大學(xué)物理實驗教學(xué)發(fā)展歷程中的組織模式

張 鋒，廖 飛，蒲利春

（重慶理工大學(xué)，重慶 400054）

在人類追求真理、探索未知世界的過程中，物理學(xué)展現(xiàn)了一系列科學(xué)的世界觀和方法論，深刻影響著人類對物質(zhì)世界的基本認(rèn)識、人類的思維方式和社會生活，是人類文明的基石，在人才的科學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)中具有重要的地位。物理學(xué)本質(zhì)上是一門實驗科學(xué)。物理實驗是科學(xué)實驗的先驅(qū)，體現(xiàn)了大多數(shù)科學(xué)實驗的共性，在實驗思想、實驗方法以及實驗手段等方面是各學(xué)科科學(xué)實驗的基礎(chǔ)［1］。正是基于這一點，物理實驗被確定為各高校理工類專業(yè)的必修基礎(chǔ)課，其教學(xué)組織模式多種多樣。但基于辦學(xué)條件的限制和教學(xué)效率的考慮，絕大教學(xué)單位多采用班組集體上課的模式。這種教學(xué)組織模式盡管在教學(xué)效率、教學(xué)管理方面具有明顯的優(yōu)勢，但也存在嚴(yán)重的問題，如學(xué)生曠課、抄襲、敷衍了事、上課老師指導(dǎo)不到位等現(xiàn)象普遍存在，嚴(yán)重影響了教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生能力的培養(yǎng)。可以見單一的班組集體上課模式已經(jīng)不能完全適應(yīng)當(dāng)前教育質(zhì)量和人才培養(yǎng)的要求

物理實驗教學(xué)可以追溯到人類生活的早期。當(dāng)時生產(chǎn)力水平極為低下，人們在生產(chǎn)勞動中把生產(chǎn)、生活經(jīng)驗和技術(shù)知識不斷地積累，并一代一代地傳承下來。這個過程不自覺地就進(jìn)行著各種實驗（自然也包括物理實驗）的教學(xué)活動。但真正意義上的物理實驗教學(xué)是起源于西方大學(xué)誕生之后。尤其到16、17世紀(jì)，隨著自然哲學(xué)的發(fā)展，人們開始對自然科學(xué)越來越感興趣，并進(jìn)行了大量的物理實驗，如伽利略單擺實驗、蓋里克的真空實驗、牛頓三棱鏡實驗、惠更斯的光折射反射實驗等等，一系列經(jīng)典、系統(tǒng)的物理實驗，促使了物理學(xué)的快速發(fā)展，但仍然沒有現(xiàn)在真正意義上的物理實驗課程教學(xué)。到第一次工業(yè)革命后期，一些歐洲主要資本主義國家的大學(xué)中開始有專門的物理實驗教育，這時由于學(xué)生規(guī)模小，物理實驗多以“師徒”形式開展。隨著第二次工業(yè)革命的到來，社會對科技人才需求的劇增，教育規(guī)模不斷擴大，物理實驗教學(xué)已經(jīng)開始以“班組”集體上課的形式進(jìn)行［2］。這種方式持續(xù)了近100年，為各個國家所借鑒和效仿。二戰(zhàn)結(jié)束以后，科學(xué)技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要性日益凸顯，如何培養(yǎng)出具有獨立思維和探索精神的高素質(zhì)科技人才，成為世界各國尤其是歐美、日本等各發(fā)達(dá)國家教育改革的目標(biāo)。經(jīng)過教育改革者的積極探索和實踐，加上教學(xué)設(shè)備和環(huán)境等硬件設(shè)備的不斷改善，“開放式”的教學(xué)組織模式逐漸引入，并受到學(xué)生的廣泛歡迎。縱觀物理實驗教學(xué)的組織模式，可以歸納為“師徒式”、“班組式”和“開放式”三種基本模式。本文試圖從物理實驗教學(xué)發(fā)展歷程的角度，分析這三種基本教學(xué)組織模式的特點和內(nèi)涵，針對當(dāng)前物理實驗教學(xué)中存在的一些問題，從教學(xué)組織模式的角度，提出了教學(xué)改革思路。

