王 槿，王 錚，惠王偉，李文華，劉東奇， 鄭大懷，錢 鈞，姚江宏，孔勇發(fā)

(南開大學(xué) a.物理科學(xué)學(xué)院；b.基礎(chǔ)物理國家級實驗教學(xué)示范中心，天津 300071)

2019年7月18日，第5屆全國大學(xué)生物理實驗競賽(Chinese undergraduate physics experiment competition， CUPEC)在南開大學(xué)成功舉辦. 這是繼第1～2屆在中國科技大學(xué)，第3～4屆在南京大學(xué)成功舉辦后的全國規(guī)模最大的物理實驗類學(xué)科競賽. 來自國家級物理實驗教學(xué)示范中心、國家理科基礎(chǔ)科學(xué)研究和教學(xué)人才培養(yǎng)基地物理學(xué)專業(yè)點、國家工科基礎(chǔ)課程物理教學(xué)基地等的全國56所高校的214名選手分別參加了基礎(chǔ)實驗題A“液體的表面張力系數(shù)的測量”、基礎(chǔ)實驗題B“濾波電路的研究”、綜合實驗題A“基于傅里葉變換的頻譜測量與應(yīng)用”和綜合實驗題B“基于鈮酸鋰晶體探究激光與物質(zhì)的相互作用”4項命題式競賽. 本文結(jié)合歷屆全國大學(xué)生物理實驗競賽命題，分析命題特點與導(dǎo)向，以期夯實基礎(chǔ)物理實驗教學(xué)，并且探討物理實驗教學(xué)改革的方向.

1 題目分析

表1和表2中匯總了1～5屆全國大學(xué)生物理實驗競賽的基礎(chǔ)題和綜合題[1-11]. 從命題上看，基礎(chǔ)物理實驗命題基于常規(guī)物理實驗，始終圍繞著對基本量的測量和思考，體現(xiàn)了對學(xué)生動手能力、思考能力的要求. 在歷屆命題中，考察了質(zhì)量、切變模量、楊氏模量、泊松比、表面張力系數(shù)等力學(xué)量，溫度、比熱容、熔解熱等熱學(xué)量，電壓、電流、阻抗、功率、頻率、相位、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、磁矩、磁感應(yīng)強度等電磁學(xué)參量，以及折射率、色散關(guān)系等光學(xué)相關(guān)參量.

全國大學(xué)生物理實驗競賽的基礎(chǔ)題命題，立足于基本知識點的考核，其衍生內(nèi)容為實驗改進提供了非常好的思路和素材. 在基礎(chǔ)物理實驗中，RLC電路相關(guān)實驗既是重點，也是難點，在第1屆、第4屆和第5屆命題中都有考核. 第1屆綜合實驗題A中，要求用基礎(chǔ)的RLC共振的實驗方法研究光在介質(zhì)中的傳播速度，將折射率的測量轉(zhuǎn)化為相對電容率和相對磁導(dǎo)率的測量，并且同分光計上的表面等離子體激元共振(Surface plasmon resonance, SPR)方法比較，依舊是非常經(jīng)典的案例. 第4屆基礎(chǔ)實驗題B中，要求基于RLC串聯(lián)電路，研究RLC串聯(lián)諧振電路的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)過程，并且在此基礎(chǔ)上進行了內(nèi)容拓展，引入了非線性元件，研究非線性RLC振蕩電路. 在第5屆基礎(chǔ)實驗題B中，要求利用RLC電路研究無源濾波電路的特性，包括一階和二階RC濾波電路、RLC選頻電路以及利用濾波電路的特性進行元件判斷和參量測量. 相關(guān)競賽內(nèi)容既可以獨立地作為實驗項目，也可以作為實驗的拓展補充，為相關(guān)實驗內(nèi)容改革和實驗裝置設(shè)計提供了新的思路.

