高校物理實驗教學的比較研究

榮 新，李 智，張朝暉

(北京大學 物理學院 基礎物理實驗教學中心，北京 100871)

物理學是一門以實驗為基礎的自然科學. 基礎物理實驗課程在培養(yǎng)學生科學的實驗方法、嚴謹?shù)膶嶒炓?guī)范、動手動腦、理論與實驗相結合，提高學生科學素養(yǎng)和能力方面有不可替代的作用. 在國家大力推進素質教育和“雙一流”建設的背景下，當前物理實驗教學如何傳承傳統(tǒng)的優(yōu)秀實驗教學方法和經驗的同時更好地貼合新時代教學的需求，是教師需認真考慮的問題. 國外物理實驗教學的規(guī)模、理念和方法與國內有較大不同，通過對中外部分高校相關教學進行比較研究，發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢與不足，借鑒有益經驗，是立足中國教育實際深化物理教學改革的一種有效途徑[1-6]. 北京大學實驗室與設備管理部于2017年啟動了“世界著名高校實驗教學比較研究”項目，在該項目的支持下，北京大學基礎物理實驗教學中心基于校友訪談、郵件咨詢以及部分公開資料等開展了物理學科的相應研究，研究側重于物理實驗教學規(guī)模、課程開設和教學特色的比較，并于2018年形成了世界著名高校物理實驗教學比較研究結題報告. 本文摘取結題報告中的主要要點，對部分高校物理實驗教學情況進行梳理，分析了中外物理實驗教學的異同.

1 中國部分高校的物理實驗教學

1.1 北京大學

北京大學基礎物理實驗教學中心于1999年11月在原物理系普通物理實驗教研室、近代物理實驗教研室以及部分專門化實驗室的基礎上合并組建而成[7]. 實驗教學中心成立后，將本科4年的物理實驗教學統(tǒng)一規(guī)劃，并進行了重組融合，以“加強基礎、循序漸進、因材施教、全面提高”為改革思想，實驗選題上增加了在物理學科中有代表性、有應用價值的先進的實驗內容及科研成果轉化的教學實驗，建立新的課程體系，加強了對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[8]. 2006年，北京大學基礎物理實驗教學中心入選首批國家級實驗教學示范中心. 普通物理實驗課和近代物理實驗課先后被評為國家級精品課.

近幾年，基礎物理實驗教學中心在傳統(tǒng)普通物理實驗和近代物理實驗基礎上[9]，逐漸推動以“科研引領實驗教學”的物理實驗教學改革，新開設綜合物理實驗、前沿物理實驗、專題研究性實驗等內容，形成了較全面的物理實驗課程體系[10-13]. 新開設的實驗力求貼合前沿和實際應用，通過實驗操作輔助講義、實驗設計和課后與教師面談討論等方式豐富課程形式，引導學生自主實驗，深入探究物理現(xiàn)象、理論和實驗方法，側重實驗探究過程和能力培養(yǎng). 以上實驗既滿足了大面積實驗教學的基本要求，也為優(yōu)秀拔尖學生提供了更多的個性化選擇，同時滿足核物理等部分專業(yè)的特殊培養(yǎng)需要.

北京大學基礎物理實驗教學中心目前有固定人員15人，每年有一定數(shù)量的兼課教師，教學團隊人員的年齡和職稱分布合理. 實驗教學中心目前有實驗設備超過2 600臺，總值超過3 000萬元. 實驗教學中心注重網絡信息化建設，學生可以方便地通過實驗教學中心主頁在線觀看實驗視頻，預習實驗. 實驗教學中心由學校、物理學院兩級管理，由物理學院教學委員會直接領導，實驗室安全方面由北京大學實驗室與設備管理部和物理學院實驗室管理辦公室兩級管理. 實驗教學中心近年來經費充足，每年經費數(shù)百萬元，包括學科建設經費、北大教改項目、教務部拔尖人才、設備部修購項目等. 實驗教學中心鼓勵本單位教師和實驗技術人員立足教學實際開發(fā)和設計新實驗，自制實驗設備[14]，將最新的科研成果引入到實驗教學中.

1.2 清華大學

清華大學實驗物理教學中心在教學理念和人才培養(yǎng)目標方面，強調加深對物理概念、物理規(guī)律的理解和運用，掌握常用的實驗方法、儀器使用方法以及數(shù)據(jù)分析方法，培養(yǎng)學生提出問題、分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和嚴謹?shù)目茖W作風. 開展分層次、多模式、研究型實驗教學，以人為本，因材施教，遵循認知規(guī)律[15-16]. 該校物理實驗課程面向理、工科(含醫(yī))一、二年級本科生，內容涵蓋力、熱、電、光、近代綜合5類，2學期，共可開約60個4學時的實驗題目，課程負責教師根據(jù)課程學時要求均衡學科內容，挑選數(shù)目合適的題目安排為必做，再開設多個題目供學生自由選做，一般必做所占學時大約75%. 面向物理專業(yè)學生的實驗課程體系由基礎物理實驗、近代物理實驗和高等物理實驗3部分組成. 其中，高等物理實驗對本科生選修，內容涵蓋聲學、光學、凝聚態(tài)物理、核物理4類.

