美國斯坦福大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校物理實驗教學(xué)介紹

祝 巍

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 物理學(xué)院，安徽 合肥 230026)

美國斯坦福大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校物理實驗教學(xué)介紹

祝 巍

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 物理學(xué)院，安徽 合肥 230026)

介紹了美國斯坦福大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校大學(xué)物理實驗教學(xué)情況、實驗特點、實驗課程設(shè)置和實驗室管理，講述了訪問學(xué)習(xí)后的收獲和體會.

物理實驗；教學(xué)模式；課程設(shè)置；實驗室管理

在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)“青年骨干教師出國研修”項目的支持下，本人于2014年在美國斯坦福大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校進(jìn)行訪問交流. 本次交流訪問的目的是了解和學(xué)習(xí)這2所學(xué)校有關(guān)物理實驗的課程設(shè)置、實驗教學(xué)內(nèi)容、實驗教學(xué)模式、實驗教材特點、實驗室管理和人員設(shè)置等方面的做法和經(jīng)驗[1-2]. 交流學(xué)習(xí)期間與這2所大學(xué)從事物理實驗教學(xué)的教師、實驗技術(shù)人員進(jìn)行了深入的交流，聽取了他們有關(guān)物理專業(yè)及物理實驗課程設(shè)置、教學(xué)管理、教學(xué)方法、實驗室管理、人員設(shè)置等方面的介紹，參觀了物理教學(xué)實驗室和部分科研實驗室，跟隨斯坦福大學(xué)的實驗教學(xué)人員進(jìn)行隨堂教學(xué)，并與部分助教和學(xué)生進(jìn)行交流，了解他們的教學(xué)和學(xué)習(xí)情況，以及對基礎(chǔ)物理實驗的看法等. 以下從幾個方面對所了解和學(xué)習(xí)到的情況作些介紹[3-5].

1 物理實驗課程設(shè)置

斯坦福大學(xué)物理實驗課程設(shè)置包括3部分：演示實驗、基礎(chǔ)物理實驗(分3個不同的難度等級)和科研型課題實驗. 斯坦福大學(xué)在物理實驗教學(xué)的樓層走廊過道中放置了很多演示實驗裝置，學(xué)生可以自己動手操作，這些實驗都比較直觀，很有趣味性，涉及電、光、聲、力、磁、熱等領(lǐng)域，此類內(nèi)容豐富、形象生動的演示實驗無疑可以很好地激發(fā)學(xué)生對物理的興趣. 基礎(chǔ)物理實驗是對一、二年級學(xué)生開設(shè)的，針對不同的專業(yè)分3個不同的難度等級，每個難度等級分3塊不同的實驗內(nèi)容，每塊9個實驗. 由于斯坦福大學(xué)實行4學(xué)期制，每學(xué)期10周，因此基礎(chǔ)實驗是每周1次. 除了基礎(chǔ)實驗課之外每周還有1次1 h的實驗討論課.

科研型課題實驗面向物理專業(yè)高年級學(xué)生開設(shè)，由學(xué)生自主選擇進(jìn)入各科研實驗室完成相關(guān)project，內(nèi)容深入物理研究各個前沿領(lǐng)域，由各科研實驗室的教授負(fù)責(zé)指導(dǎo)完成.

加州大學(xué)伯克利分校的基礎(chǔ)物理實驗課程設(shè)置和斯坦福大學(xué)類似，也針對不同的專業(yè)分不同的難度等級和實驗內(nèi)容. 但是伯克利分校有針對三年級學(xué)生的高年級物理實驗，在專門的實驗室完成.

2 物理實驗教學(xué)內(nèi)容

在針對低年級的基礎(chǔ)物理實驗方面，這2所學(xué)校的內(nèi)容大致類似，表1是本人所在學(xué)期斯坦福大學(xué)的基礎(chǔ)物理實驗課表.

