發(fā)展研究型基礎(chǔ)物理實驗教學(xué)的理念與實踐

張朝暉

(北京大學(xué) 物理學(xué)院 基礎(chǔ)物理實驗教學(xué)中心，北京 100871)

物理學(xué)作為近現(xiàn)代科學(xué)的基礎(chǔ)，是大學(xué)本科教育的重要內(nèi)容之一. 物理學(xué)是一門實驗科學(xué)，源于實驗，又在實驗中不斷豐富和發(fā)展，因此，用實驗的方法研究物理學(xué)是開設(shè)物理實驗課程的基本思想[1]. 非物理類專業(yè)的大學(xué)物理實驗、物理類專業(yè)的普通物理實驗和近代物理實驗等課程，構(gòu)成了國內(nèi)物理實驗教學(xué)的基本課程體系. 改革開放40多年來，該體系的各門課程都得到了充分恢復(fù)和長足發(fā)展，形成了現(xiàn)今教學(xué)的基本模式：在不同的課程層面上，引導(dǎo)學(xué)生通過做具體的實驗來加深理解物理學(xué)的理論知識，并學(xué)習(xí)物理學(xué)的技術(shù)和方法. 隨著社會科技(特別是高校科研)的快速發(fā)展，這種教學(xué)模式面臨新的挑戰(zhàn). 本科生直接參加科研活動(簡稱本研)的親身體驗,在較大程度上弱化了學(xué)生對現(xiàn)行物理實驗課程教學(xué)模式的認(rèn)同感. 頗受歡迎的科研模式在倒逼物理實驗課程進行改革，構(gòu)架和發(fā)展科研創(chuàng)新模式的物理實驗教學(xué)是未來發(fā)展的主要方向.

教學(xué)和科研是高等學(xué)校的兩大任務(wù)，也是高等學(xué)校人才培養(yǎng)的主要方面. 一方面，將科研創(chuàng)新模式引入到實驗課程的教學(xué)中，滿足優(yōu)秀學(xué)生的發(fā)展需求，助力拔尖人才的快速成長. 另一方面，基礎(chǔ)物理實驗課程承擔(dān)系統(tǒng)性培養(yǎng)學(xué)生物理實驗素養(yǎng)和實驗技能的基本任務(wù)，面上教學(xué)的基本內(nèi)容和模式必須得到相應(yīng)的保證. 如何把這兩方面的教學(xué)結(jié)合在一起協(xié)同發(fā)展，是發(fā)展基礎(chǔ)物理實驗教學(xué)的一個系統(tǒng)性問題.

從教與學(xué)兩方面來看，物理實驗課程的教學(xué)成本較高. 首先，實驗教學(xué)要用到一系列的儀器、足夠面積的實驗室和人數(shù)眾多的教師及實驗技術(shù)人員，因此實驗教學(xué)占用教學(xué)資源顯著大于理論課教學(xué). 另一方面，物理實驗的課程教學(xué)實際上是案例型的“交互式教學(xué)”，每個案例的教學(xué)都需要學(xué)生、教師以及儀器設(shè)備之間充分地交流、應(yīng)對和協(xié)調(diào)才能達(dá)到預(yù)期的效果. 這就要求學(xué)生每次上物理實驗課都要投入比理論課更多的時間和精力. 如何讓高成本課程具有高“性價比”，是基礎(chǔ)物理實驗課程教學(xué)面臨的一個現(xiàn)實問題.

長期以來，我們堅持以科研引領(lǐng)實驗教學(xué)的理念，推動物理實驗的教學(xué)改革和團隊建設(shè)[2]，在發(fā)展研究型基礎(chǔ)物理實驗教學(xué)方面下功夫，經(jīng)過長期努力，取得了積極的效果.

1 回歸實驗物理的基本理念，探索研究型教學(xué)的課程模式

物理學(xué)研究分理論物理研究和實驗物理研究. 所謂實驗物理研究，簡單地說，就是通過做實驗來發(fā)展物理學(xué)的理論、技術(shù)和方法. 基礎(chǔ)物理實驗課程教學(xué)在邏輯上是相反的過程，即從已有的理論、技術(shù)和方法出發(fā)，教授學(xué)生如何做實驗. 引入科研創(chuàng)新模式的實驗教學(xué)，就是在理念上回歸實驗物理的研究模式[3]. 基于這樣的理念，探究研究型物理實驗教學(xué)的課程模式. 我們經(jīng)過多年的選修課實踐，培育了普通物理層次的“綜合物理實驗”和近代物理層次的“前沿物理實驗”.

