基于跨学科创新型本科人才培养的“立”型大学物理实验课程教学模式研究

樊代和， 魏 云， 常相辉， 刘其军， 贾欣燕

（西南交通大学物理国家级实验教学示范中心；物理科学与技术学院，成都 611756）

0 引 言

创新是推动经济社会发展的核心驱动力。习近平总书记在全国教育大会中特别强调，高校要在增强综合素质上下功夫，教育引导学生培养综合能力，培养创新思维［1］。在创新型本科人才的培养过程中，包含物理在内的公共基础课程的教学模式是否能够满足新时代国家的要求，将直接决定创新型本科人才培养的数量和质量。目前，大学物理实验课程是我国绝大多数理工科高校均开设的公共基础必修课之一，是本科生接受系统实验方法和实验技能训练的开端。一方面，课程内容中涉及的基本方法和实验技术，可体现出大多数学科科学实验的共性［2］，另一方面，课程具有学生接触时间早、数量规模大、学科范围广等显著特点。因此，大学物理实验课程在培养跨学科本科生的动手能力、科学思维和创新能力方面，起着重要的基础作用。

然而，也正是由于物理基础课程具有的上述特点，再加上实验课程教学受限于实验仪器数量及实验场地环境等特点，使得国内传统大学物理实验课程的教学模式在培养跨学科创新型本科人才的培养过程中，普遍存在着学生学习主动性不高（为了学分而学）、课程教学资源不能满足学生的个性化学习需求（局限在书本知识范围内）、本科生应用所学物理实验技术解决实际问题的能力不强（应对考试）等问题，最终导致大学物理实验课程对跨学科创新型本科人才的培养效果不明显。

为了改变上述状况，国内一些学者也尝试对传统大学物理实验课程的教学模式进行了探索和研究。例如，李富全等［3］提出通过物理演示实验基地，来培养学生创新能力。秦艳芬［4］从“卓越计划”培养核心出发，论述了大学物理实验课程“层次＋套餐”教学组织方式的构建和实践。张莹莹等［5］构建了以大学生创新创业训练计划为导向的物理专业实验教学模式，用以培养学生严谨的思维能力和科学创新能力。为了明确教学改革思路，周雨青等［6］通过对大学物理实验课程现状进行的调研，提出物理实验课程要在教材建设、教师教学技能方面进行改革。刘自团等［7］基于15所高校的调查和分析提出，应建立基础实验、综合性实验、创新性实验、研究性实验等多层次实验构成的实验教学体系，提升高素质创新人才的培养力度。白艳红［8］从工程教育专业认证的角度出发，提出了可量化的实验类课程多元化评价方法。樊英杰［9］研究了以工程思维能力培养为导向的大学物理实验改革。在跨学科人才培养方面，屈世显等［10］提出了“X-物理学”的概念，构建了多学科交叉融合的跨学科X-物理人才培养新体系，以国家级X-物理实验教学示范中心为平台，介绍了实验课的3个环节等。从这些已有研究可以看出，围绕创新型本科人才培养这一主题，不同高校从不同角度开展了一定的大学物理实验课程教学模式探索工作。然而，到目前为止，一套完整且适用于我国各理工科高校，并能够有效进行跨学科创新型本科人才培养和培养效果检验的大学物理实验课程教学模式还未见报道。

作为四川省内唯一的物理国家级实验教学示范中心，近些年，以培养跨学科创新型本科人才为目标，对大学物理实验课程教学的教学模式有针对性地进行了一些探索研究，在此基础上构建了一种“立”型大学物理实验课程教学模式。经过近5年的教学实践发现，该教学模式可有效地解决传统大学物理实验课程教学模式中普遍存在的上述问题，进而能够培养出一批具有创新能力的跨学科创新型本科人才。

