蒲賢潔，吳小志，韓 忠，王少明

(重慶大學(xué) 物理學(xué)院 物理實(shí)驗(yàn)國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，重慶 401331)

2020年，教育部發(fā)布了《關(guān)于在部分高校開展基礎(chǔ)學(xué)科招生改革試點(diǎn)工作的意見》，稱為“強(qiáng)基計(jì)劃”，以選拔培養(yǎng)有志于服務(wù)國家重大戰(zhàn)略需求且綜合素質(zhì)優(yōu)秀或基礎(chǔ)學(xué)科拔尖的學(xué)生[1].物理學(xué)是理工科的基礎(chǔ)學(xué)科，目前物理學(xué)科人才培養(yǎng)仍然以教師為中心，在學(xué)生能力培養(yǎng)目標(biāo)和考核評(píng)價(jià)方式上較為單一[2-3].為培養(yǎng)滿足國家所需的拔尖人才，需要對(duì)傳統(tǒng)物理學(xué)科人才培養(yǎng)模式進(jìn)行升級(jí)改造，建立“以學(xué)生為中心，教師為引導(dǎo)的自主學(xué)習(xí)、自主研究”的教學(xué)氛圍及豐富全面的科學(xué)考核評(píng)價(jià)機(jī)制，培養(yǎng)“科研素養(yǎng)、開放思維、合作精神、表達(dá)交流能力”等綜合素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的本科拔尖人才[4-6].

1 以CUPT為主體的培養(yǎng)體系建設(shè)背景

中國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽(China Undergraduate Physics Tournament，CUPT)是南開大學(xué)借鑒國際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽(International Young Physicists’ Tournament，IYPT)，于2010年發(fā)起的面向理工科大學(xué)生開展的全國性賽事[4-5].CUPT以開放的競(jìng)賽題目、辯論的競(jìng)賽形式、科學(xué)的評(píng)價(jià)方法為特色.競(jìng)賽題目通常來源于生活中的趣味問題，在正式競(jìng)賽前1年公布，參賽者利用課余時(shí)間進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研、理論學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)裝置搭建、建模與仿真、誤差分析、理論模型或者實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)化改進(jìn)等.競(jìng)賽時(shí)參賽者分為正方、反方和評(píng)論方，以對(duì)抗辯論形式進(jìn)行比賽.裁判通過隊(duì)員的賽場(chǎng)表現(xiàn)，依據(jù)評(píng)分表對(duì)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià).

重慶大學(xué)物理學(xué)院從2012年開始組隊(duì)參加CUPT.從最初的參加競(jìng)賽，到推動(dòng)“CUPT西南地區(qū)賽”的舉行和參與制定西南地區(qū)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽(Southwest China Undergraduate Physics Tournament，SWUPT)指南，再到依托CUPT賽事開展一系列教育教學(xué)改革[7-8].例如：

1)將CUPT“自主研究、對(duì)抗辯論”的教學(xué)模式推廣應(yīng)用于第一課堂，建立本科生創(chuàng)新平臺(tái)，開設(shè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和思辨性課程；

2)開展賽后科研拓展訓(xùn)練，與大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目融合；

3)融入新生研討課及聯(lián)合重慶市中學(xué)開展“大-中銜接教育”；

4)充實(shí)“強(qiáng)基計(jì)劃”培養(yǎng)方案.

逐步豐富和拓展CUPT的內(nèi)涵，構(gòu)建“一體多維二元融合”的CUPT模式拔尖人才綜合素質(zhì)培養(yǎng)體系，如圖1所示.

圖1 “一體多維二元融合”的CUPT模式拔尖人才綜合素質(zhì)培養(yǎng)體系

2 一體多維二元融合的CUPT培養(yǎng)體系

以CUPT為主體(一體)，開展與CUPT相關(guān)的多維度教育教學(xué)改革(多維)，包括：成立CUPT創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和實(shí)驗(yàn)室，開設(shè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和思辨性課程，將CUPT教學(xué)模式推廣到第一課堂，充實(shí)“強(qiáng)基計(jì)劃”培養(yǎng)方案，促進(jìn)第一課堂和第二課堂在教師團(tuán)隊(duì)、教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容、評(píng)價(jià)體系、儀器設(shè)備和教學(xué)空間的銜接與融合(二元融合).

