新工科背景下近代物理实验教学改革与实践

陈 靖， 孔勇发， 徐 音， 陈宗强

（南开大学物理科学学院，天津 300071）

0 引 言

近年来，教育部实施系列新工科建设计划［1-5］，引导全国高校全力探索领跑全球工程教育的中国方案，助力我国高等教育强国建设。新工科建设具有引领性、交融性、创新性、跨界性和发展性的典型特征［6-7］，这在国家所需求的创新人才培养中起着重要的作用。新工科的建设必定会引起教学模式的改革，而课程建设则是改革成功的关键问题。

物理学是自然科学的支柱学科之一，是一门重视实验研究的学科。物理实验课程在新工科背景下的建设是十分强调物理学内涵的［8］，应兼顾多学科的交叉与融合。因此，以综合性、技术性、广泛性和研究性见长的“近代物理实验”就成为培养新工科创新型、复合型人才的重要课程之一，是光电信息科学工程、电子科学技术等新工科专业的必修实验课程。应对新工科建设提出的要求，课程应作出适于新工科人才培养的改革和建设。

传统的“近代物理实验”课程多以验证性实验为主，学生学习主动性不强；课程内容尽管选题经典，但是不够贴近新工科前沿科研和实际应用，学生学习兴趣不高；实验方案预先拟定，学生仅需按照教材要求完成实验流程，学生学习收获不大；实验中不少学生轻视实验过程，过于关注实验结果，对于实验探究积极性不足。因此，课程需要根据新工科建设和人才培养需求进一步改革和完善。

1 近代物理实验教学改革与实践

针对上述不足之处，我们对“近代物理实验”教学模式开展改革探索，提出了基于任务驱动式教学模式的“近代物理实验”改革思路，如图1 所示。在教学设计中，学生作为主体，教师作为引导，紧紧围绕某个具体物理课题任务开展学习，在解决问题动机的驱动下，学生通过任务学习和目标的达成，将各学科知识、技术进行逻辑重组，以获得深刻理解和灵活应用，提升综合实验能力，养成严谨的科学思维习惯和创新精神，同时培养了团队合作、沟通交流和自我管理的等综合素质。

1.1 重构课程教学目标

根据国家对创新人才需求和新工科建设要求，结合近代物理实验教学大纲，通过国家政策文件学习、教学大纲修订、学生问卷、师生研讨、行业调研等多种形式，确定“近代物理实验”教学需要达成的学生能力培养目标，见表1。

表1 新工科背景下“近代物理实验”课程的培养目标

1.2 建设任务驱动型教学模式

对标上述教学目标，以任务驱动式教学模式开展实验教学活动。任务驱动式教学方法是通过完成与实验教学内容紧密联系的研究任务，获得符合学生认知规律的知识与技能的一种教学方法［9-11］。在任务驱动式教学方法中，如何能够调动起学生的学习动机与研究兴趣是教学成功的关键。因此，设计具有实用性、趣味性、可行性和挑战性的实验课题任务，是教学获得成功的关键问题，也是课程建设的主要内容。

首先，课程建设之初，对“近代物理实验”教学知识点进行重新梳理、整合，确定实验教学内容。结合这些知识点设计与新工科相关联的实际研究任务，注重课题任务的主动性、独立性、多样性、研究性。例如：光信息的存储与处理、核磁共振成像、结构微加工与测试等贴近实际应用或科学前沿的研究任务。教师在课程开始前向学生发布理论学习资料、明确学习任务和目标，使学生充分认识到实验课题的研究意义和应用价值，充分调动学生的学习兴趣和研究积极性。

其次，为了发挥学生学习主动性，将学生分成小组（2 或3 人／组）开展团队学习，主张学生根据教师提供的学习资料，进一步开展文献调研和检索，开展自主学习和同伴学习。通过小组调研、讨论、汇报等形式，在教师的辅助下，自拟实验方案，自组实验系统，独立完成学习任务。在实验学习活动中，通过任务驱动、小组研讨、师生交流等方式，使学生成为课程学习的参与者、知识的生产者，教师成为教学过程的引导者、结果的评价者。学生作为主体完成任务，解决实际问题。教师作为辅助，确保实验研究一直朝正确的方向开展，以及保证学生能够及时寻求到帮助。以真实的研究任务为驱动，促使学生主动构建知识体系、锻炼创新思维。

