1、第 36 卷第 1 期大学物理实验Vol36 No12023 年 2 月PHYSICAL EXPEIMENT OF COLLEGEFeb2023收稿日期:2022-09-14基金项目:高等学校教学研究项目(DJZW202031zn);中南大学教学改革项目文章编号:1007-2934(2023)01-0149-04面向拔尖人才培养的大学物理实验教学改革实践李幼真，徐富新，何彪，赵华芬(中南大学 物理与电子学院，湖南 长沙410083)摘要:通过引入科研训练实验项目，成立课外实验探索小组以及组织各类学科竞赛等实验教学改革措施，进一步发挥了物理实验室的资源优势，理顺了相关管理制度，为学生营造了课内外
2、融合的探索和创新实践环境，丰富了物理实验教学内容，提高了物理实验课程的趣味性和挑战度，有效促进了物理实验教学改革和拔尖人才培养。关键词:大学物理实验;课外探索;创新人才培养中图分类号:G 6424文献标志码:ADOI:1014139/jcnkicn22-1228202301032大学物理实验 投稿网址:http:/dawushiyanjlicteducn加快推进教育现代化、建设教育强国、办好人民满意的教育，办好教育关系着中华民族的复兴和长远发展，高等教育肩负着为国家培养高科技人才，培养社会主义建设者和接班人的重任1。而规模最大的本科教育一直是高等教育人才培养环节的重中之重。本科生正处于一生中思
3、维最活跃、精力最旺盛、可塑性最强的时期，是最大规模的高等教育群体，本科教育阶段也是学生世界观、人生观、价值观形成的关键阶段。本科人才的培养是全方位、全过程的培养，其目标是为国家培养出具备扎实基础，有强烈的探索精神和社会责任感，拥有较强创新能力的优秀人才，抓好本科教育工作，为国家培养大批高素质本科人才，关系到国家的长期发展和复兴。教育部在新时代本科教育工作会议上明确指出要把本科生教育放在人才培养的核心位置，坚持“以本为本”，推进“四个回归”2，同时提出了“高阶性、创新性和挑战度”的要求，培养学生解决复杂问题的综合能力和高阶思维3，这指明了新时期高等教育尤其是本科教育的发展方向，也对本科人才培养提
4、出了更高要求2。提高本科生培养质量，需要在思政建设、课程资源、实践教学、综合素质和创新能力培养等各个方面进行改革和提升。大学物理实验作为面向理工医各科学生的一门大规模实践课程，在引导学生树立正确的价值观和科学研究方法，培养学生的动手能力、创新精神、科学素养等方面具有重要作用，是提升本科生培养质量尤其是提高实践创新能力过程中的重要一环4-9。近年来，以新时期本科教育改革要求为指引，针对当下物理实验教学过程中出现的问题，不断推进大学物理实验课程教学改革，在培养学生创新能力、促进优秀学生脱颖而出方面进行探索，取得了初步成效。1物理实验教学现状物理实验课程具有显著的基础性、规模性的特点，大学物理实验课
5、教学过程通常包括课前预习、理论讲解和仪器介绍、学生实验、提交数据并书写实验报告等环节，通过训练，学生可加深对物理现象的理解，提高动手能力、协作能力和数据处理能力，教学效果是非常明显的。对我校 300 余名刚完成物理实验课程的本科生进行的匿名调研表明，94%以上的学生认为通过物理实验课程的学习，动手能力和数据处理能力得到显著提高。此外，调查发现，80%以上的学生每次实验自己动手操作的时间在 1 小时以上，但有近两成的学生表示平均不到1 小时即可完成实验的必做部分，这表明学生的实验能力有差别，进一步调查发现，部分学生尤其是各类工科专业拔尖班的学生在中学就参加了各类物理竞赛，部分实验内容在中学都有所
6、接触，在实验课堂上处于“吃不饱”的状态，他们大多数希望能自主开展更有挑战性的实验。在教学过程中，也发现相当一部分学生以完成任务和老师要求为唯一目的，按部就班地操作仪器、记录数据，他们很少主动发问，丝毫不关心仪器的其他功能和应用，不主动分析产生异常数据和现象的原因，甘愿成为一个操作工;还有部分学生缺乏与老师和同学的沟通交流，在还没有正确掌握实验要领和测量方法的条件下盲目进行实验，同时又缺乏对数据的思考和认识，花费大量时间却不得要领;与此同时，也有部分学生思维活跃，对仪器的其他功能，拓展应用等非常感兴趣，形成鲜明对比;另外，随着现代技术的进步，实验仪器的集成度和自动化程度越来越高，让实验操作越来越
