余 華 李川勇 吳 強 薄 方 劉智波 閻寶巖

(南開大學物理科學學院，天津 300071)

物理學術(shù)競賽對學生從中學到大學過渡的橋梁作用

余 華 李川勇 吳 強 薄 方 劉智波 閻寶巖

(南開大學物理科學學院，天津 300071)

通過分析高中教育和大學教育的差異以及本科階段創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)，本文闡述物理學術(shù)競賽在學生從高中到大學的轉(zhuǎn)型期的作用，以及在本科階段培養(yǎng)學生基本科研能力方面的作用。本文還以南開大學為例，介紹物理學術(shù)競賽在本科教育中的實施和發(fā)展。

物理學術(shù)競賽；高中教育；大學教育；創(chuàng)新實踐能力; 綜合能力

素質(zhì)教育中，創(chuàng)新能力和實踐能力是非常重要的一部分。創(chuàng)新教育的基礎(chǔ)是實踐，實踐教學對創(chuàng)新人才的培養(yǎng)起著至關(guān)重要的作用?？蒲袑嵺`教育的理念早在19世紀由德國教育家威廉·馮·洪堡提出[1]。在美國，實用主義教學思想創(chuàng)始人杜威和設(shè)計教學法之父克伯屈也提出了以解決問題為核心的研究性教學的要求[2]。1998年和2001年美國博耶委員會(The Boyer Commission)在《重建本科生教育：美國研究型大學發(fā)展藍圖》報告中的第一條建議就是“確立以研究為基礎(chǔ)的學習”[3]。20世紀90年代，無論是歐洲的法國從初高中到大學預備班統(tǒng)一開設(shè)相互銜接實踐類課程、芬蘭主題學習法、丹麥的項目教學、瑞典的問題學習法，以及挪威的大班授課與小班討論和輔導相結(jié)合，還是亞洲日本的自主性學習，創(chuàng)新實踐教育越發(fā)受到教育工作者的關(guān)注[4]。目前中國的高校中，針對學生的創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)主要采用開放實驗室、課外創(chuàng)新項目、創(chuàng)新實踐基地、創(chuàng)新論壇等和與之配套的評估和獎勵措施[5,6]。如清華大學于1995年提出學生科研訓練SRT(Students research training，簡稱SRT)計劃，隨后，復旦、浙大和中科大也提出了各自的本科生研究計劃，南開大學也于2003年開設(shè)本科生百項工程項目。這些舉措以項目研究為抓手實現(xiàn)培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的4個基本要素，即：創(chuàng)新意識、創(chuàng)新平臺、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新文化。經(jīng)過幾十年的摸索和發(fā)展，高校針對學生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)逐漸形成一整套各具特色的方式和方法。

創(chuàng)新實踐教育是一項長期的、持續(xù)的并不斷加以深入的過程，最終形成個體的創(chuàng)新習慣。雖然目前創(chuàng)新教育蓬勃發(fā)展，但是也不難發(fā)現(xiàn)一些問題。其一就是本科生的科研實踐教育沒有很好地針對其群體差異進行展開，其二就是與本科教育相銜接的高中和研究生教育沒有形成科研實踐教育的基礎(chǔ)培養(yǎng)和深造準備階段。我們的研究團隊針對此問題進行了廣泛調(diào)研和深入研究，以南開大學物理科學學院為試點，針對不同能力的本科生進行多層次的綜合實踐能力培養(yǎng)模式，打通高中階段和研究生階段的實踐教育基地。形成“課內(nèi)外，校內(nèi)外，境內(nèi)外”縱向多層次，高中—本科—研究生橫向多點輻射發(fā)展的物理科研實踐教育網(wǎng)狀體系，使學生的培養(yǎng)形成“多層次，分階段，可持續(xù)”的教育模式。

在研究中我們發(fā)現(xiàn)，從高中階段被動式學習到大學階段自主式學習的轉(zhuǎn)變中，如何引導學生形成創(chuàng)新意識，轉(zhuǎn)變思維模式顯得非常困難，而物理學術(shù)競賽的引入很好地解決了這一問題。本文將針對物理學術(shù)競賽對于高中—大學轉(zhuǎn)型期的學生如何從無到有建立創(chuàng)新習慣，具備創(chuàng)新基本素質(zhì)進行探討。

