探究性物理实验教学平台建设的探索

鲍德松， 王业伍， 郑 波

(浙江大学 物理系， 杭州 310058)

0 引 言

人们普遍认为, 本科人才培养模式是决定创新人才培养质量的重要基础。近年来，高校都十分重视大学生的创新能力培养，十分重视培养学生运用现代技术手段获取新知识的能力以及把知识转化为实践的能力，尤其是大学生实践能力的培养日益受到人们的重视[1-7]，因为实践是创新的基础。在物理实验教学中，除了完成对某一物理量的测量外，更重要的是要培养学生学会观察、分析、理解物理实验的基本物理思想和实验装置的巧妙设计理念，所以，物理实验教学必须为学生构筑一个合理的实践能力体系，应尽可能为学生提供综合性、设计性、创造性比较强的实践环境，让每个学生在4年大学学习过程中能经过多个实践环节的培养和训练，这不仅能培养学生扎实的基本技能与实践能力，而且也有益于提高学生的科学创新思维，开拓学生的科学视野。众所周知，物理学是以实验为基础的学科，诺贝尔物理学奖获得者丁肇中教授曾经说过：“物理学是从物理实验中产生的”，物理实验教学在整个物理教学中有着极重要的位置。本文将对物理实验教学中心几年年来探究性物理实验教学方法做一总结，对进一步改革的方向做深入探讨。

1 探究性实验教学平台的探索

大学物理实验是学生进校后第一门科学实验课程，是培养学生实验技能和创新能力的主要实践环节，如何设计实验内容对培养学生的实验兴趣尤其重要[8-15]。物理实验教学中心紧密结合现代化建设的实际，以教育质量为中心，按照知识、能力、素质三者协调发展的人才培养模式，将探究性实验贯穿于本科生整个物理实验教学过程，让基础规范型实验、综合设计型实验和探究性实验有机融合。注重基本实验技能和实验素养的培养，突出和加强大学生创新知识的传授、创新能力和创新素质的培养，特别是以提高拔尖创新人才的培养水平为目标。目前每年的授课总人数为4 300人左右，已开设“物理学实验I、II、Ⅲ”“近代物理实验”和“大学物理实验”系列课程。物理系目前拥有教授43 名，副教授33 名，教师队伍以中青年为主，教授中有博士学位的比例高达84%，其中参加探究性实验核心课程“物理学实验Ⅲ”实验教学的教授和副教授有30多名，其目的是注重对学生实验技能的训练以及促使学生将实验课程与理论课程相融合，以便加深学生对所学的理论知识理解，探究性物理实验教学过程中始终遵循“四结合”原则。

1.1 课程内容与学生实验兴趣相结合

“知之者不如好知者，好之者不如乐之者”。所以在实验内容设置上及时将科研前沿引入实验教学以尽量满足学生个性发展的需要。到目前为止已经有30多位教授、副教授参与了探究性实验教学，研究内容包括新型超导体合成和物性探索、铁基铁磁超导体的物性研究、多重极端条件下的物性测量以及液体表面薄膜的制备等50多个研究课题，学生根据自己兴趣选择探索研究方向；结合每年举办的全国大学生物理学术竞赛(CUPT)，把CUPT的实验内容纳入实验课程教学；另外还设置了一些物理实验中心教学仪器的开发项目，让学生参与实验室建设，课程内容设置能充分满足学生个性发展的需求。

1.2 独立实验能力与团队协作相结合

探究性实验研究实验者完全不知道会出现何种结果，目的是培养实验者大胆假设、小心求证、积极探究的品质，所以，探究性实验必须摆脱 “灌输式”教学方式。探究性实验由学生自主组队，一般以2或3人为1个研究小组，教师只做适当引导，激励学生自主学习，引导学生如何在原有的知识经验的基础上开展工作，定期组织学生讨论，为生生、师生间构建相互交流和质疑的平台，学生之间的分工协作将贯穿于整个探究过程，教师将纯粹以知识传授的教学方式变成知识的处理和转换，引导学生能够用现有的知识主动开展探索并能够解决实际问题；使整个研究过程从孤立学习变成了团队协作，从静态学习变成了动态获得知识、应用知识、解决问题的学习过程。

