基于物理实验竞赛的新工科创新型人才培养

铁小匀 崔乃毅 张进治

[摘 要] 新工科创新型人才是适应并满足未来新兴产业和新经济需要的，具有更强实践能力、创新能力、国际竞争力的高素质、复合型人才。物理实验课和物理实验竞赛在新工科人才培养中发挥重要作用。优质的物理实验课程可以培养学生的创新能力和提高学生的实践技能，而物理实验竞赛不仅能够让优秀人才脱颖而出，而且也能让普通學生的创新和实践能力得到锻炼和提高。北京市物理实验竞赛的宗旨是创新、实践、合作，竞赛采用半开放的命题方式，可以充分发挥参赛者的创新思维及与工科专业结合。在大学物理实验课的基础上，把物理实验竞赛作为实践教学平台，更有利于新工科创新型人才的培养。

[关键词] 物理实验竞赛;新工科;创新型人才;实践平台

[基金项目] 2020年度北方工业大学教育教学改革基金“基于物理实验竞赛的新工科创新型人才培养的探索与实践”（207051360020XN136）

[作者简介] 铁小匀（1970—），女，贵州务川人，学士，北方工业大学理学院副教授（通信作者），主要从事物理实验教学和与工科专业相结合的创新物理实验研究;崔乃毅（1963—），男，吉林吉林人，博士，北方工业大学理学院教授，主要从事表面等离子体刻蚀和表面改性、表面测试技术等研究;张进治（1963—），男，山东日照人，学士，北方工业大学理学院副教授，主要从事光催化纳米材料研究。

[中图分类号] TM02   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）07-0009-04    [收稿日期] 2020-10-13

培养大学生创新意识和实践能力是世界各国高等教育改革的方向[1] （P115），而新工科建设迫切要求改革传统的教育模式，贯彻工程教育思想，提高人才培养质量。以成果或产出为导向的教育模式，已成为国内地方工科院校广泛关注的焦点[2] （P58）。由此，各工科院校势必把创新、实践作为人才培养的核心要素。物理实验课程应该在培养学生创新能力和实践技能方面发挥重要作用，但工科学生的物理实验课时明显偏少，学生只能进行一些基础性实验的学习与操作，主要是进行基本理论、基本方法、基本技能的“三基”系统训练。可以说，学生的创新意识刚刚有所启发，就“戛然而止”，不利于学生创新能力的培养[3] （P265）。因此，改革现有的实验教学模式，探索培养大学生的创新精神和创新能力的新方法和新举措已经势在必行[4] （P21）。李道勇等在《基于创新能力培养的大学物理实验教学模式改革》一文中提到结合物理科技创新平台和学科竞赛构建并完善了“以赛促练、以练促学”的课外实践教学模式[5] （P103）。从2009年开始的北京市大学生物理实验竞赛，其竞赛宗旨是创新、实践、合作，竞赛的方式是基于物理原理的实用装置制作，正符合成果为导向的教育模式。物理实验竞赛与传统的物理实验课程相比，更加接近实际的工程技术问题，半开放式的命题方式更有利于培养学生的创新思维，三人一组的方式也能够培养学生的合作意识。比如北京市2010年物理实验竞赛规定题目是设计并制作流量计。作者指导学生完成的项目是基于霍尔传感器的涡轮流量计，通过这个装置的设计制作，参赛学生经历了从理论知识到理论的实验验证到实用装置的整个过程，从而深刻理解了知识的应用过程，也了解到在把知识变成实用装置的过程中，需要具备哪些条件、哪些技能，在这个过程当中，自己的优势是什么、劣势是什么。该题目正好在物理实验的基础上延伸到实际工程技术问题。竞赛准备阶段的开放性和超过半年的准备时间，充分说明竞赛重过程，希望学生在过程中得到锻炼和提高。如果把物理实验竞赛作为物理实验课的实践平台，必将提升物理实验课在培养新工科创新型人才当中的作用。

