趙 偉，王中平，韋先濤，代如成，曲廣媛，張憲鋒，張增明

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 物理學(xué)院，安徽 合肥 230026)

為培養(yǎng)適應(yīng)國家中長期發(fā)展戰(zhàn)略的創(chuàng)新型人才，推進(jìn)解決“錢學(xué)森之問”，教育部在2009年開始實施基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)試驗計劃.2018年10月，教育部發(fā)布了《關(guān)于實施基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)計劃2.0的意見》，擬在原有“拔尖計劃”基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量和增加受益學(xué)生數(shù)量，推進(jìn)培養(yǎng)具有家國情懷的未來科學(xué)家.2021年上半年教育部發(fā)布了《關(guān)于2021年度基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)基地建設(shè)工作的通知》，通過加快建設(shè)一批培養(yǎng)基地，全面推進(jìn)拔尖學(xué)生培養(yǎng)計劃.

大學(xué)物理實驗課程是高校理工專業(yè)重要的核心基礎(chǔ)課,是學(xué)生科學(xué)素質(zhì)教育和實踐能力培養(yǎng)的重要基礎(chǔ)環(huán)節(jié),是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的重要平臺.在“拔尖計劃2.0”工作持續(xù)推進(jìn)的要求下，大學(xué)物理實驗課程也需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整才能在拔尖人才培養(yǎng)計劃中發(fā)揮實驗實踐課程應(yīng)有的能力培養(yǎng)作用.在拔尖人才培養(yǎng)的背景下，國內(nèi)各高校在物理實驗教學(xué)方面的調(diào)整普遍集中在高年級物理實驗或者近代物理實驗中增加與科研前沿相結(jié)合的研究導(dǎo)向型實驗項目教學(xué)[1-2]，同時也有部分高校在低年級普通物理實驗中增加以賽促學(xué)型實驗和互動演示實驗等教學(xué)內(nèi)容[3-5].

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理實驗課程體系中，面向大三上學(xué)期的物理類專業(yè)學(xué)生,大學(xué)物理研究型實驗課程是以科研訓(xùn)練為目標(biāo)的研究導(dǎo)向型實驗，具有較強的開放性、設(shè)計性和研究性[2,6].在研究型實驗課程之前的大學(xué)物理基礎(chǔ)實驗、綜合實驗和現(xiàn)代技術(shù)實驗，分別面向大一下學(xué)期、大二上學(xué)期和大二下學(xué)期的學(xué)生，內(nèi)容涵蓋了普通物理實驗中的基礎(chǔ)實驗和部分近代物理實驗內(nèi)容.近年來，作為拔尖人才培養(yǎng)課程體系改革的一部分，物理實驗教學(xué)中心將中國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽(CUPT)項目作為以賽促學(xué)的教學(xué)內(nèi)容加入到大學(xué)物理基礎(chǔ)實驗和大學(xué)物理綜合實驗課程教學(xué)體系中，取得了較好的效果.但該實驗課程原有的實驗項目還是以傳統(tǒng)的做實驗學(xué)物理作為課程建設(shè)原則，對學(xué)生的自主設(shè)計和創(chuàng)新能力培養(yǎng)重視不夠.另一方面近年來大學(xué)生群體學(xué)情顯示出明顯多樣化的新特點，例如受到高考要求影響，部分學(xué)生高中物理基礎(chǔ)知識不扎實，動手能力偏弱，需要在物理實驗課程中夯實基礎(chǔ)物理知識和基本實驗技能；有些學(xué)生在物理實驗課中只關(guān)注明顯與自己專業(yè)相關(guān)的內(nèi)容，而不愿探究相關(guān)性弱的實驗內(nèi)容；也有部分學(xué)生具有扎實的物理基礎(chǔ)和較強的動手能力，其中一些學(xué)生不滿足于經(jīng)典驗證性實驗較多的傳統(tǒng)普通物理實驗項目，希望有機會在開放探索的物理實驗中體驗探究的樂趣.

