基于全国大学生物理实验竞赛命题导向的物理实验教学探索

王 槿，王 铮，惠王伟，李文华，刘东奇， 郑大怀，钱 钧，姚江宏，孔勇发

(南开大学 a.物理科学学院；b.基础物理国家级实验教学示范中心，天津 300071)

2019年7月18日，第5届全国大学生物理实验竞赛(Chinese undergraduate physics experiment competition， CUPEC)在南开大学成功举办. 这是继第1～2届在中国科技大学，第3～4届在南京大学成功举办后的全国规模最大的物理实验类学科竞赛. 来自国家级物理实验教学示范中心、国家理科基础科学研究和教学人才培养基地物理学专业点、国家工科基础课程物理教学基地等的全国56所高校的214名选手分别参加了基础实验题A“液体的表面张力系数的测量”、基础实验题B“滤波电路的研究”、综合实验题A“基于傅里叶变换的频谱测量与应用”和综合实验题B“基于铌酸锂晶体探究激光与物质的相互作用”4项命题式竞赛. 本文结合历届全国大学生物理实验竞赛命题，分析命题特点与导向，以期夯实基础物理实验教学，并且探讨物理实验教学改革的方向.

1 题目分析

表1和表2中汇总了1～5届全国大学生物理实验竞赛的基础题和综合题[1-11]. 从命题上看，基础物理实验命题基于常规物理实验，始终围绕着对基本量的测量和思考，体现了对学生动手能力、思考能力的要求. 在历届命题中，考察了质量、切变模量、杨氏模量、泊松比、表面张力系数等力学量，温度、比热容、熔解热等热学量，电压、电流、阻抗、功率、频率、相位、电导率、磁导率、磁矩、磁感应强度等电磁学参量，以及折射率、色散关系等光学相关参量.

全国大学生物理实验竞赛的基础题命题，立足于基本知识点的考核，其衍生内容为实验改进提供了非常好的思路和素材. 在基础物理实验中，RLC电路相关实验既是重点，也是难点，在第1届、第4届和第5届命题中都有考核. 第1届综合实验题A中，要求用基础的RLC共振的实验方法研究光在介质中的传播速度，将折射率的测量转化为相对电容率和相对磁导率的测量，并且同分光计上的表面等离子体激元共振(Surface plasmon resonance, SPR)方法比较，依旧是非常经典的案例. 第4届基础实验题B中，要求基于RLC串联电路，研究RLC串联谐振电路的暂态和稳态过程，并且在此基础上进行了内容拓展，引入了非线性元件，研究非线性RLC振荡电路. 在第5届基础实验题B中，要求利用RLC电路研究无源滤波电路的特性，包括一阶和二阶RC滤波电路、RLC选频电路以及利用滤波电路的特性进行元件判断和参量测量. 相关竞赛内容既可以独立地作为实验项目，也可以作为实验的拓展补充，为相关实验内容改革和实验装置设计提供了新的思路.

表1 1～5届全国大学生物理实验竞赛基础题目汇总

表2 1～5届全国大学生物理实验竞赛综合题目汇总

磁场测量是大学物理实验中的重要组成部分，也是竞赛命题的重点之一，多届竞赛命题都有涉及. 在第1届基础题A中，要求基于霍尔效应测量霍尔片的不等位电势、载流子浓度和电导率等相关参量，并且在此基础上研究锑化铟的磁阻效应. 第3届基础题A中，将力学和电磁学知识相结合，研究磁针在磁场中的运动，测量磁场分量、磁针的磁矩和转动惯量等相关参量. 第3届综合题B中，要求利用霍尔效应测量样品的霍尔系数、电阻、载流子浓度等相关参量，考察了考生利用所掌握的基础知识解决实际问题的能力.

