PDCA引导下的CUPT科研先修训练

翁雨燕，董裕力，方 亮，高 雷

(苏州大学 物理科学与技术学院,江苏 苏州 215006)

长期以来高校低年级本科生仍然习惯于高中的教育模式，在课堂教学教师主导下，通过反复的练习学生熟练掌握知识，其主要思维模式是“答案引导式”的被动思维[1]，以“项目引导式”的创新主动思维模式还未能充分建立. 因此，在“答案引导式”思维和“项目引导式”思维之间建立有效途径，让学生打开“创新思维”的大门是创新人才培养体系中的重要环节. 苏州大学物理科学与技术学院依托中国大学生物理学术竞赛(China Undergraduate Physics Tournament，CUPT)[2]这一平台，借用质量管理模式(Plan， do， check, analysis， PDCA)[3]，将CUPT(本科生大一、大二阶段)和科研创新训练(本科生大三、大四阶段)有效衔接. 通过完成CUPT赛题为训练阶梯，帮助学生构建“项目引导式”思维模式[3]，熟悉基本科研手段和方法，提高团队协作能力，从而为学生进入高阶段创新科研训练夯实基础，构建不同阶段创新人才培养的体系.

1 项目引导式学习及中国大学生物理学术竞赛

项目学习(Project based learning)[4]是以实践性的项目完成为核心，将跨学科的内容、高级思维能力发展与真实生活环境联系起来，充分体现学生为中心的教学方式. 通过将先进的教育理论应用于教学实践，让学生以团队合作的方式，在系列任务的指引下，搜索必要的学习资源并解决实际问题，从而获得知识与技能，该方式能有效地培养学生的创新能力[5]. 项目学习的核心要素之一是建立合适的项目供学生学习，同时通过构建合理的运行模式来完成项目. 在大学本科阶段，各种学科专业竞赛、大学生创新创业项目和教师科研课题都是项目学习的最佳载体.

中国大学生物理学术竞赛(CUPT)是面对大学低年级阶段本科生，以培养和考查学生创新意识、创新能力、协作精神和实践能力为目的的物理学科专业竞赛活动. 竞赛模式借鉴了国际青年物理学家锦标赛(International Young Physicists’ Tournament， IYPT). CUPT的17道物理问题源于生活，具有极强开放性，没有标准答案，有利于激发学生学习兴趣，同时这些物理问题融合了科学、技术、工程、艺术和数学等多方面因素，有利于教师引导学生开展科研训练. 比赛以团队协作的形式研究物理问题，在辩论过程中交流研究成果，不仅可以促进学生学习物理等专业知识，而且还能培养学生团队合作精神和创新开放思维，能很好地将学生从“答案引导式”思维转变为“项目引导式”思维. 因此本科低年级阶段CUPT的训练，将为本科高年级阶段的科研训练奠定良好的基础.

2 PDCA项目管理方法及在CUPT和科研项目训练中的改进

“项目引导式”思维可以借鉴PDCA[3,6]项目管理方法具体实施和完成. 传统的PDCA循环法又称为戴明循环或戴明环,PDCA原本是指在管理活动中，为提高管理质量和管理效益,所进行的计划(Plan)、实施(Do)、检查(Check)和处理(Action)4个阶段工作的循环过程. 循环过程的4个阶段必须环环相扣，同时这4个阶段会不断循环，最终形成大环套小环，不断持续改进. 如果将PDCA移植到CUPT和科研项目训练上，可以将PDCA改为设计实验方案(Plan)、实验现象表征(Do)、理论模拟验证(Check)和物理机制阐述(Analysis)，如图1所示.

图1 PDCA工作方法

PDCA工作方法的具体优势主要体现为：

1)4个部分在整个大循环中，不断嵌套，不断改进，从而提升项目完成质量；

2)4个部分互相关联，每一部分都可作为独立环运行，同时大环套小环，小环保大环，互相促进，不断提升；

3)PCDA大环都是在上次循环的基础上发现问题，因此，每个循环都是一次提升；

4)对于PDCA的具体内容，学生根据项目出发点和项目进度，进行自我设计、自我研究、自我创新，有助于提高学生的核心素养.

