CUPT 競賽與教學相融合的大學物理實驗教學設計

田 雁

（興義民族師范學院 物理與工程技術學院， 貴州 興義 562400）

一、引言

“CUPT”是中國大學生物理學術競賽（China Undergraduate Physics Tournament）的簡稱，是中國借鑒國際青年物理學家錦標賽（International Young Physicists’Tournament，簡稱IYPT）的模式創辦的全國賽事，該項活動得到了教育部的支持，是實踐《國家創新驅動發展戰略綱要》和《國家教育中長期發展規劃綱要》的重要競賽活動之一。CUPT 是一項以團隊對抗為形式的物理競賽，比賽題目新穎開放，參賽學生就物理問題的基本知識、理論分析、實驗研究、結果討論等進行辯論性比賽。比賽對團隊協作、開放思維和表達能力要求較高。

大學物理實驗是物理學專業學生必修的專業實踐課程，在興義民族師范學院（以下簡稱“我?！保┱加? 個學分，分四個學期開設，分別包含力學、熱學、電磁學、光學四個部分。我校的汽車服務工程、電子科學與技術、安全工程三個專業的學生也開設了該課程。2019 年下半年由貴州大學主辦的貴州省首屆大學生物理學術競賽（CUPT），讓貴州高校的學生開始有了實踐的平臺。目前為止國內CUPT 競賽已經開展了十二屆，它的作用和意義眾所周知。[1`5]許多老師把這個競賽和教學相結合開展了許多研究和實踐[6～12]，取得了不少的成果。筆者2019 年下半年結合我校實際將該競賽內容納入到2018 級物理學本科班的電磁學實驗教學中。經過嘗試，取得了良好的效果。目前我校已六次參與該競賽，均取得了優良的成績。

疫情的到來使實驗教學方式發生了改變，實驗課也需重新設計。筆者以光學實驗課程的創新教學設計為例進行闡述，旨在為開展實驗教學改革的同行們提供借鑒。

二、教學設計

（一）教學平臺的設計

搭建線上和線下相融合的教學模式，在線上建立實驗項目平臺、仿真實驗平臺、素養平臺、課外交流平臺；線下建立課堂教學平臺、課后學習平臺。

（二）平臺內容的介紹[14～17]

線上，首先進行光學實驗基礎知識及實驗基本要求的介紹；其次在實驗項目平臺內開展四個方面設計：實驗項目的理論知識、實驗內容及操作要求（采用文檔的形式在“超星學習通”平臺上發布）、儀器介紹和操作示范（通過視頻展現）、實驗前預習測試。仿真實驗平臺為學生提供12 個光學實驗（該平臺能為學生提供涉及力學、熱學、電學、電磁學、光學、近代物理仿真實驗等等總計51個。）。素養平臺分人文素養和科學素養兩部分。人文素養包含30 個物理知識講座、光現象領域物理學家傳記、與實驗項目有關的故事、物理學最美實驗——光學部分以及其他一些光學的故事?？茖W素養平臺包含科學軟件（Origin 軟件、Traker 視頻分析軟件、Phyphox 手機工作坊、3D 建模軟件等）、辦公軟件（Office、WPS、Excel 等）、演示文稿制作軟件（iSlider 插件、Focusky 動畫演示大師、EasySketchpro3 手繪版PPT、錄屏軟件CS、音頻編輯軟件）三部分。課外交流平臺為“超星泛雅學習通”平臺、QQ 課程群、“大學生科技”協會。

線下課堂教學平臺主要把實驗項目分層，循環進行實驗的具體操作。教師引導學生理解實驗的思想和調節過程，并開展過程評價。課后學習平臺采取兩種方式。一種是利用實驗室開展同伴教育，促使學生解決遺留的各種問題；第二種是利用建立的“大學生科技”協會開展學生對各種科學軟件、辦公軟件、PPT 制作軟件的學習和分享。

（三）實驗項目的設計[13]

根據光學理論知識的框架、學?，F有的儀器和時間安排，把實驗項目分三層開展。第一層為基礎型實驗。讓學生掌握光學實驗的基本知識、基本方法、基本技能。該層次把分光計的調節、光具組基點的測定、利用牛頓環的等厚干涉測透鏡的曲率半徑、邁克耳孫干涉儀測光波波長定為必做。把簿透鏡焦距的測定、阿貝折射計測透明介質的折射率、法布里——珀羅標準具測光波波長定為選做；第二層為綜合型實驗。旨在學生能利用教師提供的資料獨立開展實驗項目的研究。把棱鏡玻璃折射率的測定、菲涅耳雙棱鏡測單色光波長、單絲和單縫衍射實驗、光偏振實驗等實驗定為必做實驗。把偏振面的旋轉和旋光儀、平行光管測透鏡的焦距、透射光柵測定光波波長、測定移測顯微鏡的放大率等實驗定為選做實驗；第三層為提高型實驗。內容為：學生課外完成的仿真實驗和創新設計實驗（包含“CUPT 競賽課題內與光學有關的課題研究”和“與光現象有關的研究”）。以協同創新為根本理念，鍛煉學生分析問題、解決問題的能力，培養科研素質、開放性思維能力及創新意識、團隊合作精神、交流表達能力，使學生的知識、能力和素質得予全面協調發展，同時注重加強青年學生之間的團結友誼與交流。

