竞赛与教学相融合的开放式物理实验教学探索

钟菊花 顾英俊 章登宏 房 毅 朱云霞

(华东理工大学理学院，上海 200237)

竞赛与教学相融合的开放式物理实验教学探索

钟菊花 顾英俊 章登宏 房 毅 朱云霞

(华东理工大学理学院，上海 200237)

大学物理实验是一门体系完整，具有丰富的物理实验思想、方法和手段的基础课程。CUPT赛题来源于日常生活及生产与工程技术，内容丰富而新颖，道理深刻而发人深思，极易激发学生学习兴趣和探索欲望，在培养学生创新意识和能力方面成为物理实验课程的极好补充。为了有效调动学生的学习积极性，将CUPT竞赛融入物理实验教学，形成了多元化、开放式的物理实验教学模式，营造充分发挥学生自主性和创造性学习的环境。本文通过实例阐述将两者融合对活跃学生思维、探索未知能力的培养所产生的作用。

大学物理实验；开放式教学； CUPT竞赛

物理实验课程着重讲授基本实验原理、实验方法和实验的科学思想，但在与应用结合方面考虑较少，这在一定程度上降低了学生的参与热情。与此同时，多数教材中实验步骤已十分详实，学生很难有自由发挥的余地，只能照章办事，这就进一步降低了学生的自主学习兴趣。久而久之，学生将养成循规蹈矩的思维模式，缺乏想象力和创造力，不利于创新型人才的培养。

提高人才培养质量是高等教育最核心、最紧迫的任务，其中学生创新精神、实践能力的提升是人才培养的关键，因此实验教学应成为加强学生基本操作技能、创新思维、科学探索精神和科研创新能力培养的重要环节[1]。由于传统的实验教学模式相对封闭，学生获得的往往只是对课本知识的加深及基本技能的锻炼。因此，国内外高校纷纷开展开放式实验教学研究，打破常规实验教学中指定时间、指定地点、指定内容的局限，以充分发挥学生的主动性、创造性，提高其实验操作技能，培养科研创新意识和能力[2]。

1 开放式实验教学，激发思维

开放式实验教学强调以学生为主体，为学生营造充分发挥自主性学习和创造性的环境[3]。但也不可否认，由于经验不足，不少高校所开展的开放式实验教学还停留在形式和表面上，对实验过程缺乏有效的指导，学生自选实验内容时缺乏系统性，无法对学生进行个性化的指导，评价方式缺乏科学性，对学生打好实验基础、提高实验的设计能力不利。为此，许多高校都针对自己学校学生的特点，开展了各种类型的开放式教学研究。本文将介绍我校多年来开展的以学生兴趣为导向、学术竞赛为载体的开放式物理实验教学模式。

近年有国内众多高校参与的大学生物理学术竞赛(CUPT)与传统物理实验课程内容有明显不同[4]，它要求学生对某些实际物理问题进行综合性理论与实验研究，突破了实验教学的传统模式。例如，2012年竞赛第2题 “Cutting the air—When a piece of thread (e.g., nylon) is whirled around with a small mass attached to its free end, a distinct noise is emitted. Study the origin of this noise and the relevant parameters”(译：切割空气——当在一段绳子如尼龙的自由端系上一个小物体后甩动将发出噪音，请就噪音的根源与影响参数进行研究)，是一个在日常生活中经常遇到的现象，人们很少会深究这声音的来源。它要求学生不仅要观测实验现象，还得寻找发声的规律，从理论上分析产生声音的原因。这道题目既包含振动与波的知识，还与流体力学相关。要求学生首先要查阅相关资料与文献，再通过实验设计和理论分析，确定声音产生的原因，得到声音的频率与相关参量的表达式，通过滤波等技术从实验采集的声音信号中获取其频率数据，验证此频率与小重物直径、甩动角速度、雷诺数等的关系。

另外，CUPT的赛题几乎都是全开放式的，基本不设置限定性条件和参量。如2014年竞赛第8题“Freezing droplets—Place a water droplet on a plate cooled down to around -20℃. As it freezes, the shape of the droplet may become cone-like with a sharp top. Investigate this effect.”(译：冷冻水滴—将一个水滴放在冷却到约-20℃的盘上，在它结冰时水滴的形状变为有个尖顶的锥形体。请研究这个效应)。此题要求水滴在约-20℃的盘上冻结，而其他参量和实验条件均需要学生在研究中自行设计和深入探讨，并且影响因素较多：如水滴的体积、盘的导热系数与比热、环境温度、盘的温度、润湿角等等，给学生提供了很大的自由探索空间。

2 CUPT竞赛，探索未知

“知之者不如好之者，好之者不如乐之者”，说明人的兴趣对于从事一项活动的重要性。由于CUPT的赛题基本来源于日常生活及生产与工程技术，是未被加工或被加工成份甚少的实际问题[5]。这种实际问题使学生感到亲切，激发了学生学习兴趣和探索欲望，他们充分认识到物理学不是抽象的理论体系，而是活生生的、非常有用和有趣的，从而形成科学的自然观、世界观。

