基于“強基計劃”的基礎物理實驗改革探索

高 博,張 倩,張俊武,童 童,張 沛,王紅理

(西安交通大學 物理學院 大學物理國家級實驗教學示范中心，陜西 西安 710049)

2020年1月，教育部發(fā)布了《關于在部分高校展開基礎學科招生改革試點工作的意見》，旨在落實全國教育大會精神，服務國家重大戰(zhàn)略需求，加強拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)，簡稱為“強基計劃”[1].“強基計劃”的目標是通過持續(xù)的基礎學科人才培養(yǎng)，滿足支撐國家科技和社會經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)健發(fā)展的未來關鍵技術人才需求.當今國際格局呈多極化發(fā)展趨勢，科技競爭日趨激烈，科技創(chuàng)新已成為國與國之間爭奪發(fā)展權和話語權的核心，促進科技和教育相結合成為建設國家創(chuàng)新體系的關鍵[2].“強基計劃”主要突出基礎學科的支撐作用，聚焦高端芯片與軟件、智能科技、新材料、先進制造和國家安全等關鍵領域的人才培養(yǎng).

西安交通大學是首批入選“強基計劃”物理專業(yè)的高校之一，結合學?！霸鞑?、服務國家、世界一流”的辦學定位和“致力于培養(yǎng)崇尚科學、求實創(chuàng)新、勤奮踏實、富有社會責任感和高尚品質的杰出人才”的培養(yǎng)目標，融合學校雄厚的工科基礎與物理優(yōu)勢資源，提出了立足物理基礎面向戰(zhàn)略技術的物理學“強基計劃”培養(yǎng)方案[3].物理學是傳統(tǒng)的基礎學科，“強基計劃”重點是聚焦關鍵前沿技術，此背景下的基礎物理實驗是人才培養(yǎng)過程中至關重要的教學環(huán)節(jié)之一，是學生強基固本，提升獨立思維、動手能力和自主探究能力的關鍵.近年來，基礎物理實驗教學改革日新月異，相關學者針對教學模式、教學內容及方法展開了積極嘗試[4-6]，引發(fā)了對物理實驗教學新的思考.不同于以往教學改革，本文是基于當前國內基礎物理實驗教學現(xiàn)狀，結合“強基計劃”培養(yǎng)目標，對基礎物理實驗教學模式和內容展開了一系列積極嘗試，同時多維度分析了學生的教學評價反饋，給出了“強基計劃”物理實驗改革的積極嘗試方向.

1 “強基計劃”基礎物理實驗教學目標

“強基計劃”物理專業(yè)力求通過理工深度交叉融合、優(yōu)勢工科強基拓新、科教融合協(xié)同創(chuàng)新，培養(yǎng)具有寬廣、扎實物理基礎，并接受嚴格工程實踐訓練，有志于服務國家重大戰(zhàn)略需求和面向基礎科學前沿的優(yōu)秀人才.因此，基礎物理實驗教學改革應該以此為驅動力，以全新的實驗教學模式助力強基特色理工復合型人才培養(yǎng).

1.1 重塑系統(tǒng)化實驗內容框架

物理學為基礎學科，而基礎物理實驗則是學生本科階段的入門實驗課，其特點要求學生對綜合理論知識和近現(xiàn)代各類技術融會貫通，當前實驗課程受制于各類因素的影響，使得學時內容與教學要求無法匹配從而導致教學效果差.本文將原有基礎實驗劃分為4大模塊，系統(tǒng)化重構了教學內容，在多個教學層次，通過保證基礎、與理論同步、綜合應用、自主引導等措施達到了基礎物理實驗的教學目標.

1.2 重構知識點與實驗技術結合的教學資源

在傳統(tǒng)基礎物理實驗課上，學生的學習過程大多是對理論知識的驗證，往往只是按部就班的機械操作，難以深入理解知識點和實驗技術之間的融合.因此，在教學中嘗試通過拓展應用、競賽實踐與研討課等手段，打通理論知識與技術應用之間的壁壘，讓優(yōu)勢的教學資源為強基學生的理工融合目標奠定良好的基礎.