2.1 CUPT創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和實(shí)驗(yàn)室

隨著物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽培訓(xùn)工作的持續(xù)開展，在學(xué)校教務(wù)處和學(xué)院的大力支持下，首先成立了CUPT創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，形成了穩(wěn)定的指導(dǎo)教師隊(duì)伍.在學(xué)院本科生創(chuàng)新實(shí)踐基地的基礎(chǔ)上建成了CUPT創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)室，購置了3D打印機(jī)、高速攝像機(jī)和小型服務(wù)器等通用儀器設(shè)備，同時(shí)也與物理實(shí)驗(yàn)中心、專業(yè)實(shí)驗(yàn)室和科研實(shí)驗(yàn)室達(dá)成了儀器共享協(xié)議.

針對(duì)CUPT創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行中存在的人力資源不足、服務(wù)保障能力低等問題，建立了學(xué)生自主管理的實(shí)驗(yàn)室制度，主要包括：

1)學(xué)生自主創(chuàng)建CUPT創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)網(wǎng)頁，編寫《實(shí)驗(yàn)室使用和維護(hù)指南》《計(jì)算與數(shù)據(jù)科學(xué)入門》《關(guān)于CUPT財(cái)務(wù)報(bào)銷的暫行規(guī)定》《實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器使用指南》等文檔；

2)學(xué)生財(cái)務(wù)員負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室儀器和耗材的購置與管理；

3)制定學(xué)生教練和領(lǐng)隊(duì)制度，發(fā)揮往屆隊(duì)員的競(jìng)賽經(jīng)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)；

4)組織學(xué)生匯編CUPT團(tuán)隊(duì)論文集，將完成較好的項(xiàng)目總結(jié)成小論文供后期參考，同時(shí)也增強(qiáng)了學(xué)生的凝聚力，積累了資源.

此外，利用競(jìng)賽題目的開放性特點(diǎn)，在競(jìng)賽結(jié)束后繼續(xù)開展賽后科研拓展訓(xùn)練，以更高標(biāo)準(zhǔn)和要求將賽題的理論分析和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提升到新的高度，并以科學(xué)論文形式進(jìn)行項(xiàng)目工作總結(jié).實(shí)踐表明：賽后拓展訓(xùn)練是學(xué)生從學(xué)科競(jìng)賽邁向科學(xué)研究的中轉(zhuǎn)站，有助于“科教融合”培養(yǎng)高年級(jí)拔尖本科生.

2.2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和思辨性課程

作為選拔和繼續(xù)培養(yǎng)高年級(jí)拔尖本科生的途徑之一，賽后拓展訓(xùn)練往往和大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃(Student Research Training Program, SRTP)、國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃(簡(jiǎn)稱“國創(chuàng)”)等具體項(xiàng)目結(jié)合.SRTP由1969年美國麻省理工學(xué)院倡導(dǎo)的“本科研究機(jī)會(huì)計(jì)劃”變革而來，于20世紀(jì)90年代在中國部分大學(xué)開展；“國創(chuàng)”于2012年教育部在“十二五”期間正式啟動(dòng)實(shí)施，二者有共通之處，即通過科研訓(xùn)練實(shí)踐，推動(dòng)學(xué)生在研究中學(xué)，在做中學(xué)，在問題、同伴和教師引導(dǎo)下自主學(xué)習(xí)并成長(zhǎng)為創(chuàng)新人才[9].而CUPT賽題由于其開放性及所包含的科學(xué)問題，非常適合演變?yōu)镾RTP和“國創(chuàng)”項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容，能夠?yàn)閷W(xué)生提供科研訓(xùn)練的實(shí)踐機(jī)會(huì)，讓學(xué)生掌握系統(tǒng)的科研方法并構(gòu)建正確的科研態(tài)度.同時(shí)為了擴(kuò)大受益學(xué)生范圍，自2017年起學(xué)院在全校范圍開設(shè)“趣味物理問題探索”“CUPT物理問題創(chuàng)新探討”和“物理體驗(yàn)與探索”課程，以解決CUPT賽題為導(dǎo)向，具體過程是將參與課程的學(xué)生分成若干小組，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決具體物理問題，如圖2所示.實(shí)踐表明：基于問題的學(xué)習(xí)能夠有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、自學(xué)能力和階段性學(xué)習(xí)的獲得感，從而激發(fā)學(xué)生自主成長(zhǎng)為具有創(chuàng)新實(shí)踐能力和科研思維能力的拔尖人才的主觀能動(dòng)性.