最后，由师生共同对学生小组完成任务的情况和获得的成果进行全方位、过程化评价。根据学生实践、汇报、研讨、论文、组织等各方面情况进行评价总结。通过知识点考核、研究汇报、成果总结等客观评价和主观评价相结合的方式，对整体教学过程进行评价。过程化考核以教师评价为主，学生评价作为补充，向师生实时反馈学习效果。这保证了学生学习质量，同时也提升了实验教学质量。在考核方式上，设计多元化评价方案，包括过程化考核与阶段性考核、集体考核与个人考核、教师评价与同伴评价等方式，多维度全方位评价学生在课程中的能力培养成果。这也为课程持续发展和完善提供具体参考依据。

1.3 设计交叉融合的实验教学内容

将传统的“近代物理实验”课程内容和知识点进行梳理、整合和优化，结合当前与物理相关的一些科学前沿问题，设计具有多学科交叉融合特点的创新型物理实验研究课题。

新的实验内容要求理论与实验并重，交叉与融合同步，学习与研究衔接。将物理学科范围内的力学、热学、光学、电学、磁学等内容结合起来，同时融合理工学科的相关内容，如：材料、化工、电气自动化、机械、计算机、数学等专业内容，改变现有的近代物理实验以重复性、验证性学习为主的特点。学生通过创新型物理实验课程的训练，能将从物理实验课中学到的严谨的科学思维和创新能力应用到本专业研究中，将物理知识与本专业的科学前沿应用结合起来，真正体现物理实验是各个学科实验的奠基石作用，使学生具备多学科交叉融合的特征，为未来培养多元化、创新型卓越工程师提供支撑。这种反向设计目标、正向实施教学的任务驱动型“近代物理实验”分为三大类型任务课题，它们具有不同的教学内容。

（1）理工类交叉融合的研究型实验。依托南开大学弱光非线性光子学教育部重点实验室科研平台，结合新工科与物理学交叉融合的特点，我们整合原有的实验内容和相关知识点，设计研究课题任务。课堂中学生通过自主学习，依照自身学习特点和知识层次重构知识逻辑体系，深度融合各学科专业知识，灵活运用各种实验手段，以达成实验研究目标。“近代物理实验”的相关实验题目包括：晶体光折变与全息存储、傅里叶变换光谱、电光调制实验、超分辨光学成像等。研究型实验使学生亲身体会新工科多学科交叉融合的特征，学习科学研究的方法和工程实施的方法。

（2）理工类密切相关的应用型实验。熟悉理工专业常见的大型仪器设备的用途和使用方法，了解其物理工作机制和性能，也是课程的主要教学内容之一。依托学校的大型仪器设备平台，设计具有实际研究意义的学习任务。“近代物理实验”的相关实验题目包括：紫外光刻、X 射线衍射、荧光光谱、拉曼光谱、微弱信号测量、真空溅射镀膜等。通过这些实验学习，学生能够根据研究内容选择适当的实验仪器设备，进行课题的研究与测量。使学生了解国家在相关产业的发展和“卡脖子”的关键科学问题，在一定程度上，能开展测试方法和研发计划的优化。

（3）物理类通识型实验。对于核物理实验、原子物理实验等物理学重要学科分支的教学内容，这些实验更强调物理内涵，对工科专业学生来讲难度较大，且与本专业呈现弱关联度特征。但这些实验内容对于培养学生的物理素养、科研思维是十分必要的。特别是在物理学史上获得过诺贝尔物理学奖的、具有里程碑意义的研究内容，对培养学生创新思维十分有指导意义。“近代物理实验”的相关实验题目包括：塞曼效应、符合测量、核衰变、辐射与屏蔽原理等。对于上述这些通识型实验，我们借助虚拟仿真实验［12］，开展线上线下相结合的开放教学研究。学生通过完成教师布置的任务，了解物理学史上的重要物理发现，学习科学家的思维方法和研究方法，提升研究视野和创新能力。

1.4 推行多元化的实验教学方法

教学方法上，探究多元化教学手段对学生物理综合能力的促进作用。依靠微课、在线课程平台等信息化教学手段，解决理论课与实验课脱节的问题，调动教师教学热情和学生学习积极性。借助虚拟仿真实验、信息化软件开展核物理、原子物理、微纳光学等极端环境、极端条件下的实验学习研究。

