合素質(zhì)全面協(xié)調(diào)發(fā)展和全方位科學考核評價機制.

2)構(gòu)建了“一體多維二元融合”的CUPT拔尖人才綜合素質(zhì)培養(yǎng)體系，以CUPT為主體，開展了基于CUPT的多維度教育教學改革，實現(xiàn)了CUPT第二課堂指導教師團隊和第一課堂任課教師隊伍的深度融合和雙向流動，改進了第一課堂的教學模式、教學內(nèi)容和考核評價體系，建造了能夠同時滿足物理實驗和CUPT需求的實驗室，實現(xiàn)教學空間、儀器設(shè)備的全面共享和高效利用.

3)形成了“以學生為中心，教師為引導的自主學習、自主研究”的教學氛圍，將以“教”為中心的統(tǒng)一教學計劃和基于考試的教學模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐浴皩W”為中心的CUPT培養(yǎng)體系，為學生提供更多自主學習、自主思考的空間.將“教”與“學”緊密結(jié)合，教師不僅教授學生知識，更強調(diào)突出學生應用知識解決實際問題的能力和批判精神，營造相互交流、師生互動的空間和氛圍，激發(fā)學生創(chuàng)新的欲望.

基于培養(yǎng)體系在教育教學中“培養(yǎng)理念、培養(yǎng)體系、教學氛圍”3個層面的改革創(chuàng)新和逐步完善，拔尖人才培養(yǎng)成效顯著，受益學生規(guī)模巨大，目前已經(jīng)培訓理工科本科生參加校級物理學術(shù)競賽5 000余人次，指導學生參加各類競賽獲國家級獎勵100余人次，獲省部級獎勵150余人次.“大學物理實驗”“趣味物理問題探索”“CUPT物理問題創(chuàng)新探討”和“物理體驗與探索”等10余門課程采用CUPT教學模式進行授課，受益本科生達到10 000余人.同時也在實踐過程中形成了顯著的特色和優(yōu)勢，改革理念被其他高校廣泛認可和推廣，為培養(yǎng)服務于國家重大戰(zhàn)略需求的綜合素質(zhì)拔尖學生發(fā)揮引領(lǐng)示范作用.

4 結(jié)束語

本文在“強基計劃”選拔培養(yǎng)基礎(chǔ)學科拔尖學生的背景下，以中國大學生物理學術(shù)競賽“自主研究+辯論交流”的模式為基礎(chǔ)，通過將其推廣應用于第一課堂教育教學，并與第二課堂的創(chuàng)新實踐活動有機融合，構(gòu)建了“一體多維二元融合”的CUPT模式拔尖人才培養(yǎng)體系，在學生綜合素質(zhì)、教師教育理念、教育教學資源各個方面獲得實質(zhì)性提升，為物理學科人才培養(yǎng)的改革創(chuàng)新提供借鑒和參考.