為了推進(jìn)雙一流建設(shè)要求下的拔尖人才培養(yǎng)教學(xué)體系改革，同時考慮到大學(xué)物理實驗課程面對全校本科生的多樣化需求，物理實驗教學(xué)中心必須積極行動.在大學(xué)物理綜合實驗和大學(xué)物理現(xiàn)代技術(shù)實驗課程中推動分層次實驗教學(xué)體系改革，一方面對原有實驗項目進(jìn)行分層次教學(xué)內(nèi)容建設(shè)，另一方面嘗試引入適應(yīng)拔尖人才培養(yǎng)計劃的具有挑戰(zhàn)性的實驗教學(xué)內(nèi)容,滿足學(xué)有余力且對物理實驗探索保有強烈好奇心的學(xué)生的學(xué)習(xí)需要.在此需求下，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理實驗教學(xué)中心首先以大學(xué)物理綜合實驗課程作為試點,加入了面向?qū)W有余力且喜愛物理實驗的學(xué)生的英才實驗教學(xué)內(nèi)容，組織有經(jīng)驗的一線教師細(xì)致準(zhǔn)備，通過一對一討論、研討課、實踐動手指導(dǎo)和期末匯報考核等教學(xué)過程，英才實驗教學(xué)試點取得了良好效果.

1 課程體系的調(diào)整

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的大學(xué)物理綜合實驗課程面向全校大二上學(xué)期的所有專業(yè)學(xué)生，課程包括的實驗項目為普通物理實驗中綜合性較強的實驗，例如邁克耳孫干涉儀實驗、光纖傳感器實驗和非平衡電橋?qū)嶒灥?對學(xué)校部分院系學(xué)生而言，綜合實驗課是他們需要修讀的最后一門實驗課程.近年來學(xué)校教學(xué)反饋中，部分動手能力較強的學(xué)生希望實驗課程能提供具有挑戰(zhàn)性和開放性的實驗項目.同時物理實驗教學(xué)中心在大學(xué)物理基礎(chǔ)實驗和大學(xué)物理綜合實驗課程中加入的CUPT以賽促學(xué)類型的實驗項目，對部分學(xué)生而言在上一階段實驗課程中已經(jīng)體驗過，他們希望有不同模式的實驗課程可以選擇.

針對上述情況和學(xué)生要求，物理實驗教學(xué)中心在大學(xué)物理綜合實驗中加入了英才實驗項目.調(diào)整后的物理實驗課程教學(xué)體系如圖1所示，加入的英才實驗可以為部分學(xué)有余力而且對物理實驗特別感興趣的學(xué)生提供以驗證性實驗為主的綜合普通物理實驗和命題式CUPT，可進(jìn)行實驗差異化的選擇.

圖1 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理實驗課程教學(xué)體系

2 英才實驗的教學(xué)模式和內(nèi)容

大學(xué)物理綜合實驗課程中的英才實驗是普通物理和簡單近代物理范圍內(nèi)的開放性和創(chuàng)新性實驗.英才實驗項目面向前一級大學(xué)物理基礎(chǔ)實驗中成績較好、動手能力表現(xiàn)突出的學(xué)生.考慮到實驗教學(xué)中心的場地和儀器條件，通過分析大學(xué)物理基礎(chǔ)實驗課程中學(xué)生的成績并結(jié)合自愿報名，物理實驗教學(xué)中心計劃每學(xué)期組織30～40名學(xué)生參加英才實驗.試點學(xué)期實際參加的學(xué)生人數(shù)為36人.

物理實驗教學(xué)中心組織一線教師對英才實驗的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式進(jìn)行了廣泛調(diào)研和反復(fù)討論，最后將試點英才實驗項目的教學(xué)模式定為將高年級研究性實驗完全開放教學(xué)和命題式CUPT實驗項目相結(jié)合的教學(xué)模式.

