鮑德松，鄭 遠，王業(yè)伍

（浙江大學 物理系，浙江 杭州 310058）

物理實驗作為培養(yǎng)學生綜合素質和創(chuàng)新能力的實踐課程，對學生素質培養(yǎng)、能力提高和品格塑造具有理論課無可替代的重要作用，而本科人才培養(yǎng)模式是決定創(chuàng)新人才培養(yǎng)質量的重要基礎。探索注重個性發(fā)展和協(xié)作創(chuàng)新的實驗教學體系是目前物理實驗教學改革的一項重要內容[1-5]。創(chuàng)新能力有賴于一定的基本能力與素養(yǎng)，并在此基礎上經過長時間的訓練才有可能建立[6-14]。我校物理實驗教學中心始終堅持夯實基礎、強調實踐、鼓勵創(chuàng)新的教學模式，以下介紹我們在物理拔尖人才培養(yǎng)過程中對物理實驗教學平臺的構建，以及所取得的成效。

1 物理實驗教學平臺的構建

我校物理學拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式于2010 年啟動，十年來始終以培養(yǎng)物理學科領域領軍人物為宗旨，注重創(chuàng)新人才培養(yǎng)過程，實施科學思想的養(yǎng)成和科學能力的訓練。經過多年探索實踐，整合了各種教學資源，構建了適合拔尖人才培養(yǎng)的實驗教學體系，基本滿足了物理學科拔尖學生共性與個性的培養(yǎng)需求。

1.1 教學團隊建設

大學物理實驗本身具有教學內容的基礎性、教學過程的實踐性以及教學方法的研究性等特點，其目標是為學生夯實基礎、筑牢根基，而物理學拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)對師資隊伍建設提出了更高的要求。為了培養(yǎng)學生自主學習能力，我校物理實驗教學中心調動物理學系教學科研一線的全部教授，組建了秉承“強化基礎、激發(fā)興趣、提升能力、驅動創(chuàng)新”理念的實驗教學團隊。在強化學生基本實驗技能、數據采集與數據處理訓練的基礎上，構建了由教授指導、以各研究所為基地的本科生實驗教學平臺，包括科研基礎訓練平臺、科研能力訓練平臺和特色專業(yè)研究平臺[2]，有序進行由科研成果向物理實驗教學的轉化，以科研成果反哺實驗教學，保證實驗教學與教學資源建設的良性循環(huán)。

1.2 以演示實驗為載體實現(xiàn)互動式實驗教學

通過對物理現(xiàn)象與過程的展示，物理演示實驗把難以理解的概念和理論知識轉化成直觀的圖像，消除了學生在學習中因抽象、枯燥而產生的厭煩心理。將物理演示實驗納入物理實驗教學，并在理論教學課堂上以物理演示實驗為載體，能夠打破理論與實驗教學的界限，激發(fā)學生的興趣與熱情，提升學生課堂參與度。在此過程中，讓學生自主選擇理論知識點作為研究選題，制作相應的演示儀器，強化實驗與理論相結合的學習效果。從實驗選題設計到裝置搭建測量，從數據采集分析到物理建模模擬，直至最后的成果總結，都由學生自主完成，使學生的實驗素質得到全方位提升。這一演示教學突出了過程互動性，加強了理論知識的課堂講授效果，豐富了實驗教學手段，改進了現(xiàn)有灌輸式的教學模式，消除了學生的被動心理，激發(fā)了學生的主觀能動性，使理論教學與實驗教學相得益彰。尤其各環(huán)節(jié)順暢銜接的進階式學習，不僅培養(yǎng)了學生扎實的基本技能與實踐能力，而且在激發(fā)學生求知熱情的同時，提高了學生的科學創(chuàng)新思維，開拓了學生的科學視野。

以2019 年中國大學生物理學術競賽第6 題為例。該題為用吸管吹氣使兩顆相連的鋼球高速旋轉問題（hurricane balls），這是經典剛體力學教學的一個生動而全面的實例。一般在理論教學中，往往是先通過演示兩顆鋼球的運動狀態(tài)（見圖1），使學生清晰地觀察物理現(xiàn)象并很快進入學習情境，然后結合理論知識進行圖文并貌的受力分析，將與剛球相關的轉矩、轉動慣量、角速度、質量、幾何尺寸及摩擦力等概念通過拉格朗日量以方程形式聯(lián)系起來，實現(xiàn)從演示實驗到理論模型的過渡，理論教學便可在此基礎上展開。

圖1 剛體運動示意圖

而在實驗教學中，應區(qū)別于理論教學，適當減少公式推導，使學生抓住如下關鍵物理規(guī)律：①當兩鋼球轉速較高時，受摩擦力作用進入無滑滾動狀態(tài)，從而抬升一側鋼球；②在無滑滾動限制下，抬升角與小球轉動角速度以一固定形式正相關；③存在小于90°的最大抬升角，它與兩顆小球在兩個垂直方向上的轉動慣量有關。

