新工科背景下近代物理實驗教學改革與實踐

陳 靖， 孔勇發， 徐 音， 陳宗強

（南開大學物理科學學院，天津 300071）

0 引 言

近年來，教育部實施系列新工科建設計劃［1-5］，引導全國高校全力探索領跑全球工程教育的中國方案，助力我國高等教育強國建設。新工科建設具有引領性、交融性、創新性、跨界性和發展性的典型特征［6-7］，這在國家所需求的創新人才培養中起著重要的作用。新工科的建設必定會引起教學模式的改革，而課程建設則是改革成功的關鍵問題。

物理學是自然科學的支柱學科之一，是一門重視實驗研究的學科。物理實驗課程在新工科背景下的建設是十分強調物理學內涵的［8］，應兼顧多學科的交叉與融合。因此，以綜合性、技術性、廣泛性和研究性見長的“近代物理實驗”就成為培養新工科創新型、復合型人才的重要課程之一，是光電信息科學工程、電子科學技術等新工科專業的必修實驗課程。應對新工科建設提出的要求，課程應作出適于新工科人才培養的改革和建設。

傳統的“近代物理實驗”課程多以驗證性實驗為主，學生學習主動性不強；課程內容盡管選題經典，但是不夠貼近新工科前沿科研和實際應用，學生學習興趣不高；實驗方案預先擬定，學生僅需按照教材要求完成實驗流程，學生學習收獲不大；實驗中不少學生輕視實驗過程，過于關注實驗結果，對于實驗探究積極性不足。因此，課程需要根據新工科建設和人才培養需求進一步改革和完善。

1 近代物理實驗教學改革與實踐

針對上述不足之處，我們對“近代物理實驗”教學模式開展改革探索，提出了基于任務驅動式教學模式的“近代物理實驗”改革思路，如圖1 所示。在教學設計中，學生作為主體，教師作為引導，緊緊圍繞某個具體物理課題任務開展學習，在解決問題動機的驅動下，學生通過任務學習和目標的達成，將各學科知識、技術進行邏輯重組，以獲得深刻理解和靈活應用，提升綜合實驗能力，養成嚴謹的科學思維習慣和創新精神，同時培養了團隊合作、溝通交流和自我管理的等綜合素質。

1.1 重構課程教學目標

根據國家對創新人才需求和新工科建設要求，結合近代物理實驗教學大綱，通過國家政策文件學習、教學大綱修訂、學生問卷、師生研討、行業調研等多種形式，確定“近代物理實驗”教學需要達成的學生能力培養目標，見表1。

表1 新工科背景下“近代物理實驗”課程的培養目標

1.2 建設任務驅動型教學模式

對標上述教學目標，以任務驅動式教學模式開展實驗教學活動。任務驅動式教學方法是通過完成與實驗教學內容緊密聯系的研究任務，獲得符合學生認知規律的知識與技能的一種教學方法［9-11］。在任務驅動式教學方法中，如何能夠調動起學生的學習動機與研究興趣是教學成功的關鍵。因此，設計具有實用性、趣味性、可行性和挑戰性的實驗課題任務，是教學獲得成功的關鍵問題，也是課程建設的主要內容。

首先，課程建設之初，對“近代物理實驗”教學知識點進行重新梳理、整合，確定實驗教學內容。結合這些知識點設計與新工科相關聯的實際研究任務，注重課題任務的主動性、獨立性、多樣性、研究性。例如：光信息的存儲與處理、核磁共振成像、結構微加工與測試等貼近實際應用或科學前沿的研究任務。教師在課程開始前向學生發布理論學習資料、明確學習任務和目標，使學生充分認識到實驗課題的研究意義和應用價值，充分調動學生的學習興趣和研究積極性。

其次，為了發揮學生學習主動性，將學生分成小組（2 或3 人／組）開展團隊學習，主張學生根據教師提供的學習資料，進一步開展文獻調研和檢索，開展自主學習和同伴學習。通過小組調研、討論、匯報等形式，在教師的輔助下，自擬實驗方案，自組實驗系統，獨立完成學習任務。在實驗學習活動中，通過任務驅動、小組研討、師生交流等方式，使學生成為課程學習的參與者、知識的生產者，教師成為教學過程的引導者、結果的評價者。學生作為主體完成任務，解決實際問題。教師作為輔助，確保實驗研究一直朝正確的方向開展，以及保證學生能夠及時尋求到幫助。以真實的研究任務為驅動，促使學生主動構建知識體系、鍛煉創新思維。