具体地，以线上慕课或微课讲授和线下研讨的融合式教学形式完成理论教学。在教师的指导和帮助下，学生通过小组研讨、同伴学习等方法完成实验方案拟定。借助现代化研究手段，将实际实验操作、仿真模拟软件与虚拟仿真实验相互融合，以保障充分的实验学习研究。尽管学习研究任务目标是一定的，但教学过程中鼓励学生利用不同方法、不同手段开展实验设计，实现一致的学习目标。在最后的研究报告中，不同团队报告各自的解决方案和获得的研究成果。各团队之间就研究方法和实验方案开展讨论，比较各研究方案的优劣。这种具有竞争意味的比较式学习，有助于学生深入理解实验蕴含的各学科知识，促进其对物理知识、专业知识、实验技能的重组与融合，激发学生的创新意识和研究兴趣。

这种多元化的教学方法，有效提升了学生的学习效率和教师的教学效果。通过融合式教学方法，师生的学习空间不再受限于实验室，而是扩展到课堂之外，学生将前期调研报告、实验方案、研究成果报告通过网络平台提交给教师，师生通过在线课程平台开展线上研讨，有效推进任务驱动式学习，完善教学研究内容。这种方法激发了学生的学习兴趣，开拓了教师的教学思路，实现了教学相长。

1.5 制定过程化的实验考核方法

针对任务驱动型“近代物理实验”教学模式改革，我们在评价考核机制上也做了相应改变。由传统的重视实验结果转向重视实验过程，以“教师教为核心”转向以“学生学为核心”，逐渐引导学生更加重视实验过程，并在过程中实现知识内化，培养创新思维和实验能力。

课程建立了过程化的考核方案，对学生课前调研、方案拟定、实验研究、归纳总结、创新思维、实验规范、团队合作等能力开展全方位的考核：

（1）考核内容。通过理论知识考察、实验规范考察、实验方案考察、流程实施考察等方面进行实验能力的客观评价，通过文献调研、实验探究、实验研讨、总结汇报等方式进行科学素养、实验技能、创新能力、科学表达能力、团队合作能力等方面的主观评价。

（2）考核角色。教师和学生共同就学生小组达成的任务情况进行评价。教师根据学生表现出的学习能力、思考能力、实验能力、研究能力和创新能力，综合考虑后给以评价。小组的其他成员对某位学生在小组中的贡献和能力进行评价，作为教师打分的参考。

通过这种客观（占比60%）与主观（占比40%）相结合，教师（占比80%）与学生（占比20%）相结合的方式，对每位学生个体开展评价。过程化考核评价实时向师生反馈教学效果，包括横向的全员学习反馈和纵向的个体学习比较。引导学生重视实验过程，在学习过程中实现知识的重构融合，实现创新思维和能力的培养，实现团队意识和领导力的提升，培养实事求是的科学态度和科学诚信的研究作风。实验学习中交流和比较，促进了学生的持续自我提升意识，增强了学生的研究自信心。

2 教学案例

我们以“近代物理实验”中的研究型实验“晶体光折变与光学存储”为例［13-14］，说明具体教学改革方法与实施方案。

2.1 案例内容

光折变效应是光致折射率变化效应的简称，铌酸锂（LiNbO3）晶体是性质优良的光折变材料。实验要求学生基于全息术在掺铁铌酸锂晶体（Fe：LiNbO3）中实现光信息的存储与读取。并在完成此基础课题后，提出和研究创新型课题。实验案例设计见图2，本实验涉及的学科知识和实验技术丰富，包括物理学中的干涉、衍射等波动光学知识和全息技术，泡克尔斯效应、Z 扫描等非线性光学知识和技术，能带理论、晶格理论等材料学知识，编码、解码等信息处理技术，以及光电探测原理与技术等，此外还需要学生综合应用数学、机械和计算机等学科的知识技术才能实现实验目标。完成基础实验课题后，通过教师启发和小组调研，学生自主选择高阶实验题目，例如：信息编码优化、多图存储质量提高、信息加密处理等开放研究内容，以小组形式完成高阶实验探究。本案例面向信息光学与工程专业的本科生开放，充分体现了物理学、光电子学、信息学等专业知识交叉融合的特征。

