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   • 2005 年 全国高等学校非物理类专业物理教育学术研讨会
  •物理实验课程教学基本要求(草案)
  •2004年全国高等学校基础物理骨干教师培训班暨教学改革研讨会通知
   •世界银行贷款“高等教育发展”项目物理实验教学与实验室管理考察团赴美国考察报
  •世界银行贷款“高等教育发展”项目高校物理实验教学与管理考察团赴加拿大考察报告

  •第三届全国高校物理实验教学研讨会
  •2004年全国高等学校非物理类专业物理教育学术研讨会


 

   世界银行贷款“高等教育发展”项目高校物理实验教学与管理考察团
赴美国考察报告

    根据世界银行贷款“高等教育发展”项目可行性研究报告及项目技术援助工作执行计划,教育部世界银行贷款办组织项目学校组成了高校物理实验教学与管理考察团赴美国进行考察。考察团由北京大学、北京师范大学、复旦大学、兰州大学、南京大学、南开大学、青岛海洋大学、陕西师范大学、武汉大学、四川大学等 10 所高校的实验中心主任组成。由北京大学 段家忯 教授任团长共 11 人的考察团于 10 月 26 日 由北京出发, 11 月 8 日 从纽约返回北京,历时 14 天,参观和访问了美国加州大学洛杉矶分校、加州大学伯克利分校、斯坦福大学、哈佛大学、麻省理工学院和哥伦比亚大学等六所世界一流大学的物理实验室。

    访问期间,考察团成员就物理实验的课程设置、学生创新精神和综合能力的培养、实验课的教学模式、实验课考核、实验室管理、实验室及仪器的使用率、实验室环境、实验经费的来源与运转等多个方面与美方大学的有关人员进行了广泛的交谈和讨论。

    通过两个星期的考察,考察团成员一致认为,美国著名大学重视实验课教学,尤其重视类似于中国高校的近代物理实验的教学和教学研究,重视物理演示实验,注重激发学生的实验兴趣和挖掘他们的创造潜能。大家也一致认为,这些名校之所以有声望,教学水平之所以高,在于有一批名师和高水平的技术管理人员的支撑。

    访问期间,使考察团成员深为感动的是,斯坦福大学的物理系主任、諾贝尔奖获得者 Douglas D.Osheroff 教授非常热情地接待了考察团,从早上到下午整整一天的时间,不厌其烦地解答了考察团成员提出的问题。一位在当今可以称得上物理大师的諾贝尔奖获得者,亲自参与物理实验课程的建设与教学,还有他那平易近人,虚怀若谷的风范 , 让我们感叹不已。哈佛大学的物理系主任则专门组织了全系的所有教授设宴招待了考察团,场面隆重动人。加州大学伯克利分校、哥伦比亚大学等为欢迎考察团的到来做了充分的接待准备,组织和安排了详细的参观节目单,翻印了详尽的资料。所有这一切充分反映出美国人民对中国人民的热情、诚挚和友好。
    考察团在京院校的同志为考察团出访进行了多方联系,做了细致的前期准备工作,为这次成功的考察奠定了坚实的基础。他们拟定了考察提纲,细致地设计了考察路线,联络了 六所大学的访问对象,并且联络了在美国留学的中国学生,得到了各方面的帮助,促进了考察工作的顺利进行和取得成功。

    特别需要感谢的是,教育部贷款办的同志为这次出访做了精心的安排,办理了出国前的一切手续。临行前,凃处长专门对全体考察人员进行培训,十分具体地布置了考察任务。对于他们对工作的高度负责精神,考察团的教师们深为感动和敬佩。

    以下是这次考察的具体情况、体会和建议。

一.考察情况介绍

    考察团先后共访问了六所美国高校,他们是加利福尼亚大学洛衫矶分校、加利福尼亚大学伯克利分校、斯坦福大学、哈佛大学、麻省理工学院和哥伦比亚大学。考察团与这 六所高校从事物理学及物理学实验教学的教师、实验室技术人员和教学管理人员进行了广泛深入的交流,听取了他们有关物理学及物理学实验课程设置、教学管理、教学方法、实验室管理、教学岗位及教学管理岗位设置等方面的介绍(详见附件及实验室图片光盘), 还参观了物理教学实验室和部分科研实验室,并与部分学生进行了沟通,了解了他们的兴趣和学习情况。

