世界一流大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)課程網(wǎng)絡(luò)調(diào)研及啟示

馮娟娟， 李訓(xùn)栓， 王心華， 郭黨委

(蘭州大學(xué) 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，蘭州 730000)

·國外實(shí)驗(yàn)室·

世界一流大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)課程網(wǎng)絡(luò)調(diào)研及啟示

馮娟娟， 李訓(xùn)栓， 王心華， 郭黨委

(蘭州大學(xué) 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，蘭州 730000)

近代物理實(shí)驗(yàn)課程作為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，對培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新型人才具有重要意義。通過查閱15所世界一流大學(xué)的近代物理實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)站，從實(shí)驗(yàn)題目數(shù)量和實(shí)驗(yàn)時長，實(shí)驗(yàn)的選題方式，實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、講義和實(shí)驗(yàn)要求，教授負(fù)責(zé)制，網(wǎng)絡(luò)資源等方面詳細(xì)介紹了他們的課程設(shè)置和安排的特點(diǎn)，希望對國內(nèi)的近代物理實(shí)驗(yàn)的課程設(shè)置和實(shí)驗(yàn)教學(xué)有所啟發(fā)。同時總結(jié)了國內(nèi)高校近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)和差距，希望結(jié)合國內(nèi)大學(xué)的實(shí)際情況，通過學(xué)習(xí)國外一流大學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，能更好地提高近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的水平。

世界一流大學(xué); 近代物理實(shí)驗(yàn); 實(shí)驗(yàn)教學(xué); 課程設(shè)置

0 引 言

目前，國家正在大力推進(jìn)“世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)”，而培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新型人才是其中的一個重要內(nèi)容。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)為創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)提供了一個良好的平臺，對培養(yǎng)富有創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力的高素質(zhì)人才具有舉足輕重的作用[1-3]。近代物理實(shí)驗(yàn)作為理工科高年級本科生的一門基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，在培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ΑI(yè)素養(yǎng)等方面發(fā)揮著重要作用[4-9]。

作者查閱了2015泰晤士報高等教育世界大學(xué)排名靠前的15所一流大學(xué)(見表1，數(shù)據(jù)來自各個學(xué)校官方網(wǎng)站)的近代物理實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)站(注：各個學(xué)校近代物理實(shí)驗(yàn)的叫法各有不同，如modern physics lab, advanced physics laboratory或mini-projects等)，通過對比，總結(jié)了這些一流高校近代物理實(shí)驗(yàn)的課程設(shè)置和安排的特點(diǎn)，同時指出了國內(nèi)高校在這方面的不足之處，希冀對國內(nèi)高校的近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有所啟發(fā)。

表1 世界一流學(xué)校的近代物理實(shí)驗(yàn)安排(標(biāo)注*的是沒有查到具體數(shù)據(jù))

1 世界一流大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)網(wǎng)站內(nèi)容調(diào)研

這些學(xué)校開設(shè)的近代物理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容與國內(nèi)高校的基本相同，涉及凝聚態(tài)物理、核物理、原子核物理、固體物理等領(lǐng)域。課程開放對象與國內(nèi)也基本一致，一般為高年級本科生(3或4年級，有些學(xué)校也同時開放給研究生選修，但是實(shí)驗(yàn)要求不同)。關(guān)于具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，由于近代物理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容廣泛，且每個學(xué)校的側(cè)重點(diǎn)不同，這里不做探討。本文討論的重點(diǎn)內(nèi)容是近代物理實(shí)驗(yàn)的課程設(shè)置和安排，特點(diǎn)總結(jié)如下：

1.1 要求做的實(shí)驗(yàn)題目數(shù)量較少[10]，但實(shí)驗(yàn)持續(xù)時間長

從這些學(xué)校的官網(wǎng)上來看，他們開設(shè)的實(shí)驗(yàn)題目較多，且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大多是與獲得過諾貝爾物理獎的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)有關(guān)，但是要求學(xué)生做的數(shù)目卻不多。表1中是各所大學(xué)在最近一個學(xué)期(因各學(xué)校課程安排不同，大部分?jǐn)?shù)據(jù)為2015秋季學(xué)期，少數(shù)為2016年春季學(xué)期)所提供的近代物理實(shí)驗(yàn)的總實(shí)驗(yàn)數(shù)和要求學(xué)生完成的實(shí)驗(yàn)數(shù)。這些學(xué)校中，要求的實(shí)驗(yàn)數(shù)最多的是5個，最少的是2個。例如：哈佛大學(xué)要求在16個實(shí)驗(yàn)中選做3個；加州大學(xué)伯克利分校要求做4個；麻省理工學(xué)院要求先做2個預(yù)備實(shí)驗(yàn)(一個實(shí)驗(yàn)的要求是熟悉實(shí)驗(yàn)室規(guī)則，數(shù)據(jù)分析工具等，另一個是3 h的介紹性實(shí)驗(yàn))，之后再選做3個正式實(shí)驗(yàn)[11]。

