淺析全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽(創(chuàng)新)指導(dǎo)與學(xué)生培養(yǎng)

陳舞輝,張 霆,劉彩霞,景 佳,范經(jīng)緯,李恒宇

(合肥工業(yè)大學(xué) 物理學(xué)院,安徽 合肥 230106)

全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽(Chinese Undergraduate Physics Experiment Competition,CUPEC)是由教育部高教司批準(zhǔn)的大學(xué)生競(jìng)賽項(xiàng)目,分為教學(xué)賽和創(chuàng)新賽2項(xiàng),其中教學(xué)賽始于2010年[1],2年1屆,采用現(xiàn)場(chǎng)命題的形式,旨在提升大學(xué)生的動(dòng)手能力. 創(chuàng)新賽始于2020年,1年1屆,包含命題、自選、講課三大類別,旨在激發(fā)大學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的興趣與潛能,培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí),促進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[2-5]. 2020年,首屆創(chuàng)新賽由東北大學(xué)承辦,參賽高校413所,參賽隊(duì)伍數(shù)達(dá)1 402支;2021年創(chuàng)新賽由南昌大學(xué)承辦,參賽高校480所,參賽隊(duì)伍數(shù)達(dá)1 853支;2022年創(chuàng)新賽由西安交通大學(xué)承辦,參賽高校535所,參賽隊(duì)伍數(shù)達(dá)2 040支. 空前賽況充分展示了各高校對(duì)賽事的廣泛關(guān)注和積極參與,基于該賽事的規(guī)模和影響力,2021年3月9日,全國(guó)高校競(jìng)賽評(píng)估與管理體系研究專家委員會(huì)將全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽納入2020全國(guó)普通高校大學(xué)生競(jìng)賽排行榜.

2020—2022年,合肥工業(yè)大學(xué)有20支隊(duì)伍參賽,其中12支隊(duì)伍獲得一等獎(jiǎng),7支隊(duì)伍獲得二等獎(jiǎng),1支隊(duì)伍獲得三等獎(jiǎng),獲獎(jiǎng)率高達(dá)100%. 此外,合肥工業(yè)大學(xué)在近3年獲得了優(yōu)秀組織獎(jiǎng),作者也獲得優(yōu)秀領(lǐng)隊(duì)稱號(hào),這些成績(jī)充分展示了合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)生在創(chuàng)新賽的優(yōu)異表現(xiàn),也證明了合肥工業(yè)大學(xué)在競(jìng)賽準(zhǔn)備和培訓(xùn)方面的獨(dú)到之處. 全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)技能方面起到了積極作用,但在競(jìng)賽組織和指導(dǎo)過程中,發(fā)現(xiàn)存在學(xué)生基本物理素養(yǎng)薄弱、賽程前期學(xué)生選拔難度高、賽程中期學(xué)生分工不合理、賽程后期學(xué)生容易出現(xiàn)疲態(tài)等問題,本文將總結(jié)往屆我校在競(jìng)賽指導(dǎo)中的經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)競(jìng)賽培養(yǎng)模式,并結(jié)合具體案例探討競(jìng)賽中存在的問題,希望能夠?yàn)槠渌咝Ｌ峁┯幸娼梃b,促進(jìn)全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽的長(zhǎng)遠(yuǎn)高質(zhì)量發(fā)展.

1 競(jìng)賽培養(yǎng)模式設(shè)計(jì)

在競(jìng)賽培養(yǎng)模式設(shè)計(jì)中,需要考慮基本素養(yǎng)培養(yǎng)、競(jìng)賽學(xué)生選拔和競(jìng)賽教學(xué)引導(dǎo)3部分,以實(shí)現(xiàn)學(xué)生培養(yǎng)和競(jìng)賽準(zhǔn)備.

1.1 基本素養(yǎng)培養(yǎng)

物理實(shí)驗(yàn)基本素養(yǎng)不僅是學(xué)生成功掌握物理知識(shí)的基礎(chǔ),還是培養(yǎng)創(chuàng)新思維和科學(xué)能力的關(guān)鍵因素. 系統(tǒng)性的素養(yǎng)培養(yǎng)可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)術(shù)興趣,提高實(shí)驗(yàn)技能,培養(yǎng)批判性思維,能夠?yàn)楹罄m(xù)參加物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