教師提出確定的實驗探索方向并提供基本實驗方案和相關(guān)資料，學(xué)生閱讀資料并在教師指導(dǎo)下完成基本實驗方案，分析數(shù)據(jù)并總結(jié)后，可自行設(shè)計個性化實驗方案，教師與學(xué)生討論方案的可行性，教師指導(dǎo)學(xué)生組裝器材完成實驗.該教學(xué)模式可兼顧學(xué)習(xí)基礎(chǔ)實驗技能和培養(yǎng)自主設(shè)計創(chuàng)新能力兩方面.根據(jù)前期調(diào)研學(xué)生學(xué)情反饋，物理實驗教學(xué)中心為英才實驗教學(xué)準(zhǔn)備了專用實驗室，每個實驗項目都有指定教師負(fù)責(zé).任課教師為每個項目提供可行的基本實驗設(shè)計方案、參考資料和實驗器材.10項英才實驗項目分為以普通物理實驗為基礎(chǔ)的設(shè)計實驗、綜合探究型實驗和儀器設(shè)計制作實驗3大類，如圖2所示.選擇這樣的實驗項目是為使英才實驗教學(xué)盡量兼顧普通物理實驗內(nèi)容和開放性探究型內(nèi)容.

圖2 英才實驗教學(xué)試點的實驗題目和選擇情況

以微小物理量的測量實驗為例，該實驗要求學(xué)生測量相對微小的物理量，可以是時間、長度、質(zhì)量和溫度等基本物理量，也可以是速度、加速度、磁感應(yīng)強度、電場強度、真空度和照度等導(dǎo)出物理量.該實驗以普通物理實驗中的多項實驗為基礎(chǔ)，包括等厚干涉測量細(xì)絲直徑、彈性模量測量、非平衡電橋和傳感器等實驗都可以為學(xué)生設(shè)計實驗方案提供參考[7].在此基礎(chǔ)上教師引導(dǎo)和鼓勵學(xué)生綜合應(yīng)用力學(xué)、光學(xué)和電磁學(xué)等學(xué)科中的基本方法，借助傳感器、光譜和視頻捕捉等現(xiàn)代技術(shù)手段，分析、設(shè)計和完成實驗方案并科學(xué)分析實驗數(shù)據(jù).按照從基礎(chǔ)到綜合的教學(xué)路徑，作為與大學(xué)物理綜合實驗常規(guī)課程平行的英才實驗，可幫助學(xué)生自然地從大學(xué)物理綜合實驗過渡到現(xiàn)代技術(shù)實驗和研究性實驗課程的學(xué)習(xí).

為了能夠給予學(xué)生充分的時間對英才實驗項目進(jìn)行較為深入的探索研究，也為在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作精神，在英材實驗教學(xué)中規(guī)定學(xué)生每2人1組在學(xué)期結(jié)束前完成圖2中的3項實驗即可參加期末實驗匯報考核.學(xué)期總評成績由期末匯報考核成績和所選題目的負(fù)責(zé)教師的主觀評價2部分構(gòu)成.基于拔尖人才培養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)，總體評價的原則是考慮實驗方案設(shè)計創(chuàng)新性的同時鼓勵學(xué)生盡量深入探究題目的物理過程.

3 英才實驗的教學(xué)過程

物理實驗教學(xué)中心在大學(xué)物理綜合實驗中加入英才實驗的目標(biāo)是為英才學(xué)生提供個性化、多層次的實驗教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力.為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，在實驗教學(xué)過程中必須堅持以啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)為主，同時將以立德樹人為目的的課程思政元素有機融入教學(xué)的全過程.