在課堂教學中我們注重小組成員之間的協調，開展同伴教育，加強學生實驗過程的記錄（包括文字的表述和實驗現象的拍攝）訓練，有針對性地訓練他們的綜合能力，使他們具備參加CUPT競賽的素質。

（四）教學方法的設計

教學分三輪開展，在第一、二輪教學中，教師以文檔和視頻的方式在“超星泛雅學習通”平臺提供實驗項目理論知識的介紹、實驗儀器介紹和操作示范、實驗操作和實驗報告的要求，學生完成實驗項目的預習測試。在第一輪實驗中師生主要采用講授法和問題法；第二輪實驗中師生主要采用啟發法、同伴教育法、提問法；第三輪教師引導，引導學生開展創新研究，主要采用練習法、讀書指導法和討論法。

（五）教學手段

利用“超星泛雅學習通”平臺在課前發布實驗中涉及的所有資料，如實驗中的理論知識介紹（包括文檔和視頻以及實驗項目的演示文稿等），彌補光學理論課和實驗項目開展不同步給學生帶來的困擾；利用虛擬的仿真實驗讓學生加深對實驗的內容和過程的理解。課中，加強對CUPT 比賽過程中需求的能力進行訓練；課后利用“超星泛雅學習通”平臺、QQ 課程群、開放實驗室、“大學生科技”協會等渠道開展學生與學生，教師與學生之間的溝通和交流。

（六）考核方式的設計

注重過程評價，讓學生認真完成每個過程的內容，激發他們內心的學習動力，從而提升綜合能力，提高學習成績?？己私Y果由平時成績和期末成績構成，平時成績占60%，其中考勤占5%+（基礎知識測試+ 任務點）占10%+ 實驗預習測試占10%+ 實驗操作成績占15%+ 實驗報告成績占15%+仿真實驗成績占5%。

期末成績占40%，其中創新實驗占20%，操作考試占20%，創新實驗成績又包含：創新實驗方案、創新實驗PPT 制作、創新實驗PPT 匯報、創新實驗報告，各占5%。操作考試則按抽簽的方式進行實際。

三、課程設計實踐結果

該模式應用到電磁學、光學實驗的教學中，經過2 年的教學嘗試，教學效果初見成效，目前取得的效果如下表1。

表1 我校學生參加貴州省、西南片區的大學生物理學術競賽（GZUPT）取得的成績

從這六次比賽的結果來看，把CUPT 競賽的模式運用到實驗教學中是可行的。通過參加競賽激發了學生的潛力，使學生的文獻檢索、實驗設計、數據分析，發現問題、解決問題的能力得到了大幅度的提高。學生與競賽者之間的相互溝通方法和技巧、語言表達能力也大幅度提高。同時增強了同學們的集體榮譽感、創新意識、團隊協作精神，拓寬了教師和學生的視野，為學生后續的發展產生了深遠的影響。

四、展望和思考

通過對大學物理實驗課程開展的線上線下設計，把CUPT 競賽人員具備的素質融入到教學過程中，在六個平臺中進行逐次的訓練，讓學生學會思考；再利用學會的各種技能進行探索，使他們具有了一定的創新能力。學生通過參與競賽接觸了不同學校的同學，激發了他們奮進的斗志，參與競賽的同學大都參與到考研的隊伍，有了繼續深造的機會。在課中融入多方面的內容，真正的讓學生實現了移動學習并加強了學生的綜合素質的培養。

依托CUPT 競賽的模式在實施的過程中仍然還存在不足，比如學生報名參賽的人員中部分同學不能克服學習和實驗中的各種困難，使得課題開展到一定階段就以失敗告終，最終導致自己創新實驗的成績不佳。也有些學生查閱文獻，解析文獻的能力不足，使得實驗建模過程中理論上得不到突破等等。這些都需要教師提升自身能力，在以后的教學中因材施教，擔負起指導作用，讓教書育人落到實處。目前這種教學模式主要應用在電磁學實驗和光學實驗兩門課程中，后續我們還將加大力度進行力學、熱學部分實驗的建設。

課程是人才培養的基本單元，教師在教學中要優化課程體系，不斷探索創新教學模式。創造更多的學習平臺，讓學生學思結合，知行同一，通過多渠道訓練，讓學生的多種技能得到不同程度的提高，為他們今后的發展打下堅實的基礎。這是作為當代大學教師應該肩負的責任和使命。