摘 要 本文以激發(fā)學(xué)術(shù)志趣、提升創(chuàng)新能力及科學(xué)素養(yǎng)、提高創(chuàng)新人才培養(yǎng)質(zhì)量為目標(biāo)，構(gòu)建了物理學(xué)引領(lǐng)多學(xué)科融合創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式。該教學(xué)模式下，多學(xué)科學(xué)生融合組隊(duì)，以物理學(xué)專業(yè)學(xué)生為領(lǐng)隊(duì)，歷經(jīng)雙創(chuàng)課程的前期理論培訓(xùn)、實(shí)訓(xùn)基地動(dòng)手實(shí)操到成果輸出，協(xié)同完成創(chuàng)新研究項(xiàng)目。經(jīng)過創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式的全過程錘煉，學(xué)生們意識(shí)到學(xué)習(xí)物理的重要性，提高了對(duì)物理的學(xué)習(xí)興趣。創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式的實(shí)施，全方位培養(yǎng)了本科生主動(dòng)、探索、批判、思維、表達(dá)、適應(yīng)環(huán)境及自主發(fā)展的科學(xué)素養(yǎng)，有效提高其多學(xué)科融合能力、創(chuàng)新能力、發(fā)現(xiàn)和解決有價(jià)值問題及團(tuán)隊(duì)協(xié)作等綜合能力。

關(guān)鍵詞 物理學(xué);多學(xué)科融合;創(chuàng)新實(shí)踐;教學(xué)模式;雙創(chuàng)課程

過去的十幾年里，隨著“錢學(xué)森之問”的提出，國(guó)家越來越重視創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。在教育部的大力推廣、扶持下，卓班教育計(jì)劃相繼出臺(tái)，全國(guó)高校的各類“創(chuàng)新班”也如雨后春筍般相繼成立[1-2]。在此期間，人們也越來越意識(shí)到“創(chuàng)新人才”與“應(yīng)試人才”的重要區(qū)別，怎樣通過創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、培養(yǎng)創(chuàng)新性思維、提高創(chuàng)新能力才是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重中之重[3]。但是，目前國(guó)內(nèi)高校創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)依然面臨如下幾個(gè)亟須解決的問題：一是，當(dāng)前我國(guó)科學(xué)技術(shù)出現(xiàn)瓶頸困難，致使創(chuàng)新發(fā)展遇到“卡脖子”的問題，其主要原因之一是由于基礎(chǔ)學(xué)科創(chuàng)新能力不足[4]。而基礎(chǔ)學(xué)科創(chuàng)新能力不足則主要是由基礎(chǔ)學(xué)科學(xué)生缺乏創(chuàng)新實(shí)踐鍛煉，以及其他學(xué)科學(xué)生忽視基礎(chǔ)學(xué)科在生產(chǎn)實(shí)踐中的重要性而導(dǎo)致的。二是，大多數(shù)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式存在嚴(yán)格按學(xué)科劃分的弊端[5-6]，忽視了交叉學(xué)科團(tuán)隊(duì)協(xié)作創(chuàng)新的重要性，導(dǎo)致創(chuàng)新訓(xùn)練面過窄、創(chuàng)新課題缺乏、普及面低等問題。三是，一般的創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練依然是指導(dǎo)教師預(yù)設(shè)題目、學(xué)生參與，忽視了鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題能力的重要性[7-8]。解決預(yù)設(shè)問題與解決自主發(fā)現(xiàn)問題并非同等價(jià)值的創(chuàng)新能力，它們是創(chuàng)新能力培養(yǎng)的遞進(jìn)關(guān)系，能夠發(fā)現(xiàn)有價(jià)值問題的能力才是創(chuàng)新、探索、批判、自主發(fā)展的源泉。如何解決以上創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)中的問題，則是我國(guó)高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)能否到達(dá)教學(xué)目標(biāo)的關(guān)鍵所在。

針對(duì)以上問題，本文以物理學(xué)引領(lǐng)科技創(chuàng)新為主線，依托“大學(xué)物理創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)導(dǎo)論”雙創(chuàng)課程，培養(yǎng)和激發(fā)多學(xué)科學(xué)生融合創(chuàng)新意識(shí);通過完成一系列協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目、學(xué)科競(jìng)賽，使學(xué)生體會(huì)物理學(xué)在實(shí)踐、生產(chǎn)、創(chuàng)新中起到的重要指導(dǎo)作用，喚醒學(xué)生對(duì)物理學(xué)的學(xué)習(xí)興趣;在實(shí)踐育人過程中，以成果輸出為激勵(lì)，從物理原理出發(fā)，通過啟發(fā)、引導(dǎo)、輔助的教學(xué)方法鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的創(chuàng)新能力，達(dá)到“以學(xué)啟創(chuàng)、以創(chuàng)促學(xué)”的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)目的。

