摘 要 物理實(shí)驗(yàn)是理工科學(xué)校培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)核心課程，面向科學(xué)前沿和國家需求的人才培養(yǎng)在新時(shí)代也有了新的要求。本文圍繞新學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程建設(shè)所面對的問題，基于“提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決實(shí)際問題的能力，以及通過實(shí)驗(yàn)探索新知識的能力”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，并結(jié)合目前提倡的“基礎(chǔ)—深入—提升—拓展”四層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，重新梳理知識點(diǎn)，使高年級的綜合實(shí)驗(yàn)在知識、技術(shù)和規(guī)范3個(gè)維度分解的相關(guān)要素穿插在低年級的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中將裝置模塊化、可視化，儀器數(shù)字化、通用化，使之更適合于問題導(dǎo)向和自主學(xué)習(xí)的教學(xué)方式，并取得初步成效。

關(guān)鍵詞 實(shí)驗(yàn)教學(xué);課程體系;知識拼圖;多層次;教學(xué)模式

1 新建學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)問題及機(jī)遇

隨著數(shù)字技術(shù)的高速發(fā)展以及新時(shí)代國家與科學(xué)前沿對科研人才素質(zhì)的需求不斷提高，包括教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)模式在內(nèi)的原課程體系支持能力不足，物理實(shí)驗(yàn)課程遇到一些普遍性問題：

（1） 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容與方法，往往受限于所采購的實(shí)驗(yàn)儀器，且不少儀器是集成一體的結(jié)構(gòu)，與教學(xué)理念相違背;看重驗(yàn)證理論知識，物理建模與具體實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)條件的聯(lián)系不足;

（2） 教學(xué)模式較為單一，不利于滿足學(xué)生興趣和差異化發(fā)展的需求;

（3）不少剛剛?cè)雽W(xué)的學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課的目的和意義認(rèn)識與教師期待的不相符，他們習(xí)慣以學(xué)習(xí)理論知識的方式和要求對待實(shí)驗(yàn);如以“用最少的時(shí)間做出標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果”為衡量好實(shí)驗(yàn)的標(biāo)志，習(xí)慣套用公式解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而忽略公式背后的物理圖像。

上述問題不少是國內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的共性問題，許多院校做了不少探索和改革。如北京大學(xué)以科研引領(lǐng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革以適應(yīng)新技術(shù)和新理論發(fā)展[1]，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的英才物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)試點(diǎn)以適應(yīng)學(xué)生個(gè)性化、差異化發(fā)展的需求[2]，同濟(jì)大學(xué)引入混合式教學(xué)模式實(shí)現(xiàn)“學(xué)生主體、教師主導(dǎo)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[3]，中山大學(xué)國家級物理實(shí)驗(yàn)示范中心引入數(shù)值仿真打通理論物理、實(shí)驗(yàn)物理和計(jì)算物理研究思維、并使實(shí)驗(yàn)可視化[4，5]，東北大學(xué)在“基礎(chǔ)—進(jìn)階—高階”實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较乱胄畔⒒虒W(xué)手段，提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和解決問題能力[6]。

成立于2015年的中山大學(xué)物理與天文學(xué)院位于珠海校區(qū)，2016年開始招生并服務(wù)珠海校區(qū)物理教學(xué)。建設(shè)資金與實(shí)驗(yàn)場地相對充裕，為統(tǒng)籌改進(jìn)上述問題提供了機(jī)遇和后發(fā)優(yōu)勢，但也面臨新教師經(jīng)驗(yàn)不足等問題。參考兄弟院校的經(jīng)驗(yàn)，對照《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求（2010版）》[7]（后簡稱《基本要求》），我們探索適合于自己特點(diǎn)的物理實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)。