另外，雖然這些學(xué)校雖然要求的實(shí)驗(yàn)題目少，但是完成每個實(shí)驗(yàn)的時間卻很長。如劍橋大學(xué)每個實(shí)驗(yàn)要求做30～40 h(2周)，加州大學(xué)伯克利分校一個實(shí)驗(yàn)需要做2～4周。這樣的安排既能讓學(xué)生接觸和了解具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，又能讓學(xué)生進(jìn)行較為深入和系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和體驗(yàn)，總而更好地掌握物理實(shí)驗(yàn)的方法和技能。

1.2 實(shí)驗(yàn)題目選擇方式的多樣性

調(diào)研的這些國外高校中，近代物理實(shí)驗(yàn)題目大多是由學(xué)生自主選擇，必做的實(shí)驗(yàn)較少。如加州大學(xué)伯克利分校要求的4個實(shí)驗(yàn)題目中，“Optical Pumping”為必做實(shí)驗(yàn)，其余3個從剩余的19個實(shí)驗(yàn)中選做；麻省理工的3個正式實(shí)驗(yàn)中，必須從Compton Scattering，Relativistic Dynamics，Cosmic Ray Muons，Rutherford Scattering, and X-Ray Physics這5個實(shí)驗(yàn)中選作1～2個，其他的從剩余題目中選做。

多樣的實(shí)驗(yàn)題目選擇方式，一方面能更好地達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的，另一方面也能充分地調(diào)動學(xué)生的積極性，提高學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的興趣，激發(fā)學(xué)生探究感興趣事物的潛能，同時避免了學(xué)生對安排的實(shí)驗(yàn)不感興趣造成教學(xué)資源和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的浪費(fèi)。

1.3 訓(xùn)練學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度和基本的實(shí)驗(yàn)技能

(1) 近代物理實(shí)驗(yàn)的目的是通過物理實(shí)驗(yàn)使學(xué)生懂得如何去研究物理問題，而不是只局限在知識的傳授和技能的訓(xùn)練范圍內(nèi)[12]。近代物理實(shí)驗(yàn)大多是已經(jīng)有了明確結(jié)論的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中更多的是驗(yàn)證和重復(fù)，在驗(yàn)證和重復(fù)的過程中培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和科學(xué)素質(zhì)。另外，國內(nèi)大學(xué)經(jīng)常強(qiáng)調(diào)的“創(chuàng)新性”在國外的近代物理實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)中沒有提及。各個學(xué)校通過提供其他多種方式來培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新性，例如：選修“project”課程或者直接參與科研小組等，如斯坦福大學(xué)有“Advanced Physics Laboratory: Project”課程供學(xué)生選修。

(2) 各學(xué)校大多為自編講義[13-14]，而且這些實(shí)驗(yàn)講義修訂更新及時，沒有看到有要求的固定教材。15所被調(diào)研的學(xué)校中，11所學(xué)校的實(shí)驗(yàn)講義提供網(wǎng)上下載(8所可以直接下載，標(biāo)注為“有#”的3所大學(xué)需要本校的注冊ID登錄下載)。網(wǎng)站提供的講義格式規(guī)范更新快[13]，如麻省理工學(xué)院的講義是標(biāo)準(zhǔn)的科研論文形式，題目，摘要，概述，內(nèi)容，結(jié)論，問題，參考文獻(xiàn)等全部包含，更新時間大多是2014年。另外這些學(xué)校雖然沒有推薦的固定的實(shí)驗(yàn)教材，但大都推薦了相關(guān)的參考文獻(xiàn)和書籍，方便學(xué)生查找資料。