2018年，清華大學實驗物理教學中心有固定教學人員26人，實驗物理教學中心經費包括日常運行費用(每年約20萬)和其他經費來源，包括：教務處拔尖人才培養(yǎng)、985三期、基金委支撐條件建設、學堂班實驗研究基地以及實驗室創(chuàng)新基金等.

1.3 復旦大學

復旦大學物理教學實驗中心在教學理念和人才培養(yǎng)目標方面，遵循“以人為本、以學生為主體”的教育理念，加強了對本科生進行科學方法和科學思維的訓練，使實驗內容體系在“知識、能力、科學素養(yǎng)”培養(yǎng)上進一步優(yōu)化[17]. 該校物理教學實驗中心承擔了物理系本科生的各類物理實驗課程和理科、醫(yī)科及技術類各專業(yè)低年級學生的普通物理實驗課程的教學任務，并向全校文、理、醫(yī)、管各院系開設“自學物理實驗”公共選修課，每年接待學生超過3 000人次，實驗年人時數(shù)超過16萬人學時. 實驗中心還建有復旦大學物理虛擬仿真實驗教學中心(國家級虛擬仿真實驗教學中心)，倡導“虛實結合”的實驗教學[18].

2018年，復旦大學物理教學實驗中心有固定教學人員20人，日常運行經費由學校教務處和院系兩級核撥，建設經費一般來自學校的專項資助經費.

1.4 中國科學技術大學

中國科學技術大學物理實驗教學中心在教學理念和人才培養(yǎng)目標方面，堅持以學生為本，以能力培養(yǎng)為核心，樹立“融知識、能力、素質協(xié)調發(fā)展”的教育理念. 通過多種途徑和方式，為學生提供良好的實踐教育環(huán)境，促進學生參與實踐，提高學生的實踐能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神[19-20]. 該校物理實驗課程屬性：面向本科生各專業(yè)，兼有通識課和專業(yè)基礎2種課程屬性. 教學內容：基本量的測量、基本實驗儀器的使用、基本實驗技能的訓練和基本實驗數(shù)據(jù)的處理與前沿物理、新技術、新方法和新應用相銜接. 教學目的：學習物理知識，了解實驗過程，體驗物理文化，培養(yǎng)基本的科研素質. 教學特點：虛實結合，能實不虛；軟硬結合，能硬不軟；“留白”講結合，能做不講. 實驗教學中心還建有量子通信、極端超高壓、高成本納米表征等系列虛擬仿真實驗.

2018年，中國科學技術大學物理實驗教學中心有固定人員29人，教學中心經費包括日常運行費(每年約80萬)和實驗建設經費，后者由教學中心按需求向學校教務處申報，近幾年，學校投入物理實驗教學建設費每年400～600萬.

1.5 香港科技大學

香港科技大學在物理實驗教學理念和人才培養(yǎng)目標方面，強調學生應該能夠通過所做實驗掌握實驗基本概念和科學探究的一般方法. 特別希望學生能夠做到：通過使用實驗儀器或者裝置練習/實踐基本實驗技術或者技能，記錄實驗操作和實驗數(shù)據(jù)圖表，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，總結實驗結果形成報告，通過團隊項目建立和實踐團隊合作技能. 香港科技大學物理系提供的實驗課程包括：基礎物理實驗Ⅰ(力、熱共10個)、基礎物理實驗Ⅱ(電磁、光學共10個)、近代物理實驗(量子共8個)、物理實驗方法Ⅰ(電路共6個)、物理實驗方法Ⅱ(光學共6個)、畢業(yè)設計共6個模塊[21]. 畢業(yè)設計模塊實驗包含現(xiàn)代大學的大部分設備，例如光譜儀、低溫系統(tǒng)、光刻系統(tǒng)、X射線衍射、掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、核磁共振等. 課程安排在4個學年完成，其中基礎物理實驗Ⅰ、Ⅱ針對理學院的學生，其余課程主要針對物理專業(yè)的學生.

香港科技大學物理實驗沒有仿真實驗室. 香港科技大學有5個物理教學實驗室，每個實驗室面積80～250 m2不等. 2018年物理實驗教學有固定人員11人，教學經費來自撥款，大部分用于維護和升級教學設備.

