浅析全国大学生物理实验竞赛(创新)指导与学生培养

陈舞辉,张 霆,刘彩霞,景 佳,范经纬,李恒宇

(合肥工业大学 物理学院,安徽 合肥 230106)

全国大学生物理实验竞赛(Chinese Undergraduate Physics Experiment Competition,CUPEC)是由教育部高教司批准的大学生竞赛项目,分为教学赛和创新赛2项,其中教学赛始于2010年[1],2年1届,采用现场命题的形式,旨在提升大学生的动手能力. 创新赛始于2020年,1年1届,包含命题、自选、讲课三大类别,旨在激发大学生对物理实验的兴趣与潜能,培养大学生的创新能力、实践能力和团队协作意识,促进物理实验教学改革[2-5]. 2020年,首届创新赛由东北大学承办,参赛高校413所,参赛队伍数达1 402支;2021年创新赛由南昌大学承办,参赛高校480所,参赛队伍数达1 853支;2022年创新赛由西安交通大学承办,参赛高校535所,参赛队伍数达2 040支. 空前赛况充分展示了各高校对赛事的广泛关注和积极参与,基于该赛事的规模和影响力,2021年3月9日,全国高校竞赛评估与管理体系研究专家委员会将全国大学生物理实验竞赛纳入2020全国普通高校大学生竞赛排行榜.

2020—2022年,合肥工业大学有20支队伍参赛,其中12支队伍获得一等奖,7支队伍获得二等奖,1支队伍获得三等奖,获奖率高达100%. 此外,合肥工业大学在近3年获得了优秀组织奖,作者也获得优秀领队称号,这些成绩充分展示了合肥工业大学学生在创新赛的优异表现,也证明了合肥工业大学在竞赛准备和培训方面的独到之处. 全国大学生物理实验竞赛在培养学生的科学素养和实验技能方面起到了积极作用,但在竞赛组织和指导过程中,发现存在学生基本物理素养薄弱、赛程前期学生选拔难度高、赛程中期学生分工不合理、赛程后期学生容易出现疲态等问题,本文将总结往届我校在竞赛指导中的经验,设计竞赛培养模式,并结合具体案例探讨竞赛中存在的问题,希望能够为其他高校提供有益借鉴,促进全国大学生物理实验竞赛的长远高质量发展.

1 竞赛培养模式设计

在竞赛培养模式设计中,需要考虑基本素养培养、竞赛学生选拔和竞赛教学引导3部分,以实现学生培养和竞赛准备.

1.1 基本素养培养

物理实验基本素养不仅是学生成功掌握物理知识的基础,还是培养创新思维和科学能力的关键因素. 系统性的素养培养可以激发学生的学术兴趣,提高实验技能,培养批判性思维,能够为后续参加物理实验竞赛打下坚实的基础.

物理实验基本素养的建立依赖于对物理实验基础知识的掌握程度,而大学物理实验[6]包括广泛的实验项目,涵盖了经典力学、电磁学、光学、热学和量子力学等多个领域,囊括理论建模、仿真模拟、实验操作、数据分析等内容,对培养物理实验基本素养如科学思维、团结协作能力和创新意识具有重要意义. 近代物理实验、现代物理实验等实验拓展课程,能够进一步培养学生实验方法和实验技术的综合运用能力和团队协作能力. 例如,近代物理实验电光调制使用电压改变激光信号的相位,对光进行调制,需要学生建立电与光之间的联系,才能更好地理解该实验. 采用翻转课堂的形式进行成果汇报,小组成员需互相配合调研资料,并进行实验内容讲解,此过程不仅可以锻炼学生的表达能力,还可以将往届物理学科系列竞赛中的优质实验项目制作成教学案例,在课堂上“还原”优秀作品,提供多样化的教学内容,有助于培养学生更深层次的科学思维,提高学生的批判性思维能力和创新性思维水平.

大学物理实验与近现代物理实验和案例教学的有机结合,能够帮助学生全方位、多层次地建立物理实验基本素养(图1),逐步提升竞赛能力,做好竞赛素养储备.