物理實(shí)驗(yàn)基本素養(yǎng)的建立依賴于對(duì)物理實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握程度,而大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[6]包括廣泛的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,涵蓋了經(jīng)典力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)和量子力學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域,囊括理論建模、仿真模擬、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)分析等內(nèi)容,對(duì)培養(yǎng)物理實(shí)驗(yàn)基本素養(yǎng)如科學(xué)思維、團(tuán)結(jié)協(xié)作能力和創(chuàng)新意識(shí)具有重要意義. 近代物理實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)拓展課程,能夠進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的綜合運(yùn)用能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力. 例如,近代物理實(shí)驗(yàn)電光調(diào)制使用電壓改變激光信號(hào)的相位,對(duì)光進(jìn)行調(diào)制,需要學(xué)生建立電與光之間的聯(lián)系,才能更好地理解該實(shí)驗(yàn). 采用翻轉(zhuǎn)課堂的形式進(jìn)行成果匯報(bào),小組成員需互相配合調(diào)研資料,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容講解,此過程不僅可以鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力,還可以將往屆物理學(xué)科系列競(jìng)賽中的優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目制作成教學(xué)案例,在課堂上“還原”優(yōu)秀作品,提供多樣化的教學(xué)內(nèi)容,有助于培養(yǎng)學(xué)生更深層次的科學(xué)思維,提高學(xué)生的批判性思維能力和創(chuàng)新性思維水平.

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)與近現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)和案例教學(xué)的有機(jī)結(jié)合,能夠幫助學(xué)生全方位、多層次地建立物理實(shí)驗(yàn)基本素養(yǎng)(圖1),逐步提升競(jìng)賽能力,做好競(jìng)賽素養(yǎng)儲(chǔ)備.

圖1 基本素養(yǎng)培養(yǎng)

1.2 競(jìng)賽學(xué)生選拔

構(gòu)建競(jìng)賽隊(duì)伍,需要合理選拔學(xué)生,以確保競(jìng)賽隊(duì)伍的質(zhì)量. 在校賽選拔過程中,需要打造多元化的校賽選拔模式,在關(guān)注學(xué)生競(jìng)賽硬實(shí)力的同時(shí),兼顧競(jìng)賽軟實(shí)力,如是否具有較強(qiáng)的主觀能動(dòng)性和團(tuán)隊(duì)意識(shí)等. 2020年首屆創(chuàng)新賽,選拔過程單調(diào),考查賽題單一,導(dǎo)致參賽學(xué)生少,作品質(zhì)量低,為后續(xù)競(jìng)賽指導(dǎo)和參賽遺留了隱患. 為擴(kuò)大學(xué)生選拔面,提高競(jìng)賽參與度,2021年創(chuàng)新賽校賽將自選類賽題作為校賽題目,在該改善舉措下,參賽學(xué)生數(shù)得到了顯著的提高,但參賽作品來源不定給作品評(píng)判和人員選拔帶來了更大的挑戰(zhàn). 基于前兩年的問題,2022年進(jìn)一步完善了校賽選拔,將2022年命題類賽題做作為參賽題目,采用作品評(píng)審和現(xiàn)場(chǎng)答辯相結(jié)合的方式進(jìn)行作品篩選和學(xué)生選拔,這種面對(duì)面的方式能夠直觀感受學(xué)生的態(tài)度和基本素質(zhì),保證了競(jìng)賽學(xué)生質(zhì)量.

在競(jìng)賽隊(duì)伍組建中需考慮到學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新潛力. 2020年,本校共組建了5支參加國(guó)賽的隊(duì)伍,每支隊(duì)伍有5名學(xué)生和2名指導(dǎo)教師. 除了滿足基本的人數(shù)要求,還要充分結(jié)合各專業(yè)優(yōu)勢(shì),組建人人有特色、特色不盡同的團(tuán)隊(duì). 例如,在確保團(tuán)隊(duì)中有理論扎實(shí)的成員的基礎(chǔ)上,搭配其他專業(yè)如機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等專業(yè)的學(xué)生,這樣就可以對(duì)競(jìng)賽環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)的分工,提高效率和作品完成度. 除了正式的參賽學(xué)生和指導(dǎo)教師以外,還可以設(shè)置1～2名領(lǐng)隊(duì),領(lǐng)隊(duì)由往屆參賽選手擔(dān)任(圖 2),可以為參賽學(xué)生提供指導(dǎo)意見,并幫助解決遇到的問題.