最后，由師生共同對學生小組完成任務的情況和獲得的成果進行全方位、過程化評價。根據學生實踐、匯報、研討、論文、組織等各方面情況進行評價總結。通過知識點考核、研究匯報、成果總結等客觀評價和主觀評價相結合的方式，對整體教學過程進行評價。過程化考核以教師評價為主，學生評價作為補充，向師生實時反饋學習效果。這保證了學生學習質量，同時也提升了實驗教學質量。在考核方式上，設計多元化評價方案，包括過程化考核與階段性考核、集體考核與個人考核、教師評價與同伴評價等方式，多維度全方位評價學生在課程中的能力培養成果。這也為課程持續發展和完善提供具體參考依據。

1.3 設計交叉融合的實驗教學內容

將傳統的“近代物理實驗”課程內容和知識點進行梳理、整合和優化，結合當前與物理相關的一些科學前沿問題，設計具有多學科交叉融合特點的創新型物理實驗研究課題。

新的實驗內容要求理論與實驗并重，交叉與融合同步，學習與研究銜接。將物理學科范圍內的力學、熱學、光學、電學、磁學等內容結合起來，同時融合理工學科的相關內容，如：材料、化工、電氣自動化、機械、計算機、數學等專業內容，改變現有的近代物理實驗以重復性、驗證性學習為主的特點。學生通過創新型物理實驗課程的訓練，能將從物理實驗課中學到的嚴謹的科學思維和創新能力應用到本專業研究中，將物理知識與本專業的科學前沿應用結合起來，真正體現物理實驗是各個學科實驗的奠基石作用，使學生具備多學科交叉融合的特征，為未來培養多元化、創新型卓越工程師提供支撐。這種反向設計目標、正向實施教學的任務驅動型“近代物理實驗”分為三大類型任務課題，它們具有不同的教學內容。

（1）理工類交叉融合的研究型實驗。依托南開大學弱光非線性光子學教育部重點實驗室科研平臺，結合新工科與物理學交叉融合的特點，我們整合原有的實驗內容和相關知識點，設計研究課題任務。課堂中學生通過自主學習，依照自身學習特點和知識層次重構知識邏輯體系，深度融合各學科專業知識，靈活運用各種實驗手段，以達成實驗研究目標?！敖锢韺嶒灐钡南嚓P實驗題目包括：晶體光折變與全息存儲、傅里葉變換光譜、電光調制實驗、超分辨光學成像等。研究型實驗使學生親身體會新工科多學科交叉融合的特征，學習科學研究的方法和工程實施的方法。

（2）理工類密切相關的應用型實驗。熟悉理工專業常見的大型儀器設備的用途和使用方法，了解其物理工作機制和性能，也是課程的主要教學內容之一。依托學校的大型儀器設備平臺，設計具有實際研究意義的學習任務?！敖锢韺嶒灐钡南嚓P實驗題目包括：紫外光刻、X 射線衍射、熒光光譜、拉曼光譜、微弱信號測量、真空濺射鍍膜等。通過這些實驗學習，學生能夠根據研究內容選擇適當的實驗儀器設備，進行課題的研究與測量。使學生了解國家在相關產業的發展和“卡脖子”的關鍵科學問題，在一定程度上，能開展測試方法和研發計劃的優化。

（3）物理類通識型實驗。對于核物理實驗、原子物理實驗等物理學重要學科分支的教學內容，這些實驗更強調物理內涵，對工科專業學生來講難度較大，且與本專業呈現弱關聯度特征。但這些實驗內容對于培養學生的物理素養、科研思維是十分必要的。特別是在物理學史上獲得過諾貝爾物理學獎的、具有里程碑意義的研究內容，對培養學生創新思維十分有指導意義?！敖锢韺嶒灐钡南嚓P實驗題目包括：塞曼效應、符合測量、核衰變、輻射與屏蔽原理等。對于上述這些通識型實驗，我們借助虛擬仿真實驗［12］，開展線上線下相結合的開放教學研究。學生通過完成教師布置的任務，了解物理學史上的重要物理發現，學習科學家的思維方法和研究方法，提升研究視野和創新能力。

1.4 推行多元化的實驗教學方法

教學方法上，探究多元化教學手段對學生物理綜合能力的促進作用。依靠微課、在線課程平臺等信息化教學手段，解決理論課與實驗課脫節的問題，調動教師教學熱情和學生學習積極性。借助虛擬仿真實驗、信息化軟件開展核物理、原子物理、微納光學等極端環境、極端條件下的實驗學習研究。

