基于“强基计划”的基础物理实验改革探索

高 博,张 倩,张俊武,童 童,张 沛,王红理

(西安交通大学 物理学院 大学物理国家级实验教学示范中心，陕西 西安 710049)

2020年1月，教育部发布了《关于在部分高校展开基础学科招生改革试点工作的意见》，旨在落实全国教育大会精神，服务国家重大战略需求，加强拔尖创新人才培养，简称为“强基计划”[1].“强基计划”的目标是通过持续的基础学科人才培养，满足支撑国家科技和社会经济持续稳健发展的未来关键技术人才需求.当今国际格局呈多极化发展趋势，科技竞争日趋激烈，科技创新已成为国与国之间争夺发展权和话语权的核心，促进科技和教育相结合成为建设国家创新体系的关键[2].“强基计划”主要突出基础学科的支撑作用，聚焦高端芯片与软件、智能科技、新材料、先进制造和国家安全等关键领域的人才培养.

西安交通大学是首批入选“强基计划”物理专业的高校之一，结合学校“扎根西部、服务国家、世界一流”的办学定位和“致力于培养崇尚科学、求实创新、勤奋踏实、富有社会责任感和高尚品质的杰出人才”的培养目标，融合学校雄厚的工科基础与物理优势资源，提出了立足物理基础面向战略技术的物理学“强基计划”培养方案[3].物理学是传统的基础学科，“强基计划”重点是聚焦关键前沿技术，此背景下的基础物理实验是人才培养过程中至关重要的教学环节之一，是学生强基固本，提升独立思维、动手能力和自主探究能力的关键.近年来，基础物理实验教学改革日新月异，相关学者针对教学模式、教学内容及方法展开了积极尝试[4-6]，引发了对物理实验教学新的思考.不同于以往教学改革，本文是基于当前国内基础物理实验教学现状，结合“强基计划”培养目标，对基础物理实验教学模式和内容展开了一系列积极尝试，同时多维度分析了学生的教学评价反馈，给出了“强基计划”物理实验改革的积极尝试方向.

1 “强基计划”基础物理实验教学目标

“强基计划”物理专业力求通过理工深度交叉融合、优势工科强基拓新、科教融合协同创新，培养具有宽广、扎实物理基础，并接受严格工程实践训练，有志于服务国家重大战略需求和面向基础科学前沿的优秀人才.因此，基础物理实验教学改革应该以此为驱动力，以全新的实验教学模式助力强基特色理工复合型人才培养.

1.1 重塑系统化实验内容框架

物理学为基础学科，而基础物理实验则是学生本科阶段的入门实验课，其特点要求学生对综合理论知识和近现代各类技术融会贯通，当前实验课程受制于各类因素的影响，使得学时内容与教学要求无法匹配从而导致教学效果差.本文将原有基础实验划分为4大模块，系统化重构了教学内容，在多个教学层次，通过保证基础、与理论同步、综合应用、自主引导等措施达到了基础物理实验的教学目标.

1.2 重构知识点与实验技术结合的教学资源

在传统基础物理实验课上，学生的学习过程大多是对理论知识的验证，往往只是按部就班的机械操作，难以深入理解知识点和实验技术之间的融合.因此，在教学中尝试通过拓展应用、竞赛实践与研讨课等手段，打通理论知识与技术应用之间的壁垒，让优势的教学资源为强基学生的理工融合目标奠定良好的基础.

1.3 重燃学生实验课程的学习兴趣

在实验思想、方法及实验手段等方面，物理实验是各学科实验的基础，但因实验课历史定位及实际授课情况，学生评价普遍不高，导致学生对实验课兴趣缺乏.通过教学模式与内容改革，在操作实验与拓展和实验研讨与自主作业环节中，提升学生对实验课程的兴趣，从而实现对基础实验课程的改革目标.

2 “强基计划”基础物理实验的内容模式

根据课程改革目标，面向“强基计划”的基础物理实验在以往单一的多个基础类操作实验的课程内容上做了较大更新，主要包括实验理论、操作实验、实验研讨与自主作业4类课程模块，如表1所示.

表1 教学模块及能力培养维度

在实验理论课部分，增加误差理论与数据处理部分的学时，使学生掌握理论基础，以便在操作部分正确并且熟练分析实验误差，掌握数字化数据处理工具；操作实验部分，充分利用小班授课的灵活性，保证基础理论课与实验课基本同步，有效提升实验教学效果；在实验研讨课环节，通过若干实验(例如霍尔效应、黏度等)在生产生活中的实际应用开展研讨课，将原理知识与实验技术深入融合；利用完全自主实验、科普视频制作、实验装置设计等大作业形式，达到巩固基础、引导创新的教学目的.

3 基础物理实验改革特色与创新

物理学“强基计划”的基础物理实验改革，是将基础实验课程改革成为从强基础到重能力、从基础理论到技术应用的学生培养桥梁.形式上将课程结构模块化，各模块的教学功能明确又相互衔接，层层递进；内容上在夯实基础实验知识的同时，以物理实验历史发展、学科交叉与行业背景应用、现代技术与实验方法应用等拓展知识提升学习兴趣；教学法上除了传统授课外，还采用翻转课堂、自主研讨、小组协作等方式，多层次、多维度完成教学创新.