2 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程建設(shè)探索

2.1 問題分析

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的不是系統(tǒng)地講授知識，而是培養(yǎng)學(xué)生的物理（實(shí)驗(yàn)）思維，培養(yǎng)運(yùn)用知識解決實(shí)際問題的手腦協(xié)調(diào)能力;培養(yǎng)學(xué)生通過自主實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)知識、鞏固知識和發(fā)現(xiàn)新知識的能力。試問在互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)課程資源日益豐富的環(huán)境下，尤其是在人工智能高速發(fā)展的今天，學(xué)生非到學(xué)校才能獲得的教學(xué)資源是什么？ 最容易想到的是實(shí)驗(yàn)室，以及與一流教師和優(yōu)秀同學(xué)形式多樣的現(xiàn)場互動(dòng)的教學(xué)方式。讓學(xué)生明白實(shí)驗(yàn)教學(xué)在人才培養(yǎng)中的重要性很有必要。

一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容對理論課來說是一個(gè)知識點(diǎn)，但對一個(gè)深入的實(shí)驗(yàn)就是一個(gè)知識點(diǎn)群：除實(shí)驗(yàn)原理的知識點(diǎn)外，還包括支持實(shí)驗(yàn)的相關(guān)技術(shù)、保證實(shí)驗(yàn)安全和少走彎路的操作規(guī)范、真實(shí)的實(shí)驗(yàn)裝置與理想假設(shè)的差異，以及不可隔離的環(huán)境因素作用等。盡管能力的訓(xùn)練不依賴于具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，但仍可根據(jù)認(rèn)知規(guī)律和知識的內(nèi)在邏輯，選擇有利于加強(qiáng)知識體系建立、與其他科目和技術(shù)關(guān)聯(lián)的知識點(diǎn)，包括對未能在理論課充分講授的知識點(diǎn)，以實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式進(jìn)行補(bǔ)充或加強(qiáng)。這些知識點(diǎn)的選擇和組織遵從的原則是：在技術(shù)和規(guī)范層面扎實(shí)，在方法、方案和思考層面上放開?？紤]到學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ牟町惔蠛蛯?shí)驗(yàn)教學(xué)自主性強(qiáng)的特點(diǎn)，在無分級的課程體系下，有必要設(shè)置具有彈性和可塑性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求，以適應(yīng)不同的學(xué)生個(gè)性需求。

此外，實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)實(shí)事求是科學(xué)精神有力方式，是“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”的唯物觀的最好體現(xiàn);區(qū)分事實(shí)和觀點(diǎn)及其表述方式———客觀描述現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)原始記錄，與分析、推測的不同，是春雨潤物般的思政元素和課程思政的體現(xiàn)。

隨著學(xué)院的發(fā)展和定位的不斷明確，逐漸調(diào)整課程建設(shè)內(nèi)容，糅入學(xué)院特色———加強(qiáng)與量子、精密測量物理、天文觀測與空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容的關(guān)聯(lián)，引入相關(guān)的、已有長足發(fā)展的當(dāng)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)，包括現(xiàn)代傳感器技術(shù)、數(shù)字化測量技術(shù)與儀器、計(jì)算技術(shù)、仿真技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，遙測與遙控技術(shù)。現(xiàn)在學(xué)生已普遍自備筆記本電腦，習(xí)慣網(wǎng)上搜索與閱讀，計(jì)算機(jī)編程已得到普遍重視并成為本科標(biāo)配課程，這都為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供了豐富的技術(shù)支撐和可行性。

2.2 對策措施

2.2.1 提高認(rèn)識

針對新生對實(shí)驗(yàn)課的目的和意義認(rèn)識不足的問題，首先在教師集體備課時(shí)多講實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，統(tǒng)一認(rèn)識;在實(shí)驗(yàn)課緒論、與學(xué)生討論問題時(shí)對學(xué)生（重復(fù)）講解實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式和要求與理論課的差異，更新觀念。講解什么是實(shí)驗(yàn)以及測量的本質(zhì)。自始至終要求學(xué)生按規(guī)范客觀如實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，尤其鼓勵(lì)記錄那些與預(yù)想不一致的異?，F(xiàn)象，要求對自己所記錄信息負(fù)責(zé)（簽字）;對于用平板記錄的數(shù)據(jù)，為防止修改，要求在簽退前上傳已簽名的實(shí)驗(yàn)記錄，在培養(yǎng)學(xué)生客觀記錄的好習(xí)慣的同時(shí)，培養(yǎng)實(shí)事求是的科學(xué)精神。