表1 1～5屆全國大學(xué)生物理實驗競賽基礎(chǔ)題目匯總

表2 1～5屆全國大學(xué)生物理實驗競賽綜合題目匯總

磁場測量是大學(xué)物理實驗中的重要組成部分，也是競賽命題的重點之一，多屆競賽命題都有涉及. 在第1屆基礎(chǔ)題A中，要求基于霍爾效應(yīng)測量霍爾片的不等位電勢、載流子濃度和電導(dǎo)率等相關(guān)參量，并且在此基礎(chǔ)上研究銻化銦的磁阻效應(yīng). 第3屆基礎(chǔ)題A中，將力學(xué)和電磁學(xué)知識相結(jié)合，研究磁針在磁場中的運動，測量磁場分量、磁針的磁矩和轉(zhuǎn)動慣量等相關(guān)參量. 第3屆綜合題B中，要求利用霍爾效應(yīng)測量樣品的霍爾系數(shù)、電阻、載流子濃度等相關(guān)參量，考察了考生利用所掌握的基礎(chǔ)知識解決實際問題的能力.

綜合題的命題體現(xiàn)了聚焦經(jīng)典物理理論、國際前沿性、技術(shù)引領(lǐng)性和綜合性的特點，對學(xué)生閱讀文獻能力、融會貫通的物理思維能力以及團隊合作能力進行了考核. 綜合題對同組的2位考生要求更高，需要閱讀大量的背景材料，運用基礎(chǔ)物理知識和技能進行分析和推理，設(shè)計實驗步驟，搭建實驗裝置，完成相應(yīng)測量和問題解答. 第2屆綜合實驗題A中的磁光效應(yīng)源于1902年諾貝爾獎. 第4屆綜合實驗題B中研究的類切倫科夫輻射源于1958年諾貝爾獎，第5屆綜合實驗題B中考核的光折變效應(yīng)是2018年諾貝爾獎獲得者Arthur Ashkin發(fā)現(xiàn)的. 綜合命題對于表面等離子體共振、高溫超導(dǎo)等物理現(xiàn)象，以及對超聲探測、薄膜導(dǎo)向性、場效應(yīng)管等與技術(shù)應(yīng)用聯(lián)系緊密的物理現(xiàn)象有考核.

全國大學(xué)生物理實驗競賽的命題在基礎(chǔ)和綜合命題上體現(xiàn)了融會貫通、對學(xué)生能力培養(yǎng)的梯度要求. 例如，對于霍爾效應(yīng)相關(guān)知識的考核，體現(xiàn)在第1屆基礎(chǔ)實驗題A、第3屆基礎(chǔ)實驗題A以及綜合實驗題B的命題中. 從霍爾效應(yīng)及其副效應(yīng)到磁阻效應(yīng)的研究，再到利用霍爾效應(yīng)相關(guān)知識測量樣品的電阻、霍爾系數(shù)、載流子濃度等相關(guān)參量，從原理到應(yīng)用，命題內(nèi)容梯度分明，考察考生能否將所掌握的基礎(chǔ)知識和實驗技能融會貫通，學(xué)以致用.

2 對學(xué)生實驗素養(yǎng)培養(yǎng)的新要求

全國大學(xué)生物理實驗競賽反映的不僅僅是對傳統(tǒng)實驗知識和實驗技能的要求，更體現(xiàn)了對學(xué)生實驗素養(yǎng)的新要求. 要求學(xué)生在具備基本實驗技能的基礎(chǔ)上，具有較全面的物理量和測量的基礎(chǔ)知識，掌握基本的生物、化學(xué)等相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域的基本知識，了解實驗室安全操作規(guī)定，這些派生要求往往在基礎(chǔ)物理實驗課程大綱之外.

通過競賽命題，可以看到“專題式實驗教學(xué)”模式的重要性. “專題式實驗教學(xué)”可以理解為圍繞某個物理中的待測量，開展一系列的思考、探索和測量. 這種教學(xué)方法可以在教材[12-14]中找到很好的范例，即針對某個基本物理量開展教學(xué)引導(dǎo). 由于物理知識的廣博深邃、測量方式千變?nèi)f化，基礎(chǔ)物理實驗教學(xué)盡管不可能做到在有限的學(xué)時內(nèi)窮盡各種測量原理和測量方式，但仍然可以開展類似的探索.

