以學(xué)啟創(chuàng) 以創(chuàng)促學(xué) 構(gòu)建物理學(xué)引領(lǐng)多學(xué)科融合的創(chuàng)新實踐教學(xué)模式

摘 要 本文以激發(fā)學(xué)術(shù)志趣、提升創(chuàng)新能力及科學(xué)素養(yǎng)、提高創(chuàng)新人才培養(yǎng)質(zhì)量為目標，構(gòu)建了物理學(xué)引領(lǐng)多學(xué)科融合創(chuàng)新實踐教學(xué)模式。該教學(xué)模式下，多學(xué)科學(xué)生融合組隊，以物理學(xué)專業(yè)學(xué)生為領(lǐng)隊，歷經(jīng)雙創(chuàng)課程的前期理論培訓(xùn)、實訓(xùn)基地動手實操到成果輸出，協(xié)同完成創(chuàng)新研究項目。經(jīng)過創(chuàng)新實踐教學(xué)模式的全過程錘煉，學(xué)生們意識到學(xué)習(xí)物理的重要性，提高了對物理的學(xué)習(xí)興趣。創(chuàng)新實踐教學(xué)模式的實施，全方位培養(yǎng)了本科生主動、探索、批判、思維、表達、適應(yīng)環(huán)境及自主發(fā)展的科學(xué)素養(yǎng)，有效提高其多學(xué)科融合能力、創(chuàng)新能力、發(fā)現(xiàn)和解決有價值問題及團隊協(xié)作等綜合能力。

關(guān)鍵詞 物理學(xué);多學(xué)科融合;創(chuàng)新實踐;教學(xué)模式;雙創(chuàng)課程

過去的十幾年里，隨著“錢學(xué)森之問”的提出，國家越來越重視創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。在教育部的大力推廣、扶持下，卓班教育計劃相繼出臺，全國高校的各類“創(chuàng)新班”也如雨后春筍般相繼成立[1-2]。在此期間，人們也越來越意識到“創(chuàng)新人才”與“應(yīng)試人才”的重要區(qū)別，怎樣通過創(chuàng)新實踐教學(xué)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識、培養(yǎng)創(chuàng)新性思維、提高創(chuàng)新能力才是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重中之重[3]。但是，目前國內(nèi)高校創(chuàng)新實踐教學(xué)依然面臨如下幾個亟須解決的問題：一是，當(dāng)前我國科學(xué)技術(shù)出現(xiàn)瓶頸困難，致使創(chuàng)新發(fā)展遇到“卡脖子”的問題，其主要原因之一是由于基礎(chǔ)學(xué)科創(chuàng)新能力不足[4]。而基礎(chǔ)學(xué)科創(chuàng)新能力不足則主要是由基礎(chǔ)學(xué)科學(xué)生缺乏創(chuàng)新實踐鍛煉，以及其他學(xué)科學(xué)生忽視基礎(chǔ)學(xué)科在生產(chǎn)實踐中的重要性而導(dǎo)致的。二是，大多數(shù)創(chuàng)新實踐教學(xué)模式存在嚴格按學(xué)科劃分的弊端[5-6]，忽視了交叉學(xué)科團隊協(xié)作創(chuàng)新的重要性，導(dǎo)致創(chuàng)新訓(xùn)練面過窄、創(chuàng)新課題缺乏、普及面低等問題。三是，一般的創(chuàng)新實踐訓(xùn)練依然是指導(dǎo)教師預(yù)設(shè)題目、學(xué)生參與，忽視了鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題能力的重要性[7-8]。解決預(yù)設(shè)問題與解決自主發(fā)現(xiàn)問題并非同等價值的創(chuàng)新能力，它們是創(chuàng)新能力培養(yǎng)的遞進關(guān)系，能夠發(fā)現(xiàn)有價值問題的能力才是創(chuàng)新、探索、批判、自主發(fā)展的源泉。如何解決以上創(chuàng)新實踐教學(xué)中的問題，則是我國高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)能否到達教學(xué)目標的關(guān)鍵所在。