1 構(gòu)建物理學(xué)引領(lǐng)多學(xué)科融合創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式

吉林大學(xué)物理學(xué)院面向全校理、工、農(nóng)、醫(yī)、信息等學(xué)部 75 個(gè)專業(yè)、7000余名本科生開設(shè)大學(xué)物理及大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程，基于教師團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期以來在本科生創(chuàng)新實(shí)踐方面取得的系列經(jīng)驗(yàn)和成果，依托物理雙一流基礎(chǔ)學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，我們構(gòu)建了以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，以物理學(xué)引領(lǐng)多學(xué)科融合為基礎(chǔ)，以成果輸出為激勵(lì)并反哺教學(xué)的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式（如圖1所示）。該模式主要面向已修完大學(xué)物理課程的本科學(xué)生。教師團(tuán)隊(duì)針對(duì)全校各學(xué)院有序組織宣講，感興趣、有余力的優(yōu)秀本科生自愿報(bào)名加入創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)。

1.1 申請(qǐng)并獲批“大學(xué)物理創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)導(dǎo)論”雙創(chuàng)課程建設(shè)

由于創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)的多元化，如開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽、中國(guó)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽等，對(duì)于不同類別的項(xiàng)目（賽事），指導(dǎo)教師需要分別協(xié)調(diào)不同專業(yè)學(xué)生的課余時(shí)間，借用教室或?qū)嶒?yàn)室對(duì)項(xiàng)目進(jìn)展進(jìn)行面對(duì)面討論、指導(dǎo)及推進(jìn)，重復(fù)性勞動(dòng)極大降低師生工作學(xué)習(xí)效率。為此教師團(tuán)隊(duì)于2020年5月申請(qǐng)并獲批了雙創(chuàng)課程———大學(xué)物理創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)導(dǎo)論，在走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)驗(yàn)之前，我們將所有報(bào)名的學(xué)生組織在同一課堂中。第一階段，教師以授課方式為學(xué)生們講解完成項(xiàng)目及賽事的一般流程、規(guī)則及相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，包括論文、專利、創(chuàng)新項(xiàng)目立項(xiàng)申請(qǐng)書的撰寫方法等;組織物理學(xué)引領(lǐng)科技前沿講座;對(duì)歷年優(yōu)秀或獲獎(jiǎng)項(xiàng)目開展案例教學(xué)，對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)背景、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案實(shí)施及項(xiàng)目?jī)?yōu)點(diǎn)和不足等進(jìn)行模塊拆解分析，并組織學(xué)生討論，使學(xué)生初步了解總體流程及框架。第二階段，以物理學(xué)專業(yè)學(xué)生為負(fù)責(zé)人（凸顯物理學(xué)知識(shí)、思想及方法在實(shí)踐活動(dòng)中的指導(dǎo)作用）、多學(xué)科學(xué)生自主組隊(duì)，以團(tuán)隊(duì)形式落座，在教師團(tuán)隊(duì)引導(dǎo)和輔助下，學(xué)生獨(dú)立完成與項(xiàng)目匹配的實(shí)踐調(diào)研、查閱文獻(xiàn)、確定選題、設(shè)計(jì)方案及分析、解決可能遇到的問題等。學(xué)期末，學(xué)生撰寫立項(xiàng)申報(bào)書，通過現(xiàn)場(chǎng)答辯后，進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)驗(yàn)階段。

大學(xué)物理創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)導(dǎo)論課程經(jīng)過三個(gè)學(xué)期的嘗試和運(yùn)行，得到師生的一致認(rèn)可。雙創(chuàng)課程的開展，化零為整，避免了師生的重復(fù)性工作、提高了效率;暢所欲言、自由的課堂形式激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓展了學(xué)生思維與探索的空間，搭建了友誼的橋梁。

1.2 依托國(guó)家級(jí)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，建設(shè)大學(xué)物理創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)基地

整合優(yōu)化校院優(yōu)質(zhì)教研資源，充分調(diào)動(dòng)師生積極性，經(jīng)過調(diào)研、設(shè)計(jì)及實(shí)施，我們建設(shè)了大學(xué)物理創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)基地。目前學(xué)院已開設(shè)8個(gè)專用創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)室，面積約500平方米，室內(nèi)配置實(shí)驗(yàn)所需所有基本儀器及實(shí)驗(yàn)附件，教師團(tuán)隊(duì)根據(jù)具體項(xiàng)目情況實(shí)時(shí)補(bǔ)充或更新儀器及備件。為提高學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量及效果，學(xué)院正進(jìn)一步將其打造成開放的、現(xiàn)代化管理的智能實(shí)踐教學(xué)基地[9-12]，有利于引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生廣泛開展自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)和研究性學(xué)習(xí)。