3 PDCA在CUPT赛题的应用

以2018年CUPT赛题“粉末的颜色”为例，阐述PDCA工作方法在赛题中的应用.

赛题内容为：Color of powders: If a colored material is ground to a powder, in some cases the resulting powder may have a different color to that of the original material. Investigate how the degree of grinding affects the apparent color of the powder. 粉末的颜色：如果将有色材料研磨成粉末，则在某些情况下，所得到的粉末可能具有与原始材料不同的颜色. 探究研磨程度如何影响粉末的表观颜色.

3.1 Plan阶段

学生需要对该赛题进行解析，并和小组其他成员及教师讨论，分配团队成员工作任务. 图2是学生最终构建的戴明环，从图2中可以看出，通过前期的文献阅读以及讨论，赛题目标最终明确为研究CuSO4·5H2O颗粒的颜色变化. 同时学生将按照颗粒样品制备(改变粒径)、结构和物性表征、米氏散射理论及Comsol模拟、基本规律总结4部分进行整个赛题的推进工作. 同时在初期、中期和终期3个阶段，学生都将按照戴明环结构不断进行理论和实验的修正.

图2 PDCA线路图

通过对题目的初步分析，学生根据高中阶段的知识做出初步判断:CuSO4·5H2O是带5个H2O的金属盐，其原始块材呈现蓝色，这是由于电子轨道跃迁吸收特定波长的可见光导致的显色现象. 由于CuSO4·5H2O是晶体，学生开始会比较困惑：该晶体颜色是否与晶格相关，类似于光子晶体的显色原理？经过深入分析和讨论，学生发现：可见光的波长远大于CuSO4·5H2O的晶格常量，因此该显色现象应该与CuSO4·5H2O晶体的晶格结构无关.

3.2 Do阶段

3.2.1 样品的制备

在样品制备预实验时，低年级学生最初想到手工研磨，但在研磨过程中会发现，这种方法虽然简单，却耗时长，同时颗粒粒径的改变也不明显. 此时教师启发学生用机器研磨代替手工研磨，学生通过咨询高年级学生了解到了球磨机这一设备，并开始进一步实验.

在实验过程中，学生主动注意到在中学阶段已经掌握的知识点，即CuSO4·5H2O在一定温度下存在受热分解的现象，通过称重法最终确定CuSO4带的水分子数. 但是在机器球磨过程中，CuSO4·5H2O颗粒会出现一定程度的脱水，导致物质成分的改变，这就需要学生再次修订实验方案. 通过在Do阶段的层层引导，使学生逐步提升解决复杂问题的综合能力和高阶思维.

通过研磨和分筛，最终得到不同粒径的颗粒，并且可清楚地肉眼观察到颜色随颗粒粒径变化，如图3所示.

(a)原始颗粒 (b)手工研磨20 min

(c)手工研磨40 min (d)手工研磨60 min

(e)手工研磨90 min (f)手工研磨150 min图3 CuSO4·5H2O颗粒颜色和粒径大小的表观现象

3.2.2 样品的物性与结构表征

包括样品形貌表征和光学性质定性测量. 形貌表征方案是通过光学显微镜(OM)的暗场模式，对单个颗粒的大小和颜色进行观察，如图4所示. 光学性质的定性测量则是通过漫反射谱和色相图表征颗粒堆的颜色随粒径的变化，使用的仪器是岛津紫外-可见分光光度计，实验结果如图5所示. 同时还可以在漫反射谱的基础上绘制色相图，如图6所示. 前者光学显微镜的使用对于低年级的本科生来说在高中阶段可能接触到，但由于需要考虑入射光波长对颗粒呈现颜色的影响，学生要在多种显微镜成像模式(明场、暗场、偏光还是微分干涉衬成像)中进行选择，学生可以在基础光学显微镜使用上进行知识的拓展. 而紫外-可见分光光度计的使用、色相图的标定则是全新事物. 学生需要自己了解分光光度计的工作原理，学习设备的操作，知道透射谱、反射谱和吸收谱的差异，并对实验结果的合理性给出判断.