針對以上問題，本文以物理學(xué)引領(lǐng)科技創(chuàng)新為主線，依托“大學(xué)物理創(chuàng)新實訓(xùn)導(dǎo)論”雙創(chuàng)課程，培養(yǎng)和激發(fā)多學(xué)科學(xué)生融合創(chuàng)新意識;通過完成一系列協(xié)同創(chuàng)新項目、學(xué)科競賽，使學(xué)生體會物理學(xué)在實踐、生產(chǎn)、創(chuàng)新中起到的重要指導(dǎo)作用，喚醒學(xué)生對物理學(xué)的學(xué)習(xí)興趣;在實踐育人過程中，以成果輸出為激勵，從物理原理出發(fā)，通過啟發(fā)、引導(dǎo)、輔助的教學(xué)方法鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的創(chuàng)新能力，達到“以學(xué)啟創(chuàng)、以創(chuàng)促學(xué)”的創(chuàng)新實踐教學(xué)目的。

1 構(gòu)建物理學(xué)引領(lǐng)多學(xué)科融合創(chuàng)新實踐教學(xué)模式

吉林大學(xué)物理學(xué)院面向全校理、工、農(nóng)、醫(yī)、信息等學(xué)部 75 個專業(yè)、7000余名本科生開設(shè)大學(xué)物理及大學(xué)物理實驗課程，基于教師團隊長期以來在本科生創(chuàng)新實踐方面取得的系列經(jīng)驗和成果，依托物理雙一流基礎(chǔ)學(xué)科的優(yōu)勢，我們構(gòu)建了以項目為驅(qū)動，以物理學(xué)引領(lǐng)多學(xué)科融合為基礎(chǔ)，以成果輸出為激勵并反哺教學(xué)的創(chuàng)新實踐教學(xué)模式（如圖1所示）。該模式主要面向已修完大學(xué)物理課程的本科學(xué)生。教師團隊針對全校各學(xué)院有序組織宣講，感興趣、有余力的優(yōu)秀本科生自愿報名加入創(chuàng)新實踐活動。

1.1 申請并獲批“大學(xué)物理創(chuàng)新實訓(xùn)導(dǎo)論”雙創(chuàng)課程建設(shè)

由于創(chuàng)新實踐活動的多元化，如開放性創(chuàng)新實驗項目、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、全國大學(xué)生物理實驗競賽、中國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽等，對于不同類別的項目（賽事），指導(dǎo)教師需要分別協(xié)調(diào)不同專業(yè)學(xué)生的課余時間，借用教室或?qū)嶒炇覍椖窟M展進行面對面討論、指導(dǎo)及推進，重復(fù)性勞動極大降低師生工作學(xué)習(xí)效率。為此教師團隊于2020年5月申請并獲批了雙創(chuàng)課程———大學(xué)物理創(chuàng)新實訓(xùn)導(dǎo)論，在走進實驗室開展實驗之前，我們將所有報名的學(xué)生組織在同一課堂中。第一階段，教師以授課方式為學(xué)生們講解完成項目及賽事的一般流程、規(guī)則及相關(guān)基礎(chǔ)知識，包括論文、專利、創(chuàng)新項目立項申請書的撰寫方法等;組織物理學(xué)引領(lǐng)科技前沿講座;對歷年優(yōu)秀或獲獎項目開展案例教學(xué)，對項目設(shè)計背景、實驗設(shè)計、方案實施及項目優(yōu)點和不足等進行模塊拆解分析，并組織學(xué)生討論，使學(xué)生初步了解總體流程及框架。第二階段，以物理學(xué)專業(yè)學(xué)生為負責(zé)人（凸顯物理學(xué)知識、思想及方法在實踐活動中的指導(dǎo)作用）、多學(xué)科學(xué)生自主組隊，以團隊形式落座，在教師團隊引導(dǎo)和輔助下，學(xué)生獨立完成與項目匹配的實踐調(diào)研、查閱文獻、確定選題、設(shè)計方案及分析、解決可能遇到的問題等。學(xué)期末，學(xué)生撰寫立項申報書，通過現(xiàn)場答辯后，進入到實驗室開展實驗階段。

大學(xué)物理創(chuàng)新實訓(xùn)導(dǎo)論課程經(jīng)過三個學(xué)期的嘗試和運行，得到師生的一致認可。雙創(chuàng)課程的開展，化零為整，避免了師生的重復(fù)性工作、提高了效率;暢所欲言、自由的課堂形式激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓展了學(xué)生思維與探索的空間，搭建了友誼的橋梁。