开展CUPT竞赛将解决学生不善于、不愿意提问的缺点。提问是一向被国内教育所忽视的问题，学生们也习惯于被问，不善于在生活中发现和提出问题，而科学研究的第一步就是“质疑”[6]。由于CUPT赛题只给出了现象性描述，学生必须从现象入手提出科学性、理论性问题。进行理论分析时需要运用抽象、简化等科学方法将客观、真实的物理问题转化为物理和数学模型，从而有效地提高学生分析、解决实际问题的能力。

以下将通过若干实例说明将CUPT竞赛引入普通物理实验教学对学生创新能力培养所产生的作用。

图1 液柱上的类“驻波”现象

(1) 2016年竞赛第10题为“Light Rings—Let a liquid jet fall onto a surface. If the contact point is illuminated by a laser beam, rings of light around the jet can be observed. Investigate the light rings and determine how they depend on relevant parameters of the whole system.” (译：光环——将液体喷向一表面。如果激光照射到接触点处，人们便会看到围绕液柱的光环。请研究这些光环，并确定它们如何受到整个系统相关参量的影响)。这是一个在生活中很容易观察到的现象，当打开自来水龙头调细水流或用手指或平板阻挡水流时，就会产生如图1所示的“驻波”现象。将激光照射在水柱和平面接触点上，可在液柱上清楚地观察到一圈圈的光环。“驻波”是如何产生的？光环又是如何形成的？与哪些因素有关？如何才能观察到稳定图像？学生需要通过综合运用伯努利方程、表面毛细波模型，以及光的漫反射、全反射和折射原理等相关知识，将问题简化处理，再通过实验检验，才能准确地解释这些问题。

(2) 2014年竞赛第17题“ Chocolate Hysteresis—Chocolate appears to be a solid material at room temperature but melts when heated to around body temperature. When cooled down again, it often stays melted even at room temperature. Investigate the temperature range over which chocolate can exist in both melted and ‘solid’ states and its dependence on relevant parameters.”(译：巧克力热滞——巧克力在室温下表现为固态，但约在体温下就会融化。如果再次冷却，即使在室温下它常常会仍然保持着熔融状态。研究巧克力能以熔融和固态两种形式存在的温度范围，以及与相关参数的依赖关系)。这个课题的研究瓶颈在于巧克力的融化和凝固点的判断方法，寻找准确有效地测量方法就是研究的关键。学生们首先尝试了直接观察法，即用光学显微镜观察流动性。实验发现，虽然用直接观察法能较准确观察到升温过程中巧克力的融化，但不易通过流动性判断其在降温过程中的凝固点。在不断探索中，发现如果测量巧克力的粘度(可使用旋转粘度测量仪)，就能有效判断其融化和凝固点。因为升温和降温过程中巧克力粘度的变化非常之大，且存在多态现象，如图2所示。在降温过程中，巧克力的粘度会缓慢增大；如果粘度突然变大，此时的温度可认为是凝固点F。在升温过程中，粘度逐渐变小，如果突然不变，此时的温度认为是熔化点M。

图2 巧克力升降温过程的粘度随温度变化的“热滞回线”

(3) 再如2014年竞赛第7题“Pot-in-pot refrigerator—The ‘pot-in-pot refrigerator’ is a device that keeps food cool using the principle of evaporative cooling. It consists of a pot placed inside a bigger pot with the space between them filled with a wet porous material, e.g. sand. How might one achieve the best cooling effect?”(译：罐中罐冰箱——“罐中罐冰箱”是利用蒸发制冷原理使食物保持冷却的装置。它是将一个小壶置于另一个较大的壶内，其间填充了湿润的多孔材料，如沙子。如何达到最佳冷却效果?)。这是一道源自非洲沙漠中的居民夏天用来保鲜食物的一种“沙漠冰箱”——罐中罐冰箱。要求参赛者通过现象观察、实验研究和理论分析，优化相关参数，达到最佳降温效果。对众多的影响因素综合研究后，学生们发现：环境风速越大，降温速率越大，但为了保持多孔材料的湿度需要频繁加水。如何稳定多孔材料的湿度？学生们构建了补水装置，即通过在罐中罐冰箱的外罐底部开孔，用海绵与水罐相连，使得多孔物质中的水分得到有效补充，保证其湿度在一小范围内波动，从而大大延长了低温时间，因而装置也更具有实用性。

3 竞赛与教学的融合，培养能力

CUPT赛题源自IYPT(International Young Physicists’Tournament)，每年17个课题，提前一年公布。我们将此课题作为我校一、二年级学生 “自主设计研究型实验”内容引入物理实验教学中，这样实验教学年年增加新内容，保持了教学的趣味性、先进性、创造性和有效性。

为了使“自主设计研究型实验”和CUPT学术竞赛有序开展，我们以物理实验中心现有的仪器设备为依托，建设了100 m2大学生物理学术研究基地，增配了部分基本物理量测量传感器等自主研究所需的仪器设备，基地对学生全方位开放。