圖2 隊(duì)伍組建

1.3 競(jìng)賽教學(xué)引導(dǎo)

教師作為競(jìng)賽的指導(dǎo)者與引導(dǎo)者,在競(jìng)賽過程中扮演著關(guān)鍵角色[7](圖 3). 1名合格的指導(dǎo)教師,需在賽前掌握賽事規(guī)則,制定合理的競(jìng)賽計(jì)劃. 賽中需要考慮學(xué)生的課程任務(wù)量大、裝置制作周期長(zhǎng)等客觀問題,適時(shí)把控研究進(jìn)度和研究質(zhì)量,確保學(xué)生能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成研究任務(wù). 指導(dǎo)教師還應(yīng)把握教與學(xué)的辯證關(guān)系,不僅傳授知識(shí)、實(shí)驗(yàn)技巧和解決問題的方法,還要鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生多聽、多看、多思、自主研究、積極合作、互相啟發(fā),及時(shí)歸納總結(jié)與討論,以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與能力. 在培養(yǎng)學(xué)生的同時(shí),教師要提高自身的教育教學(xué)水平,和學(xué)生同步成長(zhǎng),才能適應(yīng)創(chuàng)新賽的發(fā)展.

圖3 創(chuàng)新賽指導(dǎo)教師指導(dǎo)流程及學(xué)生培養(yǎng)

同時(shí),學(xué)生之間的教與學(xué)關(guān)系也發(fā)揮著不可或缺的作用,學(xué)生之間應(yīng)積極合作,共享知識(shí)及經(jīng)驗(yàn),互相啟發(fā)和挑戰(zhàn),共同解決競(jìng)賽中的難題. 學(xué)生與學(xué)生之間的合作和互助精神有助于充分發(fā)揮團(tuán)隊(duì)的潛力,最終完成更高質(zhì)量的作品.

2 競(jìng)賽實(shí)戰(zhàn)案例

高質(zhì)量的物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新作品必須具備多重要素,包括創(chuàng)新的物理模型、詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程、規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作、標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)處理和資源文檔,以及對(duì)學(xué)生知識(shí)認(rèn)知和能力構(gòu)建具有良好的教學(xué)實(shí)踐意義、具備推廣應(yīng)用價(jià)值. 下文將通過2022年創(chuàng)新賽命題類獲獎(jiǎng)作品“聲音定位”展示競(jìng)賽的全過程(圖 4),包括賽題分析、初步實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新點(diǎn)挖掘與改進(jìn)、答辯技巧等,詳細(xì)闡述了如何打造高質(zhì)量的物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新作品.

圖4 創(chuàng)新賽命題類賽題備賽全過程

2.1 確認(rèn)選題

隊(duì)伍組建后,應(yīng)該盡快確定參賽題目,為后續(xù)研究預(yù)留足夠的時(shí)間. 學(xué)生在選題過程中,可通過知網(wǎng)、維普、Web of Science等數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行前期調(diào)研,之后在組內(nèi)開展討論,確定最終選題為“聲音定位”,在對(duì)競(jìng)賽規(guī)則和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行仔細(xì)的研究后,確定要將聲音定位設(shè)計(jì)成演示實(shí)驗(yàn),重點(diǎn)突出聲音定位的物理內(nèi)涵.

2.2 成員分工

為了提高團(tuán)隊(duì)效率,確定賽題后,討論了成員的分工形式,最終確定了交叉分組和冗余分工的方式,讓每個(gè)學(xué)生身上有2項(xiàng)及以上任務(wù),并且分工的學(xué)生數(shù)大于等于2人,以促進(jìn)學(xué)生之間的討論,方便任務(wù)的推進(jìn). 小組共有4名成員(A,B,C,D),2名學(xué)生(B+C)進(jìn)行聲音定位的調(diào)研及物理模型的建立,2名學(xué)生(A+D)完成聲音信號(hào)的采集及處理,3名學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(A+B+C),2名學(xué)生(C+D)完成實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)過程中的視頻拍攝,1名學(xué)生(D)進(jìn)行文檔撰寫. 在賽事進(jìn)行1個(gè)月時(shí),采用團(tuán)隊(duì)成員匿名投票的方式,選拔出隊(duì)長(zhǎng),促進(jìn)成員間的內(nèi)部管理.

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理

一旦確定了賽題,需要通過初步實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究. 在聲音定位裝置的設(shè)計(jì)中,隊(duì)員首先進(jìn)行一系列聲學(xué)實(shí)驗(yàn),以了解聲音的傳播原理和特性,比如聲波的速度、頻率和波長(zhǎng)等基本參量的測(cè)量,通過這些實(shí)驗(yàn)建立聲學(xué)模型的基礎(chǔ). 在數(shù)據(jù)采集和處理過程中,應(yīng)追求數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和真實(shí)性,例如實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)該多次測(cè)量,以減小數(shù)據(jù)的隨機(jī)誤差,便于分析數(shù)據(jù)的不確定度. 在數(shù)據(jù)采集和處理過程中,應(yīng)追求數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和真實(shí)性,及時(shí)分析出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差的原因,并進(jìn)行改進(jìn)控制.

