基于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)第二層次教學(xué)的學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)探討*

曹 峰 鄧柏昌 陳浩基

[哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)理學(xué)院 廣東 深圳 518055]

王 拴 紀(jì) 緯 韓建衛(wèi)

[哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)踐教育中心 廣東 深圳 518055]

1 引言

目前，建設(shè)創(chuàng)新型國家的戰(zhàn)略目標(biāo)和建設(shè)“雙一流”學(xué)科的首要任務(wù)是:培養(yǎng)具有創(chuàng)新型的科研人才.近幾年來，各學(xué)科為培養(yǎng)科研創(chuàng)新型人才進(jìn)行了大量的教學(xué)改革研究[1～6].

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程作為培養(yǎng)大學(xué)生綜合素質(zhì)的實(shí)驗(yàn)課程，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力方面具有不可替代的重要作用.因此，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革也成為人們研究的熱點(diǎn)[7～10].

我校[哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)]是一所在深圳特區(qū)興建的大學(xué)，為充分發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新能力培養(yǎng)作用，在借鑒國內(nèi)高校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，為解決物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的實(shí)際問題，我們研究和分析了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中第二層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的關(guān)系，以及和全國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽融合的關(guān)系，對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)如何培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力提出了新的認(rèn)識(shí).

2 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的關(guān)系

2.1 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系實(shí)施過程中學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足的問題

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系一般分3個(gè)層次設(shè)置，第一層次為基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，第二層次為綜合提高性實(shí)驗(yàn)，第三層次為設(shè)計(jì)性或研究性實(shí)驗(yàn).

第一層次實(shí)驗(yàn)是在教師指導(dǎo)下，培養(yǎng)學(xué)生掌握物理實(shí)驗(yàn)中基本的操作技能.

第二層次實(shí)驗(yàn)是學(xué)生在已經(jīng)掌握了基本實(shí)驗(yàn)常識(shí)和基本技能后在教師指導(dǎo)下進(jìn)行的相對(duì)提高的訓(xùn)練，主要培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力.

第三層次實(shí)驗(yàn)相比第一、二層次的實(shí)驗(yàn)，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力方面更具有直接性.在該層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施過程中，學(xué)生需根據(jù)教師給定的實(shí)驗(yàn)條件和目標(biāo)，獨(dú)立地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，挑選相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)儀器，在教師的引導(dǎo)下完成實(shí)驗(yàn)的操作及數(shù)據(jù)處理，并寫出具備基本科研訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)報(bào)告或論文.

在這3種物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系設(shè)置中，由于受到教學(xué)時(shí)數(shù)和教學(xué)資源不足的限制，導(dǎo)致第三層次物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)數(shù)設(shè)置相比第一、二層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)數(shù)較少，第一和第二層次物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅局限于學(xué)生循著教師的示范操作做一遍，得到一些數(shù)據(jù)和結(jié)論后寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并沒有對(duì)物理實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行深入的探討.這些問題都將在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中制約大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng).

近幾年，在我校學(xué)生評(píng)教結(jié)果中，有學(xué)生認(rèn)為：“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)和大學(xué)物理理論課沒有聯(lián)系”“感覺物理實(shí)驗(yàn)與專業(yè)課無關(guān)，以后的學(xué)習(xí)和工作中也用不上”，甚至說“物理實(shí)驗(yàn)占用了他們的專業(yè)學(xué)習(xí)時(shí)間”.學(xué)生的評(píng)教結(jié)果都和上述問題相關(guān)，說明在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，學(xué)生學(xué)習(xí)是被動(dòng)消極的，實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力培養(yǎng)并沒有在他們身上凸顯出來.

2.2 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)第二層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的挖掘

為發(fā)揮大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)在學(xué)生能力培養(yǎng)過程的積極作用，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)三層次教學(xué)過程中，我們認(rèn)為：應(yīng)重視挖掘第二層次大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的作用.因?yàn)榈诙哟蔚奈锢韺?shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目除具有只需最簡單的儀器和設(shè)備、最基本的物理原理就能使學(xué)生清晰地認(rèn)識(shí)自然界規(guī)律的特點(diǎn)外，還內(nèi)涵許多培養(yǎng)學(xué)生科研創(chuàng)新能力的內(nèi)容需要我們?nèi)ネ诰?另外，學(xué)生的科研創(chuàng)新能力提高也需要通過第二層次物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)獲得一定的綜合素質(zhì)與能力后，再經(jīng)過科學(xué)實(shí)踐訓(xùn)練獲得，因此，在第二層次教學(xué)體系中開發(fā)和挖掘培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的提高性教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生在該層次接受大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)基本方法和技能等方面系統(tǒng)訓(xùn)練的同時(shí)，繼續(xù)去探索該實(shí)驗(yàn)中挖掘出來的提高性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使教學(xué)和科研有效融合，學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)能得到有效的提高.

