淺談美國(guó)高校物理實(shí)驗(yàn)之特色和可借鑒之處

劉端陽(yáng) 馮志芳 邵曉紅 侯志靈

摘? 要：本文根據(jù)筆者親身在美國(guó)勞倫斯-伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室訪問(wèn)時(shí)對(duì)加州伯克利分校等美國(guó)高校物理實(shí)驗(yàn)課程的調(diào)查，結(jié)合北京化工大學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況以及和兄弟院校的交流心得，對(duì)中美兩國(guó)高校在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)上的異同做了一定的總結(jié)，并分析了美國(guó)高校的物理實(shí)驗(yàn)制度可以借鑒之處。以加州大學(xué)伯克利分校為例，本文詳細(xì)分析了美國(guó)在物理實(shí)驗(yàn)制度建設(shè)上的理念及其各種實(shí)現(xiàn)措施，并于本校的實(shí)驗(yàn)制度進(jìn)行了一定的類(lèi)比，指出了可以借鑒美國(guó)制度的若干方面。

關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn)? 中美? 制度? 借鑒

中圖分類(lèi)號(hào)：O4-33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2021）07（b）-0138-04

On the Characteristics and Reference of Physics Experiment in American Colleges and Universities

LIU Duanyang*? FENG Zhifang? SHAO Xiaohong? HOU Zhiling

（College of Mathematics and Physics， Beijing University of Chemical Technology， Beijing， 100029? China）

Abstract： Based on the author's personal investigation of physics experiment courses in American universities such as University of California， Berkeley during his visit to Lawrence Berkeley National Laboratory， combined with the physics experiment teaching situation of Beijing University of Chemical Technology and the exchange experience with brother universities， this paper summarizes the similarities and differences in physics experiment teaching between Chinese and American universities， It also analyzes what can be used for reference in the physical experiment system of American colleges and universities. Taking the University of California， Berkeley as an example， this paper analyzes in detail the concept and various implementation measures of the construction of the American physical experiment system， makes a certain analogy with the experimental system of our university， and points out some aspects that can learn from the American system.

Key Words： Physics experiments; China and America; System; Use for reference

在國(guó)家留學(xué)基金管理委員會(huì)的“國(guó)家公派高級(jí)研究學(xué)者、訪問(wèn)學(xué)者、博士后項(xiàng)目”的支持下，筆者于2019年在美國(guó)勞倫斯-伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了訪問(wèn)交流。由于筆者還參與了北京化工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心的管理工作，因此在訪問(wèn)期間，對(duì)加州大學(xué)伯克利分校（University of California， Berkeley， 簡(jiǎn)稱(chēng)UCB）及其他一些學(xué)校的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了較為詳盡的了解，也和UCB的一些學(xué)生和訪問(wèn)學(xué)者對(duì)該校的教學(xué)管理制度進(jìn)行過(guò)相當(dāng)程度的交流，也了解了他們對(duì)這些制度的看法?；貒?guó)后，在參與實(shí)驗(yàn)室管理工作和與兄弟院校物理實(shí)驗(yàn)中心交流后，筆者將國(guó)內(nèi)的物理實(shí)驗(yàn)制度和美國(guó)的這些制度進(jìn)行了分析比較，總結(jié)之后寫(xiě)下本文。收集資料到成文期間，正值新冠疫情期間[1]，也因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨挑戰(zhàn)需要改革之時(shí)，本文先從UCB等美國(guó)院校對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的理念及相關(guān)措施方面[2]進(jìn)行介紹，再對(duì)比思考國(guó)內(nèi)院校的現(xiàn)狀，思考值得借鑒的地方。

1? 重要的理念及相應(yīng)的措施實(shí)現(xiàn)