1.3 分析研究能力与基本实验技能培养相结合

基础规范型实验和综合设计型实验在知识传授和对学生实验技能培养上功不可没，足够的知识积累和较强的实际操作能力是开展探究性实验的必要条件，例如，“物理学实验Ⅰ、Ⅱ”课程内容是以基础规范型实验和综合设计型实验为主，为进一步提高本科生的物理实验技能和水平，启迪创新思想，在这2门课程教学中，为学生设置了包括挑战杯、实验室建设项目、SRTP、CUPT项目、国家大学生创新计划项目以及浙江省新苗计划项目等探究性实验内容，将探究性实验和基础规范型实验及综合设计型实验有机融合，着重培养学生的实验技能。

1.4 注重实验过程与注重实验结果相结合

通过探究性实验，不仅在实验中学到专业知识，而更多的是为了获得学习的方法与能力。所以，在探究性实验教学中注重过程管理：包括文献查阅、方案设计、设备搭建和改进、实验记录、数据分析、合作讨论等。通过开题报告、中期检查报告、结题报告、探究性实验感想的形式上传到中心实验管理系统供教师检查，期中和期末组织学生参加教授组织的答辩，及时让学生归纳、总结以纠正实验过程中出现的问题，使学生始终处于主动探究并注重解决实际问题的状态，激励学生不怕受挫，在探究过程中培养学生严谨的科学研究作风。

2 物理探究性实验教学平台的构建

充分依托物理系现有的凝聚态物理、光学、等离子体物理、理论物理、粒子物理与核物理、原子分子物理和无线电物理等学科，构建适合于本科生探究性实验需要的实验训练平台，表1列出了3个研究训练平台以及与之相应的5个模块，其中包括科研基础训练平台；科研能力训练平台以及特色专业训练平台。与之相应的5个模块包括实验技能训练项目、物理学前沿研究课题、交叉学科研究课题、等离子体理论与实验研究课题和量子信息与量子计算。

表1 物理探究性实验训练平台概况

2.1 科研基础训练平台

针对一、二年级本科生，此时学生还处于一个浅显的认识层面，这时教师必须站在学生的角度设计教学导入，在设计基础训练平台时遵循由浅入深，由易到难，由简到繁的原则，结合大学物理实验课程教学，鼓励学生参与大学生科研训练计划(SRTP)、挑战杯等项目、CUPT及实验教学仪器的调试与开发，目的是使基础理论学习和实验技能训练完美结合；培养独立工作能力，使学生及早了解科学研究的基本方法与思维方式；培养学生严谨的工作作风和实事求是的科学态度，充分尊重学生兴趣和个性发展需求，从学生的主体认识出发，激发学生的求知欲望和创新意识。

2.2 科研能力训练平台

“毫无例外地使所有人的创造才能、创造潜能都能结出丰硕的果实, 这一目标比其他所有的目标都重要”。因为实验教学过程就是创造性思维发展的过程，让学生自己选择有兴趣的研究课题，肯定有助于发掘学生的潜能，锻炼学生提出问题、分析问题和解决问题的能力。根据物理系目前教师队伍的优势研究方向，开展有教授指导的以本科生为主体的科学研究工作，基本能力训练和前沿课题研究相结合，近年来物理学前沿研究课题包括：新型超导体合成和物性探索；非常规超导体的探索研究；铁基铁磁超导体的物性研究；多重极端条件下的物性测量；可调谐半导体激光功率放大器的输出特性、光束和偏振态研究；量子信息与量子计算研究课题主要包括量子相变和量子调控；重费米子超导电性和非费米液体行为；磁性系统中的量子纠缠和量子关联特性研究；统计物理学在金融动力学研究中的应用以及从物理学、心理学、认知神经科学、医学、神经信息学和计算机科学等不同层面研究脑与心智。

2.3 特色专业训练平台

创新教育并不是一个独立的教育过程，而是整个人才培养模式中的有机组成部分，创新型拔尖人才的培养，是国家的战略目标。针对一些拥有扎实的数理基础，习惯于开放式思维和普遍个性较强的学生，尽量设置灵活的实验内容、科学研究训练课题和宽松的管理措施，给优秀学生脱颖而出创造条件。科研能力培养是创新人才成长的一个重要环节，在探究性实验过程中着重强调培养严谨的科学作风和良好的科研素养，避免眼高手低和功利主义，着重加强对学生的创新兴趣、意识和科学研究能力的培养。结合国家重大需求和国际前沿课题，学校建设了聚变等离子体理论与模拟特色专业本科生研究平台。因为国家已将“磁约束聚变能源研究”和“惯性约束聚变点火计划”分别作为前沿高技术项目和重大专项列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要》，学校于2006年成立了聚变理论与模拟中心，中心目前有416 个CPU 的计算机集群1套，并有1套计算能力达到15TFlops 的计算机集群，目前承担 “973”项目，“863 ”项目，ITER 专项，激光聚变等多项国家重大专项。该探究性实验平台能够使学生将所学的理论知识直接结合到国家重大需求和国际前沿课题研究当中，极大地提高了学生的探究兴趣，使课本知识直接有了用武之地，另外，通过理论模拟和实验探究所发现的问题，反过来又能加深对理论知识的深入学习，可谓相得益彰。

