适合物理拔尖人才培养的物理实验教学模式探索

鲍德松，郑 远，王业伍

（浙江大学 物理系，浙江 杭州 310058）

物理实验作为培养学生综合素质和创新能力的实践课程，对学生素质培养、能力提高和品格塑造具有理论课无可替代的重要作用，而本科人才培养模式是决定创新人才培养质量的重要基础。探索注重个性发展和协作创新的实验教学体系是目前物理实验教学改革的一项重要内容[1-5]。创新能力有赖于一定的基本能力与素养，并在此基础上经过长时间的训练才有可能建立[6-14]。我校物理实验教学中心始终坚持夯实基础、强调实践、鼓励创新的教学模式，以下介绍我们在物理拔尖人才培养过程中对物理实验教学平台的构建，以及所取得的成效。

1 物理实验教学平台的构建

我校物理学拔尖创新人才培养模式于2010 年启动，十年来始终以培养物理学科领域领军人物为宗旨，注重创新人才培养过程，实施科学思想的养成和科学能力的训练。经过多年探索实践，整合了各种教学资源，构建了适合拔尖人才培养的实验教学体系，基本满足了物理学科拔尖学生共性与个性的培养需求。

1.1 教学团队建设

大学物理实验本身具有教学内容的基础性、教学过程的实践性以及教学方法的研究性等特点，其目标是为学生夯实基础、筑牢根基，而物理学拔尖创新人才培养对师资队伍建设提出了更高的要求。为了培养学生自主学习能力，我校物理实验教学中心调动物理学系教学科研一线的全部教授，组建了秉承“强化基础、激发兴趣、提升能力、驱动创新”理念的实验教学团队。在强化学生基本实验技能、数据采集与数据处理训练的基础上，构建了由教授指导、以各研究所为基地的本科生实验教学平台，包括科研基础训练平台、科研能力训练平台和特色专业研究平台[2]，有序进行由科研成果向物理实验教学的转化，以科研成果反哺实验教学，保证实验教学与教学资源建设的良性循环。

1.2 以演示实验为载体实现互动式实验教学

通过对物理现象与过程的展示，物理演示实验把难以理解的概念和理论知识转化成直观的图像，消除了学生在学习中因抽象、枯燥而产生的厌烦心理。将物理演示实验纳入物理实验教学，并在理论教学课堂上以物理演示实验为载体，能够打破理论与实验教学的界限，激发学生的兴趣与热情，提升学生课堂参与度。在此过程中，让学生自主选择理论知识点作为研究选题，制作相应的演示仪器，强化实验与理论相结合的学习效果。从实验选题设计到装置搭建测量，从数据采集分析到物理建模模拟，直至最后的成果总结，都由学生自主完成，使学生的实验素质得到全方位提升。这一演示教学突出了过程互动性，加强了理论知识的课堂讲授效果，丰富了实验教学手段，改进了现有灌输式的教学模式，消除了学生的被动心理，激发了学生的主观能动性，使理论教学与实验教学相得益彰。尤其各环节顺畅衔接的进阶式学习，不仅培养了学生扎实的基本技能与实践能力，而且在激发学生求知热情的同时，提高了学生的科学创新思维，开拓了学生的科学视野。

以2019 年中国大学生物理学术竞赛第6 题为例。该题为用吸管吹气使两颗相连的钢球高速旋转问题（hurricane balls），这是经典刚体力学教学的一个生动而全面的实例。一般在理论教学中，往往是先通过演示两颗钢球的运动状态（见图1），使学生清晰地观察物理现象并很快进入学习情境，然后结合理论知识进行图文并貌的受力分析，将与刚球相关的转矩、转动惯量、角速度、质量、几何尺寸及摩擦力等概念通过拉格朗日量以方程形式联系起来，实现从演示实验到理论模型的过渡，理论教学便可在此基础上展开。

图1 刚体运动示意图

而在实验教学中，应区别于理论教学，适当减少公式推导，使学生抓住如下关键物理规律：①当两钢球转速较高时，受摩擦力作用进入无滑滚动状态，从而抬升一侧钢球；②在无滑滚动限制下，抬升角与小球转动角速度以一固定形式正相关；③存在小于90°的最大抬升角，它与两颗小球在两个垂直方向上的转动惯量有关。