3.1 英才實驗的教學(xué)過程舉例

在水的膨脹系數(shù)測量實驗的教學(xué)過程中，教師組織選該課題的學(xué)生進(jìn)行研討，以回顧基礎(chǔ)物理實驗中物質(zhì)密度的測量為導(dǎo)入內(nèi)容[7]，之后從密度自然過渡到體積變化.接著提醒學(xué)生注意水是生活中最常見的液體，在高中階段將水的密度作為常量，引導(dǎo)學(xué)生調(diào)研水的物理常量尤其是密度和體膨脹系數(shù)的測量方法以及二者與溫度的依賴關(guān)系.學(xué)生調(diào)研資料后，教師組織小組討論，并請學(xué)生介紹調(diào)研情況，學(xué)生通常都會提到在4 ℃附近時水的密度出現(xiàn)極大值，此時教師要提醒學(xué)生注意4 ℃前后溫度區(qū)間一定質(zhì)量水的體積和體膨脹系數(shù)與溫度的依賴關(guān)系，同時提醒學(xué)生查閱水的微觀結(jié)構(gòu)和相結(jié)構(gòu)的前沿科學(xué)研究成果.通過導(dǎo)入實驗和討論引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)，通過介紹生活中常見的水的物理參量與溫度的依賴關(guān)系激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情.

實驗方面，教師可將靜力稱衡法[8]或毛細(xì)管法[9]作為基本實驗方法介紹給學(xué)生，指導(dǎo)學(xué)生搭建實驗裝置測量并分析實驗數(shù)據(jù).之后建議學(xué)生嘗試?yán)没A(chǔ)實驗或綜合實驗中的其他實驗方法設(shè)計方案測量水的體膨脹系數(shù)，學(xué)生容易想到光學(xué)方法，教師引導(dǎo)學(xué)生嘗試光杠桿或者衍射干涉方法，學(xué)生主動學(xué)習(xí)光學(xué)衍射干涉的基本原理和測量方法，此時教師要鼓勵學(xué)生自主設(shè)計并搭建裝置，利用光學(xué)干涉衍射測量水的體膨脹系數(shù).

圖3(a)是學(xué)生設(shè)計的利用光的衍射測量液體膨脹系數(shù)的實驗裝置，通過記錄分析衍射光斑的移動計算液體的體膨脹量.學(xué)生測數(shù)據(jù)后，教師要引導(dǎo)學(xué)生評價實驗方案的合理性，并分析實驗系統(tǒng)誤差，提醒學(xué)生嘗試優(yōu)化實驗裝置.

(a)實驗裝置

在英才實驗教學(xué)過程，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，自主調(diào)研資料,學(xué)習(xí)相關(guān)物理知識，搭建儀器裝置、測量實驗數(shù)據(jù)并改進(jìn)優(yōu)化實驗裝置.學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不再是傳統(tǒng)的做實驗學(xué)物理的被動狀態(tài)，而是主動學(xué)習(xí)探索，該過程有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情.

在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的干涉和衍射實驗的教學(xué)過程中，教師先回顧基礎(chǔ)物理實驗中衍射法測量圓孔和細(xì)絲直徑導(dǎo)入實驗內(nèi)容[10]，之后過渡到光的電磁橫波屬性和波粒二象性的介紹，提醒學(xué)生回想生活中光的邊緣衍射現(xiàn)象.在此基礎(chǔ)上教師引導(dǎo)學(xué)生調(diào)研如何用Matlab軟件對光的衍射現(xiàn)象進(jìn)行計算模擬，并了解衍射光學(xué)元件的原理和制作方法.在學(xué)生調(diào)研資料后，教師組織小組討論，學(xué)生通常會提到菲涅耳衍射的理論計算方法，此時教師要提醒學(xué)生注意實際實驗中衍射元件的制作公差和入射光束等因素對實驗結(jié)果的影響.

