培养拔尖本科生的CUPT教学模式的探索与实践

蒲贤洁，吴小志，韩 忠，王少明

(重庆大学 物理学院 物理实验国家级实验教学示范中心，重庆 401331)

2020年，教育部发布了《关于在部分高校开展基础学科招生改革试点工作的意见》，称为“强基计划”，以选拔培养有志于服务国家重大战略需求且综合素质优秀或基础学科拔尖的学生[1].物理学是理工科的基础学科，目前物理学科人才培养仍然以教师为中心，在学生能力培养目标和考核评价方式上较为单一[2-3].为培养满足国家所需的拔尖人才，需要对传统物理学科人才培养模式进行升级改造，建立“以学生为中心，教师为引导的自主学习、自主研究”的教学氛围及丰富全面的科学考核评价机制，培养“科研素养、开放思维、合作精神、表达交流能力”等综合素质协调发展的本科拔尖人才[4-6].

1 以CUPT为主体的培养体系建设背景

中国大学生物理学术竞赛(China Undergraduate Physics Tournament，CUPT)是南开大学借鉴国际青年物理学家锦标赛(International Young Physicists’ Tournament，IYPT)，于2010年发起的面向理工科大学生开展的全国性赛事[4-5].CUPT以开放的竞赛题目、辩论的竞赛形式、科学的评价方法为特色.竞赛题目通常来源于生活中的趣味问题，在正式竞赛前1年公布，参赛者利用课余时间进行文献调研、理论学习、实验装置搭建、建模与仿真、误差分析、理论模型或者实验装置的优化改进等.竞赛时参赛者分为正方、反方和评论方，以对抗辩论形式进行比赛.裁判通过队员的赛场表现，依据评分表对团队进行科学评价.

重庆大学物理学院从2012年开始组队参加CUPT.从最初的参加竞赛，到推动“CUPT西南地区赛”的举行和参与制定西南地区大学生物理学术竞赛(Southwest China Undergraduate Physics Tournament，SWUPT)指南，再到依托CUPT赛事开展一系列教育教学改革[7-8].例如：

1)将CUPT“自主研究、对抗辩论”的教学模式推广应用于第一课堂，建立本科生创新平台，开设创新实验项目和思辨性课程；

2)开展赛后科研拓展训练，与大学生创新实践项目融合；

3)融入新生研讨课及联合重庆市中学开展“大-中衔接教育”；

4)充实“强基计划”培养方案.

逐步丰富和拓展CUPT的内涵，构建“一体多维二元融合”的CUPT模式拔尖人才综合素质培养体系，如图1所示.

图1 “一体多维二元融合”的CUPT模式拔尖人才综合素质培养体系

2 一体多维二元融合的CUPT培养体系

以CUPT为主体(一体)，开展与CUPT相关的多维度教育教学改革(多维)，包括：成立CUPT创新团队和实验室，开设创新实验项目和思辨性课程，将CUPT教学模式推广到第一课堂，充实“强基计划”培养方案，促进第一课堂和第二课堂在教师团队、教学模式、教学内容、评价体系、仪器设备和教学空间的衔接与融合(二元融合).

2.1 CUPT创新团队和实验室

随着物理学术竞赛培训工作的持续开展，在学校教务处和学院的大力支持下，首先成立了CUPT创新团队，形成了稳定的指导教师队伍.在学院本科生创新实践基地的基础上建成了CUPT创新团队实验室，购置了3D打印机、高速摄像机和小型服务器等通用仪器设备，同时也与物理实验中心、专业实验室和科研实验室达成了仪器共享协议.

针对CUPT创新团队实验室运行中存在的人力资源不足、服务保障能力低等问题，建立了学生自主管理的实验室制度，主要包括：

1)学生自主创建CUPT创新团队网页，编写《实验室使用和维护指南》《计算与数据科学入门》《关于CUPT财务报销的暂行规定》《实验室服务器使用指南》等文档；

2)学生财务员负责实验室仪器和耗材的购置与管理；

3)制定学生教练和领队制度，发挥往届队员的竞赛经验优势；

4)组织学生汇编CUPT团队论文集，将完成较好的项目总结成小论文供后期参考，同时也增强了学生的凝聚力，积累了资源.

此外，利用竞赛题目的开放性特点，在竞赛结束后继续开展赛后科研拓展训练，以更高标准和要求将赛题的理论分析和实验设计提升到新的高度，并以科学论文形式进行项目工作总结.实践表明：赛后拓展训练是学生从学科竞赛迈向科学研究的中转站，有助于“科教融合”培养高年级拔尖本科生.