通过分析不同半径钢球的运动规律，结合高速摄像记录实时数据，分析钢球半径、刚体转动角速度以及抬升角之间的关系，如图2 所示。验证了抬升角与转动角速度及钢球半径之间存在如下关系：

图2 抬升角与转动角速度的关系

1.3 成绩评定注重过程与结果

教学的价值在很大程度是产生于过程的。只有采用与教学体系相适应的考评方法，才能全面释放教学潜力。在成绩评定中，采取过程与结果相结合的评定方式，并增大过程考评所占比重，力求使基础理论学习与实验技能训练完美结合。通过演示实验教学、研究型课题自主学习、开放实验室、线上线下联动等措施，可以拓展学生的学习空间，增加学生的实践时间，也使教师能通过更多维度考察学生的基本实验技能、动手能力、分析及解决问题能力、交流表达能力、科学研究能力、团队协作精神和创新意识等。教师通过组织口头汇报、讨论辨析、数据报告等，能够实现对实验教学的过程评价管理，有助于培养学生良好的实验意识和实验行为方式，使学生逐步摆脱由灌输式实验教学产生的被动感，取而代之的是由兴趣带来的自发的积极投入。

2 物理实验教学成效

2.1 将学科竞赛融入实验教学

我们将学科竞赛融入实验教学，引导学生自选研究题目，提炼物理内涵丰富的竞赛问题，与实验教学选题紧密融合，由教师团队协作配合，给学生提供衔接紧密的教学过渡，实现实验与理论、竞赛与教学的高质量融合。这些学科竞赛包括中国大学生物理学术竞赛（CUPT）、中国大学生物理实验竞赛、浙江省大学生物理科技创新大赛等。这一举措在促进学生个性化发展的同时，提升了学生的整体学业水平，培养了学生初步的科学研究能力、良好的实验习惯和严谨的科学作风，将本科生科研能力、实验技能的培养落实到了物理实验教学的全过程。同时，将竞赛与教学相结合进行演示实验仪器的创新，唤起学生的强烈求知欲，使学生变被动学习为主动探索，将知识的吸收与运用过程完美结合。例如，在“物理学实验II、III”课程中，将竞赛内容融入其中，以竞赛促教学，使学生主动调研物理教材和科研文献，自发思考理论模型的建立、实验装置设计、测量方案制定等，并自主完成处理实验数据、归纳研究结果、形成研究结论，最终完成实验课程的全过程。

2.2 实验教学对学生培养的贡献

自2015 年以来，我校代表队在全国大学生物理学术竞赛获三次特等奖、两次一等奖，在华东地区物理学术竞赛获一次特等奖，在全国大学生物理实验竞赛获三个一等奖，在第八届、第九届、第十届浙江大学大学生物理创新竞赛（实验和理论）获八个一等奖，在2017 年浙江省第十五届挑战杯·富阳大学生课外学术科技作品竞赛获特等奖，在第十五届“挑战杯”中国银行全国大学生课外学术科技作品竞赛获一等奖。在历年参加竞赛的学生中，有13 名学生前往麻省理工学院、哈佛大学、普林斯顿大学等国际一流大学深造，并有学生在《Physical Review Letters》《Nature Communications》和《Optics Express》等期刊发表文章40 余篇。10 余件由学生结合各种学科竞赛开发的优秀作品投入演示实验教学，包括超声悬浮、μ子探测、多吸引子混沌电路、旋风小球等，其中多吸引子 混沌电路装置获2016 年全国高等学校物理实验教学自制仪器评比二等奖，并已在国内多个高校物理实验教学中推广使用。

3 结语

我们的教学模式打破了理论教学与实验教学的界限，形成了由现象到理论、由直观到抽象、由浅显到深刻的循序渐进式的互动教学过程，使学生在物理实验的基本知识、基本方法和基本技能方面受到系统训练，在初步的科研能力、良好的实验习惯和严谨的科学作风上得到有效培养。在教学的各个阶段，我们给学生提供了紧密衔接的教学过渡，使对本科生实验技能和科研能力的培养落实到了物理实验教学的全过程。