從表1可以看到針對不同的專業(yè)方向分別開設(shè)了20/40/60系列實驗，對于物理、電子等專業(yè)要求修學(xué)60系列實驗，對于機械、工程等專業(yè)修學(xué)40系列實驗，對于計算機、生物等專業(yè)修學(xué)20系列實驗. 實驗內(nèi)容涵蓋了力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、近代物理等，內(nèi)容上相互錯開，這樣可以更充分地利用設(shè)備和實驗室. 具體開設(shè)的實驗內(nèi)容由對應(yīng)的理論課教師指定，實驗技術(shù)人員配合開課，實驗課程的進(jìn)度和理論課切合得較好，可以讓學(xué)生更好地理解和掌握理論課知識.

表1 斯坦福大學(xué)2014年春季學(xué)期基礎(chǔ)物理實驗課表

加州大學(xué)伯克利分校開設(shè)了專門針對高年級物理專業(yè)學(xué)生的實驗，在Donalo A. Glaser Advanced Lab完成，分2個學(xué)期，具體實驗內(nèi)容見http://instrumentationlab.berkeley.edu/[6]. 第一學(xué)期讓學(xué)生掌握各種實驗設(shè)備的使用，而且要學(xué)會用LabVIEW編程進(jìn)行控制，最后完成教師指定的考核內(nèi)容. 第二學(xué)期是一些比較大型的實驗，比如低溫霍爾效應(yīng)、核磁共振、布朗運動、盧瑟福散射等，每個實驗只有1套儀器，由專門的教師指導(dǎo)完成.

3 物理實驗教學(xué)模式

斯坦福大學(xué)的基礎(chǔ)物理實驗每學(xué)期9個實驗，學(xué)生網(wǎng)上自主選課和對應(yīng)的上課時間，上課前要下載打印好對應(yīng)的實驗講義，并且進(jìn)行預(yù)習(xí)，完成講義上pre-lab的內(nèi)容. 每次實驗最多16人，2人1套設(shè)備合作完成，時間為2 h，到時間就結(jié)束，下面還會有學(xué)生過來，最多1天看到安排了5組學(xué)生做實驗，因此他們的基礎(chǔ)物理實驗轉(zhuǎn)得很快. 上課開始助教會對實驗作簡單介紹，一般不超過5 min，因此對學(xué)生的預(yù)習(xí)要求比較高. 開始做實驗后學(xué)生之間的討論較多，合作完成，有問題和助教討論解決. 講義上在對應(yīng)的實驗內(nèi)容處會留出空白讓學(xué)生填寫實驗結(jié)果和做簡單數(shù)據(jù)處理，實驗結(jié)束學(xué)生當(dāng)堂上交實驗報告. 實驗過程中助教也會發(fā)放上周的實驗報告，并針對個別學(xué)生討論實驗報告中有問題之處. 每位助教每周帶2次課，帶固定2組學(xué)生做實驗，因此助教和學(xué)生之間比較熟悉.

學(xué)生每周進(jìn)入同一實驗室進(jìn)行實驗，實驗技術(shù)人員每周會花半天更新實驗，另外半天培訓(xùn)助教，每次更新會留1～2套上周的設(shè)備給需要補做的學(xué)生. 因此實驗室運行效率較高，雖然做基礎(chǔ)物理實驗的學(xué)生也比較多，但是常用的是3個大實驗室.

斯坦福大學(xué)高年級的物理專業(yè)學(xué)生會做對應(yīng)的“Project”，根據(jù)自己的興趣找對應(yīng)的科研實驗室完成，會花比較多的時間，做的也是物理前沿方面的內(nèi)容. 學(xué)生先和實驗室教授或者研究生討論方案，然后自己去學(xué)校各種shop里加工或者購買配件，最后進(jìn)行實驗. 實驗完成后會要求提交正式的報告論文和答辯.