2.2 创新实验项目和思辨性课程

作为选拔和继续培养高年级拔尖本科生的途径之一，赛后拓展训练往往和大学生科研训练计划(Student Research Training Program, SRTP)、国家级大学生创新创业训练计划(简称“国创”)等具体项目结合.SRTP由1969年美国麻省理工学院倡导的“本科研究机会计划”变革而来，于20世纪90年代在中国部分大学开展；“国创”于2012年教育部在“十二五”期间正式启动实施，二者有共通之处，即通过科研训练实践，推动学生在研究中学，在做中学，在问题、同伴和教师引导下自主学习并成长为创新人才[9].而CUPT赛题由于其开放性及所包含的科学问题，非常适合演变为SRTP和“国创”项目的研究内容，能够为学生提供科研训练的实践机会，让学生掌握系统的科研方法并构建正确的科研态度.同时为了扩大受益学生范围，自2017年起学院在全校范围开设“趣味物理问题探索”“CUPT物理问题创新探讨”和“物理体验与探索”课程，以解决CUPT赛题为导向，具体过程是将参与课程的学生分成若干小组，引导学生应用所学知识解决具体物理问题，如图2所示.实践表明：基于问题的学习能够有效提升学生的学习热情、自学能力和阶段性学习的获得感，从而激发学生自主成长为具有创新实践能力和科研思维能力的拔尖人才的主观能动性.

图2 课程与CUPT赛题相结合的培养模式

2.3 CUPT教学模式

CUPT赛事在全国高校蓬勃发展，基于CUPT的教育教学改革也在不断深入.2019年召开的“物理学术竞赛10周年暨素质教育新模式研讨会”，预示着CUPT教育教学改革进入新的阶段.近年来，重庆大学物理学院已开展CUPT教学模式在“大学物理”“大学物理实验”“物理类专业实验”等理论和实验课程的教学实践，并在相邻的西南大学、陆军勤务学院和西南交通大学等高校推广第一课堂的CUPT教学模式，获得了较好的实施效果[7-8].

以“大学物理实验”为例(图3)，过去这门课程多采用“教师讲—学生听—教师演示—学生模仿”的教学模式.该模式对于学生掌握实验方法，验证和加深对理论的理解有很好的效果，但在培养学生独立思考能力、自主实践能力、创新意识及创造能力存在严重不足，不利于拔尖人才的培养[10-11].因此，选取合适的CUPT竞赛题目，经过改进后作为低年级本科生的设计性、创新性实验项目，并以CUPT组队进行文献查阅、建模仿真、实验设计、装置搭建、数据测量与分析、结论报告与辩论的模式开展，不仅能激发学生的学习主动性，同时也能激发教师的教学研究与改革兴趣.目前“大学物理实验”课程CUPT教学模式的应用已从最初的4个试点班扩展到10多个教学班，量表测试数据和统考成绩从主客观检验的角度充分肯定了该教学模式在培养学生自主学习能力、实验实践能力和创新能力方面的作用[7-8].

图3 CUPT教学模式的物理实验教学实践及研讨流程[8]

建立回归第一课堂的CUPT教学模式需要形成科学的学习评价标准.CUPT教学模式通过学习评价量表对学习效果进行评价，如表1所示.学习评价量表能够促进学生中心、成果导向、持续改进的教育教学理念在CUPT教学模式中的实施，在改进教师的教、学生的学、师生互动关系以及公平公正的育人氛围等方面具有良好的塑造、提升和促进作用.

表1 CUPT教学模式的学习评价量表

2.4 充实“强基计划”培养方案

2020年，36所“双一流”高校开展基础学科招生改革试点(强基计划)，主要选拔有志于服务国家重大战略需求且综合素质优秀或基础学科拔尖的学生[1].根据教育部文件精神，各高校分别制订了“强基计划”培养方案.鉴于CUPT在培养拔尖学生和提升综合素质方面的积极作用，部分高校直接将CUPT写入“强基计划”培养方案.北京大学“强基计划”培养方案(物理学类I)明确提出：一年级同学以国际青年物理学家锦标赛和全国大学生物理学术竞赛的题目为课题，以实验探索和理论诠释为手段进行初步科研实践.北京师范大学“强基计划”培养方案(物理学专业)也明确提出：以大学生物理学术竞赛、大学生物理实验竞赛等为抓手，为学生提供自由探索的学习平台，支持学生自主创新，为学生提供自主实验室条件.这充分肯定了CUPT对低年级本科生综合学术素质训练和科研创新能力训练的积极作用.