综合题的命题体现了聚焦经典物理理论、国际前沿性、技术引领性和综合性的特点，对学生阅读文献能力、融会贯通的物理思维能力以及团队合作能力进行了考核. 综合题对同组的2位考生要求更高，需要阅读大量的背景材料，运用基础物理知识和技能进行分析和推理，设计实验步骤，搭建实验装置，完成相应测量和问题解答. 第2届综合实验题A中的磁光效应源于1902年诺贝尔奖. 第4届综合实验题B中研究的类切伦科夫辐射源于1958年诺贝尔奖，第5届综合实验题B中考核的光折变效应是2018年诺贝尔奖获得者Arthur Ashkin发现的. 综合命题对于表面等离子体共振、高温超导等物理现象，以及对超声探测、薄膜导向性、场效应管等与技术应用联系紧密的物理现象有考核.

全国大学生物理实验竞赛的命题在基础和综合命题上体现了融会贯通、对学生能力培养的梯度要求. 例如，对于霍尔效应相关知识的考核，体现在第1届基础实验题A、第3届基础实验题A以及综合实验题B的命题中. 从霍尔效应及其副效应到磁阻效应的研究，再到利用霍尔效应相关知识测量样品的电阻、霍尔系数、载流子浓度等相关参量，从原理到应用，命题内容梯度分明，考察考生能否将所掌握的基础知识和实验技能融会贯通，学以致用.

2 对学生实验素养培养的新要求

全国大学生物理实验竞赛反映的不仅仅是对传统实验知识和实验技能的要求，更体现了对学生实验素养的新要求. 要求学生在具备基本实验技能的基础上，具有较全面的物理量和测量的基础知识，掌握基本的生物、化学等相关科学领域的基本知识，了解实验室安全操作规定，这些派生要求往往在基础物理实验课程大纲之外.

通过竞赛命题，可以看到“专题式实验教学”模式的重要性. “专题式实验教学”可以理解为围绕某个物理中的待测量，开展一系列的思考、探索和测量. 这种教学方法可以在教材[12-14]中找到很好的范例，即针对某个基本物理量开展教学引导. 由于物理知识的广博深邃、测量方式千变万化，基础物理实验教学尽管不可能做到在有限的学时内穷尽各种测量原理和测量方式，但仍然可以开展类似的探索.

以温度的测量为例，基于物质的膨胀、压力、电阻、热电势和辐射性质随温度变化的原理，可以分为膨胀式温度计、压力式温度计、电阻式温度计、温差电偶温度计和辐射式高温计. 由于测温原理和材质的不同，各种温度计的测温范围不一. 按感温元件是否直接接触被测温度场或者介质，又可以分为接触式和非接触式温度计. 一般地，膨胀型温度计、压力式温度计、电阻温度计和温差电偶温度计等属于接触式测温. 非接触式测温方法按原理来分，又涵盖基于声学和基于光学的测温方法. 基础实验室如果配备了热成像仪和标准黑体等装置,可以探索热辐射相关实验. “专题式实验教学”可以涵盖基本物理量的各个方面，能够引导学生从常见的测量仪器出发，从思维上进行拓展.

再以折射率的测定为例，在1～3届试题中都有体现，分别使用了双光栅Lau效应、迈克耳孙干涉仪和最小偏向角法. 除上述实验方法外，在基础物理实验中，常用的在分光计上开展的测量折射率的方法还有全内反射法和布鲁斯特角法，部分高校还开展了基于干涉原理的光学相干层析(OCT)方法. 这些方法的精度如何，适用于何种样品，实验现象有何区别，“专题式实验教学”能够从待测量出发，引导学生进行方法比较，深入理解相关的物理知识. 比如在测量空气比热容比实验中，可以利用绝热膨胀法、振动法和声速法进行测量. 基于物理量开展的系列实验，可以开阔学生视野，对知识融会贯通.