1 物理學術(shù)競賽在高中—本科過渡期間的橋梁作用

在高中教育階段，課堂教學作為主導，通過重復式的練習以達到學生對于知識的熟練掌握。尤其在高考的壓力下，學生已經(jīng)習慣于在教師的引領(lǐng)下通過大量的作業(yè)去鞏固所學的知識。與之形成鮮明對比的是，大學的教育強調(diào)獨立自主學習，在學習大量知識的同時不斷提高自身的能力。在高中—本科的接棒過程中，很多學生會出現(xiàn)不適應、迷茫、自我否定等思想問題，嚴重影響其在大學中的學習。很多學者也提出將大學課程下放，在高中階段提前修讀一部分大學課程，以減少學生在大學學習期間的不適應感。但是，學生們在高中—本科階段出現(xiàn)的不適應癥狀的真正來源不是來自于所學知識的欠缺，而是學習知識方法的迷茫。這時，就需要在學生剛剛進入大學階段的時候，通過一些方式和方法使學生們逐漸進行自我轉(zhuǎn)型，逐漸適應大學的學習模式，這才是解決問題的根本。

學生在高中習慣的學習模式為“解題做作業(yè)”，而大學階段的學習模式為“自主研究探索”。物理學術(shù)競賽恰恰滿足這兩個階段的雙重特點。物理學術(shù)競賽是就一些實際物理問題進行團隊合作研究，然后就其物理知識、理論分析、實驗方案、結(jié)果討論等進行辯論性的比賽[7]。物理學術(shù)競賽乍看上去就是一道一道的物理習題，有已知條件和求解的問題，但是這些物理問題是開放性的，解題的過程不僅僅需要常規(guī)的利用所學的知識進行運算，還需要通過自己設(shè)計簡單的實驗進行驗證。不僅僅要用到學生已有的知識，更多的是讓學生學會自己去查閱和學習未知的知識點并加以運用。此外，這些開放性的物理問題和日常生活聯(lián)系緊密，生動有趣中蘊含豐富的物理原理。學生們在“解題做作業(yè)”的過程中逐漸學會了“自主研究探索”，何況這些開放性的物理問題沒有標準答案，學生學習的轉(zhuǎn)型過程是個性化的，是最符合學生自身特點的，每一位學生通過物理學術(shù)競賽都會找到自己最適應的大學學習方法。

物理學術(shù)競賽是一座搭建在高中—本科過程中的橋梁，學生們通過物理學術(shù)競賽可以選擇自己最適應的方式走過這座橋進行大學的學習。物理學術(shù)競賽的橋梁作用正是由于自身的雙重特點，滿足了高中和本科階段進行銜接的要求，更重要的是在學生心中播撒了創(chuàng)新實踐能力培育的種子。

2 物理學術(shù)競賽是本科階段進行科學研究的基礎(chǔ)

素質(zhì)教育的提出使本科階段越來越多的學生進行科研實踐基地鍛煉自己的科研素質(zhì)。學生要真正進入課題組進行科學研究需要提前進行一些基本知識和能力的培訓，比如查閱文獻、數(shù)據(jù)的搜集和基本處理、編程語言的使用、科研匯報和寫作、團隊協(xié)作等。這些科研基本能力的培養(yǎng)在以前往往是通過在科研過程中逐漸的積累，這勢必使得科研的腳步放緩。物理學術(shù)競賽便很好地解決了這一問題。

學生們在物理學術(shù)競賽的準備階段，需要組隊對題目進行分析，通過分工對題目進行解析。在這一過程中，為了使自己得到的結(jié)果更具有說服力，便要查閱很多的文獻進行論證，通過實驗和理論模擬計算進行佐證，然后通過清晰和規(guī)范的展示環(huán)節(jié)說明得到結(jié)果的可靠性和正確性。在這些準備和展示環(huán)節(jié)中，學生們通過自學和向老師咨詢逐步獲得了科研的基本能力。在學習的過程中，學生主動地通過各種資源獲取自己所需的知識，通過與老師或者同學間的交流學會如何表達自己的觀點，以及如何吸納別人好的建議，在實驗過程中更是通過自己動手掌握了實驗的基本技能。在團隊中，學生們學會如何發(fā)揮每一個人的特長以期實現(xiàn)團隊的更大產(chǎn)出比。在展示自己的成果中，學生們更是要通過自己的摸索和學習使得自己的展示更加的正式。

物理學術(shù)競賽更像是學生真正進入科學研究之前的預科班，在這里學生是通過自我的需求而不是填鴨式的教育積極主動的去學習各類科學研究的基本能力，為本科甚至是研究生階段進入科學研究打下基礎(chǔ)。