2 麻省理工學院和劍橋大學的物理實驗教學

2.1 麻省理工學院

麻省理工學院物理實驗課程的目標是讓學生親身體驗現(xiàn)代物理學的一些實驗基礎，在此過程中加深對實驗和理論之間關系的理解，尤其是原子物理. 物理實驗課程包括8.13實驗物理Ⅰ(3個預科實驗，11個正規(guī)實驗)和8.14實驗物理Ⅱ(10個正規(guī)實驗)2門課程，稱之為Junior Lab，課程對應于國內的近代物理實驗，部分實驗是物理學史上的諾貝爾獎實驗，包括康普頓散射、脈沖核磁共振、盧瑟福散射、氫原子光譜、X射線、射電天體物理、光鑷、穆斯堡爾效應、超導、量子信息處理等. 實驗中教師指導很少，但是比較全面地介紹實驗的背景，注重實驗探究過程，提供各種參考資料，學生也可以通過查找參考文獻對實驗有更深刻的理解. 每個學期，學生從課程實驗目錄中選擇5個不同的實驗，每個實驗做2周，實驗后完成文字報告和口頭展示. 成績評定中，預習、出勤、實驗表現(xiàn)和實驗記錄約占30%，文字總結報告約占30%，平時口頭展示和期末展示約占40%. 麻省理工學院非常注重網站建設，學生通過open-course-ware網站獲得課程信息，包括課程大綱、實驗說明、考核方式、學習輔導及參考文獻等[22].

物理實驗教學相關教師包括Faculty 2～4人、Technician 2～4人，此外還有助教約6人. 實驗室安全管理方面包括化學和環(huán)境安全、用電安全、放射性安全、低溫安全、激光安全、生物安全(如光鑷)等6項.

2.2 劍橋大學

劍橋大學物理實驗課程的主要目標是發(fā)展實驗技能，其次是物理概念的闡釋，通過實驗將物理概念理解得更清晰到位. 課程按照Part IA(實踐)，Part IB(實踐)，Part Ⅱ(實驗)和Part Ⅲ(項目)的方式組織，以上4部分課程在4年制教學中分別對應第1年至第4年，劍橋大學每學年有3個學期：Michaelmas， Lent， Easter. Part IA每個實驗做4 h，Part IB每個實驗做6～8 h，Part Ⅱ分為E1(Michaelmas學期)和E2(Lent學期),E1和E2每個實驗累計做30～40 h，包括波導、銣原子光泵、共振隧穿二極管、鍺遷移率、磁流體、激光散射研究玻爾茲曼常量、約瑟夫森效應、核磁共振、掃描隧道顯微鏡等實驗. 教學中強調學習能力和懷疑精神，激發(fā)學生興趣，學生遇到問題通過實驗解決，強調團隊合作，鼓勵本科生加入課題組開展科學研究. 實驗室分布范圍較廣，包括盧瑟福大樓、布拉格大樓、莫特大樓等. Part IA和Part IB有專門的物理實驗教學區(qū)域. Part Ⅱ大多數(shù)實驗所在地相對集中，少量在學校的科研課題組. Part Ⅲ基本都在科研課題組.

劍橋大學建有相應的網站，以便學生獲取課程信息[23]. 物理實驗教學相關人員包括Faculty 5人、Staff 1人. 劍橋大學成立了專門的教學委員會負責本科教學. 實驗室安全管理方面包括電離輻射、化學危害及有害物、化學廢物處理、生物安全、電氣安全、激光防護、低溫安全、高壓系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、個人防護設備等內容.

3 中外部分高校物理實驗教學對比分析

國內外部分高校物理實驗教學的教師構成、學生人數(shù)、實驗開設和教學特色如表1所示.

3.1 實驗教學理念、內容、方式比較

在教學理念目標方面，國內外大學強調培養(yǎng)學生實驗素質和實踐能力，通過實驗增強對物理概念的理解. 國內大學更強調科學的實驗方法、規(guī)范的實驗操作，注重基本實驗方法和基本實驗思想的教學，實驗上強調實驗記錄和數(shù)據(jù)處理、誤差分析和報告展示等. 國外大學更注重培養(yǎng)學生的學習能力和懷疑精神，通過現(xiàn)象觀察和動手實驗培養(yǎng)學生提出問題和用實驗研究物理、解決問題的能力，注重口頭報告和展示能力等.