实验技能的培养中，学生的动手能力、探索能力、阅读理解能力同样重要. 当考生面对一堆散件，类似于头脑风暴，需要在短时间内能利用最基本的物理原理，搭建装置并进行测量，例如，第5届基础实验题A“液体表面张力系数的测量”，全部是散件，包括铁架台、玻璃器皿、乳胶管、光源等合计30余种器材，需要学生有较强的动手能力进行组装. 第4届综合实验题A中，要求学生将超导样品焊接在低温恒温器上，进而利用四端子法进行电阻测量. 第5届综合实验题A中，傅里叶频谱测量成像透镜焦距原理，以附件形式展现的内容有9页之多. 要求考生在短时间内了解相关背景知识，掌握关键知识点，这对考生提出了极高的要求.

基础物理实验命题体现了学科交融，对学生的基本实验素养提出了更高的要求. 譬如，第5届基础实验题A“液体表面张力系数的测量”考察了2种方法：毛细管上升法和最大泡压法. 传统的物理实验教材中介绍了毛细管上升法、拉丝法和拉环法等，而最大泡压法是化学基础实验中常见的方法. 利用滴液产生压差是常见的物理方法，但是考试现场许多考生没有想到. 第1届综合实验题A需要使用超声波清洗器对表面等离子激元组件中的样品池进行清洗. 第4届综合实验题B中，材料出现了聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)的硅胶、PDMS固化剂和甲苯溶液，需要学生配置至少9种以上配比的PDMS溶液，以得到不同的折射率，搭建光路观测切伦科夫辐射角. 尽管实验提供了配置样品的视频指导，但考生还是叫苦不迭. 可见，物理实验教学在一定程度上融入通识教育的内涵，要求学生培养科学的操作习惯、科学的思维方式，能够在一定范围内发现问题并解决问题.

3 对实验室建设的启示

从历届的成绩来看，综合题的考核结果普遍不理想，值得反思. 2013年至2016年及2018年，国际物理奥林匹克竞赛和亚洲物理奥林匹克竞赛(以下简称奥赛)的国家队集训和实验培训在南开大学基础物理实验中心进行[15-21]. 实验中心有包括“风能及其测量”、“摩擦系数的测定”、“利用激光衍射测量螺旋结构参量”、“液体中的超声速度”等若干套竞赛仪器. 比较高中生和大学生的2种竞赛命题，结合目前的基础物理实验课程设置，竞赛主要考察学生的实验设计能力、动手能力以及利用所掌握的知识解决问题的能力. 奥赛所提供都是基础元件和简单器件，对学生的动手能力要求非常高，学生要利用这些元件和器件完成实验方案设计，搭建实验系统，完成数据测量和处理. 反观目前大学基础物理实验教学，许多仪器由于智能化和集成化较高，实验设计和动手操作的内容很少，对于学生来说这些仪器就是“黑箱”，反而不利于学生能力的培养.

全国大学生物理实验竞赛为物理实验教学提供了大量低成本的实验室改进方案，可以使偏远地区和缺乏实验经费的学校受益. 从实验室的建设成本来说，以测量表面张力系数的几种方法为例，基于液滴形貌识别的悬滴法和液桥法需要CCD相机和计算机处理，增加了基础实验室改造成本，而毛细管上升法和滴体积法的成本都非常低，可以将单套实验装置成本限制在百元左右. 最大泡压法既可以利用成本较低的滴液瓶产生负压，也可以利用比较昂贵的气泵装置产生正压，可以参考第5届实验竞赛设计，采用成本较低的滴液瓶来产生. 基础物理实验室的建设在注重高精尖测量设备的配套同时，应该保持传统的开放和自组的经典实验，让学生真正地动手搭建实验装置，增强对物理相关知识的理解.

传统实验课的课时、场地以及实验室建设成本一定程度上限制了“专题式实验教学”的开展，因此混合式的线上线下课提供了解决问题的一种手段. 相关高校管理部门应该在仪器配备上予以支持，让学生通过实验预习了解更多的测量方法和手段，能够在完成若干基本测量方法的基础上，进行更多形式的探索.

基础物理实验室在经费允许的条件下，应该保持一定的通用测量仪器的更新率. 例如第4届综合实验题B中需要用电脑和截图软件测量辐射角度，现场需要学生阅读说明书、安装软件并测量. 第5届综合实验题A中，需要利用CCD光强仪和示波器组合完成实验测量，将光信号转换成电信号，用示波器直接读出. 示波器得到的信号的读数为时间数据，需要转换为频谱点的空间距离数据进行后续计算.