一、物理实验竞赛资源积累

（一）实验项目的积累

自2009年以来，北京市物理实验竞赛已经走过了12年的历程，共举办过12届竞赛，以后还将继续进行下去。每年两个规定题目、一个自选题目、一篇论文，每一所学校每年至少有4个项目，最多的有8个项目。12年下来，积累了几十个竞赛题目，其中一等奖的题目大约15%，这些题目都是具备创新点、理论严谨、研究深入、数据完整、制作精良的好作品，而且大多数获奖作品都有实际应用价值。众所周知，要想培养学生的自主学习能力和创新思维，设计性实验比验证性实验价值更大，而只有开发出合适的设计性实验，这种价值才能充分体现出来，如果题目太难，学生容易放弃，也会打击学生的积极性;如果太脱离实际，不能激发学生的兴趣;如果与前期学生做的验证性实验没有很好地衔接和提升，学生没有积累和准备。而这些获奖的作品为设计性实验提供了很好的素材。甚至一些没有获奖的作品，本来很有创新点，可能只是后期制作出现问题而没有获奖。像这样一些题目都可以作为素材积累起来。一方面在此基础上开发设计性实验，一方面作为演示实验。比如2019年作者指导的规定题目——偏振光干涉的应用装置，设计思路是双层薄膜的反射式偏振光干涉的应用装置，其难点是图案裁剪，恰好有一个学生擅长剪纸，最后学生设计制作出了可旋转变色的剪纸画，只不过用薄膜替代了纸。难点变成了亮点，这个作品非常漂亮（见图1）。如果有喜欢剪纸的学生，这个作品就是这些学生深入理解研究偏振光干涉的切入点。

（二）人才的积累

大学物理实验课程的难度设计要考虑大多数学生的接受程度，又由于实验场地和学时的限制，学生只能在规定的时间规定的地点完成规定的实验，实验内容单一，跟学生的专业结合不够，跟实际生产当中的工程技术问题结合不够，具有创新意识和实践技能的复合型人才很难脱颖而出。而物理实验竞赛恰恰弥补了这个不足，其选题都经过物理实验竞赛组委会讨论，难度合适，又跟实际的工程技术问题结合，其开放的命题方式又让学生能够跟自己的专业知识结合。比如2016年的题目，用智能手机参与经典的物理实验，我校的一个项目“手机App控制的智能化火灾自动报警系统”获得三等奖，这个题目充分发挥了学生的编程能力，把学生的专业知识用到实验竞赛中，也让我们实验室多了一个助手，在后面几届的竞赛中，这位学生都积极帮助辅导学弟学妹。后来在我们实验室开发新实验项目的工作中，这位学生发挥了积极的作用，帮助我们编程，使我们的实验项目实现智能检测、自动显示。我们实验室在实验竞赛中筛选培养出来的人才，再回过来服务于实验课程建设，而优质的实验课程有利于提高学生的竞赛技能和实力，形成了一个良性的回馈和互动。

二、建设物理实验实践平台的措施

（一）组织竞赛，开设创新物理实验选修课

既然是教学实践平台，就要尽可能地让更多的学生参与进来。大学物理实验课程面向全校工科专业开设，超过一千人。最终有机会参加北京市大学生物理实验竞赛的不会超过三十人，但这并不意味着其他学生不能分享北京市物理实验竞赛的育人优势。而如何让这些学生分层成才是物理实验课程建设需要思考的问题。不同层次的学生需要不同的动力和不同的激发方式，例如：能力很强的学生，目标就是在北京市物理实验竞赛中获奖，而能力相对比较弱的学生更在意学分，大多数学生都会在意是否在校内竞赛中获奖，而一些上进心很强的学生则更在意自己能力的提高。由此我们的物理实验课有四个层次的课程目标：第一层是完成十个实验，包括基础性综合型实验和设计性实验;第二个层次是创新物理实验选修课;第三个层次是校内物理实验竞赛;第四个层次是北京市大学生物理实验竞赛。第二个层次和第三个层次都是以北京市大学生物理实验竞赛为导向的，创新物理实验课是以竞赛题目为内容的开放式教学，包括两个北京市竞赛的指定题目、两个自选题目。实验室提供场地，学生按照自己的空余时间到实验室做实验，完成实验装置，定期或不定期地跟老师沟通讨论。在创新物理实验课中完成装置的可以参加校内物理实验竞赛，没有完成装置的，也必须有设计思路和实验报告，作为创新物理实验课最后提交的小论文取得学分。在校内竞赛中表现出色的，再选拔参加北京市物理实验竞赛，所以校内竞赛既是北京市竞赛的选拔赛，又让一些能力不是很强的学生有一个在校内赛中获奖的目标，从而提高参加竞赛的动力。所以通过这样一种分层成才的方式，把只有很少的学生有机会参加的北京市大学生物理实验竞赛不同程度地惠及更大范围的学生，这正是把竞赛作为实践平台的优势。