1 師徒式組織模式

師徒式教學(xué)組織模式是物理實驗教學(xué)的最早組織模式。在人類生活的早期階段，由于生產(chǎn)力水平的限制，沒有專門的教育，所謂的教育都是生活、生產(chǎn)經(jīng)驗的直接傳授。教育者與被教育者之間的關(guān)系一般為師徒關(guān)系。通常都是師父在實踐過程邊示范邊教，而學(xué)生（徒弟）則在一旁邊觀察邊學(xué)。那時師徒關(guān)系即為師生關(guān)系［3］。其顯著特點表現(xiàn)為言傳身教。這種教育組織形式的最終效果是：學(xué)生可以得到老師的“真?zhèn)鳌?，個性鮮明，但同時受老師個人因素（如知識、能力、品行等）影響較大，限制了學(xué)生知識面和視野。

在漫長的封建社會，學(xué)校教育一直是重古文經(jīng)史，輕自然科學(xué)，先進(jìn)的科技發(fā)明被視為“奇技淫巧”，這就嚴(yán)重地阻礙了學(xué)校開設(shè)自然科學(xué)課程，使學(xué)校物理等自然學(xué)科的教育難以發(fā)展，到16世紀(jì)以后，與西方相比，我國在自然科學(xué)和技術(shù)等各個方面的差距越拉越大。但是物理學(xué)和物理實驗教育從沒有終止過，是一種普遍的社會活動，師徒式的教學(xué)組織模式一直持續(xù)到近代。但教學(xué)規(guī)模很小，社會化程度低，沒有受到重視。盡管如此，我國古代也出現(xiàn)過諸如墨子（公元前468－前376年）、王充（公元27－約97年）、張衡（公元78－139年）、沈括（1031－1095年）、趙友欽（1279－1368年）、王夫之（1619－1692年）等一批偉大的科學(xué)家。

到16、17世紀(jì)，西方自然哲學(xué)得到了較好的發(fā)展，近代自然科學(xué)逐漸形成，并獨立于哲學(xué)。實驗方法的教育價值也逐漸被人們所認(rèn)識，成為物理學(xué)研究的基本手段，實驗室成為人們獲取物理學(xué)新知識的主要場所［2］。物理學(xué)在17世紀(jì)末進(jìn)入歐洲主要國家的大學(xué)課堂，但是學(xué)習(xí)和從事物理學(xué)及物理學(xué)實驗研究的人相對很少，沒有專門的物理實驗場所和物理實驗教學(xué)，物理實驗室和物理實驗也僅限于研究之用。當(dāng)時從事物理實驗完全是出于個人對自然哲學(xué)問題的思考和對自然現(xiàn)象的好奇與探索，孰不知這正是推動物理學(xué)不斷發(fā)展的不竭動力與源泉。然而由于當(dāng)時從事物理實驗活動多屬于個人行為，加上當(dāng)時受經(jīng)院哲學(xué)思想的影響，人們對物理實驗的重要性還沒有足夠的認(rèn)識，甚至認(rèn)為是一種供人消遣的魔術(shù)，所以社會效應(yīng)很小。所謂的實驗室通常只是一簡陋的房間，甚至沒有固定的場所［2］。所以當(dāng)時沒有真正意義上的物理實驗教學(xué)，更談不上教學(xué)組織模式。

直到19世紀(jì)30年代，在歐洲的一些大學(xué)里終于出現(xiàn)了專門針對學(xué)生的實驗物理訓(xùn)練［2］。但物理實驗室多是私人實驗室。科學(xué)家經(jīng)常把自己的住所一部分或大學(xué)里閑置的房間改造、裝備成實驗場所，然后接受那些熱衷于實驗研究活動的學(xué)生進(jìn)入他們的實驗室學(xué)習(xí)和工作。德國柏林大學(xué)的 H.G.馬格努斯（1802－1870年）就把自己寓所中的幾個房間裝備成物理實驗室，接受并指導(dǎo)學(xué)生做實驗，學(xué)生人數(shù)一般為三四人，包括留學(xué)生。在這樣的實驗室學(xué)生通常可以接受到良好的、全面的物理實驗技能和知識的訓(xùn)練。在馬格努斯的實驗室里接受過訓(xùn)練的學(xué)生中就有后來成為著名科學(xué)家的亥姆霍茲（1821－1894年）和丁鐸爾（1820－1893年）。