實驗方面，教師可將計算模擬和實驗觀察方孔和雙縫屏的衍射現(xiàn)象作為基本實驗內(nèi)容介紹給學(xué)生，展示使用Matlab軟件對方孔的模擬結(jié)果，指導(dǎo)學(xué)生利用激光器觀察衍射圖像并與模擬結(jié)果進(jìn)行比對分析.建議學(xué)生使用Matlab軟件對其他結(jié)構(gòu)的圖案進(jìn)行建模和模擬，學(xué)生學(xué)習(xí)使用激光打孔裝置制作實際的衍射屏完成衍射實驗，將實驗結(jié)構(gòu)和模擬結(jié)構(gòu)進(jìn)行比對分析.圖4是學(xué)生對幾種旋轉(zhuǎn)對稱的衍射屏進(jìn)行的Matlab模擬和實驗觀察，實驗結(jié)果與模擬結(jié)果具有較高的一致性.通過基于開放實驗項目的啟發(fā)引導(dǎo)式教學(xué)，學(xué)生在教學(xué)過程中不再局限于本實驗的內(nèi)容學(xué)習(xí)，還在實驗探索的需求下有目的性地擴展學(xué)習(xí)了其他相關(guān)知識和技能，此過程有利于學(xué)生綜合創(chuàng)新能力的培養(yǎng).

圖4 旋轉(zhuǎn)對稱衍射屏實驗

3.2 英才實驗的思政元素

英才實驗教學(xué)為拔尖人才培養(yǎng)服務(wù)，培養(yǎng)具有家國情懷的拔尖創(chuàng)新人才.物理實驗作為實踐課程具有易于進(jìn)行課程思政融合教學(xué)的特點.在英才實驗的試點學(xué)期教學(xué)中，主要融入了以下2方面的課程思政元素：

1)在實驗中需要利用現(xiàn)代科學(xué)先進(jìn)儀器時，對比我國“兩彈一星”元勛等著名科學(xué)家，他們在國家經(jīng)濟困難且技術(shù)落后于西方國家時，在艱苦的條件下，克服困難攻克技術(shù)難關(guān)，為祖國科學(xué)事業(yè)的發(fā)展和國家富強做出了巨大的貢獻(xiàn).青年學(xué)生應(yīng)該珍惜現(xiàn)在的生活和學(xué)習(xí)條件，要不忘初心、刻苦努力，成為中華民族偉大復(fù)興的建設(shè)者和接班人.

2)在教師和學(xué)生討論實驗方案的可行性時，可引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到物理學(xué)是1門實驗科學(xué)，實驗可以驗證理論設(shè)想的正確性，進(jìn)而理解“實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”這一科學(xué)世界觀和方法論.

4 英才實驗試點的總結(jié)和反思

在大學(xué)物理綜合實驗中進(jìn)行英才實驗教學(xué)試點，是為了在大學(xué)物理綜合實驗和大學(xué)物理現(xiàn)代技術(shù)實驗課程中系統(tǒng)地開展英才實驗教學(xué)，積累實踐經(jīng)驗.為了解學(xué)生在英才實驗教學(xué)期間的收獲和學(xué)習(xí)情況，在試點學(xué)期結(jié)束后，物理實驗教學(xué)中心通過問卷調(diào)查收集了參加本次英才實驗學(xué)生的感受和建議.

表1是學(xué)生在英才實驗過程中自主學(xué)習(xí)的與實驗相關(guān)的學(xué)科理論知識.從反饋結(jié)果來看，學(xué)生不僅自主學(xué)習(xí)了物理中光學(xué)、力學(xué)、電磁學(xué)和熱學(xué)等多個領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識，還跨學(xué)科了解了生物、計算機等學(xué)科的專業(yè)知識.同時也注意到，有很多的學(xué)生反映英才實驗促使他們主動學(xué)習(xí)了光學(xué)知識，這是由于本次試點教學(xué)中光學(xué)相關(guān)實驗項目較多，另外也說明在較為精確的測量中，光學(xué)方法通常更為簡單、有效，使用更為頻繁.計算機和人工智能學(xué)科知識也出現(xiàn)在物理實驗課程中，這說明物理實驗教學(xué)需要更多引入現(xiàn)代信息和數(shù)字處理技術(shù).