    实验课程设置,上述 六所美国高校的大框架基本相同,有几个部分:课堂教学中的演示实验, Lower Division 的物理实验(相当于我们的普通物理实验), Upper Division 的物理实验 ( 相当于我们的近代物理实验 ) ,以及科研性课题实验。关于演示实验部分,他们的演示条件和设施完善,内容丰富,如加利福尼亚大学伯克利分校和哥伦比亚大学带实验演示讲台的多媒体教室可容纳 500 人,演示条件非常完备。桌面上的实验仪器和实验过程通过摄像头摄像,由投影机投射到黑板上方的大屏幕上, 500 学生都能看到桌面上的实验演示。通常一堂课要做两三个实验演示。这样,针对一、二年级学生的实验课,验证性的实验项目自然可以少许多。关于对一、二年级学生开设的 Lower Division 的物理实验课,各校的开课方式有些差异,有的学校是独立设课的,要单独给实验课成绩,有的学校则把课堂教学和实验教学作为一门课程,统一给一个课程成绩。在实验内容和要求上,针对物理和工程学科学生以及针对生物和医学学科学生是有差别的。关于对三、四年级学生的 Upper Division 的物理实验课,各校都是独立设课,单独给成绩。这部分的实验题目多,选题广泛,几乎涵盖了物理学各个领域,一般有 20 多个可供学生选择。

    物理实验课教学内容,这六所美国高校基本是相同的。针对一、二年级学生的实验,实验项目比国内综合性(含师范)大学的普通物理实验要少,麻省理工学院因为一些具体情况将要取消这部分实验内容;哈佛大学则将这部分实验中的一些实验项目,作为学生的家庭作业,带回家去完成。针对三、四年级学生的实验内容每个学校各有特色,这与各个学校的科研方向密切相关,这一部分的实验内容比国内高校的近代物理实验内容要深,有不少反映学科前沿的实验。

    物理实验课教学模式和安排, 六所美国高校各有特点。他们给学生安排了进行“讨论”的时间,讨论在学生之间、学生与教师之间进行,讨论、交流贯穿在他们的整个教学过程中。对于每一个实验,他们都是遵循先讨论,再实验,再讨论的步骤。实验课教学中不要求学生必须一人一套实验仪器,一般是两个学生共同做实验。针对一、二年级学生的实验,各校各有特色,简单实验的学时数约 2 - 3 ,对实验报告要求也比较简单,主要是实验数据和结果;严格的则需要花较长的时间,而且必须经过讨论,实验报告要求也很严格。针对三、四年级学生的实验,有些名称与国内高校的实验项目相同,但完成实验的时间则很长,有的要十几个小时,带有研究性质,如麻省理工学院的高级实验课程中的实验项目,学生要做 2 ~ 3 周,每周 6 小时,对实验报告的要求也很高,斯坦福大学三年级学生做的光学实验,学生按发表论文的格式写报告。另外,斯坦福大学、哈佛大学对三、四年级学生设有“ project ” 实验,比国内高校开设的设计研究性实验内容深,由学生自己选定研究项目,拟定设计方案,与助教讨论后确定方案,在学校里设置的各种小车间,如 machine shop 、 electronic shop 、 glass shop 等的协助下,制作实验装置,电子线路,然后进行实验研究,按发表论文的格式写报告,最后作口头报告。他们在实验教学中注重要求学生对物理原理、方法和过程的认识,我们所见到的大多数实验项目使用的实验仪器、实验技术和原理是透明的,使学生很直观地通过实际操作对它们进行了解。这些学校在教学实验中已大量使用计算机采集处理数据,但是像“黑匣子”那样只须拨动几个开关的集成式教学仪器却未见到。

    六所美国高校对的物理实验课均不进行考试,而是通过学生做实验的情况、课堂讨论、实验报告以及口头报告等诸方面由助教来综合评定学生实验成绩。一个助教指导不到 20 个学生,每周都要组织学生讨论,对学生的学习情况非常了解,对学生能力的评价,恐怕比一次考试要准确些。

    在考察中未见一所学校有出版社正式出版的教材。其实验讲义和教学指导资料有的采用的装订方式类似于活页文件夹。针对一、二年级学生的实验课的教材有比较详细的实验仪器、计算机软件的使用介绍。针对三、四年级学生的实验课,实验室则配有许多文献和参考资料,学生做实验要依据理论课教材、自己查找的资料和实验室提供的参考资料等。