類似于這樣的師傅帶徒弟式的實驗物理訓(xùn)練在19世紀(jì)前期和中期的歐洲大學(xué)里較為普遍。這種師徒式教育的突出特點是：教師與學(xué)生的交往非常密切，他對每一個來實驗室工作的學(xué)生的興趣和特長了如指掌，因而能夠因材施教，充分發(fā)揮學(xué)生的主動性和積極性，在教師的言傳身教之下進(jìn)行創(chuàng)造性的實驗研究。與當(dāng)今的導(dǎo)師制非常類似，但在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法明顯不同，即，前者是先通過系統(tǒng)性的實踐來獲得物理知識，屬于任務(wù)性的學(xué)習(xí)，而后者則是先通過系統(tǒng)的學(xué)習(xí)理論知識然后通過再用于實踐，屬于驗證性的學(xué)習(xí)，在培養(yǎng)學(xué)生主觀能動性方面后者明顯要稍遜一籌。從教學(xué)組織形式的角度看，這種師徒式的教育是典型的個別傳授制。這與當(dāng)時教育規(guī)模小，理工科學(xué)生數(shù)量少的狀況是相適應(yīng)的。同時，它也反映了當(dāng)時自然科學(xué)實驗活動的特點：科學(xué)實驗活動已成為一種與生產(chǎn)相分離的、獨立的社會活動，但其社會化程度還是較低。

2 班組式組織模式

隨著第一次工業(yè)革命的推進(jìn)和第二次工業(yè)革命的開始，科學(xué)技術(shù)對生產(chǎn)力和生活的影響日益顯著，歐美各主要資本主義國家的教育規(guī)模急劇擴大，學(xué)生人數(shù)激增，師徒式實驗教育模式已經(jīng)難以滿足社會對科學(xué)技術(shù)人才的巨大需求。其中美國作為新興的資本主義國家，表現(xiàn)的尤為突出。到第一次工業(yè)革命后期，科技人才顯得嚴(yán)重缺乏，尤其在工業(yè)增長比其他地區(qū)更為迅速的美國東北部各州更是如此。為適應(yīng)這種需要，美國一方面創(chuàng)辦新型大學(xué)，如麻省理工學(xué)院（1861年）、康奈爾大學(xué)（1865年）等［4］，另一方面也更加強烈地認(rèn)識到物理實驗方法的教育價值，開始考慮教學(xué)組織模式的改革。麻省理工學(xué)院首任院長、物理學(xué)教授羅杰斯（1804－1882年）就強烈倡導(dǎo)對本科生大班級開設(shè)正規(guī)的實驗課程的思想［2］。當(dāng)時主持物理系工作的教授皮克林（1946－1919年）實現(xiàn)了羅杰斯教授的這一想法，并在1870年創(chuàng)辦了麻省理工學(xué)院針對本科學(xué)生的物理實驗室，開創(chuàng)了大面積開設(shè)物理實驗課程的教學(xué)組織模式，并使實驗課程成為學(xué)生為得到學(xué)位而必修的一門有計劃的、系統(tǒng)的課程。這種組織模式的主要特點體現(xiàn)在以下幾方面：（1）實驗設(shè)備成建制配備，配備專門實驗人員；（2）每次上課時間、實驗人數(shù)固定；（3）教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法相對固定；（4）教師每次上課指導(dǎo)的人數(shù)較多。為此，皮克林當(dāng)時還編寫了一本實驗教科書。在世界教育史上，這本書是最早出版和最有影響的學(xué)生物理實驗指導(dǎo)書。