2.4 創(chuàng)新點(diǎn)挖掘

比賽中挖掘創(chuàng)新點(diǎn)至關(guān)重要. 指導(dǎo)教師需要深入了解賽題要求,指導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)研讀賽題和背景,確保理解準(zhǔn)確和全面. 參賽學(xué)生通過調(diào)研現(xiàn)有的研究成果和實(shí)際需求,整合不同學(xué)科知識(shí),不拘泥于傳統(tǒng)思維和解決方法,從多個(gè)角度思考解決方案,發(fā)現(xiàn)其中創(chuàng)新點(diǎn). 例如,對(duì)“聲音定位”初步實(shí)驗(yàn)后,發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)聲音定位裝置中存在精度不高、受環(huán)境干擾較大等問題,短時(shí)間內(nèi)改善聲音定位的精度不現(xiàn)實(shí),經(jīng)過多次討論,決定另辟蹊徑將影響聲音定位精度的因素展現(xiàn)出來,設(shè)計(jì)制作研究聲音定位的裝置.

2.5 文檔撰寫及視頻拍攝

在全體成員進(jìn)行“聲音定位”研究的同時(shí),成員C和D進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程中的視頻拍攝,成員D進(jìn)行過程文檔撰寫,記錄整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程以及階段性成果. 這樣可以及時(shí)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案,為后續(xù)工作和改進(jìn)方向提供指導(dǎo)和優(yōu)化. 在研究報(bào)告初步完成后,應(yīng)初步制作PPT,此階段的PPT應(yīng)該以圖片為主,通過流程圖、實(shí)驗(yàn)過程圖片、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等要素讓閱讀者盡快了解作品的核心思路. 視頻拍攝可以直觀展示研究?jī)?nèi)容以及實(shí)驗(yàn)的操作流程. 評(píng)委能夠通過研究報(bào)告、PPT和視頻全方位地掌握作品的主體思想.

2.6 答辯演練及裝置演示

在復(fù)賽階段,學(xué)生需要進(jìn)行答辯及裝置演示. 由于以往3屆為線上復(fù)賽答辯的方式,復(fù)賽階段,組織每位成員進(jìn)行答辯,并由隊(duì)內(nèi)選出主答辯隊(duì)員、裝置講解隊(duì)員、主裝置演示隊(duì)員、輔助演示隊(duì)員,隊(duì)員之間相互配合,邀請(qǐng)往屆成員組成評(píng)委團(tuán),對(duì)答辯者進(jìn)行提問,團(tuán)隊(duì)成員根據(jù)問題進(jìn)行處理和優(yōu)化,以確保復(fù)賽時(shí)作品能達(dá)到最佳效果.

3 結(jié)束語

本文結(jié)合近3年本校在全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽中積累的經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)了競(jìng)賽培養(yǎng)模式,并結(jié)合具體案例詳細(xì)分析競(jìng)賽過程. 在競(jìng)賽培養(yǎng)模式的設(shè)計(jì)中,探討了基本素養(yǎng)、競(jìng)賽選拔和競(jìng)賽教學(xué)3方面,以確保學(xué)生具備競(jìng)賽所需的科學(xué)思維、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新意識(shí). 在競(jìng)賽實(shí)戰(zhàn)案例中,提供了具體案例,展示了如何將競(jìng)賽培養(yǎng)模式付諸實(shí)踐,并詳細(xì)描述了選題確定、團(tuán)隊(duì)分工、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理、創(chuàng)新點(diǎn)挖掘、文檔編寫、視頻制作和答辯演練等環(huán)節(jié),強(qiáng)調(diào)了高質(zhì)量作品的特征. 這2部分共同構(gòu)成了競(jìng)賽教學(xué)的完整生態(tài),旨在為教師和學(xué)生提供全方位的參考,以提高學(xué)生的競(jìng)賽水平和科學(xué)素養(yǎng). 競(jìng)賽培養(yǎng)模式的設(shè)計(jì)和競(jìng)賽實(shí)戰(zhàn)案例相互補(bǔ)充,可以為其他高校參加此項(xiàng)賽事的準(zhǔn)備工作提供有益的參考和借鑒,共同推動(dòng)全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽(創(chuàng)新)的發(fā)展和進(jìn)步.