加州大學(xué)伯克利分校的基礎(chǔ)物理實驗教學(xué)和斯坦福大學(xué)類似，也是學(xué)生固定去同一教室，每周實驗會更新. 不過伯克利分校每年是2學(xué)期，每學(xué)期時間較長，不是每周都有實驗課，而是根據(jù)理論課的進(jìn)度來安排，每學(xué)期一共9次左右. 對于高年級的物理專業(yè)學(xué)生，加州大學(xué)伯克利分校有專門的advanced lab來進(jìn)行教學(xué). 分Lab1和Lab2，一共要2學(xué)期才能完成，每個Lab有3個學(xué)分，從學(xué)生訪談中得知每周要花10～20 h. 其中Lab1由助教來指導(dǎo)，讓學(xué)生先熟悉各種常用的設(shè)備如信號發(fā)生器、示波器、鎖相放大器等，然后從簡單實驗入手，之后學(xué)習(xí)用LabVIEW編程控制數(shù)據(jù)采集和分析，之后的考核是用LabVIEW編程做指定的實驗，學(xué)會物理實驗的軟硬件結(jié)合. Lab2是一些比較大型的實驗，設(shè)備都只有1套，全都由教師來完成指導(dǎo)，學(xué)生和教師討論完成實驗內(nèi)容.

4 物理實驗教材

這2所學(xué)校都沒有正式出版的實驗教材，實驗課用的講義都是自編的，學(xué)生可以從網(wǎng)上下載. 講義中有詳細(xì)的實驗儀器和計算機軟硬件的使用說明，實驗內(nèi)容分pre-lab和in-lab activity內(nèi)容，學(xué)生要先打印講義預(yù)習(xí)，把pre-lab內(nèi)容做了，到實驗室后直接從in-lab activity內(nèi)容開始. 基礎(chǔ)物理實驗講義在實驗內(nèi)容方面緊扣課堂理論知識，由淺入深地讓學(xué)生體驗、理解對應(yīng)的物理知識. 實驗內(nèi)容往往以提問的方式讓學(xué)生思考嘗試，最后得出自己的結(jié)論，每一項內(nèi)容后留有空白處，讓學(xué)生填寫對應(yīng)的結(jié)果或者作圖，2 h的實驗結(jié)束就當(dāng)堂提交實驗報告.

對于高年級物理實驗會給出1個課題，學(xué)生去網(wǎng)上調(diào)研相關(guān)資料，再與教師進(jìn)行討論，由于需要做高年級物理實驗的學(xué)生較少，因此也可以實現(xiàn)這種方式，讓學(xué)生接觸物理研究的前沿問題.

5 物理實驗成績評定

斯坦福大學(xué)的基礎(chǔ)物理實驗課不單獨設(shè)學(xué)分和考試，但是要想獲得對應(yīng)專業(yè)的學(xué)位必須通過對應(yīng)系列的實驗，比如要想獲得物理專業(yè)學(xué)位必須通過60系列的基礎(chǔ)物理實驗. 每學(xué)期9個實驗，每個實驗1～3分，必須拿到18分以上才算通過. 每次的分?jǐn)?shù)由助教評定，每位助教指導(dǎo)2組約32名學(xué)生，他們非常了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，對學(xué)生能力的評價比一次考試更準(zhǔn)確.

加州大學(xué)伯克利分校的基礎(chǔ)物理實驗也不單獨設(shè)學(xué)分和考試，但是每次實驗會有分?jǐn)?shù)，最后實驗分?jǐn)?shù)會占到對應(yīng)物理課程分?jǐn)?shù)的10%. 不過實驗課是必須上的，如果少上1次課會降低1擋物理課成績. 高年級的物理實驗有單獨的學(xué)分和最后的考核，需要上2個學(xué)期，每學(xué)期3學(xué)分，學(xué)生需要花的時間也比較多.