具體地，以線上慕課或微課講授和線下研討的融合式教學形式完成理論教學。在教師的指導和幫助下，學生通過小組研討、同伴學習等方法完成實驗方案擬定。借助現代化研究手段，將實際實驗操作、仿真模擬軟件與虛擬仿真實驗相互融合，以保障充分的實驗學習研究。盡管學習研究任務目標是一定的，但教學過程中鼓勵學生利用不同方法、不同手段開展實驗設計，實現一致的學習目標。在最后的研究報告中，不同團隊報告各自的解決方案和獲得的研究成果。各團隊之間就研究方法和實驗方案開展討論，比較各研究方案的優劣。這種具有競爭意味的比較式學習，有助于學生深入理解實驗蘊含的各學科知識，促進其對物理知識、專業知識、實驗技能的重組與融合，激發學生的創新意識和研究興趣。

這種多元化的教學方法，有效提升了學生的學習效率和教師的教學效果。通過融合式教學方法，師生的學習空間不再受限于實驗室，而是擴展到課堂之外，學生將前期調研報告、實驗方案、研究成果報告通過網絡平臺提交給教師，師生通過在線課程平臺開展線上研討，有效推進任務驅動式學習，完善教學研究內容。這種方法激發了學生的學習興趣，開拓了教師的教學思路，實現了教學相長。

1.5 制定過程化的實驗考核方法

針對任務驅動型“近代物理實驗”教學模式改革，我們在評價考核機制上也做了相應改變。由傳統的重視實驗結果轉向重視實驗過程，以“教師教為核心”轉向以“學生學為核心”，逐漸引導學生更加重視實驗過程，并在過程中實現知識內化，培養創新思維和實驗能力。

課程建立了過程化的考核方案，對學生課前調研、方案擬定、實驗研究、歸納總結、創新思維、實驗規范、團隊合作等能力開展全方位的考核：

（1）考核內容。通過理論知識考察、實驗規范考察、實驗方案考察、流程實施考察等方面進行實驗能力的客觀評價，通過文獻調研、實驗探究、實驗研討、總結匯報等方式進行科學素養、實驗技能、創新能力、科學表達能力、團隊合作能力等方面的主觀評價。

（2）考核角色。教師和學生共同就學生小組達成的任務情況進行評價。教師根據學生表現出的學習能力、思考能力、實驗能力、研究能力和創新能力，綜合考慮后給以評價。小組的其他成員對某位學生在小組中的貢獻和能力進行評價，作為教師打分的參考。

通過這種客觀（占比60%）與主觀（占比40%）相結合，教師（占比80%）與學生（占比20%）相結合的方式，對每位學生個體開展評價。過程化考核評價實時向師生反饋教學效果，包括橫向的全員學習反饋和縱向的個體學習比較。引導學生重視實驗過程，在學習過程中實現知識的重構融合，實現創新思維和能力的培養，實現團隊意識和領導力的提升，培養實事求是的科學態度和科學誠信的研究作風。實驗學習中交流和比較，促進了學生的持續自我提升意識，增強了學生的研究自信心。

2 教學案例

我們以“近代物理實驗”中的研究型實驗“晶體光折變與光學存儲”為例［13-14］，說明具體教學改革方法與實施方案。

2.1 案例內容

光折變效應是光致折射率變化效應的簡稱，鈮酸鋰（LiNbO3）晶體是性質優良的光折變材料。實驗要求學生基于全息術在摻鐵鈮酸鋰晶體（Fe：LiNbO3）中實現光信息的存儲與讀取。并在完成此基礎課題后，提出和研究創新型課題。實驗案例設計見圖2，本實驗涉及的學科知識和實驗技術豐富，包括物理學中的干涉、衍射等波動光學知識和全息技術，泡克爾斯效應、Z 掃描等非線性光學知識和技術，能帶理論、晶格理論等材料學知識，編碼、解碼等信息處理技術，以及光電探測原理與技術等，此外還需要學生綜合應用數學、機械和計算機等學科的知識技術才能實現實驗目標。完成基礎實驗課題后，通過教師啟發和小組調研，學生自主選擇高階實驗題目，例如：信息編碼優化、多圖存儲質量提高、信息加密處理等開放研究內容，以小組形式完成高階實驗探究。本案例面向信息光學與工程專業的本科生開放，充分體現了物理學、光電子學、信息學等專業知識交叉融合的特征。