圖2 課程與CUPT賽題相結(jié)合的培養(yǎng)模式

2.3 CUPT教學(xué)模式

CUPT賽事在全國高校蓬勃發(fā)展，基于CUPT的教育教學(xué)改革也在不斷深入.2019年召開的“物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽10周年暨素質(zhì)教育新模式研討會(huì)”，預(yù)示著CUPT教育教學(xué)改革進(jìn)入新的階段.近年來，重慶大學(xué)物理學(xué)院已開展CUPT教學(xué)模式在“大學(xué)物理”“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”“物理類專業(yè)實(shí)驗(yàn)”等理論和實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)實(shí)踐，并在相鄰的西南大學(xué)、陸軍勤務(wù)學(xué)院和西南交通大學(xué)等高校推廣第一課堂的CUPT教學(xué)模式，獲得了較好的實(shí)施效果[7-8].

以“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”為例(圖3)，過去這門課程多采用“教師講—學(xué)生聽—教師演示—學(xué)生模仿”的教學(xué)模式.該模式對(duì)于學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)方法，驗(yàn)證和加深對(duì)理論的理解有很好的效果，但在培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考能力、自主實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)及創(chuàng)造能力存在嚴(yán)重不足，不利于拔尖人才的培養(yǎng)[10-11].因此，選取合適的CUPT競(jìng)賽題目，經(jīng)過改進(jìn)后作為低年級(jí)本科生的設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并以CUPT組隊(duì)進(jìn)行文獻(xiàn)查閱、建模仿真、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、裝置搭建、數(shù)據(jù)測(cè)量與分析、結(jié)論報(bào)告與辯論的模式開展，不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，同時(shí)也能激發(fā)教師的教學(xué)研究與改革興趣.目前“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”課程CUPT教學(xué)模式的應(yīng)用已從最初的4個(gè)試點(diǎn)班擴(kuò)展到10多個(gè)教學(xué)班，量表測(cè)試數(shù)據(jù)和統(tǒng)考成績(jī)從主客觀檢驗(yàn)的角度充分肯定了該教學(xué)模式在培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力方面的作用[7-8].

圖3 CUPT教學(xué)模式的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐及研討流程[8]

建立回歸第一課堂的CUPT教學(xué)模式需要形成科學(xué)的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).CUPT教學(xué)模式通過學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)量表對(duì)學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，如表1所示.學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)量表能夠促進(jìn)學(xué)生中心、成果導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)的教育教學(xué)理念在CUPT教學(xué)模式中的實(shí)施，在改進(jìn)教師的教、學(xué)生的學(xué)、師生互動(dòng)關(guān)系以及公平公正的育人氛圍等方面具有良好的塑造、提升和促進(jìn)作用.

表1 CUPT教學(xué)模式的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)量表

2.4 充實(shí)“強(qiáng)基計(jì)劃”培養(yǎng)方案

2020年，36所“雙一流”高校開展基礎(chǔ)學(xué)科招生改革試點(diǎn)(強(qiáng)基計(jì)劃)，主要選拔有志于服務(wù)國家重大戰(zhàn)略需求且綜合素質(zhì)優(yōu)秀或基礎(chǔ)學(xué)科拔尖的學(xué)生[1].根據(jù)教育部文件精神，各高校分別制訂了“強(qiáng)基計(jì)劃”培養(yǎng)方案.鑒于CUPT在培養(yǎng)拔尖學(xué)生和提升綜合素質(zhì)方面的積極作用，部分高校直接將CUPT寫入“強(qiáng)基計(jì)劃”培養(yǎng)方案.北京大學(xué)“強(qiáng)基計(jì)劃”培養(yǎng)方案(物理學(xué)類I)明確提出：一年級(jí)同學(xué)以國際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽和全國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽的題目為課題，以實(shí)驗(yàn)探索和理論詮釋為手段進(jìn)行初步科研實(shí)踐.北京師范大學(xué)“強(qiáng)基計(jì)劃”培養(yǎng)方案(物理學(xué)專業(yè))也明確提出：以大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽、大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽等為抓手，為學(xué)生提供自由探索的學(xué)習(xí)平臺(tái)，支持學(xué)生自主創(chuàng)新，為學(xué)生提供自主實(shí)驗(yàn)室條件.這充分肯定了CUPT對(duì)低年級(jí)本科生綜合學(xué)術(shù)素質(zhì)訓(xùn)練和科研創(chuàng)新能力訓(xùn)練的積極作用.