重庆大学“强基计划”物理学专业聚焦国家关键领域，突出基础学科的支撑引领作用，选拔一批有志向、有兴趣、有天赋的青年学生进行专门培养，为国家重大战略领域输送后备人才.遵循“先理后工”的培养思路，通过物理学专业招生，采取“3+1+X”的本硕博衔接培养模式.其中，“3”指本科前3年主要以基础学科专业课程为主；“1”指本科第4年进入相关领域(高端芯片与软件、智能科技、新材料、先进制造、国家安全等)学习，通过项目驱动完成专业基础和选修课程；研究生阶段可分流至相关领域的相应专业(电气工程、计算机、热能与动力工程、材料科学、土木工程等)开展研究工作，“X=2”指本硕衔接(硕士阶段2年)，“X=4”指本硕博衔接(硕博阶段4年).

基于近10年的CUPT参赛基础和近年来率先建设并逐步完善的CUPT教学体系，重庆大学“强基计划”物理学专业一年级学生的创新能力培养实践课程建设主要围绕CUPT展开，课程规划简介如下：

1)中国大学生物理学术竞赛综合科研训练，包括竞赛介绍、口头报告制作、演讲辩论技巧、口头报告练习等；

2)文献资料检索，包括检索软件分类及特点、中/英文数据库检索方法及技巧等；

3)理论分析及数值计算，包括力、热、光、电、磁、流体力学的理论分析，数值计算软件的种类、特点、适用问题，常用数值计算和仿真软件的使用，等等；

4)实验室规范、实验方案探索和实验技巧，包括实验室安全规范制度和常识、预实验、实验设计原则、实验进度安排、实验仪器选择、测量精度、操作流程等；

5)数据处理和误差分析，包括数据处理软件的特点及使用技巧、误差分析方法等.

“强基计划”重基础、强交叉、尊重个性发展，融入CUPT的“强基计划”培养方案，能够有效提升学生自主学习和研究性学习的能力，帮助学生从中学期间以教师课堂授课和学生大量练习为主的学习模式，顺利过渡到大学期间以独立学习和自主研究探索为主的学习模式(图4)，为后续高难度、高强度的学习和研究奠定基础[12-13].

图4 以CUPT为载体实现中学-大学学习模式的转变

3 培养体系建设成效

一体多维二元融合的CUPT模式培养体系在我校经过9年实践创新，所培养学生的综合素质得以协调发展，同时也形成了教育理念先进的教师队伍，丰富了教育教学资源，全方位实现了物理教育教学在“培养理念、培养体系、教学氛围”3个层面的改革创新(图5).

图5 实现在“培养理念、培养体系、教学氛围”3个层面的改革创新

1)提出了“科研素养、开放性思维、合作精神、表达和交流能力”综合素质协调发展的培养理念，突破了传统的“书本知识+大量习题+考试成绩”的单一能力培养和考核模式，培养适应和引领未来的人才，实现综合素质全面协调发展和全方位科学考核评价机制.

2)构建了“一体多维二元融合”的CUPT拔尖人才综合素质培养体系，以CUPT为主体，开展了基于CUPT的多维度教育教学改革，实现了CUPT第二课堂指导教师团队和第一课堂任课教师队伍的深度融合和双向流动，改进了第一课堂的教学模式、教学内容和考核评价体系，建造了能够同时满足物理实验和CUPT需求的实验室，实现教学空间、仪器设备的全面共享和高效利用.

3)形成了“以学生为中心，教师为引导的自主学习、自主研究”的教学氛围，将以“教”为中心的统一教学计划和基于考试的教学模式转变为以“学”为中心的CUPT培养体系，为学生提供更多自主学习、自主思考的空间.将“教”与“学”紧密结合，教师不仅教授学生知识，更强调突出学生应用知识解决实际问题的能力和批判精神，营造相互交流、师生互动的空间和氛围，激发学生创新的欲望.

基于培养体系在教育教学中“培养理念、培养体系、教学氛围”3个层面的改革创新和逐步完善，拔尖人才培养成效显著，受益学生规模巨大，目前已经培训理工科本科生参加校级物理学术竞赛5 000余人次，指导学生参加各类竞赛获国家级奖励100余人次，获省部级奖励150余人次.“大学物理实验”“趣味物理问题探索”“CUPT物理问题创新探讨”和“物理体验与探索”等10余门课程采用CUPT教学模式进行授课，受益本科生达到10 000余人.同时也在实践过程中形成了显著的特色和优势，改革理念被其他高校广泛认可和推广，为培养服务于国家重大战略需求的综合素质拔尖学生发挥引领示范作用.

4 结束语

本文在“强基计划”选拔培养基础学科拔尖学生的背景下，以中国大学生物理学术竞赛“自主研究+辩论交流”的模式为基础，通过将其推广应用于第一课堂教育教学，并与第二课堂的创新实践活动有机融合，构建了“一体多维二元融合”的CUPT模式拔尖人才培养体系，在学生综合素质、教师教育理念、教育教学资源各个方面获得实质性提升，为物理学科人才培养的改革创新提供借鉴和参考.