李明標(biāo)，史力斌，張研研

(渤海大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州 121013)

1 研究背景

2013年在東北大學(xué)舉辦了第一屆遼寧省大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽和物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽，到2020年這兩項(xiàng)物理專(zhuān)業(yè)賽事已舉辦了八屆。從最初參賽的七所高校，7支代表隊(duì)，到現(xiàn)已發(fā)展到十五所高校，近300支代表隊(duì)，參賽隊(duì)伍逐年增加，學(xué)生參賽熱情和參賽水平不斷提高，擴(kuò)大了參與程度和受益面，比賽影響力越來(lái)越高。在對(duì)競(jìng)賽題目研究的過(guò)程中，學(xué)生們加深了對(duì)物理學(xué)原理的理解，提高了實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

競(jìng)賽的題目都是與實(shí)際生活密切相關(guān)的物理問(wèn)題，沒(méi)有確定的答案，解決方法并不唯一，打破了傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)“在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，按固定的步驟，得出確定結(jié)果”的模式。競(jìng)賽培養(yǎng)了學(xué)生動(dòng)手能力、分析問(wèn)題與解決問(wèn)題能力和科學(xué)研究基本素養(yǎng)，為其理論學(xué)習(xí)提供了有力的幫助。在多年實(shí)踐教學(xué)和競(jìng)賽指導(dǎo)中發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與競(jìng)賽指導(dǎo)相互融合、相互促進(jìn)、共同提升能取得更好的實(shí)踐教學(xué)效果。為此，結(jié)合競(jìng)賽要求在教學(xué)中改革實(shí)踐教學(xué)方法，注重對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、理論聯(lián)系實(shí)際能力、初步科研能力、改進(jìn)創(chuàng)新能力、思辨交流能力和團(tuán)隊(duì)合作能力的培養(yǎng)，達(dá)到提高學(xué)生的綜合實(shí)踐素質(zhì)的目的。

2 實(shí)踐過(guò)程

2.1 開(kāi)展學(xué)術(shù)講座和課程思政，激勵(lì)學(xué)生勇于探索科學(xué)奧秘

(1)舉辦物理競(jìng)賽講座

舉辦物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽講座[1]，介紹大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽起源、意義、比賽規(guī)則、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)、題目與備、參賽情況等，通過(guò)組織學(xué)生參加比賽，培養(yǎng)學(xué)生研究性學(xué)習(xí)的能力，使他們能從日常生活普通的物理現(xiàn)象中，提煉出物理本質(zhì)。通過(guò)理論、實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值分析和模擬，有條理、有步驟地解釋和分析這些問(wèn)題產(chǎn)生的物理原理，將課堂上學(xué)到的知識(shí)靈活地運(yùn)用到解決實(shí)際問(wèn)題上。比賽還鍛煉了學(xué)生利用PPT有條理地講述自己的工作，針對(duì)研究的問(wèn)題進(jìn)行辯論的能力，培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)合作精神，為今后的學(xué)習(xí)和科研打下了良好的基礎(chǔ)。

(2)開(kāi)展課程思政

積極開(kāi)展物理實(shí)驗(yàn) “課程思政”，主要從以下兩個(gè)方面考慮。一是針對(duì)自然科學(xué)課程的屬性以及專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的需要，開(kāi)展科學(xué)精神教育，突出敬業(yè)精神、培養(yǎng)責(zé)任意識(shí)。二是針對(duì)物理現(xiàn)象與日常生活的密切相關(guān)性，開(kāi)展人文教育。在課程教學(xué)上，把人們對(duì)物理現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)過(guò)程，物理實(shí)驗(yàn)的時(shí)代背景，以及科學(xué)家不懈努力尋找實(shí)驗(yàn)方法，融入到教學(xué)中。在介紹科學(xué)成果的同時(shí)，傳播科學(xué)家探索科學(xué)的勇氣，堅(jiān)韌不拔的精神和愛(ài)國(guó)情懷，激發(fā)學(xué)生勇于探索科學(xué)的志向，傳承科學(xué)家的高尚品格和情操。

2.2 培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力，完善物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

(1)采用層次分明、循序漸進(jìn)的教學(xué)方法

通過(guò)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、仿真實(shí)驗(yàn)并融合實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽指導(dǎo)等，按照由淺入深、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由單一到綜合的原則開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，形成層次分明、循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法：知識(shí)結(jié)構(gòu)上相互銜接，由點(diǎn)及面逐漸深入，既形成系統(tǒng)理論，又具有相對(duì)獨(dú)立性。