以第二層次雙光柵測量微小振動(dòng)實(shí)驗(yàn)為例，該實(shí)驗(yàn)依據(jù)位移光柵的多普勒頻移原理，通過雙光柵形成光拍來精確測定微弱振動(dòng)位移，這是一個(gè)設(shè)計(jì)巧妙，能提高學(xué)生興趣的實(shí)驗(yàn)，其測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于精密測量領(lǐng)域中.目前，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中，教師主要是指導(dǎo)學(xué)生調(diào)試光柵，尋找音叉諧振的頻率，通過準(zhǔn)確測量音叉諧振時(shí)半個(gè)周期內(nèi)光拍的個(gè)數(shù)，計(jì)算音叉諧振動(dòng)振幅，并測量外力驅(qū)動(dòng)時(shí)音叉的諧振曲線.由于該實(shí)驗(yàn)綜合運(yùn)用了力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等方面的知識(shí)，且多普勒效應(yīng)是大學(xué)物理重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，所以該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)既能開闊學(xué)生的理論視野，又能啟發(fā)思維.但由于受到學(xué)時(shí)數(shù)限制，多數(shù)學(xué)生在課堂上僅按照教師的示范操作完成實(shí)驗(yàn)，課后處理數(shù)據(jù)之后并沒有對(duì)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中出現(xiàn)的問題去進(jìn)一步思考，因而也沒有引起對(duì)該實(shí)驗(yàn)的興趣或沒有達(dá)到學(xué)生能力培養(yǎng)的要求.事實(shí)上，該實(shí)驗(yàn)存在下列幾個(gè)待進(jìn)一步思考的問題，可挖掘出來提供給學(xué)生進(jìn)一步研究.如：

(1)學(xué)生調(diào)試雙光柵時(shí)得到“毛刺”現(xiàn)象，即調(diào)試得到的光拍信號(hào)波形和理論波形相差太大.為什么會(huì)出現(xiàn)“毛刺”現(xiàn)象，“毛刺”現(xiàn)象的產(chǎn)生，和實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)有何關(guān)系，以及如何消除“毛刺”現(xiàn)象，這些都是很好的，需要深入探討的研究性課題，挖掘出來給學(xué)生在教師指導(dǎo)下去進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究，可以激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的研究興趣和創(chuàng)新能力.

(2)雙光柵實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生需通過調(diào)節(jié)頻率使音叉諧振以后，改變音叉附著質(zhì)量去觀察音叉的振幅大小改變(示波器顯示的拍頻波的個(gè)數(shù)的改變)，這個(gè)教學(xué)內(nèi)容可結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理進(jìn)一步挖掘，即學(xué)生在做該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的同時(shí)，可要求他們多測幾組數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)去擬合出附著質(zhì)量大小改變與音叉振幅改變的關(guān)系曲線，找出函數(shù)關(guān)系，并進(jìn)行誤差分析，不但可以豐富該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)內(nèi)容，還可促使學(xué)生在已有實(shí)驗(yàn)儀器及條件下，通過進(jìn)一步分析、綜合和判斷實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，達(dá)到研究創(chuàng)新能力有效的提高.

3 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和全國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽(CUPT)相互融合研究

3.1 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和全國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽(CUPT)的關(guān)系

自2010年7月首屆中國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽在南開大學(xué)舉辦以來，目前全國大部分高校都把這個(gè)競賽作為大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一種有效手段，并作為第三層次物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的擴(kuò)充.這個(gè)競賽每年的17個(gè)競賽題，包含了力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等日常生活物理和實(shí)際工程技術(shù)物理問題，參賽學(xué)生要準(zhǔn)備所有題目,其研究過程必須經(jīng)歷查閱與題目相關(guān)的大量書籍、文獻(xiàn)；確定題目相關(guān)的研究歷史、研究現(xiàn)狀以及可能的研究結(jié)論.并在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)去分析題目所含的物理機(jī)制，擬定實(shí)驗(yàn)方案并進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn).在實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中，參賽學(xué)生還需設(shè)定具體的測量物理量(一般參賽題目中不直接給定)，研究各物理量的動(dòng)力學(xué)過程以及相互作用.最后還需分析各種實(shí)驗(yàn)方案所得到的結(jié)論是否合理，并對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行優(yōu)化，給出較為合理的結(jié)論，并以科技論文的形式寫出研究報(bào)告[11].