3.1 组织与实施

“自主设计研究型实验”由学生自由组队，2～4名同学组成一个研究小组，每组从CUPT赛题中选择一个有兴趣的课题进行研究，各班小组间题目不能重复。研究时间为一学期，定为6学时，占物理实验总成绩的20%。在此期间，学生可在课程网站上查阅实验室现有仪器设备、实验方案设计实例、PPT制作规范以及学生们发表的相关论文等有助学习和研究开展的信息。在研究阶段，要求学生相互配合，查阅文献资料，自行设计研究方案，添置实验器材，搭建实验平台，采集实验数据，进行理论知识的自我学习和运用，直到完成实验数据分析、总结、得出研究结论、报告撰写与答辩。

3.2 监督与管理

为使“自主设计研究型实验”有效开展，使参与学生都有收获，必要的督促和管理是不可缺少的。经过几年的实践探索，形成一套较为行之有效的方法。

(1) 实验方案的确定。在选题后，学生用两周时间查阅文献资料，提交研究方案。老师要在一周内对这些方案的可行性进行评估与把关，学生根据老师的建议修改研究方案。

(2) 实验装置的搭建。学生进入实验室了解实验仪器设备和器材等情况，熟悉仪器的操作规程，自行搭建实验装置，做好实验记录工作。

(3) 研究进展督查。督促学生制订研究计划，根据研究目标，通过调节实验参数和条件，记录相关实验数据，并拍摄相关视频，获得大量有价值的研究结果。

(4) 总结评比。在经过近半年的自主研究之后，期末进行综合考察。所有小组成员都要对研究工作进行总结，使用多媒体在规定时间内汇报自己的研究结果，回答老师、同学提出的问题，要求小组每位同学都发言。最后，根据老师和学生组成的评委打分结果，对各小组进行排名。

这些举措保证了研究计划的有序开展，参与学生虽感到有压力，但责任意识、竞争意识大大增强。

3.3 实施效果

通过这些训练，学生初步体会到什么是研究。遇到不确定性的或者复杂的问题就不再恐慌，能尝试用近似、模拟等方法进行处理。事实证明，将CUPT与基础教学相融合所形成的开放式教学模式，不但使得学生在理论知识、文献阅读能力、实验设计能力、数据处理能力、科研方法方面得到训练，还在团队协作精神、人文素养、论文写作和表达能力方面得到提高。我们的教学效果也在大学生物理学术竞赛中得到检验，华东理工大学代表队自2011年参加全国CUPT比赛以来，共获得二等奖6项，个人单项奖2项。

4 结语

CUPT课题作为我校一、二年级学生物理实验教学中“自主设计研究型课题实验”内容，通过6年的教学实践与研究，有效促进了竞赛与教学活动的相互融合，形成了多层次、开放型的立体化实验教学模式，使得实验教学平台与创新竞赛平台建设都得到发展，两平台贯通使用、相得益彰。由于CUPT赛题来源于日常生活及生产与工程技术，能激发学生自主学习兴趣和探索欲望。实践证明，在经历过开放性研究与探索后，学生的开放性思维能力、创新意识、解决实际问题的能力以及分工合作的人文素养都得到极大的提高，取得良好的教学效果。

[1] 方恺，杨丽佳，蔡天芳，等. 美国物理教育研究进展[J].大学物理，2010(7):49-52. Fang Kai, Yang Lijia, Cai Tianfang,et al. Review of physics education research in Americ[J]. College Physics, 2010(7): 49-52.(in Chinese)

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OPEN EDUCATION EXPLORATION IN UNDERGRADUATE PHYSICS EXPERIMENT BY INCORPORATION OF PHYSICS TOURNAMENT INTO THE ELEMENTARY COURSE

Zhong Juhua Gu Yingjun Zhang Denghong Fang Yi Zhu Yunxia

(College of Since， East China University of Since and Technology， Shanghai 200237)

The university physics experiment is a basic course of physical experiment with complete system, rich experiment ideas, methods and approaches. The CUPT contest which is originated from the daily life and production and engineering technology, with deep principles, and is rich in content and novel, is attractive to the students, and can provide much material for thinking, is proven as an excellent supplement to the traditional course of university physics experiment in cultivating students' innovation capability. In order to effectively inspire the enthusiasm of the undergraduate students, it is still necessary to incorporate the physics academic contest CUPT into the teaching of general physics experiments, so as to form a comprehensive and open teaching methodology，give full play to students' autonomy and creative learning environment. Through examples, this paper expounds the effect of the incorporation on the cultivation of active students’ thinking and the exploration of the unknown abilities.

college physics experiment; open education; China Undergraduate Physics Tournament (CUPT)

2017-06-17

华东理工大学2016年本科教育教学改革项目(ZK1626003)；华东理工大学2017年教育教学规律及方法研究项目(ZK1726105)。

钟菊花，女， 副教授，主要从事物理实验教学与研究，jhzhong@ecust.edu.cn。

钟菊花，顾英俊，章登宏，等. 竞赛与教学相融合的开放式物理实验教学探索[J]. 物理与工程，2017，27(5)：99-102.