(2)通過(guò)項(xiàng)目組進(jìn)行問(wèn)題研究

鼓勵(lì)學(xué)生積極參加物理競(jìng)賽，組成項(xiàng)目組[2]，廣泛開(kāi)展分工合作，獨(dú)立查閱文獻(xiàn)，撰寫(xiě)項(xiàng)目書(shū)，利用物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)多種實(shí)驗(yàn)方案，尋找實(shí)驗(yàn)方法，改變實(shí)驗(yàn)參量，通過(guò)理論分析、仿真模擬、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)體現(xiàn)物理原理對(duì)自然現(xiàn)象的完美詮釋。通過(guò)參加競(jìng)賽答辯，開(kāi)拓了參賽隊(duì)員的思路，促進(jìn)他們之間團(tuán)結(jié)合作，培養(yǎng)科學(xué)研究能力，激發(fā)在學(xué)習(xí)中奮發(fā)向上的決心和勇氣。

(3)應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)完成線上教學(xué)指導(dǎo)

虛擬仿真技術(shù)逼真的再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，打破了時(shí)間和空間的限制，引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，人機(jī)互動(dòng)、互為驗(yàn)證，強(qiáng)化了知識(shí)點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)操作。如在波爾茲曼常數(shù)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，采用虛實(shí)兩種不同的教學(xué)手段，仿真實(shí)驗(yàn)從實(shí)驗(yàn)理論、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)步驟都和應(yīng)用PN 結(jié)物理特性測(cè)定儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過(guò)程相同，特別是得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及曲線擬合較為精準(zhǔn)，對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的結(jié)果起到了很好的驗(yàn)證，發(fā)表了《玻爾茲曼常數(shù)的 Multisim 仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試》論文[3]。

在疫情期間，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件完成了實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，在學(xué)習(xí)通上發(fā)布實(shí)驗(yàn)講義、教案和預(yù)習(xí)題；學(xué)生在預(yù)習(xí)相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后，在PPT上學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理，通過(guò)視頻學(xué)習(xí)操作步驟，然后在仿真軟件上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M操作,提交數(shù)據(jù)，軟件對(duì)關(guān)鍵步驟、調(diào)節(jié)精確度以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出實(shí)驗(yàn)操作成績(jī)；通過(guò)釘釘回收批改預(yù)習(xí)作業(yè)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這和原來(lái)的實(shí)驗(yàn)評(píng)定方式完全相同。利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)虛結(jié)合、互為完善，豐富了教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)了教學(xué)手段，完成了疫情期間的教學(xué)任務(wù)，補(bǔ)充完善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。

2.3 采用為學(xué)生主體，教師引導(dǎo) “自主學(xué)習(xí)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

(1)實(shí)踐教學(xué)改革中注重學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用“學(xué)生主體，教師引導(dǎo)”的教學(xué)模式，強(qiáng)調(diào)學(xué)生為主的教學(xué)理念，發(fā)揮教師引導(dǎo)作用。教學(xué)過(guò)程中注重學(xué)生綜合應(yīng)用能力和自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程，加大學(xué)生實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)，要求學(xué)生實(shí)驗(yàn)前全面了解實(shí)驗(yàn)背景知識(shí)，熟悉實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)原理和方法，教師講解旁征博引，給學(xué)生留有更多思考空間，提高自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力。針對(duì)學(xué)生提出的問(wèn)題，由淺入深引導(dǎo)學(xué)生，交互啟發(fā)，讓學(xué)生主動(dòng)思考，悟出解決問(wèn)題的方法；針對(duì)其易犯的錯(cuò)誤，采取互動(dòng)問(wèn)答、互動(dòng)討論方式，調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。

(2)專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力提出更高的要求

大學(xué)物理專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽主要考查學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、自主實(shí)踐能力。競(jìng)賽營(yíng)造了一種比拼向上的競(jìng)爭(zhēng)氣氛，激發(fā)了學(xué)生力爭(zhēng)上游的斗志。競(jìng)賽的命題是如何解決實(shí)際物理問(wèn)題的開(kāi)放性題目，需要學(xué)生自己查閱資料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，提出理論，建立方程，對(duì)比分析，得出結(jié)論，使物理學(xué)理論和實(shí)際物理現(xiàn)象相符合。這是鍛煉學(xué)生獨(dú)立提出問(wèn)題，分析問(wèn)題，解決問(wèn)題的一個(gè)過(guò)程。這有利于激發(fā)學(xué)習(xí)物理興趣，鞏固舊知識(shí)、學(xué)習(xí)新知識(shí)，加深對(duì)基礎(chǔ)理論的理解，掌握科學(xué)探究的基本技能。物理專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽促進(jìn)各院校同專(zhuān)業(yè)的大學(xué)生之間的相互交流，開(kāi)闊視野，啟發(fā)思維，認(rèn)識(shí)到自己與其他學(xué)校同學(xué)的差距，促使學(xué)生有目標(biāo)、有計(jì)劃地主動(dòng)學(xué)習(xí)。