2.2.2 逐步推進(jìn)能力培養(yǎng)

（1） 基于模型的預(yù)測與基于實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證：加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)中的物理建模，通過模型建立實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)裝置之間的關(guān)系;重視物理過程討論，運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題。

（2） 有意安排部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容超前于理論課，設(shè)置從觀察現(xiàn)象、尋找規(guī)律到猜想機(jī)理的過程體驗(yàn)，更貼近真實(shí)科研場景;結(jié)合問題導(dǎo)向的研究性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)想象力和通過實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)知識和發(fā)現(xiàn)新知識的能力。

（3） 培養(yǎng)基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的獨(dú)立思考素養(yǎng)，用實(shí)驗(yàn)結(jié)果回答問題。

（4） 實(shí)驗(yàn)中環(huán)境因素往往存在不確定性，分析這類實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常適合訓(xùn)練領(lǐng)軍人才所需的、在信息不充分、不確定時(shí)作判斷、作決定的氣質(zhì)和能力。

2.2.3 改善裝置

針對原實(shí)驗(yàn)裝置中存在的“黑箱”式實(shí)驗(yàn)裝置問題，一方面，逐步改造、開發(fā)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和新儀器，例如將貨架“一體化”儀器、設(shè)備拆解，更換為帶標(biāo)準(zhǔn)通訊接口的通用測量儀器，通過在不同實(shí)驗(yàn)中的反復(fù)使用，使學(xué)生熟識和掌握通用儀器的使用及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集方法;另一方面，為便于展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)原理和培養(yǎng)學(xué)生腦手協(xié)調(diào)能力，實(shí)驗(yàn)裝置盡量做到可視化和可及性模塊化（可搭拆），為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和研究性實(shí)驗(yàn)的開展提供更好的條件。此外，帶標(biāo)準(zhǔn)通信接口的常用測量儀器還為進(jìn)一步拓展自動(dòng)測量和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)，以滿足《基本要求》[7]中“逐步引進(jìn)在當(dāng)代科學(xué)研究與工程技術(shù)中廣泛應(yīng)用的現(xiàn)代物理技術(shù)”的要求。

梳理當(dāng)代物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)主線，得到通用測量裝置的流程如圖1所示，以此為參考改進(jìn)對包括傳感器、數(shù)據(jù)采集儀器、數(shù)字化電源等實(shí)驗(yàn)裝置架構(gòu)，并通過PC機(jī)管理實(shí)驗(yàn)、控制實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)施遠(yuǎn)程、自動(dòng)測量。

1） 傳感器

除開出傳感器專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)外，推進(jìn)傳感器在各實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用（詳見圖2）。實(shí)驗(yàn)中除適當(dāng)保留少量需要人為判讀的測量儀表（如毫安計(jì)、真空表）、以便于展示傳感器的發(fā)展歷程外，大部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（尤其是新增實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)）采用不同代級的分立式傳感器（如熱敏電阻、熱電偶、力傳感器、AMR傳感器、熱電堆輻射傳感器、光功率計(jì)），模擬電信號輸出范圍對應(yīng)量程的變送器（如溫度變送器，壓力傳感器、流量計(jì)），具備通訊地址的數(shù)字式傳感器（如DS溫度傳感器，數(shù)字真空計(jì)），以及無線通訊功能的數(shù)字式傳感器（如三維霍爾傳感器），對材料物性類的要求掌握其物理原理，其他類型的只要求了解。