1.1 綜合物理實驗

綜合物理實驗1個學(xué)期，64學(xué)時，3學(xué)分，要求學(xué)生完成6個實驗項目. 目前有9個項目：

1)光學(xué)成像與光信息處理；

2)邁克耳孫干涉儀與光學(xué)相關(guān)測量；

3)基于虛擬儀器技術(shù)的弗蘭克-赫茲實驗；

4)光力學(xué)效應(yīng)及光鑷實驗；

5)一維周期弦鏈系統(tǒng)振動模研究；

6)二維法拉第斑圖實驗觀察與研究；

7)證偽貝爾不等式的雙光子糾纏實驗；

8)糾纏雙光子的干涉實驗；

9)納米材料的拉曼光譜實驗.

綜合物理實驗課程的實施分4個環(huán)節(jié)：

1)學(xué)生自主實驗. 實驗室對學(xué)生全程開放，要求每2周完成1個項目的實驗工作，時間可以自由安排. 實驗現(xiàn)場由1位工程師負(fù)責(zé)儀器管理. 任課教師不到現(xiàn)場指導(dǎo)，放手讓學(xué)生自主實驗，鼓勵學(xué)生間的互助交流.

2)師生面談交流. 學(xué)生完成每周實驗后至少預(yù)約任課教師面談1次，匯報實驗的進展情況，商討解決實驗中遇到的問題.

3)口頭學(xué)術(shù)報告. 要求學(xué)生在做過的實驗項目中找出1個自己最感興趣且深入研究了的問題，按照學(xué)術(shù)報告的規(guī)范做15 min的口頭報告，外加5 min的聽眾提問.

4)書面學(xué)術(shù)論文. 要求學(xué)生在做過的實驗項目中找出1個自己最感興趣且深入研究了的問題，按照學(xué)術(shù)雜志發(fā)表論文的模式，提交1篇規(guī)范的學(xué)術(shù)論文.

與上述4個環(huán)節(jié)相對應(yīng)，綜合物理實驗課程考核分4部分：現(xiàn)場實驗(30%)、面談交流(30%)、學(xué)術(shù)報告(20%)和學(xué)術(shù)論文(20%)，由教學(xué)團隊按各部分的占比考核打分，合起來給出課程的學(xué)期成績.

綜合物理實驗課程旨在通過模仿科研活動來組織實驗教學(xué)，用內(nèi)容豐富、綜合性強且具挑戰(zhàn)性的實驗項目和研究型的課程模式，激勵學(xué)生主動學(xué)習(xí)、自主實驗，培養(yǎng)自身的科學(xué)素養(yǎng)和科研能力. 課程提供精選的實驗項目，內(nèi)容從普通物理實驗擴展到近代物理實驗，延伸到前沿物理實驗，只要學(xué)生對所涉及的物理圖像能夠理解即可. 這樣的安排挑戰(zhàn)學(xué)生的選課意愿，也激發(fā)學(xué)生迎難而上、成就自我、追求卓越的發(fā)展需求.

幾年來的實踐表明，挑戰(zhàn)性項目隱含有待研究的問題越多，越受學(xué)生歡迎，最后的學(xué)術(shù)報告和論文也越精彩. 重要的問題是只有實驗室不斷地供給這樣的項目，才能保持課程一直在高水平上運行.

1.2 近代物理實驗

選擇近代物理學(xué)的經(jīng)典實驗和重要技術(shù)為課程的主要內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生通過實驗認(rèn)識新物理概念產(chǎn)生、形成和發(fā)展的過程，學(xué)習(xí)如何用實驗方法研究物理現(xiàn)象和規(guī)律. 另一方面，作為高年級學(xué)生的1門基礎(chǔ)課，近代物理實驗的課程教學(xué)還應(yīng)對標(biāo)物理研究的前沿，做出相應(yīng)的教學(xué)安排[4].

1.3 前沿物理實驗

前沿物理實驗1個學(xué)期，64學(xué)時，3學(xué)分，要求學(xué)生與科研團隊的教授商定1個研究課題，然后在教授的指導(dǎo)下在他的科研實驗室里完成該課題的研究工作，期末提交1份書面報告，并做口頭報告.

實驗教學(xué)中心設(shè)1位課程主持人，全程負(fù)責(zé)課程教學(xué)的組織管理，包括開課前面談審核學(xué)生的課題和研究方案，期中面談審核學(xué)生的研究進展，期末匯總審核學(xué)生的書面報告、組織學(xué)生報告會和評定學(xué)期成績，并根據(jù)掌握的具體情況給出每個學(xué)生占比20%的學(xué)期成績. 科研指導(dǎo)教授負(fù)責(zé)安排、檢查、指導(dǎo)和考核學(xué)生在他實驗室的研究工作，指導(dǎo)學(xué)生完成期末的書面和口頭報告，并根據(jù)全面掌握的情況給出學(xué)生占比20%的學(xué)期成績. 每位指導(dǎo)教授都要出席期末學(xué)生報告會，并給每位學(xué)生的報告打分，所有教授打分的平均值給出占比60%的學(xué)期成績.