1.1 極度重視實(shí)驗(yàn)安全

UCB等美國(guó)高校物理系都非常重視實(shí)驗(yàn)室安全教育和安全培訓(xùn)，在課程講義中專(zhuān)門(mén)列章節(jié)介紹，需要通過(guò)安全培訓(xùn)測(cè)試才可以參加實(shí)驗(yàn)，像斯坦福近代物理實(shí)驗(yàn)室就需要填寫(xiě)安全培訓(xùn)回執(zhí)單。實(shí)驗(yàn)室各種安全設(shè)施齊全，不僅僅是消防等安全措施，個(gè)人護(hù)具也很齊全，例如必要時(shí)需要戴安全頭盔和護(hù)目鏡等。

1.2 提倡實(shí)驗(yàn)的趣味性

尤其是對(duì)低年級(jí)學(xué)生，美國(guó)這些高校十分重視培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，盡量將物理原理糅合進(jìn)有趣的實(shí)驗(yàn)中，使學(xué)生學(xué)得很快樂(lè)與輕松。例如很多高校的物理實(shí)驗(yàn)室都有很多“很大”的看起來(lái)像道具一般的“實(shí)驗(yàn)儀器”模型，如游標(biāo)卡尺、千分尺、通電螺線管等，大大激發(fā)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣。將平平無(wú)奇的物理實(shí)驗(yàn)做的富有新奇性和沖擊力，使學(xué)生更容易接受和學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)。

1.3 十分重視演示實(shí)驗(yàn)

UCB等美國(guó)高校的物理實(shí)驗(yàn)，對(duì)演示實(shí)驗(yàn)的重視可謂是到了極致。在物理理論的課堂上，教授們都會(huì)指定需要演示的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，由實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)并在課堂上完成演示。在UCB的多功能講課大教室，為了演示實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備和展示，特意設(shè)計(jì)成了“旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)式” 講臺(tái)。而斯坦福大學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)走廊則遠(yuǎn)近聞名，因?yàn)樗麄冊(cè)谧呃壤锓胖昧撕芏嘌菔緦?shí)驗(yàn)儀器供學(xué)生隨意動(dòng)手操作，這些實(shí)驗(yàn)都很有趣味性。實(shí)際上，上述對(duì)演示實(shí)驗(yàn)的重視，不僅僅提高了學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)和相關(guān)知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)也大大提高了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣。

1.4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)重視學(xué)生的動(dòng)手能力，重視交流討論，避免教授學(xué)生機(jī)械操作

在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，筆者考察的這些美國(guó)高校幾乎清一色地都十分重視學(xué)生的動(dòng)手能力，并為此制定了很多配合的措施，這里僅列其中較為重要的幾點(diǎn)，其他的一些措施會(huì)在其他思想的討論中涉及到。

首先，他們把基礎(chǔ)性質(zhì)、測(cè)量性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)放在十分重要的位置[2-4]，在各高校的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)中，其都占有相當(dāng)?shù)谋戎?，讓學(xué)生熟悉測(cè)量的基本操作和基本原理，為學(xué)生自行理解操作其他實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

其次，各實(shí)驗(yàn)室的儀器中，除了通用儀器，如示波器、信號(hào)源及基礎(chǔ)測(cè)量工具都是購(gòu)買(mǎi)的大公司品牌外，專(zhuān)用儀器中直接購(gòu)買(mǎi)的比例卻比較小，很大一部分的專(zhuān)用儀器都是自制的，可以組合，便于拆裝。所有這些儀器透明度幾乎都很高，基本不采用“黑匣子”式的集成化儀器，這些都是為了讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中自行摸索，提高對(duì)實(shí)驗(yàn)的感性認(rèn)知。為了做到這一點(diǎn)，幾乎所有物理實(shí)驗(yàn)室都有自己的金工車(chē)間，并且設(shè)備齊全，工人素質(zhì)很高，學(xué)生不僅可以定制需要的儀器，甚至可以自己動(dòng)手做，這不僅提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，實(shí)質(zhì)上也大大提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣。