2） 通用儀器

數(shù)字化數(shù)據(jù)采集儀器包括數(shù)字示波器、數(shù)字多用表、NI myDAQ、CompactDAQ、PXI數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)字鎖相放大器（圖2），它們的共同特點(diǎn)是具備對輸入模擬信號放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字或圖形化顯示、數(shù)據(jù)緩存、在通信協(xié)議下授受上位機(jī)指令和向上位機(jī)輸出數(shù)據(jù)。另一類輸出數(shù)據(jù)的常用儀器包括數(shù)字函數(shù)發(fā)生器（弱電）、程控直流電源（強(qiáng)電）。

3） 計(jì)算機(jī)控制與遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)

用PC機(jī)作為上位機(jī)，用LabVIEW 開發(fā)常用儀器的實(shí)驗(yàn)控制和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集功能。通過遠(yuǎn)程桌面控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。試點(diǎn)實(shí)驗(yàn)包括示波器、函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字萬用表使用，玻爾振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，磁滯回線測量，電阻熱噪聲和玻爾茲曼常數(shù)測量，繆子宇宙線測量等。

2.2.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與教學(xué)方法

1） 內(nèi)容編排———知識點(diǎn)

針對實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有限，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分散，一方面注重各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目間知識點(diǎn)之間的聯(lián)系，以及與理論知識點(diǎn)對應(yīng)的均衡，梳理關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)知識點(diǎn)如圖3所示;另一方面，將如圖4所示實(shí)驗(yàn)基本流程各環(huán)節(jié)拆解，作為教學(xué)側(cè)重點(diǎn)安排在不同的實(shí)驗(yàn)課程和不同類型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中;同時(shí)注重實(shí)驗(yàn)各維度的鏈接，將相關(guān)知識、技術(shù)穿插編排到各年級的教學(xué)內(nèi)容中（如表1所示），把一些高年級復(fù)雜實(shí)驗(yàn)所需要的知識、技術(shù)分解到低年級的實(shí)驗(yàn)中，適當(dāng)?shù)刂貜?fù)常用技術(shù)和通用儀器的使用、可強(qiáng)化操作，使學(xué)生由淺入深，更有利于知識的系統(tǒng)性學(xué)習(xí)和靈活應(yīng)用。

2） 梳理實(shí)驗(yàn)類型和要求

按《基本要求》[7]，基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn) 、綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性或研究性實(shí)驗(yàn)這 3 類實(shí)驗(yàn)教學(xué)層次的建議比例分別為：60%、30%、10%。在《基本要求》解讀的基礎(chǔ)上以及數(shù)十年來的技術(shù)發(fā)展，針對新教師經(jīng)驗(yàn)不足、學(xué)生能力提升和物理專業(yè)要求更高等的問題，細(xì)化實(shí)驗(yàn)類型，以便于教師設(shè)計(jì)教學(xué)方案。

基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)：內(nèi)容包括基本物理量的測量、基本實(shí)驗(yàn)儀器的使用、基本實(shí)驗(yàn)技能和基本測量方法的運(yùn)用、不確定度分析及數(shù)據(jù)處理理論與方法的掌握、區(qū)分客觀描述與主觀分析判斷的表述規(guī)范，以及安全意識的培養(yǎng)?；A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)側(cè)重學(xué)習(xí)知識，培養(yǎng)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的能力：一方面，它通常給出實(shí)驗(yàn)方案和儀器用具，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對應(yīng)的理論知識（通常在理論課有講述），實(shí)驗(yàn)結(jié)果在誤差范圍內(nèi)唯一;另一方面，它提供通用儀器使用、電路連接、光路搭建及調(diào)試等操作規(guī)范的訓(xùn)練。例如，示波器與數(shù)字萬用表的使用，鎖相放大器使用，LabVIEW 初步，分光計(jì)使用;工具使用以往貫穿于其他實(shí)驗(yàn)之中，僅對常用但復(fù)雜的工具單獨(dú)設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，側(cè)重于實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范的基本訓(xùn)練，以及對常見實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)故障進(jìn)行分析、判斷和排除能力的訓(xùn)練，同時(shí)學(xué)習(xí)儀器原理相關(guān)的物理知識。