前沿物理實驗是近代物理實驗課程探索科研型教學(xué)模塊的實踐成果，旨在引導(dǎo)學(xué)生在實際的科研環(huán)境中學(xué)習(xí)前沿科研的思想、技術(shù)和方法，增強自身的科研素養(yǎng)和能力.

多年的教學(xué)實踐表明，科研實踐的課程模塊順應(yīng)了優(yōu)秀學(xué)生的發(fā)展需求，助力了拔尖學(xué)生快速成長.

2 整合基礎(chǔ)物理實驗課程的教學(xué)體系，融合研究型的物理實驗教學(xué)

改革開放以后物理學(xué)專業(yè)形成了普通物理實驗+近代物理實驗的基礎(chǔ)物理實驗課程體系. 面上課程教學(xué)分4個層次：普通物理實驗(1)和(2)、近代物理實驗(1)和(2)，依次在4個學(xué)期進行.

綜合物理實驗和前沿物理實驗是應(yīng)對優(yōu)秀學(xué)生發(fā)展需求，培養(yǎng)學(xué)生科研創(chuàng)新能力的研究型教改課程. 將這2門課程嵌入常規(guī)課程的教學(xué)體系，形成如圖1所示互融互通的雙通道教學(xué)新體系，其中A通道是研究型實驗課程的教學(xué)通道，B通道是常規(guī)實驗課程的教學(xué)通道. 2個通道的入口都是二上開始的普通物理實驗(1). 然后是課程分流的第1個選擇：普通物理實驗(1)中，成績優(yōu)秀的學(xué)生可選修綜合物理實驗，其他學(xué)生進入普通物理實驗(2)的課程學(xué)習(xí). 接著，所有學(xué)生都在上完近代物理實驗(1)之后，再做課程分流的第2個選擇：成績優(yōu)秀的學(xué)生選修前沿物理實驗，其他人進入近代物理實驗(2). 最后對接到畢業(yè)論文的研究學(xué)習(xí).

圖1 互融互通的雙通道教學(xué)體系

互融互通的雙通道教學(xué)體系妥善地安排了研究型課程教學(xué)(A通道)，不但保證了這些課程本身的持續(xù)發(fā)展，而且更有利于拔尖學(xué)生綜合素質(zhì)的全面培養(yǎng). 這主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1)在穩(wěn)定常規(guī)實驗教學(xué)的基礎(chǔ)上，放手探索研究型的教學(xué)模式.

常規(guī)的實驗教學(xué)以“教授知識和能力”為目的，是涉及諸多教師和大量來自不同院系學(xué)生的大班授課，需要按照固定的模式重復(fù)運行. 相比之下，研究型的實驗教學(xué)是問題導(dǎo)向、開放探究、個性化的小班研討，只要學(xué)生對所涉及的物理圖像能夠理解，就可以用作課程內(nèi)容. 即使像“證偽貝爾不等式的雙光子糾纏實驗”[5]“糾纏雙光子的干涉實驗”[6]等，也可以讓學(xué)生做. 綜合物理實驗課程的實驗項目就是通過小班研討豐富和完善起來的.

2)研究型的創(chuàng)新能力培養(yǎng)和基礎(chǔ)性的實驗技能訓(xùn)練相互促進、協(xié)調(diào)發(fā)展，保證研究型實驗教學(xué)在高水平運行. 例如：

a.“一維周期弦鏈系統(tǒng)振動模研究”[7]將常規(guī)的均勻弦振動實驗擴展到弦鏈振動，豐富了物理內(nèi)容和檢測技術(shù)，并且可以類比研究微觀的量子系統(tǒng).

b.“邁克耳孫干涉儀與光學(xué)相關(guān)測量”將分振幅干涉的原理性觀察引伸到時間相干性的光學(xué)相關(guān)測量，在邁克耳孫干涉儀的基礎(chǔ)上搭建出傅里葉變換光譜儀，探討以此進行光譜分析所涉及的理論和技術(shù)問題.

3)在研究型教學(xué)通道上，持續(xù)激勵優(yōu)秀學(xué)生挑戰(zhàn)自我，追求卓越.

從規(guī)范型的普通物理實驗，到研究型的綜合物理實驗，經(jīng)基礎(chǔ)性的近代物理實驗，再到真實科研的前沿物理實驗，選擇A通道研究型教學(xué)模式的學(xué)生付出得多，收獲也大，有些學(xué)生在研究型課程期間還發(fā)表了高水平的學(xué)術(shù)論文[8-9].

