國外高校物理實驗課程的特點分析*

2022-02-10 12:30:30歐陽建明鄭浩斌江永紅

物理通報 2022年1期

羅劍歐陽建明彭剛鄭浩斌江永紅

(國防科技大學文理學院湖南長沙 410073)

習近平在新組建國防科技大學的訓詞中指出，“要緊跟世界軍事科技發(fā)展潮流，適應打贏信息化局部戰(zhàn)爭要求，抓好通用專業(yè)人才和聯(lián)合作戰(zhàn)保障人才培養(yǎng).”大學物理實驗是我校必修公共基礎課程，是培養(yǎng)學生基礎實驗技能、實踐能力和創(chuàng)新能力最基礎、最重要的一環(huán).因此，在課程建設上需要注重基礎與前沿兼顧，加強創(chuàng)新能力培養(yǎng)，為實現(xiàn)國防和軍隊現(xiàn)代化建設的基礎研究和原始創(chuàng)新奠定基礎.此外，理論聯(lián)系實際，實事求是，是中國共產(chǎn)黨一貫堅持的正確思想路線，也是長期革命斗爭中形成的三大優(yōu)良作風之一，作為一所軍事院校的物理實驗課程，“大學物理實驗”的課程建設更應該加強與理論課程的融合聯(lián)系，讓學生能學有所用、學以致用，在實驗實踐中培養(yǎng)實事求是的科學態(tài)度，立志獻身國防的精神.本文主要針對國外部分知名高校的物理實驗課程的開設方式和培養(yǎng)模式進行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)這些高校的實驗課程在實驗內(nèi)容的基礎性和前沿性、學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和理論聯(lián)系實踐的課程體系建設等方面都有可供我校學習借鑒之處.

1 注重基礎與前沿兼顧的實驗內(nèi)容

在物理實驗課程中，基礎性實驗是基石，培養(yǎng)學生基本的實驗方法與技能，理解掌握基本的實驗思想.前沿性實驗則能深化學生對專業(yè)知識的理解，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，進而激發(fā)學生探索與研究的興趣.

國外高校非常注重學生對物理前沿的了解與掌握，物理科學前沿相關的實驗內(nèi)容將會在較早的實驗課程中接觸到，例如加州理工大學的學生將在物理實驗室(Ph7)就開始接觸前沿性的物理實驗，課程內(nèi)容涉及量子、凝聚態(tài)、核和粒子物理等方面，主要學習相關方面的實驗設備使用和主要實驗技術.而近代物理實驗室(Ph77 abc)需要完成課程Ph7或得到導師許可方能進行，共有9個單元實驗.課程內(nèi)容包括先進的信號采集、調(diào)整與數(shù)據(jù)處理等實驗技術，介紹現(xiàn)代物理實驗中廣泛使用的光學設備與技術、激光頻率穩(wěn)定技術，以及經(jīng)典的近代物理實驗，如磁共振、光泵浦等.而近代物理實驗(Ph177)也包括9個單元實驗，以團隊的形式要求學生設計、組裝、校準和使用儀器，內(nèi)容涉及量子光學、其他前沿物理研究領域的重要實驗、重現(xiàn)已發(fā)表的研究論文結果等.

紐約大學主要開設基礎物理實驗I和II、中級物理實驗I和II、近代物理實驗等物理實驗課程[3].其中基礎物理實驗I和II(PHYS-UA 71,PHYS-UA 72)主要介紹基本的實驗技術，包括基本實驗室設備的設置和操作、基本的實驗設計、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、推理和分析以及介紹經(jīng)典物理實驗中的實驗技術.中級物理實驗I和II(PHYS-UA 73,PHYS-UA 74)進一步提升在基礎物理實驗中介紹的實驗技術，介紹一些近代物理實驗中的實驗技術.前沿性實驗內(nèi)容在近代物理實驗(PHYS-UA 112)課程進行，主要介紹現(xiàn)代物理學的實驗和技術，在一些入門級實驗之后，學生還可以選擇進行各種開放的實驗，開始接觸前沿科學研究相關的實驗.

2 注重培養(yǎng)創(chuàng)新能力的課程模式

美國大學物理實驗課程非常注重創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，在課程的設置上勇于打破傳統(tǒng)，讓物理實驗具有更多的自主性、設計性和創(chuàng)新性，將創(chuàng)新能力培養(yǎng)作為實驗課程最重要的培養(yǎng)目標.