    教师和技术人员岗位的设置,在 六所美国高校是按课程和学生人数来确定的,一、二年级选物理学课程的学生大致 500 人,有的学校少一些。一个教授带领 6 到 7 个研究生助教,一个助教辅导 16 到 20 个学生,加利福尼亚大学伯克利分校还允 许 教授聘请高年级学生做“ reader ”,负责按教授提供的蓝本,批阅学生的作业或实验报告。教授负责课堂教学、实验教学和指导助教,助教负责组织学生讨论、辅导学生实验和批阅学生的作业或实验报告。这样的岗位配置,才能保证以讨论、交流为教学主体的教学方式得以进行。到三、四年级只有大致 50 人,有的只有 20 人左右。针对一、二年级学生的实验室和针对三、四年级学生的实验室,一般各配两个全职的实验技术人员,实验技术人员由学校选聘。选聘到高水平的实验技术人员也是一件不容易的事情,一旦聘定就相对稳定,伯克利的 Donald 先生已经干了 29 年,想必待遇也不会低。实验技术人员负责按教授的要求准备实验,设计配置新实验项目和实验室的管理,他们有很好的理论基础,丰富的实践经验,学校对他们的岗位定位也很明确,他们真正做的是高技术的工作,没有像国内有的高校设置开门、关门、搬搬仪器、打扫卫生的实验员岗位。实验仪器维修、实验装置的设计加工由技术人员和学校里设置的各种小车间,如 Student Workshop 、 machine shop 、 electronic shop 、 glass shop 等,共同完成。

    对教师的考核主要看科研水平和学生对其所讲授的课程的评分。课程由教授负责,给教授配备系里聘任的研究生助教,研究生助教每学期选聘一次。

    实验课运行经费来源,在我们考察的几个学校中都是由校方直接拨给。

    根据各校的情况,可以总结出他们的物理实验教学和管理有如下几个明显的特点:

     1) 重视在课堂讲授中的演示实验教学,演示实验内 容由 教授指定,实验技术人员负责实现。

     2) 对低年级学生,提倡实验的趣味性,将深奥的物理原理寓于趣味之中,学生学得很轻松。

     3) 重视在实验动手过程中贯穿讨论和交流,重视高年级学生的口头报告和实验报告。

     4) 重视对物理专业学生研究能力的培养。

     5) 实验装置中通用仪器(如:示波器,信号源等)均为大公司产品,而专用仪器大都自制,透明度高,不采用集成仪器。

     6) 计算机广泛应用于实验,丰富、深化教学内容,而不是代替学生动手。

     7) 没有统一的教材,没有正式出版物,教材能适应教学内容和仪器的不断更新和新技术的应用。

     8) 考核方式不采用一般意义上的卷面和操作试题考试。学生成绩由平时实验、讨论和实验报告,或口头报告等综合评定。

     9) 由于有高水平的实验技术人员,他们的实验技术水平高,同时具有高的实验室管理水平。

     10) 实验室经费来源由学校从各种财政收入中拨给。

二.收获和体会


    在近两周的考察中,由于事先做好了充分的联络准备工作,我们收集到了大量的第一手资料。通过听取情况介绍,参观实验室,与负责实验室的教授讨论及与学生的交谈,我们对美国大学的物理实验教学情况有了一个较全面的了解。尽管中美两国的国情与教学体系差别很大,如他们教师的教学科研水平高,实验经费投入强度大,本科生人数少等情况与我们有较大差异,我们还是从中得到了不少宝贵的启示,学到了不少的经验。他们的实验教学指导思想和教学方法对我们的实验教学具有一定的指导作用。归纳起来主要的收获和体会有下面几点:

1.物理实验受到充分重视

    我们考察的几所大学都把物理实验放在十分重要的位置上,他们为物理系本科生开设了必修的实验课。在参观实验室的过程中我们了解到即使学生专攻理论物理,实验课也不可缺少。而从事实验工作的学生则要在实验上投入更多的时间,但有些理论课不必全修。实验课采取教授负责制,由教授管理几个研究生助教,并由实验技术人员支持来组织对学生的实验教学。除此之外,他们在课堂教学上大量采用精心准备的演示实验,平均每次上课要做 2-3 个演示实验。当我们在斯坦福大学访问时,接待我们的物理系主任, 1996 年物理学诺贝尔奖金获得者,物理系主任 Douglas D.Osheroff 教授就给我们演示了一个他亲自设计的有关偏振光的演示实验。他本人还亲自负责高年级本科生的“课题性”实验。这使我们十分感动和钦佩。同样我们在访问麻省理工学院时,了解到首任院长物理系教授罗杰斯强烈倡导开设正式的实验课程。在他的推动下主持物理系的 皮克林 教授创办了麻省理工学院的物理实验室,并编写了实验指导书,使实验成为物理系本科生必修的一门有计划、有系统的课程。麻省理工学院的做法后来被许多美国的大学所仿效。时隔多年,随着科学技术的进步,实验内容也不断更新,但他们重视物理实验的这一做法始终没有变。

2.物理实验课目的明确

    在访问这几所大学期间,我们可以感受到他们为学生开设实验课的目的十分明确。在斯坦福大学访问,当我们讨论到开设物理实验课的作用时, Douglas D.Osheroff 教授就特意在黑板上写下一行字“ GOAL : Learn how to do Physics , not specific technique. ”也就是说要求通过物理实验使学生懂得如何去研究物理问题,而不是局限在知识的传授和技能的训练。实际上他们不是不重视实验基本技能的训练,在实验室参观时我们发现他们的学生基本技能都相当好。他们之所以这样强调,是要我们把着眼点放在培养学生如何用实验方法去解决问题。这给我们很大的启示,使我们认识实验教学的这一特定作用和性质,在实验教学中树立更高的目标。

3.实验课程设置各有特色

    这几所著名大学的物理实验课程设置各不相同,教学组织形式多样,没有一个固定、统一、不变的模式,这一特点也给我们留下了深刻的印象。如有的学校是将基础物理实验与上课结合在一起,上完部分章节后做几个实验;有的则分不同层次单独设实验课;有的学校干脆将部分实验由学生带回家去做,他们发给学生一个实验箱,里面有各类工具,如万用电表等,简单的各种实验部件,如电阻、电感、电容、米尺、激光笔等, CD 盘上附有实验指导,学生可在家中完成实验。对高年级学生更是灵活,有的组织“设计性”实验或“课题性”实验课程,有的组织学生在暑期到实验室工作等。在高年级的近代物理实验中要求学生做实验的数目不多,采取少而精和触类旁通的方式。对学生的实验报告要求也按年级和不同学生有不同要求。有的只要求学生在实验中完成一个简单的报告,有的要求一、二周后交上一份详细实验报告。在斯坦福大学和加州大学伯克利分校对学生写实验报告还规定了格式,即要按发表科研文章的格式去写报告。对高年级的学生则要求每人做口头报告。这样的课程设置完全体现以学生为本的原则,对我们很有启示。

4.注重科研能力的培养

    这几所大学在为本科生高年级开设的实验课中,不管是哥伦比亚大学,麻省理工学院的“近代物理实验”课,还是斯坦福大学、哈佛大学开设的“课题性”实验课,其中的共性就是注重为学生提供足够的条件,以便在实验过程中充分发挥他们的主观能动性,使学生置身于一种富有探索和创造性的学习环境中,积极主动地思考,分析问题,使他们受到一种类似于专业科研人员搞科研的那种训练。这类实验教学的特点是:学生通过阅读相关的文献资料,由学生自己或由学生与教师商讨选择实验的题目,实验方案的拟订,实验设备的配置。主要部件的制作以及在实验中排除故障和问题完全由学生自己完成,教师只是在必要时加以适当的指点和引导。实验的时间和最终结果不作硬性的规定,学生可以根据他的时间、能力及兴趣来安排。这种注重学生科研能力培养的方法,是极有远见的,有利于学生创新能力的培养。

5.将科研成果转化为新实验

    在访问过程中我们发现他们近代物理实验的内容新颖,实验题目分布在物理学的各个领域,而且各有特色,与我们目前近代物理实验基本上还是做一些经典的、传统的几个实验来比,显得有生气有活力,既有广度,又有深度。他们之所以能不断地更新实验内容,就是因为他们及时地将一些前沿科研成果转化成新的物理实验。如麻省理工学院的“量子信息处理”实验和“光镊子”实验,斯坦福大学的“超流”实验,哥伦比亚大学的“混沌实验”和 UCLA 的一系列核物理实验,哈佛大学有关物质表面的实时观察实验项目等等都使我们大开眼界,我们体会到要不断更新实验内容只有走这一条路,将实验教学与学科建设和发展结合起来,将前沿科研的成果不断转化,这样我们的近代物理实验内容才能不断地发展和进步。