图1 基本素养培养

1.2 竞赛学生选拔

构建竞赛队伍,需要合理选拔学生,以确保竞赛队伍的质量. 在校赛选拔过程中,需要打造多元化的校赛选拔模式,在关注学生竞赛硬实力的同时,兼顾竞赛软实力,如是否具有较强的主观能动性和团队意识等. 2020年首届创新赛,选拔过程单调,考查赛题单一,导致参赛学生少,作品质量低,为后续竞赛指导和参赛遗留了隐患. 为扩大学生选拔面,提高竞赛参与度,2021年创新赛校赛将自选类赛题作为校赛题目,在该改善举措下,参赛学生数得到了显著的提高,但参赛作品来源不定给作品评判和人员选拔带来了更大的挑战. 基于前两年的问题,2022年进一步完善了校赛选拔,将2022年命题类赛题做作为参赛题目,采用作品评审和现场答辩相结合的方式进行作品筛选和学生选拔,这种面对面的方式能够直观感受学生的态度和基本素质,保证了竞赛学生质量.

在竞赛队伍组建中需考虑到学生的实验技能、团队协作能力和创新潜力. 2020年,本校共组建了5支参加国赛的队伍,每支队伍有5名学生和2名指导教师. 除了满足基本的人数要求,还要充分结合各专业优势,组建人人有特色、特色不尽同的团队. 例如,在确保团队中有理论扎实的成员的基础上,搭配其他专业如机械、电子、计算机等专业的学生,这样就可以对竞赛环节进行详细的分工,提高效率和作品完成度. 除了正式的参赛学生和指导教师以外,还可以设置1～2名领队,领队由往届参赛选手担任(图 2),可以为参赛学生提供指导意见,并帮助解决遇到的问题.

图2 队伍组建

1.3 竞赛教学引导

教师作为竞赛的指导者与引导者,在竞赛过程中扮演着关键角色[7](图 3). 1名合格的指导教师,需在赛前掌握赛事规则,制定合理的竞赛计划. 赛中需要考虑学生的课程任务量大、装置制作周期长等客观问题,适时把控研究进度和研究质量,确保学生能够在规定的时间内完成研究任务. 指导教师还应把握教与学的辩证关系,不仅传授知识、实验技巧和解决问题的方法,还要鼓励和引导学生多听、多看、多思、自主研究、积极合作、互相启发,及时归纳总结与讨论,以培养学生的创新意识与能力. 在培养学生的同时,教师要提高自身的教育教学水平,和学生同步成长,才能适应创新赛的发展.

图3 创新赛指导教师指导流程及学生培养

同时,学生之间的教与学关系也发挥着不可或缺的作用,学生之间应积极合作,共享知识及经验,互相启发和挑战,共同解决竞赛中的难题. 学生与学生之间的合作和互助精神有助于充分发挥团队的潜力,最终完成更高质量的作品.

2 竞赛实战案例

高质量的物理实验创新作品必须具备多重要素,包括创新的物理模型、详实的实验过程、规范的实验操作、标准的数据处理和资源文档,以及对学生知识认知和能力构建具有良好的教学实践意义、具备推广应用价值. 下文将通过2022年创新赛命题类获奖作品“声音定位”展示竞赛的全过程(图 4),包括赛题分析、初步实验、创新点挖掘与改进、答辩技巧等,详细阐述了如何打造高质量的物理实验创新作品.

图4 创新赛命题类赛题备赛全过程

2.1 确认选题

队伍组建后,应该尽快确定参赛题目,为后续研究预留足够的时间. 学生在选题过程中,可通过知网、维普、Web of Science等数据库进行前期调研,之后在组内开展讨论,确定最终选题为“声音定位”,在对竞赛规则和评分标准进行仔细的研究后,确定要将声音定位设计成演示实验,重点突出声音定位的物理内涵.