皮克林開創(chuàng)了的班組集體教學(xué)模式，制取代了此前的師徒式個別傳授模式，是物理實驗教學(xué)史上的一次重大變革和進(jìn)步［2］。它不僅體現(xiàn)了工業(yè)化和教育大發(fā)展對實驗教學(xué)的客觀要求，同時也是19世紀(jì)后期科學(xué)實驗活動規(guī)模不斷擴大、社會化程度不斷提高在實驗教學(xué)上的反映。因此，它出現(xiàn)不久就被美國的一些大學(xué)所效仿，同時也促成了歐洲許多大學(xué)物理實驗教學(xué)的變革。J.W.S.瑞利（1842－1919年）在1874年繼任劍橋大學(xué)卡文迪許實驗室教授職位后設(shè)置了學(xué)生實驗室教學(xué)，即采取了皮克林創(chuàng)設(shè)的方法。當(dāng)時在卡文迪許實驗室參與這項工作的格萊茲布魯克認(rèn)為，在19世紀(jì)末葉，英國及美國的大多數(shù)實驗物理學(xué)家都是在麻省理工學(xué)院實驗教學(xué)體制下培養(yǎng)出來的。麻省理工學(xué)院首創(chuàng)的班組集體物理實驗教學(xué)模式標(biāo)志著現(xiàn)代實驗教學(xué)制度的確立［2］。直至二戰(zhàn)前后，盡管物理實驗的內(nèi)容與設(shè)備在不斷充實和更新，但實驗教學(xué)的指導(dǎo)與管理方法基本上是在沿襲皮克林時代的模式。這是由生產(chǎn)力水平和經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度等各方面社會因素所決定的。

在創(chuàng)辦班組集體式物理實驗教學(xué)模式之初，皮克林教授本人很重視培養(yǎng)學(xué)生的獨立思考能力和探索創(chuàng)新精神，鼓勵學(xué)生運用實驗實現(xiàn)他可能想到的任何想法，并盡可能親手設(shè)計和制作所需要的器具，向著獨創(chuàng)性的研究方向努力。這無疑是極有見地和教育價值的。但由于受儀器設(shè)備、實驗場所、師資力量及教學(xué)管理等諸方面條件的制約，設(shè)計性、探索性實驗在大班級教學(xué)中難以實施，學(xué)生實驗基本是根據(jù)實驗指導(dǎo)書描述的程式按部就班進(jìn)行的。使得這一組織模式后來在實際操作過程中的教學(xué)效果打了折扣。現(xiàn)在看來，這一教學(xué)組織模式非常適用于基礎(chǔ)驗證性實驗項目的教學(xué)，適合大規(guī)模傳授學(xué)生知識的教學(xué)活動，而不太適合設(shè)計研究性實驗項目的教學(xué)，不利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。在后來的班組式教學(xué)模式中，教師往往成為課堂的主角，學(xué)生成為聽眾，學(xué)習(xí)比較被動，對所學(xué)知識不能靈活運用，不能充分發(fā)揮學(xué)生主觀能動性。

3 開放式教學(xué)組織模式

第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，世界政治格局發(fā)生變化，各國在經(jīng)濟(jì)和科技方面競爭明顯加劇，對高等教育培養(yǎng)出來的人才提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)致力于傳授知識的教育模式已經(jīng)顯得捉襟見肘，迫切需要改革。尤其是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展更需要具有開拓精神和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才，要求知識與能力并重。實驗教學(xué)由于在培養(yǎng)人才中獨特的功能而受到了人們更多的關(guān)注。在物理實驗教學(xué)方面，以美國為例，先后推出了諸如PSSC方案（美國物理學(xué)會為美國高等院校制訂的方案）、伯克利方案、倫塞來爾方案和麻省理工學(xué)院方案等多種改革計劃［2］。這些方案雖各有特色，但有一點是共同的：注重為學(xué)生提供足夠的條件，以便在實驗過程中充分發(fā)揮他們的主觀能動性，使學(xué)生置身于一種富有探索和創(chuàng)造性的學(xué)習(xí)環(huán)境中，積極、主動地觀察、思考，受到類似于專業(yè)研究人員進(jìn)行創(chuàng)造性實驗研究時的那種訓(xùn)練。其教學(xué)要點是：由學(xué)生自己或?qū)W生與教師商討選擇實驗題目，實驗方案的擬定、儀器的配置、測量和操作，以至實驗中出現(xiàn)的故障的排除等皆由學(xué)生自己完成，教師只在必要時給以指點，實驗時數(shù)乃至最終要求也不作硬性規(guī)定，由學(xué)生根據(jù)自己的時間、能力及興趣來安排。這種教學(xué)模式我們現(xiàn)在稱之為“開放式”教學(xué)模式。麻省理工學(xué)院物理實驗教學(xué)的改革方案最初由密立根教學(xué)獎獲得者J.G.金教授等主持，從1964年開始在150名一年級本科生中試行，取得良好效果［2］。此后就在教學(xué)計劃中規(guī)定新生入學(xué)后前兩年必修12個學(xué)分的設(shè)計性實驗。1966年，J.G.金撰文向外界介紹了經(jīng)驗。從60年代后期開始，國外很多大學(xué)開始了類似于麻省理工學(xué)院的實驗教學(xué)改革。