然后，在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，教師或助教講授的都很少，例如在UCB的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)過(guò)程差不多要2個(gè)學(xué)時(shí)，而助教只介紹5min左右，剩下的時(shí)間都是學(xué)生操作。在這里，鼓勵(lì)學(xué)生與學(xué)生之間、學(xué)生與教師之間的交流討論，期望通過(guò)交流討論和教師的點(diǎn)撥來(lái)完成實(shí)驗(yàn)，而不是讓學(xué)生按照教師要求的指令來(lái)完成實(shí)驗(yàn)，盡量避免了學(xué)生只是機(jī)械操作，真正鍛煉了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力。

1.5 基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)重過(guò)程，輕考核，以提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣和動(dòng)手能力為根本出發(fā)點(diǎn)

UCB的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)沒(méi)有單獨(dú)設(shè)置課程，但是物理實(shí)驗(yàn)的考核都是相應(yīng)物理課程（類(lèi)似國(guó)內(nèi)大學(xué)物理）成績(jī)的一部分，占比10%，且若少上一次實(shí)驗(yàn)課，會(huì)降低一檔物理課成績(jī)。其他一些高校，如斯坦福和UCB也類(lèi)似。也有一些高校單獨(dú)設(shè)立基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程的，但是他們對(duì)實(shí)驗(yàn)的考核方式都和國(guó)內(nèi)大相徑庭。

美國(guó)高校的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)，并不強(qiáng)調(diào)寫(xiě)預(yù)習(xí)報(bào)告，也不強(qiáng)調(diào)課后的數(shù)據(jù)處理報(bào)告，甚至對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否精確也沒(méi)有太嚴(yán)格的要求。很多實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)生基本都只需要在課程網(wǎng)站[5]上下載打印講義，事先預(yù)習(xí)做一些相應(yīng)的pre-lab的練習(xí)，然后在課上完成in-lab activity的部分，在2h的課堂上當(dāng)堂處理一些簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)即可當(dāng)堂提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。由于對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確度和數(shù)據(jù)處理的要求都不高，只要學(xué)生做一定的準(zhǔn)備，認(rèn)真操作，基本都可以在課上完成實(shí)驗(yàn)，從而在期末拿到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)學(xué)分。這樣的制度，可以說(shuō)是把重過(guò)程，輕考核做到了極致，學(xué)生不必受到分?jǐn)?shù)的高壓，能夠更多地投入到對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)操作的學(xué)習(xí)和體會(huì)中去，看似放松，實(shí)則更好地鍛煉了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

1.6 教學(xué)樓及實(shí)驗(yàn)室空間寬敞，設(shè)計(jì)符合實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求且人性化

UCB等美國(guó)高校在實(shí)驗(yàn)室的布局設(shè)計(jì)上，就致力于讓學(xué)生在一種輕松便捷的環(huán)境自主完成實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖1）。實(shí)驗(yàn)教室空間都特別大，樓層也很高，所有管道和電纜都在上方，這樣做的好處是可以根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)室布局。另外，每間實(shí)驗(yàn)教室都有大量各類(lèi)導(dǎo)線懸掛在墻上，供學(xué)生選擇，其他設(shè)備也都標(biāo)識(shí)清楚，便于學(xué)生取用，十分人性化。UCB等幾所高校更是將實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)臺(tái)布局成類(lèi)似餐廳的形式，盡量降低給學(xué)生的壓迫感。實(shí)際上，這樣的設(shè)計(jì)，單堂實(shí)驗(yàn)課，教師或助教面對(duì)的學(xué)生數(shù)量很少，往往只有十幾二十個(gè)，教師可以兼顧到幾乎所有學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，大大提高了教學(xué)效果，在此條件下，為學(xué)生提供更大的實(shí)驗(yàn)自由度。