3 創(chuàng)新模式

3.1 建立了融合專(zhuān)業(yè)賽事和大創(chuàng)項(xiàng)目的物理實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)路線

以物理專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽為導(dǎo)向，注重學(xué)生科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)如圖1所示。把學(xué)科競(jìng)賽、大創(chuàng)項(xiàng)目與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)相互有機(jī)融合[4]；教師將自己的科學(xué)研究、教學(xué)研究成果注入到物理實(shí)驗(yàn)課程中，充實(shí)課程內(nèi)容，為競(jìng)賽指導(dǎo)提供新思路；學(xué)生將大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的研究成果在實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽中予以展現(xiàn)；競(jìng)賽中的項(xiàng)目可以作為開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目充實(shí)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，促進(jìn)教學(xué)改革，也可以拓展為大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目進(jìn)行深入研究。實(shí)現(xiàn)了物理實(shí)驗(yàn)課程、物理學(xué)科競(jìng)賽與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目三者之間相互結(jié)合、相互促進(jìn)、共同提高，建立了以競(jìng)賽為導(dǎo)向的物理創(chuàng)新研究型人才實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)路線。

圖1 以競(jìng)賽為導(dǎo)向的物理創(chuàng)新型人才實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)路線圖

3.2 形成了“獨(dú)立思考、自主學(xué)習(xí)”的競(jìng)賽指導(dǎo)模式

物理專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽，進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的興趣。由于題目沒(méi)有統(tǒng)一答案，需要學(xué)生自己查閱資料，獨(dú)立思考、自主研究。這個(gè)過(guò)程建立在對(duì)自我不斷肯定-否定-肯定的基礎(chǔ)上，從選題初期無(wú)從下手，需要老師指導(dǎo)，到后來(lái)逐漸能完成設(shè)計(jì)-計(jì)算-分析-總結(jié)等系列工作，養(yǎng)成了獨(dú)立思考的習(xí)慣，提出了分析問(wèn)題的思路，找到了解決問(wèn)題的方法，鍛煉獨(dú)立提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，通過(guò)這一訓(xùn)練過(guò)程，學(xué)生的實(shí)踐能力有了質(zhì)的飛躍。特別是2020年疫情期間的物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽是在線上舉行的，項(xiàng)目組同學(xué)克服了缺少資料，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，教師不能直接指導(dǎo)的困難，利用網(wǎng)上資料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)物理手機(jī)工坊軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的測(cè)量，自主完成了競(jìng)賽命題。

3.3 探索了融合多學(xué)科專(zhuān)業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的研究方法

由于競(jìng)賽題目研究問(wèn)題所涉及的知識(shí)常常屬于某一學(xué)科的細(xì)分領(lǐng)域或者偏向于工科[5]，因此，要想較高質(zhì)量地完成競(jìng)賽項(xiàng)目，需要融合其他相關(guān)專(zhuān)業(yè)的知識(shí)，在組建項(xiàng)目組時(shí)，吸收相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生共同參與研究，有利于解決這一問(wèn)題。這是一個(gè)結(jié)合已有知識(shí)、自主學(xué)習(xí)新知識(shí)、融合其他專(zhuān)業(yè)知識(shí)解決問(wèn)題的過(guò)程。其他專(zhuān)業(yè)同學(xué)的參與可以彌補(bǔ)物理專(zhuān)業(yè)控制制作方面的不足。如：2016年物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽自選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“霍爾效應(yīng)在出租車(chē)速度、行程及計(jì)價(jià)方面測(cè)量的應(yīng)用”，項(xiàng)目由物理系和工學(xué)院學(xué)生共同完成，物理系學(xué)生負(fù)責(zé)理論研究和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，工學(xué)院學(xué)生負(fù)責(zé)利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制和顯示，作品是不同專(zhuān)業(yè)知識(shí)融合的結(jié)果，精巧的設(shè)計(jì)和完美的控制顯示得到了專(zhuān)家評(píng)委的認(rèn)可，獲得了一等獎(jiǎng)。