表1 學(xué)生在英才實驗過程中主動學(xué)習(xí)的理論知識

表2是學(xué)生在英才實驗結(jié)束后總結(jié)得到鍛煉的實驗?zāi)芰?，除了光路搭建、焊接安裝、電路分析、示波器使用等典型物理實驗技能之外，學(xué)生還通過自學(xué)初步掌握了Matlab、單片機、Python和Comsol軟件等，這反映出計算機和相關(guān)技術(shù)作為重要工具在現(xiàn)代實驗技術(shù)中發(fā)揮著越來越重要的作用.與表1中的情況一致，由于英才實驗試點中光學(xué)實驗內(nèi)容較多，因此學(xué)生在實驗過程中需要進(jìn)行光路搭建和調(diào)整工作.

表2 學(xué)生在英才實驗過程中得到鍛煉的技能

從課后問卷調(diào)查以及教學(xué)過程中教師的直觀感受可以看出，英才實驗教學(xué)模式和試點實驗項目在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和引導(dǎo)學(xué)生通過設(shè)計完成物理實驗提升解決問題的能力上，對大二上學(xué)期的學(xué)生效果較好.在實驗教學(xué)過程中學(xué)生主動性很強，在教師指導(dǎo)下完成第1個實驗項目后，后2個項目的探究工作更加有目的性和計劃性，研究的深度和實驗設(shè)計的合理性都有提高.英才實驗將完全自主研究性實驗和命題式CUPT實驗相結(jié)合的教學(xué)模式，既給予學(xué)生基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)體驗，也給予學(xué)生探索和設(shè)計實驗項目的責(zé)任感，學(xué)生在此過程中自然地完成學(xué)習(xí)提高過程.

學(xué)生課后反饋和問卷調(diào)查顯示試點英才實驗教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容也存在一些問題.教學(xué)模式方面，首先需要評估如何平衡常規(guī)普通物理實驗項目和創(chuàng)新開放實驗的比例.如圖1所示，原有大學(xué)物理實驗課程序列中很多實驗項目是編排有序的，如果學(xué)生在大學(xué)物理綜合實驗課程中沒有學(xué)習(xí)相關(guān)實驗，在之后的大學(xué)物理現(xiàn)代技術(shù)實驗中學(xué)習(xí)某項實驗時會缺少知識基礎(chǔ)和操作基礎(chǔ).其次學(xué)生希望減少必須完成的實驗數(shù)量，以給他們更多時間在1～2項英才實驗上探究得更深入.在教學(xué)內(nèi)容方面，學(xué)生建議增加可選實驗項目數(shù)量并提供更為豐富的實驗支撐材料.對于上述問題，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理實驗教學(xué)中心已經(jīng)和學(xué)校教務(wù)部門進(jìn)行了討論，將會對現(xiàn)有實驗課程體系進(jìn)行整體調(diào)整，滿足拔尖人才培養(yǎng)目標(biāo)對于英才實驗教學(xué)的要求，同時英才實驗項目將具有更為彈性的教學(xué)要求，以鼓勵學(xué)生對實驗項目進(jìn)行深入探究.教學(xué)內(nèi)容方面，由于教師需要準(zhǔn)備每個實驗項目可能用到的器材，而每個實驗可能有多組學(xué)生同時選擇，因此需要考慮場地和資源限制，這導(dǎo)致增加可選實驗項目的難度較大.物理實驗教學(xué)中心會在現(xiàn)有條件基礎(chǔ)上，提供更多的可選實驗項目并完善實驗支撐材料.

5 結(jié)束語

在大學(xué)物理綜合實驗課程中成功融入了為拔尖人才培養(yǎng)服務(wù)的英才實驗教學(xué)項目，并在試點學(xué)期中取得了良好的教學(xué)效果，得到了學(xué)生的積極響應(yīng)和廣泛認(rèn)可.在此過程中，參加教學(xué)指導(dǎo)的一線教師也收獲了很多教學(xué)經(jīng)驗.培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才是高校重要的歷史責(zé)任和使命，教師需要積極探索適合新時期創(chuàng)新人才培養(yǎng)的物理實驗教學(xué)體系和教學(xué)方法，為國家培養(yǎng)更多具有扎實基礎(chǔ)和較強創(chuàng)新能力的優(yōu)秀人才.