加州理工學院物理學專業本科生和碩士研究生課程設置分析

陳靜漪　李桂雅

(河海大學公共管理學院，江蘇 南京　211100)

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加州理工學院物理學專業本科生和碩士研究生課程設置分析

陳靜漪李桂雅

(河海大學公共管理學院，江蘇 南京211100)

作為世界著名的理工類大學，加州理工學院在物理學等一系列領域取得了卓越的成就.本文在回顧加州理工學院物理學壯大和崛起過程的基礎上，詳細介紹了加州理工學院物理學專業本科生和碩士研究生的課程設置，并總結其特點，在此基礎上對我國高校物理學人才培養的改進提出幾點建議：堅持“小而精”的辦學特色；堅持教師教學、學生自學和實驗學習相結合的原則；重視基礎課程和通識課程的結合，注重課程結構的調整；組織開展各種學術交流類活動，與國際接軌；重視高等教育培養過程的系統性和層次性.

加州理工學院；物理學；本科生；碩士研究生；課程

加州理工學院(CaliforniaInstituteofTechnology)是世界著名私立研究型大學，在世界科技界久負盛名.學院一直以來堅持“小而精”的辦學特色，規模很小，學生總數僅2000人左右.如此“小”的加州理工學院在《泰晤士高等教育》2012—2015年全球大學排名中連續4年位列第一，在QS世界大學排名中也一直排在前列，2015年U.S.News美國大學最佳研究生院排名中，加州理工學院的物理學、數學與天文科學學院排名全美第二，其中物理學專業排名全美第一[1].有學者曾評價到：“如果說加州理工學院在美國高等教育史上不占什么重要地位的話,那么它在世界現代科技史上的地位則沒有幾所大學能夠望其項背”[2].因此，加州理工學院也被公認為是最典型的精英大學之一.考慮到學院對博士生的課程不做強制要求[3]，因此，本文主要關注加州理工學院物理學(physics)專業本科生和碩士研究生的課程設置，在此基礎上分析其特點，對我國高校物理學人才培養的改進提出幾點建議.

1　加州理工學院物理學壯大和崛起的過程

加州理工學院創建于1891年，最初是一所名叫色羅珀大學(ThroopUniversity)的藝術和工藝學校，后來改名為色羅珀工藝學院，1920 年才改稱為加州理工學院.1925 年之前的加州理工學院僅設物理學、化學和工程學3個學科方向，此后才設立了地質學、航空學、生物學、數學、化學生物學、行星科學、原子核天體物理學、地球化學以及一些人文和社科方面的學科.1907年，作為威爾遜山天文臺的首任臺長，當選為學校理事長的天文學家GeorgeElleryHale看到了建立一個正式的工程和自然科學教育學院的機會.在成功地吸引來私人的土地和資金贊助后，Hale把麻省理工學院的前任校長、美國最著名的物理化學家阿瑟·A·諾伊斯(ArthurA．Noyes)招入麾下，不僅使得當時的加州理工學院的化學學科提高到了麻省理工學院的水平，而且還使學院本身成為引人注目的中心.同時Hale給學校配備了裝備精良的現代實驗室設施，并且說服了實驗物理學家羅伯特·A·密立根(RobertA．Millikan)加入學院，為后來把學校建立成科學技術的中心奠定了基礎.在喬治、密立根等人的帶領下，在南加州經濟繁榮的促進下，1920年的加州理工學院迅速揚名.加州理工學院物理學的發展壯大主要經歷以下兩個時期:

1.1密立根(Robert A.Millikan)主政時期

第一次世界大戰后的美國經濟和高等教育都得到了進一步的發展，工業化的提高刺激了社會各領域對高層次人才的需求，主要表現在工業界需要更多的擁有高級學位的科技人才；政府機構、出版界和科研機構對具有高級學位的人才的需求等.在這樣的背景下，密立根在1921—1945年間擔任“執行委員會主席”(相當于加州理工校長)，并于1923年獲得諾貝爾物理學獎，其影響力之大以至于學校有時被稱為“密立根的學校”.此外，憑借其個人的威望和廣泛聯系，密立根接連邀請了包括愛因斯坦(A.Einstein) 、玻爾(N.Bohr) 在內的一大批物理學家來校訪問講學或從事合作研究.在物理學家密立根等人的出色領導下，20世紀30年代初的加州理工學院就已真正崛起了，物理學達到美國國內無可匹敵的程度，將美國其他大學遠遠地拋在了后面[4].