6.因材施教培养优秀学生

    如斯坦福大学有一门“课题性”实验课。参加此实验课的学生人数不多,只有 16 - 23 人, 4 个学生一个组,分成 3 个单元的项目实验。除了负责项目实验的教授以外,每 2 个组就有一个助教,还有一个工程技术人员提供帮助。由于学生是主动来选这个实验课的,加上题目又是科学前沿 , 在教授的指导下,从事创造性的实验工作,从而极大地激发了学生对实验工作的热忱。许多学生每周在实验室中渡过 30 小时,一个项目实验要花费 10 周时间,总计 300 小时以上。给我们介绍情况的 Kam Moler 教授讲到,助教经常从实验室打电话给她,有时是在半夜,讨论问题。学生能如此投入就是因为在这样的实验中教授与学生的交流十分密切,教授对每一个来实验室工作的学生的兴趣及特长了如指掌,因而能够因材施教,充分发挥学生的主动性和积极性,来培养优秀的实验物理工作人才。

7.有高水平、稳定的实验室工作人员队伍

    美国这几所大学的物理实验室中都有一支人数不多的实验工程技术人员的专职队伍。这些负责实验的人员没有教授职称,因此不计在 FACULTY 中,但他们属于系里的 STAFF 。这些实验室工作人员不仅负责平时教学实验的管理,还负责按教授对实验的设想来组建新实验,前面提到的这些新实验都由他们完成。他们的动手能力强,知识面广,能担任起实验室建设的重任。而我们目前实验室工作人员队伍非常薄弱,这种情况与实验室的发展极不相配,因此要重视和建立一支责任心强,业务水平高的专职实验工作人员队伍。

三、几点建议


    基于对美国 Harvard 等六所高校的考察,结合国内物理实验教学的现实情况,考察团成员在考察中和考察结束后,进行了多次的小结和讨论。现根据我们的见闻、收获和体会,提出建议,以期对我国高校物理实验室的建设、教学队伍的建设以及实验教学水平的提高有所帮助。

1.关于队伍建设与实验中心建制

    1) 在我国高校中,物理实验教学教师短缺、队伍不稳定,这是我国物理实验教学乃至整个实验教学面临的严峻局面,需要引起高度重视,亟需从政策角度加以调整和解决。

    2) 教师方面 加强实验教师队伍建设,提高他们在高校中的地位和待遇,以吸引更多优秀的中青年加入物理实验教学队伍。更希望有 成就的 教授能够参与实验室建设和实验教学。

    3) 实验技术人员方面 必须改变目前高校实验员这一岗位的定位观念,这一岗位任务不是在实验室打杂,而是在从事高技术的工作,只有大家对这一岗位的定位有了正确的认识,才有可能精简实验员队伍,提高实验员待遇。

    4) 采取多种措施加强实验技术人员队伍建设,比如老人老办法,新人新办法。对新引进的人员采用聘任制,并适当提高待遇,是一个行之有效的办法。

    5) 实验中心建制 建议各校的物理实验教学中心在一定程度上具有人、财、物权,同时建议加大实验教学投入,使实验中心成为相对独立的教学单元机构。

2.关于课程设置与教学内容

    1) 突出各校特色,不搞统一模式和统一评估标准。

    2) 鼓励教师和实验技术人员自制实验设备,这样才能体现各学校的特色。

    3) 给学生使用的实验仪器避免集成化。

    4) 开设更多趣味性更强的实验题目,吸引优秀学生进入物理专业。

    5) 加强演示 (demonstration) 实验。

    6) 国内普通物理实验体系相对完整,但题目过多,在不削减物理内容的前提下,适当精减实验题目,提高开出实验的物理内容和趣味含盖量。近代物理相对薄弱,宜加强近物实验建设并与本校相关科研相结合,形成各有特色的高级物理实验。

    7) 建议有成就的教授和研究人员参与实验教学和实验室建设。

3 .关于教学模式与教学方法

    1) 发挥教师在教学过程中的主动性和自主性。

    2) 加强实验过程的讨论环节。

    3) 在实验中强化误差分析。

    4) 今后应该加强实验教学任课教师与发达国家间的交流。

 

 
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