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)：針對目標(biāo)和需求，在實(shí)驗(yàn)室提供的實(shí)驗(yàn)條件基礎(chǔ)上，提出實(shí)驗(yàn)原理、方法和實(shí)驗(yàn)方案，這些方法和方案通常并非唯一;對高要求的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生分析和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案;實(shí)驗(yàn)評價(jià)不僅看實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，還要看最后目標(biāo)能否或多大程度上實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)側(cè)重解決實(shí)際問題能力的訓(xùn)練，學(xué)生學(xué)習(xí)分解目標(biāo)和需求，然后逐一解決。通用儀器的使用為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)提供必要的支持。

研究性實(shí)驗(yàn)：針對某一現(xiàn)象或問題提出假設(shè)，通過研究現(xiàn)象的內(nèi)在規(guī)律、得到規(guī)律背后的物理機(jī)理，檢驗(yàn)假設(shè)是否符合預(yù)期。假設(shè)、研究方案可多樣，機(jī)理和答案也不必唯一;研究性實(shí)驗(yàn)側(cè)重探索新知識的能力訓(xùn)練;通過實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)理論課未講過或未講到的知識，甚至是全新的知識，訓(xùn)練學(xué)生的洞察力和判斷力，培養(yǎng)大膽假設(shè)、小心求證的作風(fēng)。同時(shí)也學(xué)習(xí)科研規(guī)范流程，要求以科研論文形式提交實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

綜合性實(shí)驗(yàn)：通常指涉及多個(gè)知識點(diǎn)，或多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)才能完成的實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求基本技能和操作扎實(shí)、符合規(guī)范;對設(shè)計(jì)性和研究性實(shí)驗(yàn)，要求在講義和實(shí)驗(yàn)前提供相關(guān)知識介紹和實(shí)驗(yàn)指引，開展問題導(dǎo)向方式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

為適應(yīng)個(gè)性化教學(xué)的需求和發(fā)展趨勢，我們響應(yīng)全國高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心聯(lián)席會(huì)對實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目推行四個(gè)層次分級的倡議（已列入2023年版的《基本要求》[8]），選出數(shù)個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開展教學(xué)試點(diǎn)，按認(rèn)知規(guī)律和知識的內(nèi)在邏輯，摸索各層次的內(nèi)涵和要求，將“基礎(chǔ)、深入、提升、拓展”四個(gè)層次對應(yīng)知識學(xué)習(xí)的“播種、生根、發(fā)芽、成長”四個(gè)階段（如表2）;在教學(xué)安排上，便于學(xué)生基于自己的基礎(chǔ)、能力或興趣選擇至某一層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

針對因耗時(shí)長、實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差大、學(xué)生體驗(yàn)不佳導(dǎo)致熱學(xué)實(shí)驗(yàn)開出偏少這一全國性問題，以熱學(xué)及熱學(xué)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)為教學(xué)改革切入點(diǎn)，探索在照顧知識點(diǎn)均衡的同時(shí)，提高教學(xué)質(zhì)量的教學(xué)方法。

3 建設(shè)成效

原“冰熔化熱測量”實(shí)驗(yàn)用時(shí)長、測量準(zhǔn)確度低，分析原因主要是漏熱補(bǔ)償偏差，該偏差是因原模型中的環(huán)境溫度的定義不明確、測量該溫度的熱電偶位置不明確而造成的;這是典型的物理建模與實(shí)驗(yàn)裝置不匹配的例子。用絕熱性能好的家用真空杯改進(jìn)了“混合法測量冰的熔化熱實(shí)驗(yàn)”，簡化實(shí)驗(yàn)和模型的同時(shí)，厘清了模型與裝置之間的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生利用模型分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力，并鍛煉了學(xué)生在不確定范圍內(nèi)通過分析未知量做出合理決定的能力，知識點(diǎn)覆蓋熱力學(xué)第一定律[8]。