6 教學(xué)和技術(shù)人員崗位設(shè)置

斯坦福大學(xué)的基礎(chǔ)物理實驗具體內(nèi)容由上理論課的教師指定，實驗技術(shù)人員給出建議和負(fù)責(zé)實施，整個基礎(chǔ)物理實驗只有1名實驗技術(shù)人員，每周要更換3個實驗室的設(shè)備，不過基礎(chǔ)實驗的設(shè)備都比較簡單和小型化，因此1名技術(shù)人員也可以勝任. 助教一般由低年級研究生擔(dān)任，每學(xué)期選聘1次，每名助教輔導(dǎo)32名學(xué)生，除了指導(dǎo)學(xué)生做實驗外，助教還會每周和學(xué)生討論1次實驗. 每學(xué)期中間會有1次對助教的考核，形式是助教本人回避，其他助教到課堂直接向?qū)W生進(jìn)行問答調(diào)研，考核助教是否按照要求完成指導(dǎo)任務(wù). 這種配置使得基礎(chǔ)物理實驗的目的是為了讓學(xué)生更加直觀地理解和掌握基本的物理知識.

加州大學(xué)伯克利分?；A(chǔ)物理實驗和斯坦福類似，高年級物理實驗的Lab1也是由助教來輔導(dǎo)，不過70名學(xué)生有7名助教進(jìn)行輔導(dǎo)，而Lab2全都由教師指導(dǎo)完成.

雖然他們配備的專職實驗技術(shù)人員不多，但是都很盡職和高效，能勝任多個學(xué)科和各種儀器的技術(shù)支持，能設(shè)計和選配，甚至加工滿足各種實驗需求的實驗裝置. 此外他們還負(fù)責(zé)對助教進(jìn)行儀器設(shè)備的培訓(xùn)和撰寫儀器使用說明，每天及時看郵件，回答學(xué)生和助教的問題.

7 物理實驗教學(xué)的特點

通過在這2所大學(xué)的物理實驗教學(xué)中心一段時間的交流和學(xué)習(xí)，覺得他們的物理實驗教學(xué)和管理有如下明顯的特點：

1) 重視演示實驗，無論在課堂上或者在實驗室走廊等公共空間，演示實驗都很直觀地反映了某一物理現(xiàn)象或者物理原理，可以增加學(xué)生對物理知識的理解和興趣.

2) 針對低年級的基礎(chǔ)物理實驗內(nèi)容與理論課銜接較好，實驗內(nèi)容比較靈活，不強調(diào)測量一定要多精準(zhǔn)，但是會讓學(xué)生在完成實驗時體會其中的物理內(nèi)涵. 對于不同的專業(yè)方向，實驗難度和內(nèi)容也有所不同，做到因材施教.

3) 重視實驗過程中的討論和學(xué)生自己的思考，實驗內(nèi)容以提問的形式引導(dǎo)學(xué)生完成，而不是指令式的一步一步完成.

4) 計算機應(yīng)用比較廣泛，而且有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集卡，對于不同的實驗只要更換傳感器和對應(yīng)的采集軟件即可，可提高實驗效率.

5) 對于高年級的物理實驗注重學(xué)生研究能力的培養(yǎng)，除了動手能力之外，像LabVIEW之類的物理實驗常用的軟件也是必修內(nèi)容，最后可以讓高年級的學(xué)生學(xué)會物理實驗的軟硬件結(jié)合和數(shù)據(jù)的自動化采集處理.

6) 沒有統(tǒng)一的正式出版教材，自編的實驗教材更能適應(yīng)教學(xué)內(nèi)容和儀器的不斷更新.

7) 基礎(chǔ)物理實驗沒有單獨的學(xué)分，但是是畢業(yè)或者理論課成績的關(guān)鍵組成部分，開實驗課的主要目的是讓學(xué)生對物理概念有直觀的了解，增加學(xué)生對物理的認(rèn)識和興趣. 在考核方面沒有一般意義上的考試，主要由學(xué)生平時實驗和討論的表現(xiàn)決定，正常來說，學(xué)生只要去做實驗了，肯定可以通過物理實驗課程.