3.4 拓展了比賽后課題深入研究的思路[6]

(1)賽后撰寫(xiě)論文

在參賽過(guò)程中，學(xué)生對(duì)許多題目已經(jīng)研究的比較深入，賽后進(jìn)行論文寫(xiě)作輔導(dǎo)。引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)深入研究，完善實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，撰寫(xiě)論文，深化研究成果。如：2015年大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽題目：空氣密度測(cè)量，學(xué)生利用單擺測(cè)量了空氣密度，賽后他們從單擺運(yùn)動(dòng)方程出發(fā)，仔細(xì)分析了空氣浮力的影響，推導(dǎo)出振動(dòng)周期與空氣密度的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量擺長(zhǎng)相同、密度不同的兩個(gè)單擺的運(yùn)動(dòng)周期，計(jì)算出空氣密度，并分析了實(shí)驗(yàn)測(cè)量中空氣浮力對(duì)重力加速度的影響，發(fā)表了《單擺法測(cè)量空氣密度實(shí)驗(yàn)分析》教研論文。

(2)拓展研究申報(bào)大創(chuàng)項(xiàng)目

有些競(jìng)賽題目本身就是較好的研究課題，賽后鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行改進(jìn)，申請(qǐng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，依托大創(chuàng)項(xiàng)目進(jìn)行拓展研究，培養(yǎng)學(xué)生科研能力。如：2019年實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽自選題目“電磁曲射炮”，學(xué)生對(duì)彈丸進(jìn)行改進(jìn)，將炮彈里面裝入干粉或其他滅火物質(zhì)，設(shè)計(jì)了滅火彈丸，申報(bào)的“消防型電磁曲射炮”已列入2020年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目。

4 應(yīng)用效果

4.1 學(xué)生綜合素質(zhì)得到提高，人才培養(yǎng)質(zhì)量明顯增強(qiáng)

在2013-2020年間，組織學(xué)生參加遼寧省大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽、物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽，榮獲過(guò)一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)及優(yōu)秀獎(jiǎng)等多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。在競(jìng)賽中，學(xué)生展示了自己理論分析能力、實(shí)踐制作功底和辯論的風(fēng)采，體現(xiàn)了應(yīng)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題能力和實(shí)踐動(dòng)手能力的明顯提高。有的參賽同學(xué)保送到哈工大、南開(kāi)大學(xué)攻讀研究生；有的參賽同學(xué)考取了北京科大、大連理工、吉林大學(xué)等高校的研究生。

4.2 將競(jìng)賽成果引進(jìn)教學(xué)，申請(qǐng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目

競(jìng)賽內(nèi)容激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐動(dòng)手能力，把競(jìng)賽項(xiàng)目引進(jìn)教學(xué)中，根據(jù)參賽實(shí)際情況，給予學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)適當(dāng)加分和課外實(shí)踐學(xué)分，以切實(shí)利益激勵(lì)每位學(xué)生都參與進(jìn)來(lái)[7]。將競(jìng)賽過(guò)程中學(xué)到的理論和實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)用到實(shí)際中，對(duì)參賽課題進(jìn)行深入研究總結(jié)，充實(shí)內(nèi)容，改進(jìn)裝置，實(shí)現(xiàn)新的功能，發(fā)表論文，申報(bào)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目。

4.3 總結(jié)研究成果，期待推廣應(yīng)用

遵循“理論實(shí)踐并重，能力素質(zhì)為先”的教學(xué)理念，不斷地優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，達(dá)到提高學(xué)生的實(shí)踐能力的目的。連續(xù)8年參與競(jìng)賽，學(xué)生設(shè)計(jì)完成了100余個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，參與人數(shù)近1 000人，獲獎(jiǎng)人數(shù)500余人，參賽學(xué)生的綜合素質(zhì)和實(shí)踐能力得到了很大提高。該實(shí)踐教學(xué)研究成果，注重自主學(xué)習(xí)方式、注重競(jìng)賽組織指導(dǎo)、注重實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、注重仿真技術(shù)手段、注重科研創(chuàng)新能力、注重團(tuán)隊(duì)合作精神，豐富了物理專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽的教學(xué)指導(dǎo)方法，建立了實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新研究型人才培養(yǎng)路線，促進(jìn)了學(xué)生研究能力、創(chuàng)新意識(shí)和綜合素質(zhì)的全面提高，對(duì)其他專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的競(jìng)賽指導(dǎo)可起到一定的借鑒作用。