3 整合面上實驗課程教學(xué)的內(nèi)容與方法，提升面上教學(xué)的綜合探究水平

在大學(xué)物理或者普通物理課程階段，簡單地說，理論課是教師通過講授物理實驗教學(xué)生學(xué)習(xí)物理理論知識，而實驗課則是教師通過講授物理理論知識教學(xué)生做物理實驗. 2類課程并行開課自然形成理論知識在教學(xué)上的重疊和反復(fù)，于是“做實驗，培養(yǎng)動手能力”就成為人們對物理實驗教學(xué)的一種簡單樸素的理解. 實際上，伴隨著做實驗的過程，物理的理論知識、實驗技術(shù)和方法才能被學(xué)生更深刻地理解和掌握，做實驗的能力才會得到培養(yǎng). 因此，“做實驗，學(xué)物理，培養(yǎng)實驗?zāi)芰Α睉?yīng)該是基礎(chǔ)物理實驗課程基本的教學(xué)要求. 在此層面上考慮面上物理實驗課程的建設(shè)，使之朝著綜合研究型的方向發(fā)展.

借鑒研究型教學(xué)的課程模式，可以從以下3個方面入手：

1)面向現(xiàn)代科技，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容；與時俱進，更新實驗項目.

早年將弗蘭克-赫茲實驗、高溫超導(dǎo)實驗、核磁共振實驗等下放到普通物理實驗教學(xué)，現(xiàn)在將雙光子糾纏、雙光子干涉等現(xiàn)代物理的內(nèi)容排成新實驗，這樣的課程安排考慮了在現(xiàn)代科技背景下激發(fā)學(xué)生做實驗的興趣和熱情，引導(dǎo)學(xué)生在做實驗的過程中深入探究其中的物理原理和技術(shù)問題. 需要注意的是，在現(xiàn)今的物理實驗教學(xué)中，還有相當(dāng)一部分實驗內(nèi)容的物理思想是過時的，技術(shù)和方法也較為陳舊，這既不能反映物理思想的應(yīng)用前景，也不利于激發(fā)學(xué)生做實驗的興趣.

2)用綜合應(yīng)用型的實驗?zāi)K取代單一的驗證型實驗項目，構(gòu)建模塊化的基礎(chǔ)物理實驗教學(xué).

傳統(tǒng)的物理實驗課程中，每個實驗項目基本上是對應(yīng)于物理課程的1個知識點設(shè)計出來的驗證性實驗，其教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)比較單一，各實驗項目之間的相互關(guān)聯(lián)也比較弱. 我們嘗試將內(nèi)容單一的實驗，按綜合應(yīng)用的類型組合成模塊化的實驗項目，用項目的實際應(yīng)用激發(fā)學(xué)生的興趣，用項目的綜合內(nèi)容引導(dǎo)學(xué)生進行實驗探究. 例如，將X光衍射實驗和微波布拉格衍射實驗組合成1個實驗項目模塊，實踐效果比較好.

3)轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，發(fā)展以問題為導(dǎo)向的實驗教學(xué)新模式.

面上實驗課程推行三段式的教學(xué)要求，即課前做好預(yù)習(xí)，課上做好實驗，課后寫好實驗報告. 三段式的教學(xué)安排是知識傳授型課程教學(xué)的普適模式. 面上實驗課程的三段式教學(xué)在很大程度上要求通過讓學(xué)生做實驗的方式傳授物理知識，相比之下，在培養(yǎng)實驗?zāi)芰Ψ矫骘@得力不從心. 我們認(rèn)為應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)變這種教學(xué)觀念，從聚焦“實驗知識”轉(zhuǎn)向聚焦“實驗過程”，以問題為導(dǎo)向，聚焦解決問題的物理思想、實驗技術(shù)和方法. 從培育綜合物理實驗課程的實踐中獲得經(jīng)驗，逐步將該經(jīng)驗向面上教學(xué)推廣，強化實驗探究的課程特性，努力探索基礎(chǔ)物理實驗面上教學(xué)的新模式.

4 結(jié)束語

基礎(chǔ)物理實驗課程教學(xué)跨度大，涉及面廣，既有基礎(chǔ)性的定位，又有開展實驗活動的特定要求. 提出“科研引領(lǐng)實驗教學(xué)”的理念，就是從實際出發(fā)，立足于基礎(chǔ)，面向科研，探索研究型教學(xué)的課程模式，創(chuàng)建“基礎(chǔ)”與“創(chuàng)新”協(xié)同發(fā)展的基礎(chǔ)物理實驗課程教學(xué)新體系[10].