(3) 實(shí)驗(yàn)過程中各個環(huán)節(jié)對學(xué)生要求的規(guī)范性，科學(xué)性。①要求對實(shí)驗(yàn)過程完整記錄。如加州理工學(xué)院，實(shí)驗(yàn)室的全部過程需要手寫記錄在Notebook(實(shí)驗(yàn)記錄本)上，包括數(shù)據(jù)分析，最后需要提交Notebook，以此來給成績；對于有Prelab exercises(實(shí)驗(yàn)前練習(xí))的實(shí)驗(yàn)，Notebook成績的占比也高達(dá)67%(Prelab exercises 占33%)。②數(shù)據(jù)的處理要求獨(dú)立完成，進(jìn)行誤差計算，數(shù)據(jù)要求真實(shí)，不允許抄襲和偽造。③很多學(xué)校要求實(shí)驗(yàn)報告以科技論文的格式去寫，引用別人的東西必須標(biāo)明。④考核方式多樣化，實(shí)驗(yàn)成績不采用傳統(tǒng)的筆試或操作考試，而是由預(yù)習(xí)，平時操作，討論等綜合評定，有很多學(xué)校要求有Oral presentation(口頭報告)，并體現(xiàn)在最終成績里[12]，如MIT占30%，愛丁堡大學(xué)占20%。這些規(guī)范的要求在訓(xùn)練學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度和基本功方面很有幫助。

1.4 近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)多是教授負(fù)責(zé)制

教授負(fù)責(zé)制有效地保證了實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)質(zhì)量，也說明了這些一流大學(xué)對近代物理實(shí)驗(yàn)的充分重視。這些負(fù)責(zé)的教授中甚至有諾貝爾獎獲得者，如加州大學(xué)伯克利分校的Donald A. Glaser，這充分說明了該校對近代物理實(shí)驗(yàn)課程的重視。通過查閱網(wǎng)站和相關(guān)文獻(xiàn)，國外實(shí)驗(yàn)課的上課模式多為教授負(fù)責(zé)，實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)儀器的準(zhǔn)備與使用維護(hù)，并參與部分實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)工作，同時允許研究生或高年級本科生作為TA(Teaching Assistant)對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的參與[12]。如麻省理工學(xué)院的每個正式實(shí)驗(yàn)是由一位教授，兩位助教(一位是研究生，另一位是選過此課的高年級學(xué)生)，和若干實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員負(fù)責(zé)指導(dǎo)[11]。

另外，教授負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)?zāi)芗皶r將一些前沿科研成果轉(zhuǎn)化為新的物理實(shí)驗(yàn)，來充實(shí)近代物理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，使近代物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更具有吸引力，能讓學(xué)生更加有興趣來參與實(shí)驗(yàn)。如斯坦福大學(xué)的“超流”實(shí)驗(yàn)[12]，牛津大學(xué)的“光鑷子實(shí)驗(yàn)”；同時各個大學(xué)對近代物理實(shí)驗(yàn)也投入了很多精力，鼓勵教授們建設(shè)近代物理實(shí)驗(yàn)室，哈佛大學(xué)每年要求一名教授開發(fā)一個實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，開發(fā)時間按照具體情況，可以視為完成當(dāng)年的教學(xué)任務(wù)[15]，而劍橋大學(xué)的近代物理實(shí)驗(yàn)中的很多題目直接來自于學(xué)院的各個研究小組。

1.5 網(wǎng)絡(luò)資源的完備和實(shí)用

這幾所大學(xué)的近代物理實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)站建設(shè)相當(dāng)完備，有專門的網(wǎng)站，而且維護(hù)更新很快，內(nèi)容全面。支撐實(shí)驗(yàn)教學(xué)的兩個大方面的內(nèi)容在網(wǎng)站上基本都有提供：一方面是與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相關(guān)，如課程目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)安排，選課制度，實(shí)驗(yàn)講義(甚至有每個實(shí)驗(yàn)的講解、操作過程的視頻資料)，注意事項(xiàng)，實(shí)驗(yàn)相關(guān)的參考書籍文獻(xiàn)等，有些學(xué)校還會給出很多相關(guān)鏈接，如數(shù)據(jù)處理方法、計算機(jī)軟件教程等；另一方面是實(shí)驗(yàn)的組織和開展的支撐信息，如實(shí)驗(yàn)室安排和安全培訓(xùn)，實(shí)驗(yàn)室使用注意事項(xiàng)和一些通知等。這些網(wǎng)站的內(nèi)容充實(shí)，信息全面，既方便了實(shí)驗(yàn)教學(xué)(實(shí)際上也承擔(dān)了一部分預(yù)習(xí)的任務(wù))，提前讓學(xué)生對課程內(nèi)容有總體的把握，又有利于學(xué)生課下的準(zhǔn)備和自學(xué)，更好地提高學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的效率，獲得更好的實(shí)驗(yàn)效果，同時也方便了實(shí)驗(yàn)室的高效利用和安全管理。