2.4 探究性实验的过程管理

教育必须以育人为本，而教学的价值产生于过程，探究性实验教学过程力求逐渐培养学生良好的实验意识和实验行为方式，逐步摆脱由于灌输式实验教学而产生的被动感，取而代之的是由兴趣带来的自发的热情投入，探究性实验管理基本过程如图1所示。

图1 探究性实验管理的基本过程

探究性物理实验教学平台内有包括30多位教授、5个模块的50多个研究项目可供学生选择，物理实验中心为每一个参加探究性实验的学生在中心实验管理系统上建立个人账号，学生登录后可以查阅各教授的研究方向及探究性实验项目。学生和教授之间实行双向自由选择。① 培养学生的沟通能力，通常，学生和老师沟通时会畏首畏尾，通过这一平台强制学生和老师沟通，以此建立师生之间的流畅交流沟通机制；② 改变以往“注入式”的实验教学模式，学生完全按照自己的兴趣选择探究方向、自己组织探究小组，其在自组织力的驱使下会自然形成精神上的探求欲；③ 教师通过和学生沟通能够充分了解学生的基础以及兴趣，可以避免学生选题的盲目，另外也让老师提前配置学生在探究过程中所需要的主要设备及器件，以保证学生探究性实验的正常开展。

3 探究性实验的特色及成果

3.1 探究性实验特色

探究性实验具体特色可归纳为：① 课内与课外结合、教学与科研结合、变被动教学为主动求学；注重教与学的过程，使学生始终处于主动探究并解决实际问题的状态，层层递进，激发学生的学习兴趣及求知欲望。② 物理系各研究所的教授为了吸引更多优秀的大学生主动投入到物理实验教学之中；由此使得物理实验教学内容丰富多样，学生从被动学习变为主动学习，从独立学习变为团队协作研究，从知识灌输对象变为信息加工主体。③ 各指导教师带着前沿课题研究进入本科实验教学，因此形成了制备方式的多样性、样品表征手段的多样性，使学生置身于富有探索和创造性的学习环境中，受到严格系统地实验技能训练，掌握科学实验的基本方法和技巧，培养学生严谨的科学思维能力，分析和解决实际问题的能力。④ 让本科生尽早接触使用现代大型先进仪器设备，克服了研究型实验设备的大型化、高价位与有限教学实验经费有限的矛盾，有效克服了学生研究能力培养与实验师资不足的矛盾，众多活跃在科研一线的老师参加实验教学，同时开阔了学生视野，为以后的发展打下良好的基础。

3.2 学生屡获佳绩

探索性实验始终围绕着重培养学生的实验兴趣、独立实验能力、分析与研究能力、自主、创新能力以及归纳、总结及表达能力等。及时将科研前沿引入教学中，按照学生自己兴趣选择探索研究方向，经过几年探究性实验的实践，本科生为第一作者的优秀作品已在Nature Communications，Optics Letter (ZJU100)，OPTICS EXPRESS， New J.Phys等SCI刊物发表了20余篇相关论文；另外，在各类各级大学生竞赛中屡获佳绩，如浙江大学物理系代表队在 2015～2017年中国大学生物理学术竞赛(CUPT)中连续斩获特等奖，2016年获全国第“十四届”挑战杯二等奖，2017年获全国第“十五届”挑战杯一等奖。

4 结 语

回顾探究性实验几年来的工作，其实不仅仅是培养了学生的实验技能和探索精神，同时也考验了老师，学生创造性学习的前提是老师必须创造性地教，无论是问题的提出还是探究性实验的过程管理，都需要老师极大付出。但是，看到了这几年来学生所取得的成绩，觉得所有的付出都是值得的。