2? 對(duì)比中美物理實(shí)驗(yàn)的一些思考

中美教育體制完全不同，UCB等美國(guó)高校在物理實(shí)驗(yàn)上的優(yōu)點(diǎn)未必都適合我國(guó)，我國(guó)相比他們，具備更注重學(xué)生基本功練習(xí)的優(yōu)勢(shì)。不過(guò)，從取長(zhǎng)補(bǔ)短的角度來(lái)說(shuō)，有些地方還是值得我國(guó)學(xué)習(xí)的[6]。為了對(duì)比中美大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的不同，美國(guó)高校中筆者以最熟悉的UCB為例，中國(guó)高校就以筆者所在的北京化工大學(xué)為例，將兩?；A(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)的一些指標(biāo)列在表1中以直觀比較，以此為基礎(chǔ)，說(shuō)說(shuō)以下幾點(diǎn)筆者認(rèn)為可以借鑒UCB等美國(guó)大學(xué)的地方。

2.1 可以將安全教育落在更具有可操作性的地方

無(wú)論如何強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)安全都不為過(guò)，實(shí)際上本校和其他國(guó)內(nèi)院校也一直很重視安全教育，但是往往是緒論課等理論課上強(qiáng)調(diào)的更多，其他方面的努力相對(duì)較少。一方面，可以學(xué)習(xí)UCB等美國(guó)高校，用視頻教學(xué)加考核測(cè)試準(zhǔn)入制度的方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行安全教育;另一方面，可以進(jìn)一步完善個(gè)人的安全設(shè)備。

2.2 提高演示實(shí)驗(yàn)的數(shù)量和地位

通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解以及對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的興趣是很好的辦法。制作一些簡(jiǎn)單易上手，有趣的甚至是富有視覺(jué)沖擊力的演示實(shí)驗(yàn)儀器，惠而不費(fèi)，對(duì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性大有作用;除此之外，斯坦福的實(shí)驗(yàn)走廊，也啟示我們需要進(jìn)一步讓學(xué)生感覺(jué)到演示實(shí)驗(yàn)離自己很近，隨手可得，使得學(xué)生不再畏懼物理實(shí)驗(yàn)，甚至能夠喜歡物理，那將會(huì)是所有教師和學(xué)生的幸事。

2.3 提高基礎(chǔ)、測(cè)量實(shí)驗(yàn)的地位和比例，減少其他實(shí)驗(yàn)的條條框框，給學(xué)生更大的自由度

從實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置角度，可以提高基礎(chǔ)、測(cè)量實(shí)驗(yàn)的比例，并且將其他實(shí)驗(yàn)設(shè)定成需要完成相應(yīng)的基礎(chǔ)或測(cè)量實(shí)驗(yàn)才能學(xué)習(xí)，可以讓學(xué)生很快地學(xué)以致用，減緩學(xué)習(xí)壓力，會(huì)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果都有好處。此外，應(yīng)該盡量減少教師和助教的講解，給學(xué)生更大的自由度，降低對(duì)數(shù)據(jù)的要求，允許學(xué)生以試錯(cuò)的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而真正鍛煉學(xué)生動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)的能力。

2.4 適當(dāng)降低對(duì)預(yù)習(xí)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的要求，減少單堂實(shí)驗(yàn)課的人數(shù)，以提高對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程的把控能力

這兩者必然是要聯(lián)系在一起的，若只是降低要求，而上課人數(shù)不減少，教師把控不住學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，在目前的大環(huán)境下，很難對(duì)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果起到積極作用。但是如果配合降低單堂實(shí)驗(yàn)課的學(xué)生人數(shù)，使得教師可以兼顧所有學(xué)生的實(shí)驗(yàn)實(shí)際情況，則可以使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)真正聚焦到物理實(shí)驗(yàn)的核心進(jìn)程——實(shí)驗(yàn)操作上來(lái)。這樣方可真正起到提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力的目的，同時(shí)，學(xué)生為了提高自己的操作和學(xué)習(xí)效果，預(yù)習(xí)和處理數(shù)據(jù)的積極性也自然能夠調(diào)動(dòng)起來(lái)，也不會(huì)淪為一個(gè)形式過(guò)場(chǎng)。

致謝：感謝伯克利-勞倫斯實(shí)驗(yàn)室的汪林望教授和張布雨同學(xué)的幫助和指導(dǎo)。

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