“開放式”實驗教學(xué)模式要求上課時間形式、實驗內(nèi)容、教學(xué)和管理方式都是“開放”的［5］。實行這種教學(xué)模式可以有效地解決實驗資源與公共時間的矛盾，學(xué)生可以根據(jù)自己的能力、專業(yè)、興趣和學(xué)習(xí)風(fēng)格等特點來選擇實驗內(nèi)容和時間，體現(xiàn)以學(xué)生為中心、以學(xué)生發(fā)展為本、教育的人性化和學(xué)習(xí)的個性化的新的教育教學(xué)理念。但是可以想像，對于數(shù)量龐大的學(xué)生群體，這種“開放式”教學(xué)模式在管理上壓力較大。當(dāng)今隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)基于校園網(wǎng)的實驗教學(xué)管理系統(tǒng)，為“開放式”實驗教學(xué)的全面鋪開創(chuàng)造了條件。

可以看出，開放式教學(xué)模式最大的特點就是：學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣愛好選擇實驗內(nèi)容，可以自由安排自己的時間，學(xué)生成為課程和課堂的主體。這樣有利于調(diào)動學(xué)生主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考的能力和創(chuàng)新意識，但是需要一定已經(jīng)設(shè)備和管理體制支撐。

4 我國近代各時期物理實驗教學(xué)的組織模式

北京大學(xué)1913年設(shè)立物理學(xué)門，標(biāo)志著我國物理學(xué)本科教育從此開始。但直到1917年才建成一套比較完整的課程設(shè)置，意味著我國物理實驗教學(xué)從此拉開序幕。當(dāng)時學(xué)生人數(shù)很少，第一屆學(xué)生只有5個，于1916年畢業(yè)。隨著我們高等教育的不斷發(fā)展，先后有南京大學(xué)于1920年設(shè)立物理系，于1922年建立物理實驗中心；四川大學(xué)于1926年設(shè)立物理系；上海交通大學(xué)物理實驗室于1906年始建；武漢大學(xué)于1928年設(shè)立物理系，實驗室于1932年創(chuàng)建；浙江大學(xué)物理實驗室于1933年創(chuàng)建等等。相對西方，我國物理學(xué)的高等教育起步相對較晚。

在二戰(zhàn)以前，我國物理實驗多采用美國教育模式，由于學(xué)生人數(shù)并不多，教學(xué)組織形式多以“班組式”和“師徒式”相結(jié)合的方式進(jìn)行，這種教學(xué)模式創(chuàng)造了我國物理學(xué)高等教育的輝煌，培養(yǎng)出了諸如鄧稼先、楊振寧、李振道、黃昆等一批杰出的物理學(xué)家。