3 物理學術(shù)競賽是培養(yǎng)學生綜合能力的基礎(chǔ)

素質(zhì)教育不僅僅指的是創(chuàng)新和實踐能力的培養(yǎng)，更著重于人的培養(yǎng)。交流表達能力、團隊合作能力、主動解決問題的能力和思辨思維的形成在人的成長過程中十分重要，這些能力的形成需要通過具體的事件并親身參與其中才能逐漸領(lǐng)悟和學會。

在物理學術(shù)競賽的過程中，學生需要利用身邊的各種資源，需要向?qū)W長、同學、老師、網(wǎng)絡(luò)等尋求幫助，需要聯(lián)系老師借用實驗室完成實驗工作。在有限的經(jīng)費資助下，學生們會想辦法尋求更好的解決路徑以期獲得最大的回報。在這些過程中，學生鍛煉了與人交流表達的能力，學會更好地設(shè)計自己的實驗方案以滿足自己的“解題”需求。無論是在準備比賽的過程中，還是在比賽場上，互相協(xié)作的能量要遠大于單打獨斗。

特別需要指出的是，在比賽場上，如何有禮儀地提出反對的聲音，對于別人的質(zhì)疑如何應對，如何正確且恰當?shù)卦u價別人的工作。這些能力可能與學習物理知識完全沒有關(guān)系，但是對于人的培養(yǎng)來說，是一個人綜合能力的一種體現(xiàn)。在學術(shù)競賽的比賽過程中，正反雙方的辯論和評論方的點評恰恰正是對于這種能力的一種訓練和培養(yǎng)。

在南開大學，凡是代表學校參加過各種形式學術(shù)競賽的隊員回校之后都會成為物理思辨社的成員，為下一屆新生更好地參與學術(shù)競賽提供各類服務，包括如何準備、學術(shù)ppt的制作、比賽規(guī)則解讀、各類資源咨詢指南等，這種志愿服務也是培養(yǎng)學生一種社會責任感，一種回報和感恩的素質(zhì)。這種精神力量的輻射作用在育人的過程中顯得尤為重要，這也是學術(shù)競賽帶給學生們一生享用的財富。

物理學術(shù)競賽通過其特有的比賽形式，很好的培養(yǎng)了學生以上能力，這些能力的養(yǎng)成不僅僅在學生的學習階段十分重要，而且在學生一生的發(fā)展過程中都是大有裨益的。

4 物理學術(shù)競賽在南開的發(fā)展

2008年，南開大學將物理學術(shù)競賽引入中國，先后發(fā)起了中國大學生物理學術(shù)競賽(China Undergraduate PhysicsTournament，簡稱CUPT)和中國高中生物理創(chuàng)新競賽(China Young Physicists’ Tournament，簡稱CYPT)。在南開大學物理科學學院，本科生有一系列多層次的創(chuàng)新實踐培訓課程，其中本科一年級的物理學術(shù)競賽，本科二年級的課外創(chuàng)新項目，本科三年級的創(chuàng)新研究與訓練課程和本科四年級的畢業(yè)論文形成了一系列初步深入的創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)體系。針對于國家拔尖學生培養(yǎng)計劃的學生，則采用一年級的學術(shù)競賽，二年級和三年級的物理研討、科研訓練、課外創(chuàng)新項目和海外實踐基地科研實習，加上四年級的畢業(yè)論文更深入地加大對于拔尖學生的培養(yǎng)。由此可見，無論是針對于一般本科生還是拔尖學生的培養(yǎng)，物理學術(shù)競賽都是最基本的一種訓練手段，其主旨也是在于其對于學生創(chuàng)新實踐能力的培育作用。

針對物理學術(shù)競賽，在南開大學也有不同層級的培養(yǎng)方式。對于大一的本科生，可以參加物理學院舉辦的年度物理學術(shù)競賽，在此競賽的基礎(chǔ)上，通過學生的自愿報名也可參加全國的CUPT，與全國各個高校的同學共同交流，取長補短。為了鍛煉學生的英語表達能力和與研究生交流協(xié)作的能力，學生也可參加臺灣地區(qū)的大專生物理辯論高峰會(Taiwan College-student Physicists’ Tournament，簡稱TCPT)和國際物理學家錦標賽(International Physicists’ Tournament，簡稱IPT)，通過不同層級的物理學術(shù)競賽使具有不同能力和特長的學生得到鍛煉，他們在各類物理學術(shù)競賽上的收獲在回校后都會進行交流和分享，使得每位學生都能有所收益。