重慶大學(xué)“強(qiáng)基計(jì)劃”物理學(xué)專業(yè)聚焦國家關(guān)鍵領(lǐng)域，突出基礎(chǔ)學(xué)科的支撐引領(lǐng)作用，選拔一批有志向、有興趣、有天賦的青年學(xué)生進(jìn)行專門培養(yǎng)，為國家重大戰(zhàn)略領(lǐng)域輸送后備人才.遵循“先理后工”的培養(yǎng)思路，通過物理學(xué)專業(yè)招生，采取“3+1+X”的本碩博銜接培養(yǎng)模式.其中，“3”指本科前3年主要以基礎(chǔ)學(xué)科專業(yè)課程為主；“1”指本科第4年進(jìn)入相關(guān)領(lǐng)域(高端芯片與軟件、智能科技、新材料、先進(jìn)制造、國家安全等)學(xué)習(xí)，通過項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)完成專業(yè)基礎(chǔ)和選修課程；研究生階段可分流至相關(guān)領(lǐng)域的相應(yīng)專業(yè)(電氣工程、計(jì)算機(jī)、熱能與動(dòng)力工程、材料科學(xué)、土木工程等)開展研究工作，“X=2”指本碩銜接(碩士階段2年)，“X=4”指本碩博銜接(碩博階段4年).

基于近10年的CUPT參賽基礎(chǔ)和近年來率先建設(shè)并逐步完善的CUPT教學(xué)體系，重慶大學(xué)“強(qiáng)基計(jì)劃”物理學(xué)專業(yè)一年級(jí)學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)實(shí)踐課程建設(shè)主要圍繞CUPT展開，課程規(guī)劃簡(jiǎn)介如下：

1)中國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽綜合科研訓(xùn)練，包括競(jìng)賽介紹、口頭報(bào)告制作、演講辯論技巧、口頭報(bào)告練習(xí)等；

2)文獻(xiàn)資料檢索，包括檢索軟件分類及特點(diǎn)、中/英文數(shù)據(jù)庫檢索方法及技巧等；

3)理論分析及數(shù)值計(jì)算，包括力、熱、光、電、磁、流體力學(xué)的理論分析，數(shù)值計(jì)算軟件的種類、特點(diǎn)、適用問題，常用數(shù)值計(jì)算和仿真軟件的使用，等等；

4)實(shí)驗(yàn)室規(guī)范、實(shí)驗(yàn)方案探索和實(shí)驗(yàn)技巧，包括實(shí)驗(yàn)室安全規(guī)范制度和常識(shí)、預(yù)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則、實(shí)驗(yàn)進(jìn)度安排、實(shí)驗(yàn)儀器選擇、測(cè)量精度、操作流程等；

5)數(shù)據(jù)處理和誤差分析，包括數(shù)據(jù)處理軟件的特點(diǎn)及使用技巧、誤差分析方法等.

“強(qiáng)基計(jì)劃”重基礎(chǔ)、強(qiáng)交叉、尊重個(gè)性發(fā)展，融入CUPT的“強(qiáng)基計(jì)劃”培養(yǎng)方案，能夠有效提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)和研究性學(xué)習(xí)的能力，幫助學(xué)生從中學(xué)期間以教師課堂授課和學(xué)生大量練習(xí)為主的學(xué)習(xí)模式，順利過渡到大學(xué)期間以獨(dú)立學(xué)習(xí)和自主研究探索為主的學(xué)習(xí)模式(圖4)，為后續(xù)高難度、高強(qiáng)度的學(xué)習(xí)和研究奠定基礎(chǔ)[12-13].