1.3 重燃學生實驗課程的學習興趣

在實驗思想、方法及實驗手段等方面，物理實驗是各學科實驗的基礎，但因實驗課歷史定位及實際授課情況，學生評價普遍不高，導致學生對實驗課興趣缺乏.通過教學模式與內容改革，在操作實驗與拓展和實驗研討與自主作業(yè)環(huán)節(jié)中，提升學生對實驗課程的興趣，從而實現(xiàn)對基礎實驗課程的改革目標.

2 “強基計劃”基礎物理實驗的內容模式

根據(jù)課程改革目標，面向“強基計劃”的基礎物理實驗在以往單一的多個基礎類操作實驗的課程內容上做了較大更新，主要包括實驗理論、操作實驗、實驗研討與自主作業(yè)4類課程模塊，如表1所示.

表1 教學模塊及能力培養(yǎng)維度

在實驗理論課部分，增加誤差理論與數(shù)據(jù)處理部分的學時，使學生掌握理論基礎，以便在操作部分正確并且熟練分析實驗誤差，掌握數(shù)字化數(shù)據(jù)處理工具；操作實驗部分，充分利用小班授課的靈活性，保證基礎理論課與實驗課基本同步，有效提升實驗教學效果；在實驗研討課環(huán)節(jié)，通過若干實驗(例如霍爾效應、黏度等)在生產(chǎn)生活中的實際應用開展研討課，將原理知識與實驗技術深入融合；利用完全自主實驗、科普視頻制作、實驗裝置設計等大作業(yè)形式，達到鞏固基礎、引導創(chuàng)新的教學目的.

3 基礎物理實驗改革特色與創(chuàng)新

物理學“強基計劃”的基礎物理實驗改革，是將基礎實驗課程改革成為從強基礎到重能力、從基礎理論到技術應用的學生培養(yǎng)橋梁.形式上將課程結構模塊化，各模塊的教學功能明確又相互銜接，層層遞進；內容上在夯實基礎實驗知識的同時，以物理實驗歷史發(fā)展、學科交叉與行業(yè)背景應用、現(xiàn)代技術與實驗方法應用等拓展知識提升學習興趣；教學法上除了傳統(tǒng)授課外，還采用翻轉課堂、自主研討、小組協(xié)作等方式，多層次、多維度完成教學創(chuàng)新.

3.1 引導式、厚基礎的實驗緒論模塊

物理實驗緒論是本課程的重要引導和理論基礎，是學生接受系統(tǒng)實驗方法和實驗技能訓練的開端，與教學效果密切相關[7].模塊特色在于引入測量的歷史發(fā)展、諾貝爾物理學獎時間線(圖1)和單位制發(fā)展及構成等元素，說明誤差理論是測量科學的基礎[8]，詳細講述誤差分析理論.

圖1 諾貝爾物理學獎時間線圖示

利用小班授課特點增加緒論模塊的學時的占比，使學生掌握誤差分析與數(shù)據(jù)處理知識，尤其以Matlab和Scidavis軟件為例介紹了數(shù)字化數(shù)據(jù)處理手段的基本方法.在課后作業(yè)方面，除傳統(tǒng)題目外，還為學生設置了高斯分布應用、諾獎時間線中物理實驗推動作用的思考等開放題目，要求學生結課時完成.

3.2 課堂拓展與實驗研討課

實驗操作是實驗課程的主體，受制于實驗課內容，強烈依賴實驗室平臺，因此是課程改革的難點.在基礎實驗內容上，設計了多個不同模式的創(chuàng)新教學活動.如在霍爾效應實驗中引入翻轉課堂模式(圖2)，由參加2021年全國大學生物理實驗競賽的學生講述霍爾效應實驗原理，同時介紹其獲獎的創(chuàng)新作品中如何應用霍爾元件完成設計，使學生在理解實驗基本內容之外，還真切感受到實驗的實際應用.同時，鼓勵學生在本科基礎階段勇于創(chuàng)新，達到了實驗課程思政的作用.