图4 单个颗粒颜色随粒径的变化

图5 不同粒径CuSO4·5H2O颗粒的漫反射谱

图6 不同粒径CuSO4·5H2O颗粒的色相图

3.3 Check阶段

Check阶段包括理论分析和模拟对照. 因为所研究的颗粒粒径分布在百nm到μm级别，因此米氏散射理论适用于该体系. 本题选定以米氏散射理论对其进行定性分析，通过Comsol有限元模拟来验证颗粒颜色的变化规律. 在Comsol模拟中，将颗粒设计为球形做等效处理，外部边界条件设定为散射边界条件，入射波为平面波. 模拟得到颗粒颜色随几何结构的关系与实验相符. 人眼观察到的颗粒颜色受到颗粒的散射和吸收共同决定. 一方面，从Comsol的模拟结果(如图7所示)可知，随着粒径的减小，散射率提高，导致颗粒本身的吸收所占的比例减少，所以宏观上看颗粒颜色变浅了. 另一方面，在微观上，颗粒粒径越小，长波长的散射越强，所以看到显微镜下颗粒粒径越小，颜色越发黄. 在这2个过程中，理论分析和模拟手段对于低年级本科生来说同样是陌生的，学生需要通过资料搜索和文献调研才能找到合适的切入点，同时在教师的引导下，对陌生的知识进行学习和消化，从而对未知问题进行开放式探索，将自主学习内化为能力，逐步培养创新性思维[7-8].

学生创新创业素养的培养和提升是目前高校人才培养的重点和难点. 为了自身科研素养的提升，越来越多的学生希望尽早地进入课题组锻炼和学习. 然而，学生要真正进入课题组进行科学研究需要基本知识和能力的培训，比如文献查阅、数据搜集、计算机语言、成果总结与汇报、团队协作等. 而PDCA项目管理实施的过程中，一方面是学生学习知识，但是更重要的是通过项目的实施，培养提出问题、分析问题、解答问题和陈述问题的能力.

(a)3 500 nm

(b)1 500 nm

(c)700 nm图7 Comsol有限元模拟的结果

3.4 Analysis阶段

Analysis阶段，即实验与结果的对照，从结果中总结和分析问题的能力是从事科研工作必须具备的素养，寻找到科研项目的分析脉络是项目引导式思维的最终落脚点，学生在总结和讨论的过程中，对于对照相符部分，则固化为规律；不符部分，需要进行实验改进和理论修正，并反馈给Plan阶段，与此对应的是对Do阶段和Check阶段进行相应的调整. Analysis阶段提升了学生寻找和发现问题的能力，这对未来高年级阶段的科研创新至关重要.

4 科研论文中的PDCA管理

通过完成CUPT赛题，学生可以从中学会项目的基本路线制定、修改和完善，并且不断地用PDCA循环来确认自己项目实施的进展和存在的缺陷，这为高年级阶段科研项目的训练奠定了良好的基础.

下面以文献[9]为例，对比PDCA在科研工作和CUPT赛题完成过程的相似性，见表1.

表1 文献[9]和CUPT赛题完成过程对照表

从表1中的对比结果可以看出，CUPT赛题与科研论文的完成过程具有极高的相似度，完全可以把CUPT的赛题当成科研课题，将其作为科研先修训练的有效手段，让低年级本科生借助CUPT的竞赛培训实现思维模式的转型，建立“项目引导式”思维，为本科阶段创新人才的培养奠定基础.

5 结束语

创新人才的培养已成为高等教育的紧要任务，需要从教育理念、教育模式和教育内容上进行全方位的革新. 建立有效的科研先修训练体系，提升学生科研素养，让学生过渡到“项目引导式”思维模式，是当下本科教育中创新人才培养亟待解决的问题. 借助PDCA项目管理模式，连通低年级的学科竞赛与高年级的科研创新，为创新人才培养提供合力.