2 啟示和思考

(1) 國外一流大學(xué)的近代物理實(shí)驗(yàn)的安排更多體現(xiàn)了科學(xué)性和合理性,以人為本，目標(biāo)明確，管理規(guī)范，追求效率。這對國內(nèi)的實(shí)驗(yàn)課程安排有很大的啟發(fā)。同時這些學(xué)校對實(shí)驗(yàn)教學(xué)足夠重視，都投入了大量的人力和財力，教學(xué)效果好[10,16]。

(2) 對比國外一流高校，國內(nèi)的很多大學(xué)對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視度不夠，或者只是口頭上重視，投入的人力物力卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及，缺少具體的相應(yīng)措施來保證和提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量：如缺乏高水平的實(shí)驗(yàn)課老師，教授們很少會去帶近代物理實(shí)驗(yàn)；網(wǎng)站建設(shè)需要進(jìn)一步提高，內(nèi)容要更加實(shí)用，從而能更好地為實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)；另外實(shí)驗(yàn)室的硬件建設(shè)也存在差距，如儀器老化、維護(hù)經(jīng)費(fèi)不足等問題比較嚴(yán)重。

(3) 國內(nèi)大學(xué)的近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣泛，題目眾多，但是完成每個實(shí)驗(yàn)所用的學(xué)時較少。大多數(shù)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中以完成實(shí)驗(yàn)操作，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)為目的，普遍存在著“有實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而無分析和探究”的現(xiàn)象，匆匆做完，匆匆而去，實(shí)驗(yàn)中更多的是疲于應(yīng)付，不能完全達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。同時實(shí)驗(yàn)題目和講義更新緩慢，內(nèi)容陳舊，不能吸引學(xué)生學(xué)習(xí)和研究的興趣。

3 結(jié) 語

國外一流大學(xué)的近代物理實(shí)驗(yàn)的課程安排與國內(nèi)高校有很多不同，這些不同之處很可能影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。當(dāng)然，國內(nèi)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中也存在諸多實(shí)際困難，如上課學(xué)生多，實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)薄弱等，這需要長期的大量的具體工作才能解決。希望國內(nèi)高校能有更多的機(jī)會學(xué)習(xí)國外一流大學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我們的實(shí)際情況對近代物理實(shí)驗(yàn)做出更加科學(xué)和合理安排。

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·名人名言·

實(shí)驗(yàn)室和發(fā)明是兩個有密切關(guān)系的詞，沒有實(shí)驗(yàn)室，自然科學(xué)就會枯萎；科學(xué)家一經(jīng)離開了實(shí)驗(yàn)室，就變成戰(zhàn)場上繳了械的戰(zhàn)士。

——巴斯德

An Online Investigation on Modern Physics Experiment of World-class Universities

FENGJuanjuan,LIXunshuang,WANGXinhua,GUODangwei

(Physics Experiment Teaching Center, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)

As an important part of college physics experiment, modern physics experiment (MPE) course is very significant for the training of top-notch innovative talents. By investigating the websites of MPE of 15 world-class universities, the characteristics of their course arrangement about MPE were introduced from the aspects of amounts, duration time, choosing, goals, handouts and requirements of experiments, the system of professor's taking responsibility for teaching, network resources and so on. At the same time, the gap on MPE teaching between domestic universities and the first-class foreign universities was summarized. It is hoped that the teaching level of domestic MPE will be improved by learning the experience of foreign universities, combined with the real situation of domestic universities.

world-class universities; modern physics experiment; experimental teaching; course arrangement

2016-08-22

馮娟娟(1982-)，女，河南郟縣人，博士，工程師，主要從事低維半導(dǎo)體納米材料制備及其電池特性的研究和本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理工作。Tel.: 0931-8912753; E-mail：fengjj@lzu.edu.cn

O 4-33；G 649

A

1006-7167(2017)04-0229-03