1.2 依托國家級物理實驗教學(xué)平臺，建設(shè)大學(xué)物理創(chuàng)新實踐教學(xué)基地

整合優(yōu)化校院優(yōu)質(zhì)教研資源，充分調(diào)動師生積極性，經(jīng)過調(diào)研、設(shè)計及實施，我們建設(shè)了大學(xué)物理創(chuàng)新實踐教學(xué)基地。目前學(xué)院已開設(shè)8個專用創(chuàng)新實踐活動室，面積約500平方米，室內(nèi)配置實驗所需所有基本儀器及實驗附件，教師團隊根據(jù)具體項目情況實時補充或更新儀器及備件。為提高學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量及效果，學(xué)院正進一步將其打造成開放的、現(xiàn)代化管理的智能實踐教學(xué)基地[9-12]，有利于引導(dǎo)和鼓勵學(xué)生廣泛開展自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)和研究性學(xué)習(xí)。

1.3 以成果輸出為激勵，喚醒學(xué)習(xí)物理的原動力、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、反哺物理教學(xué)

學(xué)生參與創(chuàng)新實踐活動，歷經(jīng)項目申報書撰寫、立項答辯、結(jié)題答辯等流程最終完成項目，成果輸出包括實物器件展示、專利申請、論文撰寫及學(xué)科競賽獲獎等形式。在此過程中，學(xué)生能夠深刻體會到物理學(xué)對幾乎所有應(yīng)用學(xué)科的實踐都是有指導(dǎo)作用的，并理解近代幾乎所有科技變革都是由物理學(xué)的研究突破引發(fā)的，進而意識到學(xué)習(xí)物理的重要性，喚醒學(xué)生學(xué)習(xí)物理的原動力。

若干優(yōu)秀成果將陳列于演示實驗室或課堂中介紹給學(xué)生，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、反哺物理教學(xué)。成果輸出使學(xué)生體會到成就感和自豪感，有些學(xué)生會參加下一輪的創(chuàng)新實踐活動，或口碑相傳給學(xué)弟學(xué)妹們。近三年來，我校本科生的創(chuàng)新實踐活動參與度呈明顯上升趨勢，不少學(xué)生是慕名而來，人數(shù)逐年遞增，充分體現(xiàn)了“物理學(xué)學(xué)習(xí)—多學(xué)科融合—創(chuàng)新實踐—成果輸出”閉環(huán)實踐教學(xué)模式的培養(yǎng)優(yōu)勢。

2 創(chuàng)新實踐教學(xué)模式下成果舉例

基于以上創(chuàng)新實踐教學(xué)模式，以學(xué)生為主體，課堂上實驗室中教師適度啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生思考、拓展、延伸，學(xué)生們相互支撐、相互補充、共同配合，逐步完成全過程創(chuàng)新活動。下面列舉一個實例。

在學(xué)年開學(xué)初，指導(dǎo)教師團隊對全校各個專業(yè)本科生做校級公選課“大學(xué)物理創(chuàng)新實訓(xùn)導(dǎo)論”開課前宣講，介紹課程內(nèi)容、先期實踐成果及教學(xué)模式，學(xué)生報名選課，學(xué)生人數(shù)上限暫定為30。課程主要分為兩階段，第一階段教師授課為主，以講課、案例分析、講座、成果分享等課堂模式使學(xué)生了解項目及賽事相關(guān)內(nèi)容;第二階段學(xué)生以組/團隊為單位圓桌落座，各團隊課堂匯報討論為主，教師適度參與引導(dǎo)為輔。第一次即首次開課教師擬題為主，第二輪熟悉課程及教學(xué)模式后學(xué)生擬題為主，教師擬題為輔。其中一個題目出自2018年中國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽（CUPT）關(guān)于莫爾條紋形成原理的探究，莫爾條紋是指光柵常數(shù)在毫米、微米級的粗光柵成一定角度疊加在一起后，形成的規(guī)律性的明暗相間的條紋，這在生活中是十分常見的物理現(xiàn)象，遮陰視覺原理可解釋這一現(xiàn)象。指導(dǎo)教師與學(xué)生針對題目內(nèi)容進行深入探討，當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)了光柵知識、查閱文獻了解到莫爾條紋現(xiàn)象后，第二階段課堂中（各團隊匯報擬研究內(nèi)容及初步方案）教師繼續(xù)組織學(xué)生開放性討論，引導(dǎo)學(xué)生思考莫爾條紋成像規(guī)律在現(xiàn)實生活中會有哪些應(yīng)用。仔細觀察、分析與討論后，學(xué)生發(fā)現(xiàn)莫爾條紋形成的規(guī)律性圖案與光柵常數(shù)有緊密的相關(guān)性，那么就可以利用莫爾條紋的成像原理檢測毫米及微米級光柵的光柵常數(shù)，再進一步，若已知光柵常數(shù)，即可測量織物的密度，而織物密度是衡量織物質(zhì)量與用途的最重要參數(shù)，測量織物密度在工業(yè)生產(chǎn)中是十分重要的一環(huán)。經(jīng)過多次探討確定了研究內(nèi)容及方案，該小組同學(xué)完成了大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目立項申報書的撰寫，通過答辯考核結(jié)束選修課程的學(xué)習(xí)。