以溫度的測量為例，基于物質(zhì)的膨脹、壓力、電阻、熱電勢和輻射性質(zhì)隨溫度變化的原理，可以分為膨脹式溫度計、壓力式溫度計、電阻式溫度計、溫差電偶溫度計和輻射式高溫計. 由于測溫原理和材質(zhì)的不同，各種溫度計的測溫范圍不一. 按感溫元件是否直接接觸被測溫度場或者介質(zhì)，又可以分為接觸式和非接觸式溫度計. 一般地，膨脹型溫度計、壓力式溫度計、電阻溫度計和溫差電偶溫度計等屬于接觸式測溫. 非接觸式測溫方法按原理來分，又涵蓋基于聲學(xué)和基于光學(xué)的測溫方法. 基礎(chǔ)實驗室如果配備了熱成像儀和標(biāo)準(zhǔn)黑體等裝置,可以探索熱輻射相關(guān)實驗. “專題式實驗教學(xué)”可以涵蓋基本物理量的各個方面，能夠引導(dǎo)學(xué)生從常見的測量儀器出發(fā)，從思維上進行拓展.

再以折射率的測定為例，在1～3屆試題中都有體現(xiàn)，分別使用了雙光柵Lau效應(yīng)、邁克耳孫干涉儀和最小偏向角法. 除上述實驗方法外，在基礎(chǔ)物理實驗中，常用的在分光計上開展的測量折射率的方法還有全內(nèi)反射法和布魯斯特角法，部分高校還開展了基于干涉原理的光學(xué)相干層析(OCT)方法. 這些方法的精度如何，適用于何種樣品，實驗現(xiàn)象有何區(qū)別，“專題式實驗教學(xué)”能夠從待測量出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生進行方法比較，深入理解相關(guān)的物理知識. 比如在測量空氣比熱容比實驗中，可以利用絕熱膨脹法、振動法和聲速法進行測量. 基于物理量開展的系列實驗，可以開闊學(xué)生視野，對知識融會貫通.

實驗技能的培養(yǎng)中，學(xué)生的動手能力、探索能力、閱讀理解能力同樣重要. 當(dāng)考生面對一堆散件，類似于頭腦風(fēng)暴，需要在短時間內(nèi)能利用最基本的物理原理，搭建裝置并進行測量，例如，第5屆基礎(chǔ)實驗題A“液體表面張力系數(shù)的測量”，全部是散件，包括鐵架臺、玻璃器皿、乳膠管、光源等合計30余種器材，需要學(xué)生有較強的動手能力進行組裝. 第4屆綜合實驗題A中，要求學(xué)生將超導(dǎo)樣品焊接在低溫恒溫器上，進而利用四端子法進行電阻測量. 第5屆綜合實驗題A中，傅里葉頻譜測量成像透鏡焦距原理，以附件形式展現(xiàn)的內(nèi)容有9頁之多. 要求考生在短時間內(nèi)了解相關(guān)背景知識，掌握關(guān)鍵知識點，這對考生提出了極高的要求.

基礎(chǔ)物理實驗命題體現(xiàn)了學(xué)科交融，對學(xué)生的基本實驗素養(yǎng)提出了更高的要求. 譬如，第5屆基礎(chǔ)實驗題A“液體表面張力系數(shù)的測量”考察了2種方法：毛細管上升法和最大泡壓法. 傳統(tǒng)的物理實驗教材中介紹了毛細管上升法、拉絲法和拉環(huán)法等，而最大泡壓法是化學(xué)基礎(chǔ)實驗中常見的方法. 利用滴液產(chǎn)生壓差是常見的物理方法，但是考試現(xiàn)場許多考生沒有想到. 第1屆綜合實驗題A需要使用超聲波清洗器對表面等離子激元組件中的樣品池進行清洗. 第4屆綜合實驗題B中，材料出現(xiàn)了聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)的硅膠、PDMS固化劑和甲苯溶液，需要學(xué)生配置至少9種以上配比的PDMS溶液，以得到不同的折射率，搭建光路觀測切倫科夫輻射角. 盡管實驗提供了配置樣品的視頻指導(dǎo)，但考生還是叫苦不迭. 可見，物理實驗教學(xué)在一定程度上融入通識教育的內(nèi)涵，要求學(xué)生培養(yǎng)科學(xué)的操作習(xí)慣、科學(xué)的思維方式，能夠在一定范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)問題并解決問題.