通過分析不同半徑鋼球的運動規(guī)律，結合高速攝像記錄實時數據，分析鋼球半徑、剛體轉動角速度以及抬升角之間的關系，如圖2 所示。驗證了抬升角與轉動角速度及鋼球半徑之間存在如下關系：

圖2 抬升角與轉動角速度的關系

1.3 成績評定注重過程與結果

教學的價值在很大程度是產生于過程的。只有采用與教學體系相適應的考評方法，才能全面釋放教學潛力。在成績評定中，采取過程與結果相結合的評定方式，并增大過程考評所占比重，力求使基礎理論學習與實驗技能訓練完美結合。通過演示實驗教學、研究型課題自主學習、開放實驗室、線上線下聯(lián)動等措施，可以拓展學生的學習空間，增加學生的實踐時間，也使教師能通過更多維度考察學生的基本實驗技能、動手能力、分析及解決問題能力、交流表達能力、科學研究能力、團隊協(xié)作精神和創(chuàng)新意識等。教師通過組織口頭匯報、討論辨析、數據報告等，能夠實現(xiàn)對實驗教學的過程評價管理，有助于培養(yǎng)學生良好的實驗意識和實驗行為方式，使學生逐步擺脫由灌輸式實驗教學產生的被動感，取而代之的是由興趣帶來的自發(fā)的積極投入。

2 物理實驗教學成效

2.1 將學科競賽融入實驗教學

我們將學科競賽融入實驗教學，引導學生自選研究題目，提煉物理內涵豐富的競賽問題，與實驗教學選題緊密融合，由教師團隊協(xié)作配合，給學生提供銜接緊密的教學過渡，實現(xiàn)實驗與理論、競賽與教學的高質量融合。這些學科競賽包括中國大學生物理學術競賽（CUPT）、中國大學生物理實驗競賽、浙江省大學生物理科技創(chuàng)新大賽等。這一舉措在促進學生個性化發(fā)展的同時，提升了學生的整體學業(yè)水平，培養(yǎng)了學生初步的科學研究能力、良好的實驗習慣和嚴謹的科學作風，將本科生科研能力、實驗技能的培養(yǎng)落實到了物理實驗教學的全過程。同時，將競賽與教學相結合進行演示實驗儀器的創(chuàng)新，喚起學生的強烈求知欲，使學生變被動學習為主動探索，將知識的吸收與運用過程完美結合。例如，在“物理學實驗II、III”課程中，將競賽內容融入其中，以競賽促教學，使學生主動調研物理教材和科研文獻，自發(fā)思考理論模型的建立、實驗裝置設計、測量方案制定等，并自主完成處理實驗數據、歸納研究結果、形成研究結論，最終完成實驗課程的全過程。

2.2 實驗教學對學生培養(yǎng)的貢獻

自2015 年以來，我校代表隊在全國大學生物理學術競賽獲三次特等獎、兩次一等獎，在華東地區(qū)物理學術競賽獲一次特等獎，在全國大學生物理實驗競賽獲三個一等獎，在第八屆、第九屆、第十屆浙江大學大學生物理創(chuàng)新競賽（實驗和理論）獲八個一等獎，在2017 年浙江省第十五屆挑戰(zhàn)杯·富陽大學生課外學術科技作品競賽獲特等獎，在第十五屆“挑戰(zhàn)杯”中國銀行全國大學生課外學術科技作品競賽獲一等獎。在歷年參加競賽的學生中，有13 名學生前往麻省理工學院、哈佛大學、普林斯頓大學等國際一流大學深造，并有學生在《Physical Review Letters》《Nature Communications》和《Optics Express》等期刊發(fā)表文章40 余篇。10 余件由學生結合各種學科競賽開發(fā)的優(yōu)秀作品投入演示實驗教學，包括超聲懸浮、μ子探測、多吸引子混沌電路、旋風小球等，其中多吸引子 混沌電路裝置獲2016 年全國高等學校物理實驗教學自制儀器評比二等獎，并已在國內多個高校物理實驗教學中推廣使用。

3 結語

我們的教學模式打破了理論教學與實驗教學的界限，形成了由現(xiàn)象到理論、由直觀到抽象、由淺顯到深刻的循序漸進式的互動教學過程，使學生在物理實驗的基本知識、基本方法和基本技能方面受到系統(tǒng)訓練，在初步的科研能力、良好的實驗習慣和嚴謹的科學作風上得到有效培養(yǎng)。在教學的各個階段，我們給學生提供了緊密銜接的教學過渡，使對本科生實驗技能和科研能力的培養(yǎng)落實到了物理實驗教學的全過程。