最典型的是麻省理工學院的物理實驗課程，其普通物理實驗并不為學生提供專門的實驗室，而是從屬于普通物理課程，把普通物理實驗室變?yōu)镠ome Lab，發(fā)給學生一個實驗箱，里面有各種小工具，而具體的實驗內(nèi)容則作為家庭作業(yè)帶回家去完成，有效地調(diào)動學生積極性，充分發(fā)掘自身的創(chuàng)新能力.這一做法也被哈佛大學、加州理工大學等采用，例如加州理工大學就開設電磁學實驗(Ph8 bc)作為家庭實驗，實驗項目包括用自制的精密天平測量導線之間的力、測量一個1 000 V火花的性能以及建立一套無線電波發(fā)射和接收的實驗設備并對此開展研究等.

麻省理工學院的實驗室課程則主要是近代物理實驗，在第3年的春秋兩個學期開設[4]，課程主要注重學生專業(yè)技能和科學素養(yǎng)的培養(yǎng).每個學期，學生從21個實驗中選擇幾個不同的實驗，前3個為介紹性實驗，以少于或等于16名學生為1組，每組由1名教員獨立管理，并有1名研究生助教協(xié)助.每周2次課，每次課3個小時，課程安排在周一至周四.除了常規(guī)課程之外，實驗室還在周五上午10:00至下午4:00開放，供學生進行自己設計的開放式實驗，進一步培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力.

3 注重理論與實踐結合的課程體系

英國高校的物理實驗課程更注重實驗與理論的聯(lián)系，培養(yǎng)學生運用所學知識解決問題的能力，在校期間學生需要用大量的時間進行實驗課程，使得學生的科研基礎能力在大學期間得到充分鍛煉，順利進入研究生階段.

劍橋大學的物理課程是基于世界知名的卡文迪什實驗室開設的[5]，學生4年在校學習期間，實驗課程與理論課程結合緊密，貫穿學生在校學習的全部過程，并且實驗課占很大比重.第1年，學生要求選擇3個實驗項目，每兩周參加一個下午的物理實驗，主要目的是培養(yǎng)學生的實驗技能，并通過實驗來闡明物理學中的思想和概念.相比于國內(nèi)高校以理論課程講授相關物理概念的方式，通過實驗更能讓學生直觀地了解其中蘊含的物理思想.第2年的實驗課程形式與第1年相同，增加了實驗室開放時間.第3年的實驗課程將會增加至30～40 h，完成秋季學期的實驗課程(E1)并通過理論物理課程(TP1)考試后才能進行實驗課程(E2)，E2的實驗是讓學生提升專業(yè)能力，在實驗中將理論與實驗聯(lián)系起來，加強學生物理思維的鍛煉.第4年，學生開始接觸前沿科學研究的邊界，可以選擇一個前沿領域進行深入學習，如凝聚態(tài)物理、粒子物理、天體物理、半導體物理，相關內(nèi)容更是理論與實驗的高度結合.當然，學生也可以在更廣泛的領域選擇學習內(nèi)容，拓寬自己知識面.牛津大學的物理實驗課程體系與劍橋大學類似，只在實驗內(nèi)容和時間安排上略有不同.

4 我?！按髮W物理實驗”的建設與發(fā)展方向

我校的“大學物理實驗”以國家級一流線上課程“大學物理實驗”MOOC和國家級虛擬仿真實驗教學中心為基礎，結合模塊化、系列化的線下實體實驗體系開展線上線下混合式教學[6].學生的課前預習以線上學習為主，需要完成相關MOOC視頻學習，完成相應虛擬仿真實驗，并進行預習測試.在課堂學習階段以線下學習為主，教師主要采用研討式教學，學生在教師的引導下，首先需要深化對實驗原理和實驗儀器的認識，完成實體儀器探索，并針對共性問題進行討論.然后需要對實驗項目中的物理量進行測量，完成自主實驗內(nèi)容.自主實驗后針對實驗思想、測量技術和實驗中出現(xiàn)的問題開展課堂研討，提高實驗教學的深度和廣度.在課后階段以線上學習為主，學生完成實驗報告，并利用MOOC視頻和虛擬仿真實驗進行復習，同時與老師進行交流和答疑.此外，虛擬仿真實驗、MOOC等信息化資源也可為學生提供實體實驗沒有的虛擬實驗項目，擴充學生的實驗項目表.