（二）重视竞赛过程的管理和赛后装置的完善利用

实验竞赛是一个长期的系统工程，从4月份报名到11月份的北京市竞赛，足足有7个月的时间。我们专门给竞赛学生提供了一个竞赛实验室，在保证安全和纪律的前提下，由学生自己管理，自由使用实验室。但是也有一些学生在自己的专业实验室做实验，有的时候要用到一些电子元器件或者集成块，他们为了省事儿，就从专业实验室借用。虽然我们要求比赛结束后实验装置不能破坏，要原封不动地留在实验室，但是还是有一些学生会把借用的东西拆卸下来，这就导致了实验装置被破坏。为了避免这种情况，实验室一定要加强管理。首先，保证所有元器件都由实验竞赛经费购买，特殊情况下，借用别的实验室的东西，之后用其他的方式归还，绝对不能拆卸实验装置。因为实验装置是学生和实验指导教师几个月智力劳动、精力、汗水的结晶，有的装置还经过反复修改方案、调试，甚至经历过数次失败。如果实验竞赛的目的只是最終的竞赛结果，就很容易在竞赛结束后对这些装置弃之如敝屣。而如果把实验竞赛当成培养人才的手段，那么实验竞赛过程中产出的任何东西，包括经验、信息、展板、装置、竞赛的学生信息，我们都应该认真收集整理。学生信息便于我们后期跟踪竞赛学生的发展轨迹，也便于我们在学生中树立榜样。竞赛的装置我们收集起来，再加上必要的说明，包括竞赛学生的姓名、获奖等级、装置说明，做成展示柜向其他学生展示、宣传竞赛，提高学生对竞赛和物理实验的兴趣，也可以提高竞赛获奖学生的荣誉感。

（三）注重对获奖学生的跟踪和后续培养

在竞赛中脱颖而出的学生，我们要跟踪了解他们成才的轨迹，给他们提供更多成才的机会、更多施展才华的机会。大学物理实验课程在保证传统经典实验题目不变的情况下，可以开发一些跟工科专业结合的实验，有利于提高学生对物理实验的兴趣，学科的融合也有利于培养新工科复合型人才。但是毕竟术业有专攻，即便我们现学现用，我们对工科专业的了解也是非常有限的，这个时候我们需要学生的帮助。比如我们实验室开发了一个光敏传感器的设计性实验，需要制作感光模块、单片机编程、数码实时显示，而单片机编程是我们实验老师的短板。于是我们找到2013年北京市物理实验竞赛一等奖获得者，他们的专业是自动化，参赛题目是“智能化伸缩系数测量仪的研究”，正好用上他们刚刚学完的单片机。他们的强项正是我们实验室老师们的弱项，在他们的帮助下，我们花了很少的成本，自己制作了感光模块，在显示屏上留下了他们的名字（见图2）。学弟学妹们每次使用感光模块，打开开关，首先看到的就是制作者的姓名。这对于制作者来说是荣誉感和学有所用，对于学弟学妹来说是榜样。这个例子正是物理实验竞赛回馈于物理实验教学的典型。