在教學內容方面，國內外大學實驗涵蓋力學、熱學、電學、光學、量子物理等. 國內大學一般設置普通物理學實驗、近代物理學實驗和補充實驗(研究性、綜合性、設計性、趣味性、專題性實驗等)，更強調實驗課程的系統(tǒng)性和全面性，由于通常要對全校理工科類院系同時開設實驗，因此實驗具備一定的模塊化，但實驗內容以驗證性實驗為主，較少涉及信息等交叉的實驗，很少涉及大型物理實驗，近年來各高校逐漸注重補充實驗的開發(fā). 國外大學一般追求實驗內容有特色，通過實驗讓學生既掌握實驗技能又掌握物理概念. 國外物理實驗教學內容可大致分為3類：第1類是整合在普通物理課程之中的實驗課(不單獨開課)，該實驗課與普通物理理論講授內容保持一致，內容大體上相當于國內的普通物理實驗；第2類單獨開課，題目通常具有少而精的特點，其綜合性和開放性較強，以問題為導向，適合學生在掌握基本物理知識前提下開展一定的自由探索，內容大體上相當于國內的近代物理實驗或綜合物理實驗；第3類是科研型實驗，不同大學有側重地增加各自特色的補充實驗，如天文學實驗、粒子物理實驗、材料物理實驗、信號處理等，這些實驗相當于國內的前沿物理實驗或本科生科研. 國外不同大學第3類實驗差別較大，科研型實驗是國外大學物理實驗教學的顯著特點之一，尤其國外著名大學積極鼓勵學生參與科研活動，這些實驗更新較快，對學生科研能力的訓練起了積極的作用，該類型實驗設置與學生人數(shù)相對較少的基本情況是契合的.

在教學方式方面，國內大學教師注重講述實驗原理、步驟和儀器，通常學生獨立完成實驗，團隊配合較少，在教學中教師注意引導學生討論和啟發(fā)式教學，但由于學生人數(shù)較多等原因收效并不明顯. 國外大學更強調激發(fā)學生興趣和自主學習，教師在教學中主要通過提問、討論等方式與學生互動，強調學生獨立實驗和合作互助兼顧，主要通過作報告和展示掌握學生對實驗和物理問題的理解情況.

3.2 實驗條件和管理模式比較

實驗條件方面，國內大學設備完備，隨著近年來經費的不斷投入，新購設備自動化程度較高，但仍存在部分實驗設備陳舊的問題. 虛實結合方面，部分學校注重虛擬仿真實驗室建設[18]. 網絡建設方面，國內高校鼓勵學生觀看網上實驗視頻(云課堂)，部分高校開發(fā)了數(shù)字化考勤、原始實驗數(shù)據(jù)上傳、實驗報告線上提交打分等系統(tǒng)[24]. 國外大學設備先進，自動化程度高，大型實驗設備較常見. 麻省理工學院和劍橋大學每門課程都有相應的網站，學生瀏覽網站可以獲得當年課程的相關信息.

管理模式方面，國內大學一般每學年實驗課學生人數(shù)在千人以上，實驗課規(guī)模較大，管理組織較為復雜. 實驗課一般需要幾十位教師，且配備多位負責儀器管理的實驗技術人員，合作完成教學工作. 實驗課的管理組織一般由實驗教學中心負責，受教學委員會直接領導. 實驗教學經費投入較大，國內著名大學每年投入基本超過100萬. 國外大學在實驗內容和教師方面嚴格把關，有專門的教學委員會統(tǒng)管物理實驗教學，每年召開教學情況總結會. 國外大學實驗課學生總人數(shù)相對較少，實驗課規(guī)模較小，每門實驗課一般僅由少數(shù)幾位Faculty負責，配備一定數(shù)量的負責儀器管理的Staff或者助教，教師情況基本固定，但是逐年有一定比例的更新. 國內外大學在實驗室安全方面都有嚴格的安全制度，有專人負責和管理.

4 討 論

通過國內外部分大學物理實驗教學的比較，我們認為國內教學改革還有很大的空間，可以借鑒國外教學的有益經驗，探索適合中國具體情況的教學模式. 具體而言，目前國內高校實驗課學生人數(shù)較多，在一定時期內傳統(tǒng)的課程模式可能仍是實驗教學的主流，應循序漸進地改革. 創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)和課程思政建設為物理實驗教學提出了更緊迫的要求，應優(yōu)化課程設置，側重培養(yǎng)科學的實驗方法和實驗能力. 課程上增加研究性實驗和多種自選實驗等內容的比例；教學上注重培養(yǎng)興趣，激發(fā)學生主動學習、提出問題、大膽實驗，增加團隊合作、交流討論和報告展示的環(huán)節(jié)，注重培養(yǎng)創(chuàng)新能力、獨立思考、合作能力和表達能力. 進一步豐富配合物理實驗教學的網絡資源，開發(fā)學生個性化培養(yǎng)和學習任務管理方案，契合未來線上、線下多種方式教學的新趨勢. 推動教學管理部門加快優(yōu)化學生和教師評價體系：通過分類選課、部分免修、第1課堂和第2課堂融合等方式著力解決學生反映的實驗課程“內容多、沒創(chuàng)意”問題，提高學生實驗課滿意度；通過人事制度改革和獎懲措施解決部分教師“重科研、輕教學”問題，促使教師對實驗教學投入更多的時間和精力，進而扎實做好物理實驗教學，落實立德樹人的根本任務.