3.1 引导式、厚基础的实验绪论模块

物理实验绪论是本课程的重要引导和理论基础，是学生接受系统实验方法和实验技能训练的开端，与教学效果密切相关[7].模块特色在于引入测量的历史发展、诺贝尔物理学奖时间线(图1)和单位制发展及构成等元素，说明误差理论是测量科学的基础[8]，详细讲述误差分析理论.

图1 诺贝尔物理学奖时间线图示

利用小班授课特点增加绪论模块的学时的占比，使学生掌握误差分析与数据处理知识，尤其以Matlab和Scidavis软件为例介绍了数字化数据处理手段的基本方法.在课后作业方面，除传统题目外，还为学生设置了高斯分布应用、诺奖时间线中物理实验推动作用的思考等开放题目，要求学生结课时完成.

3.2 课堂拓展与实验研讨课

实验操作是实验课程的主体，受制于实验课内容，强烈依赖实验室平台，因此是课程改革的难点.在基础实验内容上，设计了多个不同模式的创新教学活动.如在霍尔效应实验中引入翻转课堂模式(图2)，由参加2021年全国大学生物理实验竞赛的学生讲述霍尔效应实验原理，同时介绍其获奖的创新作品中如何应用霍尔元件完成设计，使学生在理解实验基本内容之外，还真切感受到实验的实际应用.同时，鼓励学生在本科基础阶段勇于创新，达到了实验课程思政的作用.

图2 翻转课堂上学生授课及作品演示

又如在PSD位置传感器实验课中，改变传统授课为实验研讨课(图3)，学生通过研讨自主开发实验内容，将位置传感器用于检测细丝直径，验证偏振光的偏振态，监测轻质弹簧的近简谐振动，等等.学生通过研讨提升了独立实验能力.

图3 学生完成基于PSD的课堂研讨

除此之外，我们还在其他教学环节做了诸多尝试，例如在密立根油滴实验中由学生自主建立数据库，利用统计方法验证基本电荷量；在声速测量实验中利用手机传感器测量，并与传统实验方法对比；在黏度测量实验中将传统课后实验报告改为问题探究式小论文.这些都在原有教学内容基础上提升了实验的教学效果.

3.3 自主设计作业，提升综合能力

自主设计作业是检测学生基础物理实验学习效果的有效手段之一，也是锻炼学生综合创新能力的最佳方式.该模块将自主作业分为基于手机的物理实验设计、物理科普视频制作、实验装置设计与制作3大类，学生可在命题类和自选类中自由选择，给予学生充分的时间和空间自主完成.

学生在该模块中展现了较强的自主创新能力，各类实验设计层出不穷，部分项目已经达到了综合创新实验的水平.有地磁场的测定、检测手机分辨率及光盘容量、光学隐形等自主设计实验，也有牛顿环模拟、螺线管磁场模拟、动态电路设计等仿真模拟实验，另外还有过冷水的形成、雷电形成机理、空间探测器、微波原理及应用等科普小视频(图4).自主设计作业充分激发了学生对物理实验的兴趣，并提高了实验课堂获得的能力.

图4 学生制作的科普短视频(可扫码观看小视频)

4 基础物理实验的改革效果评价及思考

学生的评价反馈是反映课堂改革成效最直接的方式，通过座谈及问卷形式对近百名“强基计划”的物理专业学生进行了课程调研.从中学阶段的实验课、实验预习、课堂讲解与操作、课后作业、自主大作业、教师授课等方面进行了全方位的调研.

首先，调研对象中有近半学生在中学时期操作实验少于3个，说明其严重缺乏实验课训练.但是有超过七成的学生对基础物理实验课的情感体验为喜欢和非常喜欢，充分说明了改革极大地调动了学生的学习能动性，如图5所示.

图5 基础物理实验的情感体验调查结果

其次，在改革后的基础物理实验课堂上，学生仍然存在理论基础不足、对实验课出现的问题不知如何解决等困难(图6).出现该情况，一方面是教学知识体系不匹配，另一方面也说明了投入精力与学时强化学生的实验课基础知识与基本技能才是改革最重要的方向.

图6 基础物理实验课堂主要困难调查结果

最后，学生对基础物理实验收获的问卷，说明绝大部分学生都理解了课程内容，同时在动手能力、论文写作、数字化实验手段和数据处理等方面得到了提升(图7).

图7 基础物理实验的收获

5 结束语

从西安交通大学物理专业“强基计划”人才培养目标出发，展示了基础物理实验模块化改革的整体举措，将物理实验课程的基础训练、开放自主性、趣味性和创新性融合形成有机闭环.从学生评价反馈可以看到，基础实验的改革探索，对当前面向“强基计划”的基础物理实验新流程、新模式、新内容给出了积极的范例，同时也为亟待改革的大学物理实验教学提供了新的思路和方向.