圖4 以CUPT為載體實(shí)現(xiàn)中學(xué)-大學(xué)學(xué)習(xí)模式的轉(zhuǎn)變

3 培養(yǎng)體系建設(shè)成效

一體多維二元融合的CUPT模式培養(yǎng)體系在我校經(jīng)過9年實(shí)踐創(chuàng)新，所培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)得以協(xié)調(diào)發(fā)展，同時(shí)也形成了教育理念先進(jìn)的教師隊(duì)伍，豐富了教育教學(xué)資源，全方位實(shí)現(xiàn)了物理教育教學(xué)在“培養(yǎng)理念、培養(yǎng)體系、教學(xué)氛圍”3個(gè)層面的改革創(chuàng)新(圖5).

圖5 實(shí)現(xiàn)在“培養(yǎng)理念、培養(yǎng)體系、教學(xué)氛圍”3個(gè)層面的改革創(chuàng)新

1)提出了“科研素養(yǎng)、開放性思維、合作精神、表達(dá)和交流能力”綜合素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的培養(yǎng)理念，突破了傳統(tǒng)的“書本知識(shí)+大量習(xí)題+考試成績(jī)”的單一能力培養(yǎng)和考核模式，培養(yǎng)適應(yīng)和引領(lǐng)未來的人才，實(shí)現(xiàn)綜合素質(zhì)全面協(xié)調(diào)發(fā)展和全方位科學(xué)考核評(píng)價(jià)機(jī)制.

2)構(gòu)建了“一體多維二元融合”的CUPT拔尖人才綜合素質(zhì)培養(yǎng)體系，以CUPT為主體，開展了基于CUPT的多維度教育教學(xué)改革，實(shí)現(xiàn)了CUPT第二課堂指導(dǎo)教師團(tuán)隊(duì)和第一課堂任課教師隊(duì)伍的深度融合和雙向流動(dòng)，改進(jìn)了第一課堂的教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容和考核評(píng)價(jià)體系，建造了能夠同時(shí)滿足物理實(shí)驗(yàn)和CUPT需求的實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)教學(xué)空間、儀器設(shè)備的全面共享和高效利用.

3)形成了“以學(xué)生為中心，教師為引導(dǎo)的自主學(xué)習(xí)、自主研究”的教學(xué)氛圍，將以“教”為中心的統(tǒng)一教學(xué)計(jì)劃和基于考試的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐浴皩W(xué)”為中心的CUPT培養(yǎng)體系，為學(xué)生提供更多自主學(xué)習(xí)、自主思考的空間.將“教”與“學(xué)”緊密結(jié)合，教師不僅教授學(xué)生知識(shí)，更強(qiáng)調(diào)突出學(xué)生應(yīng)用知識(shí)解決實(shí)際問題的能力和批判精神，營造相互交流、師生互動(dòng)的空間和氛圍，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新的欲望.

基于培養(yǎng)體系在教育教學(xué)中“培養(yǎng)理念、培養(yǎng)體系、教學(xué)氛圍”3個(gè)層面的改革創(chuàng)新和逐步完善，拔尖人才培養(yǎng)成效顯著，受益學(xué)生規(guī)模巨大，目前已經(jīng)培訓(xùn)理工科本科生參加校級(jí)物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽5 000余人次，指導(dǎo)學(xué)生參加各類競(jìng)賽獲國家級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)100余人次，獲省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)150余人次.“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”“趣味物理問題探索”“CUPT物理問題創(chuàng)新探討”和“物理體驗(yàn)與探索”等10余門課程采用CUPT教學(xué)模式進(jìn)行授課，受益本科生達(dá)到10 000余人.同時(shí)也在實(shí)踐過程中形成了顯著的特色和優(yōu)勢(shì)，改革理念被其他高校廣泛認(rèn)可和推廣，為培養(yǎng)服務(wù)于國家重大戰(zhàn)略需求的綜合素質(zhì)拔尖學(xué)生發(fā)揮引領(lǐng)示范作用.

4 結(jié)束語

本文在“強(qiáng)基計(jì)劃”選拔培養(yǎng)基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生的背景下，以中國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽“自主研究+辯論交流”的模式為基礎(chǔ)，通過將其推廣應(yīng)用于第一課堂教育教學(xué)，并與第二課堂的創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)有機(jī)融合，構(gòu)建了“一體多維二元融合”的CUPT模式拔尖人才培養(yǎng)體系，在學(xué)生綜合素質(zhì)、教師教育理念、教育教學(xué)資源各個(gè)方面獲得實(shí)質(zhì)性提升，為物理學(xué)科人才培養(yǎng)的改革創(chuàng)新提供借鑒和參考.