3 對實驗室建設(shè)的啟示

從歷屆的成績來看，綜合題的考核結(jié)果普遍不理想，值得反思. 2013年至2016年及2018年，國際物理奧林匹克競賽和亞洲物理奧林匹克競賽(以下簡稱奧賽)的國家隊集訓(xùn)和實驗培訓(xùn)在南開大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗中心進行[15-21]. 實驗中心有包括“風(fēng)能及其測量”、“摩擦系數(shù)的測定”、“利用激光衍射測量螺旋結(jié)構(gòu)參量”、“液體中的超聲速度”等若干套競賽儀器. 比較高中生和大學(xué)生的2種競賽命題，結(jié)合目前的基礎(chǔ)物理實驗課程設(shè)置，競賽主要考察學(xué)生的實驗設(shè)計能力、動手能力以及利用所掌握的知識解決問題的能力. 奧賽所提供都是基礎(chǔ)元件和簡單器件，對學(xué)生的動手能力要求非常高，學(xué)生要利用這些元件和器件完成實驗方案設(shè)計，搭建實驗系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)測量和處理. 反觀目前大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗教學(xué)，許多儀器由于智能化和集成化較高，實驗設(shè)計和動手操作的內(nèi)容很少，對于學(xué)生來說這些儀器就是“黑箱”，反而不利于學(xué)生能力的培養(yǎng).

全國大學(xué)生物理實驗競賽為物理實驗教學(xué)提供了大量低成本的實驗室改進方案，可以使偏遠地區(qū)和缺乏實驗經(jīng)費的學(xué)校受益. 從實驗室的建設(shè)成本來說，以測量表面張力系數(shù)的幾種方法為例，基于液滴形貌識別的懸滴法和液橋法需要CCD相機和計算機處理，增加了基礎(chǔ)實驗室改造成本，而毛細管上升法和滴體積法的成本都非常低，可以將單套實驗裝置成本限制在百元左右. 最大泡壓法既可以利用成本較低的滴液瓶產(chǎn)生負(fù)壓，也可以利用比較昂貴的氣泵裝置產(chǎn)生正壓，可以參考第5屆實驗競賽設(shè)計，采用成本較低的滴液瓶來產(chǎn)生. 基礎(chǔ)物理實驗室的建設(shè)在注重高精尖測量設(shè)備的配套同時，應(yīng)該保持傳統(tǒng)的開放和自組的經(jīng)典實驗，讓學(xué)生真正地動手搭建實驗裝置，增強對物理相關(guān)知識的理解.

傳統(tǒng)實驗課的課時、場地以及實驗室建設(shè)成本一定程度上限制了“專題式實驗教學(xué)”的開展，因此混合式的線上線下課提供了解決問題的一種手段. 相關(guān)高校管理部門應(yīng)該在儀器配備上予以支持，讓學(xué)生通過實驗預(yù)習(xí)了解更多的測量方法和手段，能夠在完成若干基本測量方法的基礎(chǔ)上，進行更多形式的探索.

基礎(chǔ)物理實驗室在經(jīng)費允許的條件下，應(yīng)該保持一定的通用測量儀器的更新率. 例如第4屆綜合實驗題B中需要用電腦和截圖軟件測量輻射角度，現(xiàn)場需要學(xué)生閱讀說明書、安裝軟件并測量. 第5屆綜合實驗題A中，需要利用CCD光強儀和示波器組合完成實驗測量，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，用示波器直接讀出. 示波器得到的信號的讀數(shù)為時間數(shù)據(jù)，需要轉(zhuǎn)換為頻譜點的空間距離數(shù)據(jù)進行后續(xù)計算.

在基礎(chǔ)物理實驗框架內(nèi)，磁學(xué)方面除了競賽相關(guān)的考核內(nèi)容外，鐵磁材料的磁化特性研究也是電磁學(xué)實驗的重要組成部分. 我校在基礎(chǔ)物理實驗中開設(shè)了鐵磁材料靜態(tài)磁化特性曲線測量和鐵磁材料交流磁特性實驗，這些實驗裝置均為自制裝置，實驗內(nèi)容豐富，可以充分鍛煉學(xué)生的動手能力. 所以光學(xué)實驗室要建設(shè)光學(xué)平臺上的光學(xué)實驗，鼓勵學(xué)生開展自組、自擬的開放性實驗，最大程度讓學(xué)生多動手、多思考.