實(shí)踐證明：競賽可以培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度和自信心，即“在以后的研究工作中，只要通過努力就能得到完美的結(jié)果”.但不足的是：這個(gè)“精英教育”過程存在著教學(xué)資源分配不均，少數(shù)學(xué)生受益，雖然每年在校內(nèi)針對(duì)全校學(xué)生以科技節(jié)形式舉辦選撥賽，但多數(shù)學(xué)生還是沒有參與.另外，由于競賽是在學(xué)生經(jīng)過第一、二層次物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程訓(xùn)練之后，且已在掌握用物理實(shí)驗(yàn)的方法去觀察、分析、研究物理現(xiàn)象的基礎(chǔ)上參賽，因此，大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽具有彌補(bǔ)第一和第二層次物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)不具備的開放性、研究性等學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的缺失和不足.從這個(gè)角度上去看，第二層次大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽兩者之間具有相互依存和補(bǔ)充的關(guān)系，如能將兩者相互融合起來，將有效地提高學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng).

3.2 大學(xué)物理第二層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)和大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽相互融合的方法

由于每年的競賽題目來源于力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等日常生活物理和實(shí)際工程技術(shù)物理問題，因此，第二層次物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽兩者的融合途徑主要有以下兩種：

(1)將競賽成果作為第二層次大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容擴(kuò)充.即深入總結(jié)和挖掘大賽的豐富資源和成果(包括競賽內(nèi)容，所用的實(shí)驗(yàn)方法及儀器)，將其嵌入到第二層次大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中去，讓全體學(xué)生受益.

(2)在校內(nèi)舉辦多場科技節(jié)，讓更多學(xué)生都來參與，全面提高大學(xué)生人才培養(yǎng)質(zhì)量.

如2019年大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽第15題“牛頓擺”，該題是要研究一個(gè)球與多個(gè)彼此獨(dú)立且彼此接觸的同質(zhì)等大的球構(gòu)成的球鏈相互間的碰撞作用，如圖1所示，并研究擺受哪些因素影響停下來.這個(gè)競賽題可以和我校開設(shè)的、屬于第二層次物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的碰撞打靶實(shí)驗(yàn)相互融合，作為碰撞打靶實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的教學(xué)拓展.碰撞打靶實(shí)驗(yàn)其實(shí)驗(yàn)原理是動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，而牛頓擺的碰撞不能簡單用動(dòng)量守恒和能量守恒定律來解決，因?yàn)榕ｎD擺的碰撞屬于一種球體(或球鏈)與球鏈之間的沖擊作用，需要建立新的模型，即質(zhì)點(diǎn)和與之相聯(lián)的彈簧構(gòu)成的模型[12]，來考慮球與球鏈之間碰撞過程中的變形，如圖2所示.

圖1 牛頓擺

圖2 質(zhì)點(diǎn)-彈簧模型

通過將動(dòng)量和能量在球鏈上的傳輸過程等效為動(dòng)量和能量在質(zhì)點(diǎn)和彈簧之間的傳輸來解決傳輸過程中的能量耗散.這種牛頓擺的分析模型具有很好的開放性和研究性，如融入到碰撞打靶實(shí)驗(yàn)中，引導(dǎo)學(xué)生采用以上模型，應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬分析碰撞結(jié)束后飛出去小球個(gè)數(shù)、反彈回來的小球個(gè)數(shù)以及小球各自的速度，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬分析的正確性，可以讓學(xué)生得到一次系統(tǒng)的科研訓(xùn)練，既提高了學(xué)生的理論水平，又能提高學(xué)生對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣，我們的教學(xué)經(jīng)歷證明了這一點(diǎn).

4 結(jié)束語

本文探討了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中第二層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)與全國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽以及大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)之間的關(guān)系，分析了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)第二層次教學(xué)和大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽中存在的學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足的問題.在此基礎(chǔ)上，提出了在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，提高學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的兩種有效途徑：

(1)深挖第二層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的內(nèi)涵;

(2)將全國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽成果融合到第二層次大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中.并通過雙光柵實(shí)驗(yàn)和碰撞打靶實(shí)驗(yàn)實(shí)例對(duì)兩種有效路徑進(jìn)行了說明.

我們的教學(xué)實(shí)踐證明，上述兩種途徑確實(shí)有效地提高了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生的創(chuàng)新能力,有效提高了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)質(zhì)量，為進(jìn)一步深入開展大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革奠定了基礎(chǔ).