1 “立”型大学物理实验课程教学模式构建

目前，我校开设的大学物理实验课程，是面向学校41个理工科专业，每学期超过5 000名本科生的公共基础必修课。在考虑大学物理实验课程具有学生接触时间早、数量规模大、学科范围广的显著特点下，构建的“立”型大学物理实验课程教学模式以课程思政建设作为先导，以建设丰富的数字化教学资源为平台，通过将课外创新实践训练项目、学科竞赛题目为抓手，将项目驱动的教学方法贯穿于整个教学过程中。最终以培养具有解决不同学科领域专业问题能力的创新型本科生人才作为课程学习效果的评价指标。其总体构架如图1所示。

1.1 课程思政建设

事实上，每一个大学物理实验项目，包括实验原理、实验仪器的设计及测量技术、实验数据的处理方法等，都凝聚和体现了国内外先辈科学家们的智慧和永攀科学高峰的科学精神。而这些超越实验知识背后的内涵，才是激发学生积极主动进行学习的源动力。为此，在构建“立”型教学模式中，将课程思政建设作为课程教学活动的先导，通过深入挖掘各实验项目中包含的课程思政元素，建设了课程思政资源库。在课堂教学这个主渠道中，充分利用好“实验背景”（例如，图2所示为部分实验项目实验背景内容）这一授课步骤。例如，当讲授“迈克尔逊干涉仪”实验时，引领学生体会美国第一个诺贝尔物理学奖获得者迈克尔逊的科学奋斗故事［11］：当年，迈克尔逊不但大胆地对现有的理论提出质疑，而且还能够不气不馁，在多次实验验证失败的情况下，与麦克斯韦、汤姆逊、瑞利、洛伦兹、莫雷等科学家团结合作，最终解决了当时物理学界中的两朵乌云之一，即“以太漂移”这一重大问题。在讲授“霍尔元件参数测量”实验时，引领学生体会我国著名科学家薛其坤院士的坚毅事迹［12］。从2009年起，薛院士就对量子反常霍尔效应的实验实现进行研究，期间不断克服困难，在制备和测试上千样品后，终于在国际上首次实验发现了量子反常霍尔效应。该成果被2016年诺贝尔物理学奖评奖委员会列为拓扑物质领域20年来最重要的实验进展等。

诸如类似上述课程思政资源库的建设，一方面能够引领学生品味科学家的故事、感悟科学家的精神，锻造学生优秀的品格；另一方面，通过将科学领域中卓越奋斗着的坚毅事迹，润物细无声地引入课堂，启迪了学生自强不息、锐意进取的精神。最终，实现课程思政对大学物理实验课程的教学工作起到画龙点睛的作用，使学生不再是仅仅为了学分而学。

1.2 数字化大学物理实验教学资源建设

课程教学资源在创新型本科人才的培养过程中，起着非常重要的作用［6］。大学物理实验作为一门实验课程，受到实验仪器台套数和实验场地环境的制约，使得基于传统课程资源的教学活动存在三方面的缺点。①教学大纲有什么内容，学生就只能学什么内容，课程无法满足学生个性化的学习需求。②学生无法在课前和课后（在没有实验仪器的情况下），对课程内容进行有效的预习和复习，导致学习效率不高。③传统的课程教学资源重在实验原理及具体实验测量技术的讲解，而不能关注科学发展前沿，这就导致了传统大学物理实验课程的教学资源无法体现出时代前沿性，进而导致本科生的学习效果缺乏探究性和创新性等。

为此，在构建的“立”型大学物理实验课程教学模式中，有针对性地进行了新形态数字化课程教学资源的建设（见图3）。①针对课程教学大纲中的实验项目，在国内率先制作完成了能够细致入微地呈现实验操作对应出现的实验现象的实验操作视频，并以二维码的形式呈现在数字化教程［13］中。②关于实验项目的实验原理部分，制作完成了线上教学资源，并通过超星平台对学生进行开放。③针对每一个实验项目，制作的数字化资源还以二维码的形式呈现了实验项目相关的参考文献介绍。这些参考文献的内容有的是针对实验项目仪器的改进，也有的是相关物理实验技术在解决其他学科领域实际问题中的应用等。通过建设上述高质量大学物理实验课程数字化教学资源，学生可在课前或课后，在不具备实验仪器的环境下，仍然能有效地通过数字化资源对课程内容进行预习和复习。通过参考文献的介绍，一方面可使学生及时地了解到相关实验项目的最新发展动态，使课程内容紧跟时代前沿发展；另一方面也可使学生了解到实验原理或装置设计的精髓和内涵，为不同专业背景本科生取得创新性成果带来源动力。