8) 實驗室運行效率很高，每周更換實驗設(shè)備，學(xué)生每次實驗時間是2 h，這對實驗技術(shù)人員和助教都有較高的要求.

8 收獲和體會

經(jīng)過一段時間的訪問和學(xué)習(xí)，對斯坦福大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校的物理實驗教學(xué)情況有一定的了解，從中得到了寶貴的啟示，結(jié)合我校的物理實驗教學(xué)情況，主要有以下收獲和體會：

1) 非常重視物理實驗教學(xué)

這2所大學(xué)都把物理實驗教學(xué)放在十分重要的位置，像斯坦福大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗是面向全校所有理工科專業(yè)的學(xué)生，不通過對應(yīng)的實驗課程就無法拿到對應(yīng)的學(xué)位. 而加州大學(xué)伯克利分校也要求通過對應(yīng)的實驗課程，而且還不能缺實驗，否則對應(yīng)的理論課程就無法通過. 實驗內(nèi)容方面均是由經(jīng)驗豐富的教授來指定，而且緊扣理論課進(jìn)程. 我校對基礎(chǔ)物理實驗也非常重視，單獨設(shè)課，有獨立的學(xué)分，而且是全校所有專業(yè)的必修課程.

對于高年級的物理實驗加州大學(xué)伯克利分校有專門的實驗室，學(xué)生每周要花10～20 h，持續(xù)2個學(xué)期才能獲得對應(yīng)的學(xué)分，特別是Lab2全由教師指導(dǎo)，可見對物理實驗的重視程度.

雖然這2所大學(xué)均以工科見長，每年物理專業(yè)的學(xué)生也不多，但是物理專業(yè)的排名非常靠前，這與他們對物理實驗教學(xué)的重視是密不可分的.

2) 物理實驗課目的明確

在幾個月的交流和學(xué)習(xí)中，可以感受到他們?yōu)閷W(xué)生開設(shè)物理實驗課的目的非常明確. 在斯坦福大學(xué)，基礎(chǔ)物理實驗課是面向所有的理工科學(xué)生，因此難度較低，主要是讓學(xué)生對基本物理概念有直觀的了解，懂得如何去研究物理問題. 對于物理量的測量講求物理圖像，而對于最終值的精度要求不高，也沒有不確定度分析的要求. 不同的專業(yè)方向要求通過不同level的基礎(chǔ)物理實驗，真正做到因材施教.

我校也面向全校所有專業(yè)開設(shè)基礎(chǔ)物理實驗課程，但是沒有針對不同的專業(yè)開設(shè)不同的實驗和內(nèi)容，可以借鑒他們的方法，在實驗方向和內(nèi)容上有所調(diào)整.

對于高年級的物理專業(yè)學(xué)生，人數(shù)較少，因此可以安排到各科研實驗室做project，或者由專門的教師指導(dǎo)進(jìn)行專業(yè)物理實驗，研究物理前沿問題. 在這個過程中讓學(xué)生學(xué)習(xí)如何選題、調(diào)研、提出方案、討論、實施、總結(jié)等. 對高年級我校也有研究性實驗，而且學(xué)生眾多，每年有600人左右，有些小組也可以獲得很不錯的結(jié)果，但覺得如果能延長研究性實驗的時間，建設(shè)更加貼近科研前沿的研究性平臺，更有利于學(xué)生科研能力的培養(yǎng).

3) 注重科研能力的培養(yǎng)

雖然他們物理專業(yè)的學(xué)生不多，但這些學(xué)生都是對物理具有濃厚的興趣，因此學(xué)校給學(xué)生提供足夠的條件，以便在實驗過程中充分發(fā)揮他們的積極性和主觀能動性. 通過教師的全程指導(dǎo)或者安排到科研實驗室進(jìn)行研究，讓學(xué)生置于富有創(chuàng)造和探索性的環(huán)境中，主動思考、發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，使他們經(jīng)歷完整的科研過程，享受其中的樂趣.