借鑒國外高校物理實驗課程優(yōu)勢特點，我校“大學物理實驗”建設與發(fā)展方向將主要集中在以下3個方面：

(1)加強實驗項目和內(nèi)容的前沿性建設

目前我?！按髮W物理實驗”的實驗項目和內(nèi)容由基礎、綜合以及設計性3個層次的20余個實驗項目組成，覆蓋了力、熱、光、電磁、近代物理知識領域.其中基礎性實驗項目主要訓練學生基本的實驗技術、實驗思想和實驗能力，實驗內(nèi)容多與經(jīng)典的物理理論相關，面臨著挑戰(zhàn)度不足的問題，學生難以從學習中獲得解決問題的成就感.而現(xiàn)今很多前沿科學技術多是基于簡單的物理原理發(fā)展而來，還有很多創(chuàng)新發(fā)明中使用的思想有基礎物理實驗思想的影子.例如，能精確測量重力加速度的激光干涉絕對重力儀就使用了最簡單的方法——自由落體法，得到了非常高精度的測量結果.將這些前沿科技和創(chuàng)新思想融入基礎物理實驗的教學當中，能極大地增加實驗內(nèi)容的前沿性和創(chuàng)新性.

我?！按髮W物理實驗”將在下一步的發(fā)展建設中增加與前沿科技緊密結合的實驗項目和內(nèi)容，建立前沿科技應用案例庫.例如，在邁克爾孫干涉儀實驗中引入LIGO測量引力波的應用介紹；新建次聲波測量的虛擬仿真實驗項目等.通過這些新增的實驗項目和內(nèi)容，加強基礎物理實驗內(nèi)容與前沿科技的聯(lián)系，深化學生對物理實驗思想和技術的理解，提升實驗課程的品位.

(2)加強實踐與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

“大學物理實驗”是理工科本科生的一門必修基礎實驗課程，也是學生進入大學后接受系統(tǒng)實驗方法和實驗技能訓練的開端，對學生大學階段實踐能力的培養(yǎng)具有重要作用.我?！按髮W物理實驗”一直致力于進行學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的改革和實踐，改革效果也初見成效，例如，錢學森拓展班的基礎物理實驗課程就是借鑒了麻省理工的“Home Lab”的教學理念，采取學生自主設計、教師適當指導的方式，在各教學環(huán)節(jié)對學生閱讀、寫作、交流、思維等方面都進行了培養(yǎng)，只要學生具備了基本的科學素養(yǎng)及理性的思維，學生與生俱來的創(chuàng)新能力就能發(fā)揮出來.這一教學模式使得學生的創(chuàng)新能力得到了極大的培養(yǎng)，教學效果成效顯著.例如，在2020年全國大學生物理實驗競賽(創(chuàng)新賽)中，我校就獲得了3項一等獎，2項二等獎的佳績，而其中獲得一等獎的3組隊伍，有2組由錢學森拓展班的學生組成.

我校“大學物理實驗”將繼續(xù)推廣“Home Lab”的教學理念，在“大學物理實驗”設計性實驗的教學實施過程中改進教學方法，采取“以學生為中心”的教學方式，讓學生在教師的指導下自行設計實驗方案，進行實驗數(shù)據(jù)測量，完成設計性實驗的內(nèi)容，充分挖掘學生的實踐和創(chuàng)新能力，使學生得到極大的鍛煉和提高.

(3)加強實驗項目和內(nèi)容與軍事技術的聯(lián)系

我校的“大學物理實驗”是基于“面向戰(zhàn)場、面向部隊、圍繞實戰(zhàn)搞教學”的要求，以培養(yǎng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭急需的通用專業(yè)人才和聯(lián)合作戰(zhàn)保障人才為目標，開展課程建設和教學實施.現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭使用了許多先進的軍事技術，這些技術的使用使得軍隊指揮官不但要具有過硬的軍事素質(zhì)，還要有一定的科學文化素質(zhì)，對現(xiàn)代軍事技術有一定程度的了解.而物理學是軍用科技發(fā)展的理論先導和基礎，對現(xiàn)代高技術武器裝備的影響是最深最廣泛的學科之一，將現(xiàn)代軍事技術引入基礎物理實驗教學，引導學生從基礎學科的角度認識現(xiàn)代軍事技術，鍛煉學生規(guī)范使用儀器裝備的能力，為學生在后期的軍事訓練中盡快了解和掌握相關軍事武器打下扎實的基礎，也為在軍事行動、進攻戰(zhàn)斗中更準確有效地使用軍事武器提供可靠的保證.

我?！按髮W物理實驗”將依托成熟的線下實驗項目，尋找與軍事應用緊密相關的實驗，增加軍事應用的實驗內(nèi)容，新建軍事化特色實驗項目，建立大學物理實驗中相關軍事科學技術應用的案例，提高實驗課程的軍味.例如，建設全息射擊瞄準鏡制作的實驗項目；建設模擬彈頭轉動慣量測量的實驗項目；邁克爾孫干涉儀的實驗原理和實驗思想在激光陀螺儀中的應用案例等.

5 結論