開設(shè)“熱電熱機(jī)與熱力學(xué)第二定律”實(shí)驗(yàn)，在有限時(shí)間熱力學(xué)框架下探究熱力學(xué)第二定律，同時(shí)作為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，提供不同層次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使學(xué)生加深認(rèn)識熱電效應(yīng)，初步接觸耦合多變量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理，提高自主學(xué)習(xí)能力。結(jié)合對應(yīng)熱力學(xué)第零定律的“溫度傳感器實(shí)驗(yàn)”，知識點(diǎn)已覆蓋除第三定律外的熱力學(xué)定律。

結(jié)合空間科學(xué)技術(shù)需求和疫情期間非接觸測溫技術(shù)的廣泛應(yīng)用，開設(shè)“低溫?zé)彷椛錅y量”設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，作為高溫?zé)彷椛鋵?shí)驗(yàn)的補(bǔ)充;通過面輻射提高傳感器接收的照度，并通過熱電堆提高傳感器的靈敏度，用自主設(shè)計(jì)低溫?zé)彷椛錅y量實(shí)驗(yàn)儀器，分析展現(xiàn)能量從輻射面到傳感器的全物理過程[10]。知識點(diǎn)覆蓋熱能傳遞的三個(gè)基本方式之一和熱電效應(yīng)應(yīng)用，結(jié)合黑體輻射譜測量，展現(xiàn)從經(jīng)典物理到量子物理過渡的重要實(shí)驗(yàn)。

作為熱輻射實(shí)驗(yàn)的拓展，在比宇宙微波背景輻射更低的頻率端，展現(xiàn)出電阻熱電壓噪聲[11]。通過測量該噪聲，不但可以認(rèn)識熱噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，還可以通過噪聲功率譜密度計(jì)算玻爾茲曼常數(shù)[12]，它可以作為少有的統(tǒng)計(jì)物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)補(bǔ)充，同時(shí)作為鎖相放大器應(yīng)用于弱信號測量的實(shí)驗(yàn)。通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置的電磁屏蔽性能[13]，取得了較好的教學(xué)效果。需要指出的是，該實(shí)驗(yàn)還可以進(jìn)一步拓展，用于攝氏溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo)這兩個(gè)獨(dú)立定義的溫標(biāo)之間的關(guān)系研究，為熱學(xué)理論課提供實(shí)驗(yàn)補(bǔ)充。

探索通過實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)新知識的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，自主設(shè)計(jì)“高溫超導(dǎo)電磁性質(zhì)研究”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過測量高溫超導(dǎo)材料的電阻和交流磁化率，研究外加磁場對超導(dǎo)轉(zhuǎn)變影響的規(guī)律，同時(shí)學(xué)習(xí)低溫技術(shù)、強(qiáng)磁場技術(shù)和弱信號測量技術(shù)，在鞏固學(xué)過知識的同時(shí)，讓學(xué)生能力有綜合性的提高[14]。在該實(shí)驗(yàn)中，通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，縮小溫度差和縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，為研究多種外部因素對超導(dǎo)性能的影響提供了技術(shù)保障。該綜合實(shí)驗(yàn)亦是體現(xiàn)知識點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)的一個(gè)很好的例子。圖5展示了如何將該實(shí)驗(yàn)在知識、技術(shù)和規(guī)范3個(gè)維度分解出相關(guān)要素，特別是那些在低年級實(shí)驗(yàn)中已用過的技術(shù)和規(guī)范。