新中國成立初期，出于鞏固國家政權(quán)、發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)、增強國力的迫切需要，我國高等教育幾乎照搬照套了蘇聯(lián)模式［6］，一切工作秉承“有計劃、有針對性”原則開展，人才培養(yǎng)也不例外。這一時期，大學(xué)物理實驗是以班組集體式的形式進(jìn)行，側(cè)重物理知識的傳授，便于批量性地培養(yǎng)人才。當(dāng)時教學(xué)只重視知識的傳授，以及教學(xué)條件的限制，物理實驗一般都是理論課程的附屬，沒有獨立設(shè)課。這一教學(xué)現(xiàn)狀持續(xù)到了上世紀(jì)70年代末。在80年代初，我國已經(jīng)認(rèn)識到蘇聯(lián)模式的不足，開始不斷嘗試改革。首先將物理實驗獨立于物理理論課教學(xué)，單獨成為一門課。在教學(xué)組織形式上仍然采用班組集體授課的模式。但“班組集體”教學(xué)模式的通病很快暴露，表現(xiàn)在實驗項目內(nèi)容單調(diào)乏味、師資力量水平不高、教學(xué)質(zhì)量下滑、學(xué)生成績考核單一、教學(xué)資源利用效率低等等各個方面。在上世紀(jì)80年代末和90年代初，我國各類高校開始著手物理實驗的教學(xué)改革，逐步將“開放式”教學(xué)模式引入實驗教學(xué)，在教學(xué)時間、教學(xué)內(nèi)容上實行開放式教學(xué)，受到學(xué)生普遍歡迎和支持，人才培養(yǎng)質(zhì)量也得到用人單位的廣泛認(rèn)可［6－7］。然而在硬件建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)管理、實驗室管理體制等諸多方面都不能與“開放式”的教學(xué)組織模式要求相匹配，所以開放式教學(xué)在我國各個高校并沒有真正全面實施。

5 啟示與結(jié)束語

物理實驗的教學(xué)模式與當(dāng)時社會發(fā)展水平是密切相關(guān)的。不同歷史階段，由于社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、教育規(guī)模大小的不同，都有與之相適應(yīng)的教學(xué)組織模式，大致可以歸納為師徒式、班組式和開放式三種基本模式。這三種教學(xué)組織模式都有其相應(yīng)的適用范圍，各有利弊。針對培養(yǎng)學(xué)生規(guī)模和培養(yǎng)層次的不同，應(yīng)靈活地采取不同的教學(xué)組織模式?，F(xiàn)階段，單一的教學(xué)組織模式已經(jīng)不適應(yīng)人才培養(yǎng)的需求。我國綜合國力正在不斷增強，教學(xué)資源在一定程度上已經(jīng)允許采取多樣化的教學(xué)組織模式。物理實驗作為理工類專業(yè)必修的基礎(chǔ)課程，在教學(xué)規(guī)模和教學(xué)目標(biāo)上與專業(yè)實驗教學(xué)均有所不同。物理實驗課程更側(cè)重于學(xué)生基本知識的掌握、基本科學(xué)素養(yǎng)和能力的培養(yǎng)。根據(jù)師徒式、班組式、開放式教學(xué)組織模式的特點，可以將這三種組織模式有機的結(jié)合，靈活地應(yīng)用于物理實驗教學(xué)。為了將這三種教學(xué)組織模式更好地融合與教學(xué)中，相應(yīng)的實驗室管理制度、網(wǎng)絡(luò)管理方法、師資配置、硬件設(shè)備都需要進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。只有這樣，才能高效率的利用學(xué)校教學(xué)資源，人性化地為學(xué)生提供學(xué)習(xí)機會，高質(zhì)量地完成教學(xué)目標(biāo)，為培養(yǎng)高素質(zhì)的專業(yè)人才奠定堅實基礎(chǔ)。

［1］教育部高等學(xué)校物理學(xué)與天文學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會，理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求，理工科類大學(xué)物理實驗課程教學(xué)基本要求（2010年版）［M］.北京：高等教育出版社，2011：15.

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［5］容敏麗.大學(xué)物理實驗課教學(xué)的一種新模式［J］.高等教育研究，1991，45（3）：76－78.

［6］黃福濤.蘇聯(lián)高等教育模式形成的歷史考察［J］.清華大學(xué)教育研究，2002（5）：57－64.

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