2.2 成员分工

为了提高团队效率,确定赛题后,讨论了成员的分工形式,最终确定了交叉分组和冗余分工的方式,让每个学生身上有2项及以上任务,并且分工的学生数大于等于2人,以促进学生之间的讨论,方便任务的推进. 小组共有4名成员(A,B,C,D),2名学生(B+C)进行声音定位的调研及物理模型的建立,2名学生(A+D)完成声音信号的采集及处理,3名学生完成实验设计(A+B+C),2名学生(C+D)完成实验操作和实验过程中的视频拍摄,1名学生(D)进行文档撰写. 在赛事进行1个月时,采用团队成员匿名投票的方式,选拔出队长,促进成员间的内部管理.

2.3 实验设计及数据处理

一旦确定了赛题,需要通过初步实验进行研究. 在声音定位装置的设计中,队员首先进行一系列声学实验,以了解声音的传播原理和特性,比如声波的速度、频率和波长等基本参量的测量,通过这些实验建立声学模型的基础. 在数据采集和处理过程中,应追求数据的准确性和真实性,例如实验数据应该多次测量,以减小数据的随机误差,便于分析数据的不确定度. 在数据采集和处理过程中,应追求数据的准确性和真实性,及时分析出现数据偏差的原因,并进行改进控制.

2.4 创新点挖掘

比赛中挖掘创新点至关重要. 指导教师需要深入了解赛题要求,指导学生仔细研读赛题和背景,确保理解准确和全面. 参赛学生通过调研现有的研究成果和实际需求,整合不同学科知识,不拘泥于传统思维和解决方法,从多个角度思考解决方案,发现其中创新点. 例如,对“声音定位”初步实验后,发现传统声音定位装置中存在精度不高、受环境干扰较大等问题,短时间内改善声音定位的精度不现实,经过多次讨论,决定另辟蹊径将影响声音定位精度的因素展现出来,设计制作研究声音定位的装置.

2.5 文档撰写及视频拍摄

在全体成员进行“声音定位”研究的同时,成员C和D进行实验过程中的视频拍摄,成员D进行过程文档撰写,记录整个实验过程以及阶段性成果. 这样可以及时优化实验方案,为后续工作和改进方向提供指导和优化. 在研究报告初步完成后,应初步制作PPT,此阶段的PPT应该以图片为主,通过流程图、实验过程图片、实验数据等要素让阅读者尽快了解作品的核心思路. 视频拍摄可以直观展示研究内容以及实验的操作流程. 评委能够通过研究报告、PPT和视频全方位地掌握作品的主体思想.

2.6 答辩演练及装置演示

在复赛阶段,学生需要进行答辩及装置演示. 由于以往3届为线上复赛答辩的方式,复赛阶段,组织每位成员进行答辩,并由队内选出主答辩队员、装置讲解队员、主装置演示队员、辅助演示队员,队员之间相互配合,邀请往届成员组成评委团,对答辩者进行提问,团队成员根据问题进行处理和优化,以确保复赛时作品能达到最佳效果.

3 结束语

本文结合近3年本校在全国大学生物理实验竞赛中积累的经验,设计了竞赛培养模式,并结合具体案例详细分析竞赛过程. 在竞赛培养模式的设计中,探讨了基本素养、竞赛选拔和竞赛教学3方面,以确保学生具备竞赛所需的科学思维、团队协作能力和创新意识. 在竞赛实战案例中,提供了具体案例,展示了如何将竞赛培养模式付诸实践,并详细描述了选题确定、团队分工、实验设计、数据处理、创新点挖掘、文档编写、视频制作和答辩演练等环节,强调了高质量作品的特征. 这2部分共同构成了竞赛教学的完整生态,旨在为教师和学生提供全方位的参考,以提高学生的竞赛水平和科学素养. 竞赛培养模式的设计和竞赛实战案例相互补充,可以为其他高校参加此项赛事的准备工作提供有益的参考和借鉴,共同推动全国大学生物理实验竞赛(创新)的发展和进步.