7、简单，学生对仪器工作原理和测量原理的理解越来越肤浅，“黑盒子”问题日益突出，助长了学生对仪器的依赖，降低了实验教学效果。这些现象说明部分学生缺乏独立思考的志趣和能力，不是在用心用脑进行实验，这主要与学生缺乏主动学习和思考的动力有关，但也与教学内容、课程安排及教学方法密切相关。教学过程中的这些问题说明学生从学习动力、知识储备到动手能力等都表现出较大差异，有的同学学有余力，“吃不饱”，有的同学基础差，缺乏兴趣和动力，这给大学物理实验教学带来了挑战，需要从教学内容到仪器设备等各方面进行改革，提高课程的趣味性、高阶性、创新性和挑战度，提升学生的学习积极性和学习效率，同时实施因材施教，为优秀学生的脱颖而
8、出和快速成才创造良好条件。2改革措施及效果针对上述问题尤其是部分优秀学生“吃不饱”、对传统教学内容缺乏兴趣等，在教学内容、教学方法和手段以及管理措施方面进行了改革尝试。首先，对传统教学内容进行更新，增加科研训练类实验项目。与学院科研团队合作，开发建设科研前沿实验项目，如以钙钛矿光伏和量子点发光器件材料研究为基础，设计了“紫外-可见光和荧光光谱系列实验”以及“钙钛矿光伏器件性能及稳定性研究实验”;以二维 MoS2的生长为基础，设计了“二维 MoS2的拉曼光谱研究实验”，项目由实验中心与相关科研团队合作开发，由中心骨干教师负责教学组织和设备管理。项目首先面向物理类和工科类专业拔尖班开设，每个实验项
9、目分两次完成，课前提前布置实验任务，要求学生查阅资料，了解实验项目的研究背景、基本原理、样品制备和测试过程等，撰写相关报告，然后安排学生分批到科研实验室制备样品，再到物理实验室完成样品的测量研究，最后提交实验报告。在普通大学物理实验课中，研究的对象和测量的结果往往是确定或基本确定的，而在此类科研训练类实验中，学生接触的是相关领域的科学前沿，材料制备的工艺参数、测量环境和过程的不同会导致测量结果大不相同，实验过程中的新现象可有效激发学生学习兴趣和探索欲望，继而提高课程挑战度和吸引力。从教学效果来看，学生在实验过程中及分析结果过程中都表现出较高的主动性，与老师和同学之间讨论交流显著增加，显著提升了
10、教学效果。此类项目为学生尤其是基础较好的学生体验基本的科研过程创造了条件，满足了优秀学生的需求。由于此类实验难度较大，投入精力和时间远大于普通实验，因此将完成 1 个科研训练类项目的课时等价于 2 个普物实验项目，满足学生和老师的课时需求。图 1学生部分课外探索成果其次，鼓励自由探索，开展课外实验。为进一步丰富实验实验教学内容，在实验教学过程中鼓励学生利用物理实验室的空间和设备等教学资源，开展自由探索实验，去实现他们的一些设想，并为学生提供必要的经费支持和指导。首先选择051大学物理实验2023 年了物理基础较好、学习氛围浓厚的物理拔尖班、科学班和医学八年制 3 个班进行了试点，为每个班安排
11、1 位骨干教师，全程负责所在班的实验教学工作，根据其专业特点安排相应的实验项目，并有针对性地对教学内容进行调整，将内容相近和类似的实验合并完成，利用有限的课时完成更多的实验学习和训练，节约面上实验教学课时。在首次上课时，老师就将课外探索任务布置下去，要求其根据自身兴趣，独立或成立课外探索小组(每组不超过 3 人)，自拟课题，进行课外科学探究，课外实验探究任务相当于完成 2 个普通的大学物理实验项目，完成后须提交相关研究报告。老师负责学生的日常教学管理，包括为学生安排必要的研究场地，提供基本的仪器设备并给予必要的指导等，同时充分利用实验室开放基金等，为开展课题研究提供一定的经费支持;学生最终提交