圖2 翻轉課堂上學生授課及作品演示

又如在PSD位置傳感器實驗課中，改變傳統(tǒng)授課為實驗研討課(圖3)，學生通過研討自主開發(fā)實驗內容，將位置傳感器用于檢測細絲直徑，驗證偏振光的偏振態(tài)，監(jiān)測輕質彈簧的近簡諧振動，等等.學生通過研討提升了獨立實驗能力.

圖3 學生完成基于PSD的課堂研討

除此之外，我們還在其他教學環(huán)節(jié)做了諸多嘗試，例如在密立根油滴實驗中由學生自主建立數(shù)據(jù)庫，利用統(tǒng)計方法驗證基本電荷量；在聲速測量實驗中利用手機傳感器測量，并與傳統(tǒng)實驗方法對比；在黏度測量實驗中將傳統(tǒng)課后實驗報告改為問題探究式小論文.這些都在原有教學內容基礎上提升了實驗的教學效果.

3.3 自主設計作業(yè)，提升綜合能力

自主設計作業(yè)是檢測學生基礎物理實驗學習效果的有效手段之一，也是鍛煉學生綜合創(chuàng)新能力的最佳方式.該模塊將自主作業(yè)分為基于手機的物理實驗設計、物理科普視頻制作、實驗裝置設計與制作3大類，學生可在命題類和自選類中自由選擇，給予學生充分的時間和空間自主完成.

學生在該模塊中展現(xiàn)了較強的自主創(chuàng)新能力，各類實驗設計層出不窮，部分項目已經(jīng)達到了綜合創(chuàng)新實驗的水平.有地磁場的測定、檢測手機分辨率及光盤容量、光學隱形等自主設計實驗，也有牛頓環(huán)模擬、螺線管磁場模擬、動態(tài)電路設計等仿真模擬實驗，另外還有過冷水的形成、雷電形成機理、空間探測器、微波原理及應用等科普小視頻(圖4).自主設計作業(yè)充分激發(fā)了學生對物理實驗的興趣，并提高了實驗課堂獲得的能力.

圖4 學生制作的科普短視頻(可掃碼觀看小視頻)

4 基礎物理實驗的改革效果評價及思考

學生的評價反饋是反映課堂改革成效最直接的方式，通過座談及問卷形式對近百名“強基計劃”的物理專業(yè)學生進行了課程調研.從中學階段的實驗課、實驗預習、課堂講解與操作、課后作業(yè)、自主大作業(yè)、教師授課等方面進行了全方位的調研.

首先，調研對象中有近半學生在中學時期操作實驗少于3個，說明其嚴重缺乏實驗課訓練.但是有超過七成的學生對基礎物理實驗課的情感體驗為喜歡和非常喜歡，充分說明了改革極大地調動了學生的學習能動性，如圖5所示.

圖5 基礎物理實驗的情感體驗調查結果

其次，在改革后的基礎物理實驗課堂上，學生仍然存在理論基礎不足、對實驗課出現(xiàn)的問題不知如何解決等困難(圖6).出現(xiàn)該情況，一方面是教學知識體系不匹配，另一方面也說明了投入精力與學時強化學生的實驗課基礎知識與基本技能才是改革最重要的方向.

圖6 基礎物理實驗課堂主要困難調查結果

最后，學生對基礎物理實驗收獲的問卷，說明絕大部分學生都理解了課程內容，同時在動手能力、論文寫作、數(shù)字化實驗手段和數(shù)據(jù)處理等方面得到了提升(圖7).

圖7 基礎物理實驗的收獲

5 結束語

從西安交通大學物理專業(yè)“強基計劃”人才培養(yǎng)目標出發(fā)，展示了基礎物理實驗模塊化改革的整體舉措，將物理實驗課程的基礎訓練、開放自主性、趣味性和創(chuàng)新性融合形成有機閉環(huán).從學生評價反饋可以看到，基礎實驗的改革探索，對當前面向“強基計劃”的基礎物理實驗新流程、新模式、新內容給出了積極的范例，同時也為亟待改革的大學物理實驗教學提供了新的思路和方向.