4 對實驗教師的新要求

“專題式實驗教學(xué)”對實驗教師的知識體系有了更高的要求：熟悉基礎(chǔ)測量，了解科研前沿，緊跟行業(yè)進步，將基礎(chǔ)實驗升華為學(xué)生探索科研和應(yīng)用前景的一把鑰匙.

傳統(tǒng)實驗教學(xué)中的改進無處不在. 譬如成套的實驗裝置通常采用光電門方式進行速度讀取，可以利用手機傳感器phyphox測量軟件，讓學(xué)生探討其在轉(zhuǎn)動慣量、多普勒效應(yīng)等實驗中的改進. 利用攝像機加上Tracker軟件進行氣墊轉(zhuǎn)盤等實驗的數(shù)據(jù)提取. 這些簡單易行的實驗改進手段可以非常好地融入到基礎(chǔ)物理實驗教學(xué)中，讓更多學(xué)生受益.

2019年春季，南開大學(xué)啟動了交叉學(xué)科實驗建設(shè)項目，計劃針對化學(xué)、醫(yī)學(xué)和電子信息與光學(xué)工程3個學(xué)院的學(xué)生開設(shè)實驗課程. 譬如，對化學(xué)專業(yè)，開設(shè)熒光光譜、測量分子吸收光譜、超聲光柵測量液體聲速、測量溶液折射率等實驗；對于醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生開展液體性質(zhì)測量相關(guān)實驗；對于電光學(xué)院學(xué)生，開展利用NImultisim軟件進行仿真，利用鎖相放大器進行微小阻抗測量、電阻熱噪聲測量以及二極管結(jié)電容測量等實驗；對于物理系學(xué)生，開設(shè)萬用表的制作、液晶盒的制作、照相原理等實驗，通過焊接、液晶樣品配置、顯影液的配置等操作訓(xùn)練，學(xué)生具備一定的化學(xué)基本常識，養(yǎng)成良好的操作規(guī)范.

新時期的實驗教學(xué)對實驗教師提出了更高的要求. 全國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽(China undergraduate physics tournament， CUPT)的開展讓參與學(xué)生受益頗豐，大有第二課堂趕超第一課堂之勢. 非常巧合的是，今年是第5屆暨第10年的CUPEC，也是CUPT十周年. 在CUPT過去的10年間，參與學(xué)生和教師在不斷地成長受益.

另一方面，應(yīng)該認(rèn)識到大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗的受眾面往往是全校的理工科學(xué)生，是更大的群體. 非物理專業(yè)學(xué)生通過大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗獲得的科學(xué)的測量方法、科學(xué)思維模式的培養(yǎng)、分析和解決問題的能力提高，會讓學(xué)生在以后的學(xué)習(xí)研究中受益.

物理實驗是博大精深的，伴隨著科技時代進步與不斷發(fā)展. 在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中不斷地注入新鮮血液，讓實驗教學(xué)保持與時代發(fā)展同步，是實驗教師的使命所在.

5 結(jié)束語

在1～4屆競賽的基礎(chǔ)上，從第5屆競賽開始，安排了賽后的考場開放，教師可以自由進入考場，同命題專家進行交流. 競賽期間安排了教學(xué)交流會，賽后針對考生和學(xué)校課程設(shè)置等進行了問卷調(diào)查，并且計劃于2020年年初針對第5屆全國物理實驗競賽命題開展教師交流活動. 2019年11月15日，CUPT十周年研討會也將在南開大學(xué)舉辦. 以賽促建，全國大學(xué)生物理實驗競賽期待以更加開放的形式促進物理實驗的教育教學(xué)發(fā)展.

致謝：感謝第5屆全國大學(xué)生實驗競賽命題組和競賽組委會的各位專家！感謝各高校國家級物理實驗教學(xué)示范中心、國家理科基礎(chǔ)科學(xué)研究和教學(xué)人才培養(yǎng)基地物理學(xué)專業(yè)點、國家工科基礎(chǔ)課程物理教學(xué)基地等的鼎力支持！感謝南開大學(xué)物理實驗教學(xué)中心及物理科學(xué)學(xué)院參與競賽籌備的各位老師！感謝天津市物理學(xué)會、南開大學(xué)設(shè)備處和教務(wù)處、大賽參展廠商等單位對賽事的支持！