图2 光折变全息存储实验教学思路与内容设计

2.2 教学方案

本案例来源自南开大学弱光非线性光子学教育部重点实验室的优秀科研成果，以科研平台为依托，设置真实的科研研究情境，使学生浸润式体验科学研究的全过程。教学实施过程中，以完成光信息存储为实验任务，秉承实验教学“自拟”“自组”“开放”“创新”的教学思路，驱动学生以小组为单位，在完成实验目标的驱动下，自拟实验方案、自组实验系统、开放研究内容、创新实验思维。

课程首先通过线上微课方式，讲授学生尚不具备的非线性光学、光折变效应等实验基础知识，介绍LiNbO3晶体作为“光学硅”在科技、国防、生产中的重要地位以及我国科学家的贡献［15］。在知识传授的同时，增加学生为国家解决“卡脖子”攻关问题的自信心。理论授课后，教师向学生发布研究任务。学生小组开展文献调研，教师启发学生借鉴全息术知识，由学生小组自行确定实验方案。教师在学生自拟方案的基础上指出不足，启发学生主动修正，最终确定正确的实验方案。

典型的光折变全息存储光路设计如图3 所示。学生按照研讨方案进行实验探究，在开放的实验平台中自主选择课题研究，例如扇形光散射效应、Bragg 体光栅衍射效率、曝光时间与曝光量关系、信息编码和解码等。以选定的研究内容为指导，进一步优化光信息存储方案中的光偏振态、光强、写入角度、存储时间等参数。在这些前序研究的基础上，实现光信息的存储与读取的基本实验目标。此部分实验研究难度一般，学生借鉴“光学”和“大学物理实验”中的全息照相知识和实验方法，并结合本实验中的光折变光学新知识进行创新，即可得到实验方案，见图3。本部分实验研究任务的设置，驱动学生体验和践行“类比—借鉴—创新”的科研工作方法，训练学生的综合实验技能。实验难度尽管不大，若想获得理想的图像存储效果，学生需要在工作中注意精准校正光路，对曝光时间、曝光量等实验参数细致研究。学生根据兴趣和能力选择上述1 ～3 个开放内容深入研究，优化实验方案，归纳总结出影响信息存储质量的物理因素。同时，研究过程训练了学生科研工作实施方法、团队管理和协作方法，锤炼学生实事求是、精益求精的工作态度。

图3 光折变全息存储光路图

基础研究完成后，教师组织学生小组之间就研究结果对比研讨，启发学生结合专业和兴趣，主动寻找课题进行创新研究。例如：光折变中的透镜效应、多图像存储的衍射效率均匀化问题、信息编码优化、解码误码率改进、3D全息存储、信息加密等等。这些开放课题的实施，充分尊重学生个性化需求。教师参考学生基础研究成果，因人施教，启发学生主动提出并开展创新探究。实践这些高阶的创新研究内容，能够帮助学生提升创新思辨的科学思维，深度学习和理解科研工作流程，体会团队合作的价值，促进科学创新意识。

3 教学效果

经过近十年的建设，课程形成了一种适于新工科培养需要的任务驱动式实验教学模式。这种教学模式由“近代物理实验”逐步扩展到“高等物理实验”“物理学专业实验”等专业实验课程中，共计建设有50 余个实验题目，覆盖从本科二年级至研究生一年级学生，形成了进阶式、系列化实验教学内容体系。长链程的课程体系有利于学生培养效果的追踪与教学实践总结。追踪显示，课程对于学生科研创新能力具有明显的提升效果，学生连续多年对课程评价为优秀。同时，教学改革取得显著成果。其中，“晶体光折变全息存储实验”入选国家级物理实验教学示范中心典型教学案例［13］。该项教学内容还被选为第五届全国高等学校物理实验竞赛综合类题目［16］。2021 年课程被选为天津市本科一流建设课程，2022 年课程案例入选教育部大学物理教学指导委员会课程思政案例库。

4 结 语

在新工科背景下，面向国家未来新技术和新产业的发展，对“近代物理实验”课程进行了相应改革。根据我校应用物理学、光电子学、材料科学、信息科学等专业培养目标，结合物理学科的研究优势和科研平台，重构课程教学体系。在具体研究任务驱动下，设计真实的物理实验研究情境，将物理实验内容与学生专业紧密关联，将我国科学发展需求与实验教学目标有机融合，夯实学生物理基础，提升物理实验能力，启迪学生科学思维，增强学生科研自信和为国奋斗信念。课程教学改革的探索实践为培养新工科人才提供了改革新思路和新方案。