將上述熱學(xué)實(shí)驗(yàn)改革模式進(jìn)一步推廣至其他實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，把實(shí)驗(yàn)向裝置模塊化、可視化，儀器數(shù)字化、通用化，以及內(nèi)容要求多層次的適應(yīng)性改造。例如將磁滯回線實(shí)驗(yàn)裝置模塊化，可方便更換磁性材料，采用myDAQ 采集數(shù)據(jù)，通過數(shù)字積分不僅還原磁滯回線，獲得鐵磁材料的磁性參數(shù)，還進(jìn)一步拓展到磁滯損耗測量、磁隙漏磁損耗測量，加深對廣義力、廣義位移、和廣義功的認(rèn)識[15]。

2023年中山大學(xué)承辦的第九屆全國大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽（教學(xué)），物理與天文學(xué)院負(fù)責(zé)珠海賽區(qū)命題，其賽題內(nèi)容和要求也能反映出我們的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念和教學(xué)模式。（2道基礎(chǔ)題和2道綜合題的解讀已分別發(fā)表在《物理實(shí)驗(yàn)》雜志2024年第2期和第3期。）

4 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)和一系列有利于深入探究和能力培養(yǎng)的教學(xué)改革得到學(xué)生肯定，但同時(shí)普遍反映實(shí)驗(yàn)課程占據(jù)時(shí)間長，實(shí)驗(yàn)報(bào)告負(fù)擔(dān)重。這可能是新教學(xué)方式要求付出的時(shí)間代價(jià)。對此，一方面，需要教師加強(qiáng)引導(dǎo)，界定基本要求的必做內(nèi)容與深入提升的選做內(nèi)容;另一方面，鼓勵(lì)好學(xué)生挑戰(zhàn)選做內(nèi)容，反過來需要壓縮實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)量，騰出更多的時(shí)間聚焦于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。尺度如何把控，是我們在下一步需要探索的內(nèi)容。

總的來說，所建物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系為中山大學(xué)珠海校區(qū)新建學(xué)院和相關(guān)專業(yè)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了基本保障，同時(shí)還選取某些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為試點(diǎn)開展教學(xué)改革，取得了一些成效，然而離科學(xué)前沿、國家和社會(huì)需求人才的培養(yǎng)而言，仍有明顯的差距。實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的路仍很漫長，未來的工作重點(diǎn)將從課程建設(shè)轉(zhuǎn)移到內(nèi)涵式發(fā)展上來，提升教師隊(duì)伍水平、挖掘每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目潛力并提高教學(xué)質(zhì)量。好的教學(xué)理念和教改措施，需要優(yōu)秀的教師才能貫徹到位。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 李智，張朝暉.以“科研引領(lǐng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)”理念，推動(dòng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革和團(tuán)隊(duì)建設(shè)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2018， 38（3）：24-27.

LI Z， ZHANG Z H. Improvement of the physical experiment teaching guided by the idea of “l(fā)eading experiment teaching by scientific research”[J]. Physics Experimentation，2018， 38（3）：24-27. （in Chinese）

[2] 趙偉，王中平，韋先濤，等. 拔尖人才培養(yǎng)背景下開展英才物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)試點(diǎn)的總結(jié)和展望[J]. 物理實(shí)驗(yàn)， 2021，41（9）：23-28.

ZHAO W， WANG Z P， WEI X T， et al. Pilot teaching of elite physics experiment under the background of top-notch talent training[J]. Physics Experimentation， 2021， 41（9）：23-28. （in Chinese）

[3] 王琦，邱紅，謝鐵文，等.基于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)混合式教育模式與評價(jià)體系研究[J].物理與工程，2021，31（Z1）：19-27.

WANG Q， QIU H， XIE T W， et al. Research on blended education mode and evaluation system based on university physics experiment[J]. Physics and Engineering， 2021，31（Z1）：19-27. （in Chinese）

[4] 沈 韓，趙福利，方奕忠，等. 結(jié)合定量仿真的虛實(shí)結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[J].物理與工程， 2020， 30（5）：102-106.