1.3 以成果輸出為激勵(lì)，喚醒學(xué)習(xí)物理的原動(dòng)力、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、反哺物理教學(xué)

學(xué)生參與創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，歷經(jīng)項(xiàng)目申報(bào)書撰寫、立項(xiàng)答辯、結(jié)題答辯等流程最終完成項(xiàng)目，成果輸出包括實(shí)物器件展示、專利申請(qǐng)、論文撰寫及學(xué)科競(jìng)賽獲獎(jiǎng)等形式。在此過程中，學(xué)生能夠深刻體會(huì)到物理學(xué)對(duì)幾乎所有應(yīng)用學(xué)科的實(shí)踐都是有指導(dǎo)作用的，并理解近代幾乎所有科技變革都是由物理學(xué)的研究突破引發(fā)的，進(jìn)而意識(shí)到學(xué)習(xí)物理的重要性，喚醒學(xué)生學(xué)習(xí)物理的原動(dòng)力。

若干優(yōu)秀成果將陳列于演示實(shí)驗(yàn)室或課堂中介紹給學(xué)生，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、反哺物理教學(xué)。成果輸出使學(xué)生體會(huì)到成就感和自豪感，有些學(xué)生會(huì)參加下一輪的創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，或口碑相傳給學(xué)弟學(xué)妹們。近三年來，我校本科生的創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)參與度呈明顯上升趨勢(shì)，不少學(xué)生是慕名而來，人數(shù)逐年遞增，充分體現(xiàn)了“物理學(xué)學(xué)習(xí)—多學(xué)科融合—?jiǎng)?chuàng)新實(shí)踐—成果輸出”閉環(huán)實(shí)踐教學(xué)模式的培養(yǎng)優(yōu)勢(shì)。

2 創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式下成果舉例

基于以上創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式，以學(xué)生為主體，課堂上實(shí)驗(yàn)室中教師適度啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生思考、拓展、延伸，學(xué)生們相互支撐、相互補(bǔ)充、共同配合，逐步完成全過程創(chuàng)新活動(dòng)。下面列舉一個(gè)實(shí)例。

在學(xué)年開學(xué)初，指導(dǎo)教師團(tuán)隊(duì)對(duì)全校各個(gè)專業(yè)本科生做校級(jí)公選課“大學(xué)物理創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)導(dǎo)論”開課前宣講，介紹課程內(nèi)容、先期實(shí)踐成果及教學(xué)模式，學(xué)生報(bào)名選課，學(xué)生人數(shù)上限暫定為30。課程主要分為兩階段，第一階段教師授課為主，以講課、案例分析、講座、成果分享等課堂模式使學(xué)生了解項(xiàng)目及賽事相關(guān)內(nèi)容;第二階段學(xué)生以組/團(tuán)隊(duì)為單位圓桌落座，各團(tuán)隊(duì)課堂匯報(bào)討論為主，教師適度參與引導(dǎo)為輔。第一次即首次開課教師擬題為主，第二輪熟悉課程及教學(xué)模式后學(xué)生擬題為主，教師擬題為輔。其中一個(gè)題目出自2018年中國(guó)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽（CUPT）關(guān)于莫爾條紋形成原理的探究，莫爾條紋是指光柵常數(shù)在毫米、微米級(jí)的粗光柵成一定角度疊加在一起后，形成的規(guī)律性的明暗相間的條紋，這在生活中是十分常見的物理現(xiàn)象，遮陰視覺原理可解釋這一現(xiàn)象。指導(dǎo)教師與學(xué)生針對(duì)題目?jī)?nèi)容進(jìn)行深入探討，當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)了光柵知識(shí)、查閱文獻(xiàn)了解到莫爾條紋現(xiàn)象后，第二階段課堂中（各團(tuán)隊(duì)匯報(bào)擬研究?jī)?nèi)容及初步方案）教師繼續(xù)組織學(xué)生開放性討論，引導(dǎo)學(xué)生思考莫爾條紋成像規(guī)律在現(xiàn)實(shí)生活中會(huì)有哪些應(yīng)用。仔細(xì)觀察、分析與討論后，學(xué)生發(fā)現(xiàn)莫爾條紋形成的規(guī)律性圖案與光柵常數(shù)有緊密的相關(guān)性，那么就可以利用莫爾條紋的成像原理檢測(cè)毫米及微米級(jí)光柵的光柵常數(shù)，再進(jìn)一步，若已知光柵常數(shù)，即可測(cè)量織物的密度，而織物密度是衡量織物質(zhì)量與用途的最重要參數(shù)，測(cè)量織物密度在工業(yè)生產(chǎn)中是十分重要的一環(huán)。經(jīng)過多次探討確定了研究?jī)?nèi)容及方案，該小組同學(xué)完成了大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目立項(xiàng)申報(bào)書的撰寫，通過答辯考核結(jié)束選修課程的學(xué)習(xí)。