12、的研究报告及答辩情况将作为其期末大学物理实验最终能否评优的重要依据。目前，这种模式已经试行 2 年，取得显著成效，为部分优秀的学生提供了更广阔的学习空间，部分同学以此为契机，对实验不断完善，将研究成果整理并以论文的形式发表，也有同学以此为基础，参加相关学科竞赛并取得佳绩，图 1 为学生气体纹影研究等自由探索实验场景和实验设计。从笔者指导的班级选题来看(见表 1)，有部分学生以往年大学物理学术竞赛或大学物理实验竞赛题目为题，部分以学院老师科研项目为题，有 2 个小组选题困难，最后在指导老师帮助下完成了选题。绝大部分同学都在 3 个月内顺利完成了任务，提交了报告。从学生反馈情况来看，大部分同学有较
13、高的意愿和兴趣，也有同学反映学业压力大、时间紧，课外探索实验给他们增添了较大压力。表 1某班课外探索题目用圆形容器模拟小球球面摆运动及周期光纤光谱仪的探索与应用反弹胶囊现象原理的研究分析测量可乐气泡的半径探究不同浓度甲基蓝溶液吸收光谱基于双凸透镜的纹影装置设计及定性研究母子球碰撞实验测量恢复系数关于弗兰克赫兹实验灯丝电压的讨论对沙漏流动时重量变化的探究关于自制热式测风仪的探究测量蔗糖溶液的表面张力系数对牛顿摆摆球振动衰减速率因素的探究Sweet MirageHeron s Fountain 喷射高度探究第三，以学科竞赛为抓手，充分利用实验室教学资源和学校政策，提高学生实验和创新能力。物理实验中
14、心为全校理工医本科生提供实验教学服务，拥有充足的实验场地和设备资源，这些资源在课后可为本科生从事课外创新探索提供充足的条件保障，同时也可进一步提高资源的利用率。一直以来，在学校和学院政策支持下，以各类学科竞赛如全国大学生物理实验竞赛、全国大学生物理学术竞赛、省大学物理竞赛等为载体，吸引学生以实验中心为平台开展物理类学科竞赛，同时，也为其他学科竞赛如全国大学生电子设计大赛、机械创新设计大赛等提供相应的场地和设备支持;利用学校和学院提供的竞赛资金、实验室开放基金等为学生的课外探索活动提供必要的经费支持，同时安排老师和实验技术人员轮班，确保实验室能够快速响应学生需求，实现物理实验室的全开放运行，经多
15、年积累取得了显著成效，近年来参加各类学科竞赛的本科生人数显著增加，获奖数和等级显著提高，以物理实验中心为主体申报的本科生创新中心被评为省级创新创业教育中心，得到了师生的认可。3问题和展望创新能力的培养不是一蹴而就的，需要学生老师的共同长期坚持。在改革探索过程中，发现了以下 3 个方面的问题:(1)改革带来大量额外工作量，老师工作压力大。物理实验教学工作本身量非常大，而开展课外探索、科研训练类项目需要老师投入大量精力，同时由于科研训练类设备台套数不足，往往一个班需要分成多个小组，教学和管理工作难度大增，在老师付出大量努力的条件下也仅能为少数学生开设，难以大面积推广。(2)学生学业任务重，课外时间
16、不足。大学物理实验课程一般在大一下学期或大二上学期开设，正是本科生课程学习任务最繁重的时段。对300 余名本科生就参加课外实验探索意向进行了调研，80%以上学生表现出浓厚的兴趣，在面临的困难方面，70%的同学表示学业压力大，课外时间少是主要困难。(3)教学管理和评价机制需要进一步完善。开展科研训练实验、课外探索实验以及学科竞赛指导等需要老师投入大量时间和精力，但在教学151第 1 期李幼真，等:面向拔尖人才培养的大学物理实验教学改革实践课时、工作量考核等方面难以量化，最后能够以发表论文、竞赛获奖等形式取得成果的学生毕竟是少数，老师们的投入与回报难成比例，靠老师的情怀和无私奉献难以支撑长期的改革，因此需要建立更加科学的考核评价机制，对老师和学生都形成有效的激励。4结语丰富教学内容，提高课程挑战度，培养创新思维，促进拔尖人才成长，本科教学的新一轮改革已是如火如荼。物理实验课程在理工医科本科生培养尤其是创新人才培养上的重要作用决定了其不仅要改，还要走在前列。将科研训练类项目、课外探索实践、学科竞赛等与实验教学相结合，充分发挥物理实验室的资源优势，实现最大限度的共享开放，为本科生尤其是优秀的本