SHEN H， ZHAO F L， FANG Y Z， et al. Virtual-reality combined physics experimental teaching mode base on quantitative simulation[J]. Physics and Engineering， 2020，30（5）：102-106. （in Chinese）

[5] 廖德駒，沈韓，崔新圖，等.基于通用設(shè)備和Multisim 的虛實(shí)結(jié)合電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[J]. 物理與工程， 2021，31（1）：96-103.

LIAO D J， SHEN H， CUI X T， et al. Virtual-reality combined teaching mode for electric experiments of college physics laboratory based on commonly used instruments and Multisim[J]. Physics and Engineering， 2021，31（1）：96-103. （in Chinese）

[6] 趙國儉，徐麗紅，王佳樂，等.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)“基礎(chǔ)—進(jìn)階—高階”教學(xué)模式的探索[J].物理與工程， 2022， 32（6）：148-158.

ZHAO G J，XU L H，WANG J L，et al.Exploration of the teaching mode of “basic-intermediate-advanced” in college physics experiment[J].Physics and Engineering， 2022，32（6）：148-158. （in Chinese）

[7] 教育部高等學(xué)校大學(xué)物理課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì).理工科類大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求[M]. 北京：高等教育出版社，2010.

[8] 教育部高等學(xué)校大學(xué)物理課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì).理工科類大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求[M]. 北京：高等教育出版社，2023.

[9] 薛玉琪，何振輝.用真空杯改進(jìn)混合法測量冰的熔化熱實(shí)驗(yàn)[J]. 物理實(shí)驗(yàn)， 2021， 41（11）：9-13.

XUE Y Q， HE Z H. Measuring the melting heat of ice with a vacuum cup based on the mixing method[J]. Physics Experimentation，2021， 41（11）：9-13. （in Chinese）

[10] 鹿博，薛玉琪，何振輝.低溫?zé)彷椛鋵?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及教學(xué)方法[J]. 物理實(shí)驗(yàn)， 2021，41（4）：11-16.

LU B， XUE Y Q， HE Z H. Design and teaching method of an infrared radiation experiment[J]. Physics Experimentation，2021，41（4）：11-16. （in Chinese）

[11] 何振輝. 鎖相放大器噪聲測量原理與教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J]. 大學(xué)物理， 2022， 41（11）：22-27.

HE Z H. Principle of noise measurement with lock-in amplifiers and teaching design for laboratory courses[J]. College Physics， 2022， 41（11）： 22-27. （in Chinese）

[12] 李佳明，申玉寬等. 通過電阻熱噪聲測量玻爾茲曼常數(shù)的教學(xué)探索[J]. 物理實(shí)驗(yàn)， 2023，43（8）：29-35.

LI J M， SHEN Y K， ZHANG H Y， et al. Teaching practice of Johnson noise measurement on Boltzmann constant determination[J]. Physics Experimentation， 2023，43（8）：29-35. （in Chinese）

[13] 申玉寬，何振輝. 不同溫度下電阻熱噪聲測量方案與電磁屏蔽的改進(jìn)[J]. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)， 2023，36（2）：54-58.

SHEN Y K， HE Z H. Improvement of resistance thermal noise measurement and electromagnetic shielding at different temperatures[J]. Physical experiment of college，2023，36（2）：54-58. （in Chinese）

[14] 何振輝，劉艷芬，趙芳.從高溫超導(dǎo)交流抗磁性實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)超導(dǎo)電性的教學(xué)探索[J]. 物理實(shí)驗(yàn)， 2022， 42（5）：35-40.

HE Z H， LIU Y F， ZHAO F. AC diamagnetism experiment of a high temperature superconductor[J]. Physics Experimentation， 2022， 42（5）：35-40. （in Chinese）

[15] 穆翠玲，馬波，等. 基于NI myDAQ 的積木式磁滯回線實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2024，44（4）：12-18.

MU C L， MA B， et al. Design and teaching practice of hysteresis loop experiment with building block setup and NI myDAQ[J]. Physics Experimentation， 2024， 44（4）：12-18. （in Chinese）