在基础物理实验框架内，磁学方面除了竞赛相关的考核内容外，铁磁材料的磁化特性研究也是电磁学实验的重要组成部分. 我校在基础物理实验中开设了铁磁材料静态磁化特性曲线测量和铁磁材料交流磁特性实验，这些实验装置均为自制装置，实验内容丰富，可以充分锻炼学生的动手能力. 所以光学实验室要建设光学平台上的光学实验，鼓励学生开展自组、自拟的开放性实验，最大程度让学生多动手、多思考.

4 对实验教师的新要求

“专题式实验教学”对实验教师的知识体系有了更高的要求：熟悉基础测量，了解科研前沿，紧跟行业进步，将基础实验升华为学生探索科研和应用前景的一把钥匙.

传统实验教学中的改进无处不在. 譬如成套的实验装置通常采用光电门方式进行速度读取，可以利用手机传感器phyphox测量软件，让学生探讨其在转动惯量、多普勒效应等实验中的改进. 利用摄像机加上Tracker软件进行气垫转盘等实验的数据提取. 这些简单易行的实验改进手段可以非常好地融入到基础物理实验教学中，让更多学生受益.

2019年春季，南开大学启动了交叉学科实验建设项目，计划针对化学、医学和电子信息与光学工程3个学院的学生开设实验课程. 譬如，对化学专业，开设荧光光谱、测量分子吸收光谱、超声光栅测量液体声速、测量溶液折射率等实验；对于医学专业学生开展液体性质测量相关实验；对于电光学院学生，开展利用NImultisim软件进行仿真，利用锁相放大器进行微小阻抗测量、电阻热噪声测量以及二极管结电容测量等实验；对于物理系学生，开设万用表的制作、液晶盒的制作、照相原理等实验，通过焊接、液晶样品配置、显影液的配置等操作训练，学生具备一定的化学基本常识，养成良好的操作规范.

新时期的实验教学对实验教师提出了更高的要求. 全国大学生物理学术竞赛(China undergraduate physics tournament， CUPT)的开展让参与学生受益颇丰，大有第二课堂赶超第一课堂之势. 非常巧合的是，今年是第5届暨第10年的CUPEC，也是CUPT十周年. 在CUPT过去的10年间，参与学生和教师在不断地成长受益.

另一方面，应该认识到大学基础物理实验的受众面往往是全校的理工科学生，是更大的群体. 非物理专业学生通过大学基础物理实验获得的科学的测量方法、科学思维模式的培养、分析和解决问题的能力提高，会让学生在以后的学习研究中受益.

物理实验是博大精深的，伴随着科技时代进步与不断发展. 在传统实验教学中不断地注入新鲜血液，让实验教学保持与时代发展同步，是实验教师的使命所在.

5 结束语

在1～4届竞赛的基础上，从第5届竞赛开始，安排了赛后的考场开放，教师可以自由进入考场，同命题专家进行交流. 竞赛期间安排了教学交流会，赛后针对考生和学校课程设置等进行了问卷调查，并且计划于2020年年初针对第5届全国物理实验竞赛命题开展教师交流活动. 2019年11月15日，CUPT十周年研讨会也将在南开大学举办. 以赛促建，全国大学生物理实验竞赛期待以更加开放的形式促进物理实验的教育教学发展.

致谢：感谢第5届全国大学生实验竞赛命题组和竞赛组委会的各位专家！感谢各高校国家级物理实验教学示范中心、国家理科基础科学研究和教学人才培养基地物理学专业点、国家工科基础课程物理教学基地等的鼎力支持！感谢南开大学物理实验教学中心及物理科学学院参与竞赛筹备的各位老师！感谢天津市物理学会、南开大学设备处和教务处、大赛参展厂商等单位对赛事的支持！