（四）实验竞赛的宗旨融入实验课程建设中

北京市物理实验竞赛的宗旨是创新、实践、合作，基本符合新工科人才的培养目标。而如果我们把创新、实践、融合作为课程的建设宗旨，物理实验课程一定能为培养新工科人才发挥不可替代的作用。作为一门自然科学，物理学本身的知识体系相对稳定，受社会发展和科技发展的影响相对较小，有很多经典的实验题目是不可更改的，但是这并不意味着我们不能在实验题目上做更替和增加。为了适应我校的人才培养目标——高水平应用型人才，我校的自编教材《工科物理实验》在综合性实验中增加了传感器系列实验[6] （P2）。传感器是自动化测量不可缺少的环节。一般传感器的结构原理都是物理的范畴，而传感器的设计应用是工科的范畴。对结构原理的透彻理解是设计传感器的基础，要想在传感器的设计上创新，需要结合底层的基础原理和上层的工程应用实际，而在物理实验课中开设传感器实验，可以把传感器的结构原理讲得很透彻。我们的教材还增加了一个章节——研究型实验，研究型实验的内容包含各种光谱仪的原理和应用，以及生产生活中一些常用材料的性能研究，既没有脱离物理这个关键词，又更加接近实际的工程技术问题。有了好的教材，还需要教师们通过课堂把这种创新、实践、融合的理念传递给学生，落实到位。

三、结语

物理实验竞赛涉及的环节太多，仪器设备状态的不可控性，实际操作的偶然性，评价标准的复杂性，每一个实验的独立性，竞赛方式的多样性，诸如此类的原因使得主办物理实验竞赛难度很大。而当大环境对我们提出了更高的要求，对人才提出了更高的要求，尤其是对具有更强实践能力、创新能力、国际竞争力的高素质、复合型人才的需求，使得我们对实验课程、实践环节不得不加强重视。2009年由北京市教委主办、北京交通大学承办的北京市物理实验竞赛终于开启了它的光辉历程。北京交通大学年年承办，功不可没。这十多年以来，我们亲眼见证了一届又一届的学生在大半年的实验竞赛准备中一点一点地成长，其中有不少学生连续参加了两次实验竞赛。这段竞赛经历时间长，开放式的竞赛准备方式，必将对他们以后的成才产生积极的、课堂学习不可替代的影响。

（課题组成员：铁小匀，崔乃毅，张进治，安艳伟，谢亮，于建强）

参考文献

[1]周珺.以物理实验竞赛为抓手大学生实践创新能力的培养[J].大学物理实验，2018，31（4）：115-117.

[2]耿立明，杨威.培养新工科人才教学模式探索[J].黑龙江科学，2020，11（9）：58-59.

[3]芮云军，杨迎.浅谈“大学物理实验拓展”选修课建设经验[J].教育教学论坛，2020，43（10）：265-266.

[4]王国友，陈光伟，文景.大学物理实验教学培养创新能力的探讨[J].教育教学论坛，2017（34）：21-22.

[5]李道勇，欧阳雨，李建福，等.基于创新能力培养的大学物理实验教学模式改革[J].大学物理实验，2019，32（5）：102-104.

[6]张进治，李灵杰，铁小匀，等.工科物理实验[M].济南：山东大学出版，2015.

Training Innovative Talents under the “Emerging Engineering Education”

Based on Physics Experiment Competition

TIE Xiao-yun， CUI Nai-yi， ZHANG Jin-zhi

（College of Science， North China University of Technology， Beijing 100144， China）

Abstract： New engineering talents are high-quality and compound talents with stronger practical ability， innovation ability and international competitiveness to meet the needs of new industries and new economy in the future. Physics Experiment course and physics experiment competition play an important role in the training of new engineering talents. High quality Physics Experiment course can cultivate students innovation ability and improve their practical skills. The physics experiment competition can not only make outstanding talents stand out， but also make ordinary student's innovation and practical ability be trained and improved. The aim of Beijing Physics Experiment Competition is innovation， practice and cooperation. The semi-open propositional method is adopted in the competition， which can give full play to the innovative thinking of the participants and combine with the engineering majors. On the basis of college Physics Experiment course， the physics experiment competition is regarded as a practice teaching platform， which is conducive to the cultivation of new engineering talents.

Key words： physics experiment competition;“emerging engineering education”; innovative talents; practice platform