在南開大學，物理學術(shù)競賽參加的學生基本上是本科一年級的學生，學生進入本科二年級時就開始申報各類課外創(chuàng)新項目，通過多年的觀察和科研導師的反饋，明顯感覺到經(jīng)過物理學術(shù)競賽的學生能夠在科研中更快地進入角色，成為導師的得力助手。通過物理學術(shù)競賽也使學生對于本專業(yè)的課程學習更加有興趣。此外，參加過學術(shù)競賽的學生在接人待物、奉獻精神、社會責任感等方面也頗受老師和用人單位的好評。由此可見，物理學術(shù)競賽真正起到了對于本科生綜合能力培育的作用。

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簡訊

清華大學龍桂魯研究組在量子控制方面取得進展

在量子信息領(lǐng)域，實現(xiàn)量子系統(tǒng)的高精度控制是構(gòu)建大規(guī)模量子計算機的關(guān)鍵因素，也是面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。盡管日前IBM稱已能對50量子比特的系統(tǒng)進行控制，然而就已發(fā)表的文章看來，最先進的量子計算實驗平臺很少超過10量子位，且大多數(shù)情況下只能提供簡單的控制。本工作成功地實現(xiàn)了高精度操作12個量子比特的核磁共振量子信息處理器；所發(fā)展出來的實驗技術(shù)可以移植到氮空位色心、離子阱或超導電路等易于拓展的量子系統(tǒng)。

龍桂魯教授及其博士生李可仁、辛濤，以及已經(jīng)畢業(yè)的馮冠儒、李行與滑鐵盧大學Raymond Laflamme教授研究組、圭爾夫大學曾蓓教授研究組合作，演示了對一個12量子位核磁共振系統(tǒng)的操控，制備了12個量子比特的相干態(tài)。本工作的一個特點就是在這個12比特量子體系本身進行反饋控制優(yōu)化算法(MQFC)，來優(yōu)化對自身系統(tǒng)的控制脈沖序列。與經(jīng)典計算運算相比，不僅大大減少了計算時間，而且將控制精度提高了10%。這種方法一方面更有效地優(yōu)化了系統(tǒng)控制，另一方面可以利用系統(tǒng)自身的優(yōu)化消除不確定系統(tǒng)的噪聲影響。

該成果以“Enhancing quantum control by bootstrapping a quantum processor of 12 qubits” 為題于2017年10月23日發(fā)表在npj Quantum Information 3, 45 (2017)。博士生李可仁為共同第一作者。MIT的Lloyd教授等在今年Nature發(fā)表的“Quantum Machine Learning”綜述論文中引用了該論文(Arxiv的版本)。

文章鏈接： https://www.nature.com/articles/s41534-017-0045-z

(摘編自清華大學物理系工作簡報，原文由龍桂魯老師研究組供稿)

THEBRIDGINGROLEOFPHYSICSTOURNAMENTINTHETRANSITIONFROMHIGHSCHOOLTOCOLLEGE

YUHuaLIChuanyongWUQiangBOFangLIUZhiboYANBaoyan

(School of Physics, Nankai University, Tianjin 300071)

Through the analysis of the differences between high school education and college education and the training of innovative practical ability in the undergraduate stage, this paper investigatesthe role of physics tournament in the transition from high school to college including cultivating students’ basic scientific research ability and personal skill. Futhermore, there is a brief introduction of the implementation of physics tournament and its development in Nankai University.

physics tournament; high school education; college education; innovative practical ability; comprehensive ability

2016-06-21

國家基礎(chǔ)科學人才培養(yǎng)基金(J1103208)，國家基礎(chǔ)學科拔尖學生培養(yǎng)試驗計劃2017年課題，天津市普通高等學校本科教學質(zhì)量與教學改革研究計劃(D03-0702)，南開大學教育教學改革項目資助。

余華，男，副教授，主要從事發(fā)光物理學與本科教學研究工作，yuhua@nankai.edu.cn。

李川勇，女，教授，主要從事物理教學和生物物理研究工作，chuan@nankai.edu.cn。

余華，李川勇，吳強，等. 物理學術(shù)競賽對學生從中學到大學過渡的橋梁作用[J]. 物理與工程，2017，27(6)：104-107.

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