1.3 项目驱动的教学方法

大学物理实验课程涉及的实验思想、实验技术和手段等，是各不同学科专业领域科学实验的基础。传统的实验课程教学过程，多数重视的是物理实验方法和技术手段的讲授，未能有效地将课程的内涵与其他学科专业领域知识相融合，最终导致培养的本科生解决跨学科实际问题的综合能力不强。

为此，在构建的“立”型课程教学模式中，采用了项目驱动的教学实施方法（见图4）。首先，针对各不同学科专业的学生，通过预先对其学科专业背景和学习背景进行问卷等形式进行调研，然后适应性地设立一些课外创新实践项目和学科竞赛题目，以项目驱动的形式开展大学物理实验课程内容的教学工作，使具有不同专业背景的本科生，能够将其在大学物理实验课程中学习到的物理理论知识和实验技术，应用到解决其专业领域的实际问题中，最终培养其创新实践能力。

例如，据不完全调研统计，国内所有物理国家级示范中心高校的大学物理实验课程均开设了迈克尔逊干涉仪实验项目。而该实验项目，实际上提供了一种可将长度测量精确到百纳米量级的方案。通过对我校学生的学科专业背景调研发现，精确检测无砟轨道的沉降是土木学科中当前重要的研究课题之一。为此，面向土木学科的本科生，在大学物理实验课程中设置了基于迈克尔逊干涉仪的无砟轨道沉降检测装置设计这一课外创新实践项目。机械学科背景的本科生，具有较强的机械结构设计能力。为此，在大学物理实验课程中，结合弹性模量测量实验项目，为该学科的本科生设置了改进的弹性模量测量仪课外创新实践项目，充分发挥该学科学生机械结构设计的能力。低成本电能的获取，在电气学科中有着重要的意义。为此，结合超声波声速测量实验项目中涉及的压电换能器原理，为该学科学生设置了风力发电装置这一课外创新实践项目。循环摆现象，是全国大学生物理学术竞赛的赛题之一，结合大学物理实验课程中单摆的研究这一实验项目，为物理学科背景的本科生，设置了循环摆现象研究这一物理学科竞赛题目。

从上述示例可以看出，通过设置一些与学科专业背景相结合的大学物理实验课程课外创新实践项目，基于项目驱动的教学模式，可使具有不同专业背景的本科生，能够有兴趣、有针对性地对课程所涉及的物理知识和实验技术进行学习，进而应用到解决其科领域的实际问题中，极大地培养了本科生的创新实践能力。

1.4 课程学习效果评价

除了传统大学物理实验课程通过实验报告、实验理论考试等课程学习评价方式外，构建的“立”型大学物理实验课程教学模式中，新增了实验操作考试、实验项目思考汇报、项目完成成果答辩、实验论文和发明专利撰写等多元化学习效果评价方式（见图5）。新增的这些学习效果评价方式，一方面，解决了传统大学物理实验课程评价方式单一的问题，可更加科学地评价学生对课程的学习效果。同时，这种以汇报为主体的评价方式，还可以实现示范效果，在一定程度上培养学生的批判质疑能力和团队合作精神。

2 “立”型教学模式在跨学科创新型本科人才培养中的教学实践效果

构建的“立”型大学物理实验课程教学模式，进行了深入的教学实践。

（1）针对建设的数字化大学物理实验课程教学资源，通过机械工业出版社的网络平台后台，对2020年9～12月份之间学生对大学物理实验课程中3个典型实验（分光计的调整与使用、弹性模量测量、示波器的调整和使用）的点击学习情况进行了统计，结果如图6所示。