為了驗(yàn)證可行性，學(xué)生們進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室開展研究。如圖2所示，在亞麻布上放置我們自制的粗光柵，的確出現(xiàn)了相當(dāng)明顯、規(guī)律的莫爾條紋。利用遮陰原理進(jìn)行幾何推導(dǎo)出

我們發(fā)現(xiàn)亞麻布的經(jīng)、緯織物密度僅與粗光柵的光柵常數(shù)（q+p）、光柵與亞麻布線的夾角θ、莫爾條紋與水平線的夾角α 有關(guān)，只需測(cè)量出這幾個(gè)量就可算出亞麻布的“（a+b）常數(shù)”，進(jìn)而計(jì)算出亞麻布的織物密度，如圖3所示。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)論的正確性，我們利用顯微鏡人為數(shù)出亞麻布的線根數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行比較，結(jié)果如表1（經(jīng)線密度測(cè)量表）、表2（緯線密度測(cè)量表）。在實(shí)驗(yàn)中我們采用不同光柵常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)粗光柵進(jìn)行測(cè)量，在選用比較恰當(dāng)?shù)墓鈻懦?shù)及織物與光柵夾角時(shí)，測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差最小可以控制在1%左右，遠(yuǎn)高于工業(yè)生產(chǎn)的測(cè)量精度要求。

最后在成果輸出方面。該團(tuán)隊(duì)成功申請(qǐng)了國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目立項(xiàng)，并獲得優(yōu)秀結(jié)題;同時(shí)，指導(dǎo)教師將此項(xiàng)目?jī)?nèi)容在校內(nèi)申請(qǐng)了開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可根據(jù)興趣選修學(xué)習(xí);師生依據(jù)項(xiàng)目研究結(jié)論，撰寫了一項(xiàng)發(fā)明專利（專利號(hào)：201910715525.6）和一項(xiàng)實(shí)用新型專利（專利號(hào)：ZL201921250075）。

3 實(shí)施效果

物理學(xué)引領(lǐng)多學(xué)科融合創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式，從2020年實(shí)施至今，已有100多名學(xué)生參與，師生獲得國(guó)家級(jí)、省級(jí)競(jìng)賽獎(jiǎng)項(xiàng)30余項(xiàng);授權(quán)實(shí)用新型專利6項(xiàng);授權(quán)發(fā)明專利4項(xiàng);發(fā)表教研論文5篇。70%的學(xué)生選擇讀研、讀博或繼續(xù)從事科研深造，并在相關(guān)研究部門受到師生的一致好評(píng)。未來我們計(jì)劃依托該創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式，建設(shè)并壯大指導(dǎo)教師團(tuán)隊(duì)，使更多的學(xué)生受益。

4 結(jié)語(yǔ)

圍繞重視基礎(chǔ)學(xué)科學(xué)習(xí)、激發(fā)學(xué)術(shù)志趣、提升創(chuàng)新能力及科學(xué)素養(yǎng)、提高創(chuàng)新人才培養(yǎng)質(zhì)量為目標(biāo)，本文構(gòu)建了以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)、以物理學(xué)引領(lǐng)多學(xué)科融合為基礎(chǔ)、以成果輸出為激勵(lì)并反哺教學(xué)的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式。多學(xué)科優(yōu)秀本科生以雙創(chuàng)課程為入口，歷經(jīng)相關(guān)理論培訓(xùn)及課程考核后，進(jìn)入大學(xué)物理創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)基地開展實(shí)驗(yàn)，完成成果輸出。創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式經(jīng)過近三年的探索與實(shí)踐，取得了較好的效果：提高本科生學(xué)習(xí)物理學(xué)興趣的同時(shí)，有效激發(fā)本科生學(xué)術(shù)志趣、提升科學(xué)素養(yǎng)、培養(yǎng)融合創(chuàng)新等諸多綜合能力。

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