為了驗證可行性，學(xué)生們進入實驗室開展研究。如圖2所示，在亞麻布上放置我們自制的粗光柵，的確出現(xiàn)了相當(dāng)明顯、規(guī)律的莫爾條紋。利用遮陰原理進行幾何推導(dǎo)出

我們發(fā)現(xiàn)亞麻布的經(jīng)、緯織物密度僅與粗光柵的光柵常數(shù)（q+p）、光柵與亞麻布線的夾角θ、莫爾條紋與水平線的夾角α 有關(guān)，只需測量出這幾個量就可算出亞麻布的“（a+b）常數(shù)”，進而計算出亞麻布的織物密度，如圖3所示。

為了進一步驗證結(jié)論的正確性，我們利用顯微鏡人為數(shù)出亞麻布的線根數(shù)作為標準值與實驗測量值進行比較，結(jié)果如表1（經(jīng)線密度測量表）、表2（緯線密度測量表）。在實驗中我們采用不同光柵常數(shù)的標準粗光柵進行測量，在選用比較恰當(dāng)?shù)墓鈻懦?shù)及織物與光柵夾角時，測量結(jié)果的相對誤差最小可以控制在1%左右，遠高于工業(yè)生產(chǎn)的測量精度要求。

最后在成果輸出方面。該團隊成功申請了國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目立項，并獲得優(yōu)秀結(jié)題;同時，指導(dǎo)教師將此項目內(nèi)容在校內(nèi)申請了開放性創(chuàng)新實驗，學(xué)生可根據(jù)興趣選修學(xué)習(xí);師生依據(jù)項目研究結(jié)論，撰寫了一項發(fā)明專利（專利號：201910715525.6）和一項實用新型專利（專利號：ZL201921250075）。

3 實施效果

物理學(xué)引領(lǐng)多學(xué)科融合創(chuàng)新實踐教學(xué)模式，從2020年實施至今，已有100多名學(xué)生參與，師生獲得國家級、省級競賽獎項30余項;授權(quán)實用新型專利6項;授權(quán)發(fā)明專利4項;發(fā)表教研論文5篇。70%的學(xué)生選擇讀研、讀博或繼續(xù)從事科研深造，并在相關(guān)研究部門受到師生的一致好評。未來我們計劃依托該創(chuàng)新實踐教學(xué)模式，建設(shè)并壯大指導(dǎo)教師團隊，使更多的學(xué)生受益。

4 結(jié)語

圍繞重視基礎(chǔ)學(xué)科學(xué)習(xí)、激發(fā)學(xué)術(shù)志趣、提升創(chuàng)新能力及科學(xué)素養(yǎng)、提高創(chuàng)新人才培養(yǎng)質(zhì)量為目標，本文構(gòu)建了以項目為驅(qū)動、以物理學(xué)引領(lǐng)多學(xué)科融合為基礎(chǔ)、以成果輸出為激勵并反哺教學(xué)的創(chuàng)新實踐教學(xué)模式。多學(xué)科優(yōu)秀本科生以雙創(chuàng)課程為入口，歷經(jīng)相關(guān)理論培訓(xùn)及課程考核后，進入大學(xué)物理創(chuàng)新實踐教學(xué)基地開展實驗，完成成果輸出。創(chuàng)新實踐教學(xué)模式經(jīng)過近三年的探索與實踐，取得了較好的效果：提高本科生學(xué)習(xí)物理學(xué)興趣的同時，有效激發(fā)本科生學(xué)術(shù)志趣、提升科學(xué)素養(yǎng)、培養(yǎng)融合創(chuàng)新等諸多綜合能力。

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