4) 實驗室運作效率很高

雖然基礎(chǔ)實驗面向的學(xué)生很多，但是他們開課占用的實驗室并不多，而是通過固定實驗時間，每周更換實驗來完成. 這一方面要求實驗技術(shù)人員要及時更換設(shè)備，另一方面要求學(xué)生認(rèn)真預(yù)習(xí)，否則沒法按時完成實驗. 實驗設(shè)備就放置在實驗室四周的柜子或者架子上，一目了然，更換也比較方便. 有些固定設(shè)備，比如電腦、打印機、示波器、信號發(fā)生器等通用性好的設(shè)備是不用更換的，一般更換的都是比較小型的設(shè)備.

在實驗室運行方面覺得我校的效率不是很高，每次實驗時間是下午或者晚上，1天最多2批學(xué)生，因此同時開放了很多實驗室，設(shè)置很多實驗才能完成教學(xué)任務(wù). 而實際學(xué)生做基礎(chǔ)物理實驗時間在2 h左右，因此覺得也可以考慮加快實驗的輪轉(zhuǎn)，提高效率.

5) 有高水平的專職實驗技術(shù)人員

這2所大學(xué)的物理實驗教學(xué)中心都有人數(shù)不多的專職實驗技術(shù)人員隊伍，他們屬于系里STAFF職位，知識面廣，動手能力強. 平時負(fù)責(zé)實驗室的管理，通過完成教授對實驗的設(shè)想來組建新實驗，在實驗建設(shè)中擔(dān)當(dāng)了重要角色. 像斯坦福大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗部分只有1名專職實驗技術(shù)人員，完成每周3個實驗室的設(shè)備更換及所有設(shè)備的維護(hù)和維修，還要回答助教和學(xué)生對于實驗儀器的問題，及時“清理”郵件. 他的辦公室就是小型的車間，有各種小型車床和工具，各種配件和工具分門別類有序擺放. 這么一支人數(shù)不多的隊伍是完成物理實驗教學(xué)的有力保障.

致謝：感謝斯坦福大學(xué)Grogory S. Romine教授和伯克利大學(xué)王勝同學(xué)的幫助和指導(dǎo).

[1] 姚凱倫，劉祖黎. 美國大學(xué)的物理實驗教學(xué)及其管理[J]. 物理實驗，1986，6(3)：137-139.

[2] 段家怟，曹惠賢，王煜，等 美國高校物理實驗教學(xué)和管理情況考察報告[J]. 大學(xué)物理，2004,23(3)：42-45.

[3] 俞熹，樂永康，冀敏，等. 美國大學(xué)物理教學(xué)和管理考察報告[J]. 物理實驗，2013，33(4)：14-20.

[4] 李靜，王祖源. 中美大學(xué)物理實驗教學(xué)的比較與分析[J]. 中國大學(xué)教學(xué)，2008(2)：95-97.

[5] 沈元華. 美國大學(xué)物理實驗教學(xué)考察報告[J]. 實驗室研究與探索，2001，20(1)：89-92.

[6] Horowitz P, Hill W. The art of electronics [M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1989.

[責(zé)任編輯：任德香]

Introduction of the physics experiment teaching of Stanford University and UC Berkeley

ZHU Wei

(School of Physical Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

The situation of physics experiment teaching at Stanford University and UC Berkeley was introduced based on the several months’ visiting and studying there. The physics experiment lessons’ curriculum, features and management of the lab were introduced. The gains from this visiting were also reported.

physics experiment; teaching model; curriculum provision; lab management

2016-05-11；修改日期：2016-10-24

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)“青年骨干教師出國研修”項目

祝 巍(1981-)，男，浙江杭州人，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院物理實驗教學(xué)中心講師，博士，從事凝聚態(tài)物理方面科研和物理實驗教學(xué)工作.

G642.423

B

1005-4642(2017)02-0038-05

“第9屆全國高等學(xué)校物理實驗教學(xué)研討會”論文