圖2 光折變全息存儲實驗教學思路與內容設計

2.2 教學方案

本案例來源自南開大學弱光非線性光子學教育部重點實驗室的優秀科研成果，以科研平臺為依托，設置真實的科研研究情境，使學生浸潤式體驗科學研究的全過程。教學實施過程中，以完成光信息存儲為實驗任務，秉承實驗教學“自擬”“自組”“開放”“創新”的教學思路，驅動學生以小組為單位，在完成實驗目標的驅動下，自擬實驗方案、自組實驗系統、開放研究內容、創新實驗思維。

課程首先通過線上微課方式，講授學生尚不具備的非線性光學、光折變效應等實驗基礎知識，介紹LiNbO3晶體作為“光學硅”在科技、國防、生產中的重要地位以及我國科學家的貢獻［15］。在知識傳授的同時，增加學生為國家解決“卡脖子”攻關問題的自信心。理論授課后，教師向學生發布研究任務。學生小組開展文獻調研，教師啟發學生借鑒全息術知識，由學生小組自行確定實驗方案。教師在學生自擬方案的基礎上指出不足，啟發學生主動修正，最終確定正確的實驗方案。

典型的光折變全息存儲光路設計如圖3 所示。學生按照研討方案進行實驗探究，在開放的實驗平臺中自主選擇課題研究，例如扇形光散射效應、Bragg 體光柵衍射效率、曝光時間與曝光量關系、信息編碼和解碼等。以選定的研究內容為指導，進一步優化光信息存儲方案中的光偏振態、光強、寫入角度、存儲時間等參數。在這些前序研究的基礎上，實現光信息的存儲與讀取的基本實驗目標。此部分實驗研究難度一般，學生借鑒“光學”和“大學物理實驗”中的全息照相知識和實驗方法，并結合本實驗中的光折變光學新知識進行創新，即可得到實驗方案，見圖3。本部分實驗研究任務的設置，驅動學生體驗和踐行“類比—借鑒—創新”的科研工作方法，訓練學生的綜合實驗技能。實驗難度盡管不大，若想獲得理想的圖像存儲效果，學生需要在工作中注意精準校正光路，對曝光時間、曝光量等實驗參數細致研究。學生根據興趣和能力選擇上述1 ～3 個開放內容深入研究，優化實驗方案，歸納總結出影響信息存儲質量的物理因素。同時，研究過程訓練了學生科研工作實施方法、團隊管理和協作方法，錘煉學生實事求是、精益求精的工作態度。

圖3 光折變全息存儲光路圖

基礎研究完成后，教師組織學生小組之間就研究結果對比研討，啟發學生結合專業和興趣，主動尋找課題進行創新研究。例如：光折變中的透鏡效應、多圖像存儲的衍射效率均勻化問題、信息編碼優化、解碼誤碼率改進、3D全息存儲、信息加密等等。這些開放課題的實施，充分尊重學生個性化需求。教師參考學生基礎研究成果，因人施教，啟發學生主動提出并開展創新探究。實踐這些高階的創新研究內容，能夠幫助學生提升創新思辨的科學思維，深度學習和理解科研工作流程，體會團隊合作的價值，促進科學創新意識。

3 教學效果

經過近十年的建設，課程形成了一種適于新工科培養需要的任務驅動式實驗教學模式。這種教學模式由“近代物理實驗”逐步擴展到“高等物理實驗”“物理學專業實驗”等專業實驗課程中，共計建設有50 余個實驗題目，覆蓋從本科二年級至研究生一年級學生，形成了進階式、系列化實驗教學內容體系。長鏈程的課程體系有利于學生培養效果的追蹤與教學實踐總結。追蹤顯示，課程對于學生科研創新能力具有明顯的提升效果，學生連續多年對課程評價為優秀。同時，教學改革取得顯著成果。其中，“晶體光折變全息存儲實驗”入選國家級物理實驗教學示范中心典型教學案例［13］。該項教學內容還被選為第五屆全國高等學校物理實驗競賽綜合類題目［16］。2021 年課程被選為天津市本科一流建設課程，2022 年課程案例入選教育部大學物理教學指導委員會課程思政案例庫。

4 結 語

在新工科背景下，面向國家未來新技術和新產業的發展，對“近代物理實驗”課程進行了相應改革。根據我校應用物理學、光電子學、材料科學、信息科學等專業培養目標，結合物理學科的研究優勢和科研平臺，重構課程教學體系。在具體研究任務驅動下，設計真實的物理實驗研究情境，將物理實驗內容與學生專業緊密關聯，將我國科學發展需求與實驗教學目標有機融合，夯實學生物理基礎，提升物理實驗能力，啟迪學生科學思維，增強學生科研自信和為國奮斗信念。課程教學改革的探索實踐為培養新工科人才提供了改革新思路和新方案。