由图6可见，学生针对课程实验项目的学习点击量非常大。例如，分光计的调整与使用实验项目，仅在2020年第4季度，总的学习点击量就高达8 167次等。据机械工业出版社不完全统计，该课程建设的数字化教学资源点击量，甚至超过该出版社部分数字资源3年的点击量总和。因此，可以认为，“立”型大学物理实验课程教学模式中建设的数字化课程教学资源，受到了广大学生的欢迎。同时，有学生在使用该数字化教学资源后，曾评价到：“每次做实验在预习与课本配套的视频之后，都可以很快地掌握实验的每一个步骤，让我越来越喜欢上了动手做实验”等。

（2）以匿名的方式，对已经完成大学物理实验课程的本科生进行了问卷调查，用以分析建设的数字化课程资源对课程学习帮助性以及项目驱动式的大学物理实验课程教学方式在跨学科专业能力培养方面的情况。通过回收的557份问卷，得到的调查结果如图7所示。

由图7可见，有超过97%的同学认为建设的数字化课程教学资源，对大学物理实验课程的学习有帮助（其中“非常有帮助”占73%）。有80%的同学认为，通过大学物理实验课程的学习，对其学科专业能力的培养有帮助（其中“非常有帮助”占16%）。因此，从这些匿名问卷调查的结果可以认为，“立”型大学物理实验课程教学模式中建设的数字化教学资源，对大学物理实验课程的教学工作起到了非常积极的作用，同时也为跨学科本科人才的培养提供了支持。

（3）从具有不同专业背景的本科生取得创新性成果角度出发，对“立”型大学物理实验课程教学模式在跨学科创新型本科人才培养过程中的教学实践效果进行说明。依托上述基于项目驱动的大学物理实验课程教学模式，我校具有土木工程专业背景的本科生，通过将该课程中相关迈克尔逊干涉仪可精确测量长度的实验思想，应用到其专业领域实际问题中，设计出了一种基于迈克尔逊干涉的无砟轨道沉降检测装置，该装置以本科生为第1发明人获得了发明专利授权［14］。我校具有机械设计制造专业背景的本科生，通过将大学物理实验课程中学习到的弹性模量测量实验内容与其专业背景相结合，设计并制作了一种高精度全自动弹性模量测量仪，该成果以本科生为第1作者发表于《实验技术与管理》核心期刊［15］。我校具有电气工程及其自动化专业背景的本科生，通过学习大学物理实验课程项目超声波声速测量实验中涉及到的压电换能器工作原理，设计出了一种基于风力的低成本发电和储能装置，该装置以本科生为第1发明人获得了发明专利的授权［16］。我校具有物理专业背景的本科生，利用其所学到的力学专业知识并结合大学物理实验课程项目之单摆实验测量方法，实验研究了中国大学生学术竞赛赛题涉及的循环摆现象中的物理问题，该成果以本科生为第1作者发表于European Journal of Physics期刊（SCI）［17］。

近5年，通过深入实施构建的“立”型大学物理实验课程教学新模式，我校具有不同专业背景的本科生，以本科生为第1作者发表包含《激光与光电子学进展》《物理实验》《大学物理》《物理与工程》等期刊论文18篇、以本科生为第1发明人获得授权发明专利14项，在全国大学生物理实验竞赛、全国大学生创新方法应用大赛、中国大学生物理学术竞赛、挑战杯等学科竞赛中累计获奖30余项等，跨学科创新型本科人才的培养效果显著。

3 结 语

本文提出了一种“立”型大学物理实验课程教学模式。该教学模式以课程思政建设作为先导，以建设数字化课程教学资源为平台，以课外创新实践训练项目、学科竞赛题目为抓手，将项目驱动的教学方法贯穿于整个教学过程中。最后，以能够培养出具有解决不同学科领域专业问题能力的创新型本科生人才作为课程学习效果的评价指标。经过近5年的教学实践，基于该教学模式，我校具有不同专业背景的本科生取得了一系列如研究论文发表、发明专利授权、学科竞赛获奖等创新性成果，可认为该教学模式在跨学科创新型本科人才的培养过程中效果显著。也正是基于该教学模式的教学实践，我校的大学物理实验课程也通过了国家首批一流本科课程的认定工作。