1.2杜布里奇(Lee Alvin DuBridge)主政時期

第二次世界大戰結束后,加州理工學院開始了由物理學家李·阿爾文·杜布里奇主政的時期.杜布里奇原是麻省理工學院的戰時雷達計劃負責人，1946年，他被選為加州理工學院的新一任校長.在杜布里奇的任期內(1946—1969年)，加州理工學院的科學系數量增加了一倍，校園擴大了兩倍，其中原子核天體物理學等學科在新的研究領域蓬勃發展.杜布里奇認為，聯邦政府有責任對科學研究進行必要的支持.作為加州理工學院新的物理學領軍人，巴伽爾以高能粒子物理為起點對物理系進行了大刀闊斧式的改造.此外，稱得上當時最偉大的理論粒子物理學家理查德·費因曼(RichardFeynman)和默里·蓋爾曼(MurrayGellmann)也加入了加州理工學院，且蓋爾曼因對于粒子物理所謂“標準模型”的建立而榮獲諾貝爾物理學獎.這一時期的加州理工的理論物理學進入了黃金時代.

2　加州理工學院物理學專業本科生的課程設置

課程設置在一定程度上影響著高等教育人才培養的質量，對于注重基礎知識學習的本科階段的培養更是如此.加州理工學院物理學專業本科生的培養目標是：為學生提供了廣泛的現代物理學的基礎知識教育,確保他們擁有扎實的基礎，不僅可以追求更高層次的研究生學習，也可以在基礎研究中擁有自己的事業.(Theundergraduatephysicsprogramprovidesstudentswithextensivetraininginthefundamentalsofmodernphysics,ensuringthattheyhavethefoundationtopursuegraduatestudyandcareersinbasicresearch)[5].

在培養目標的引導下，加州理工學院嚴格要求生源質量, 始終堅持“小而精”(smallbutexcellent)的理念，在確保生師比3∶1的前提下[6]，學院明確表示要想獲得物理學專業的理學學士學位，學生需要完成加州理工學院規定的所有課程，至少獲得486個學分且平均積分點必須達到1.9方可[7].

(1) 加州理工學院要求所有專業的所有學生必須學習如圖1所規定的課程：一年級新生需要學習27個學分的數學課、27個學分的物理課、15個學分的化學課、9個學分的生物課、9個學分的選修課、6個學分的化學實驗課、6個學分的附加導論實驗課、3個學分的科學寫作課、108個學分的人文社科類通識課程、9個學分的體育課，共273個學分，占學院要求修習的總學分(486個)的56%.由此可見，學院對于學生基礎性、通識性課程的重視程度.此外，除去這些學院規定的課程學習外，學生還需要根據本專業的課程要求學習與專業相關的課程，學生的學習壓力可見一斑.

圖　1[8]

(2) 學院對所有物理學專業學生的課程學習要求給出了詳細的說明：一年級生必須完成5門物理導論類課程的學習；二年級生的課程主要集中在詳細地探討“波、量子物理學和統計物理學”方面的課程；學院希望三、四年級生，在大范圍的篩選選修課程的基礎上，結合自己先前所學的知識，探索自身的研究興趣所在，在此基礎上謹慎選擇自己所要修習的選修課程；另外，考慮到學生的自我鉆研往往是高學分的直接原因，所以學院非常鼓勵所有的物理學專業的學生，不管是在學期內還是在暑期，都能夠積極主動地參與科研[9].

(3) 從2011—2012學年開始，加州理工學院開設“一年級生研討課”，一般由10～15名學生和一名教師組成，師生共同探討領域內的某一熱點問題，教學相長.此外，為了給學生提供師生交流、參與科研的機會，學院設置了“前沿課程”，由教師就自己的某一領域的已有研究以講座的形式開展，鼓勵學生積極參與.由于該課程時間一般設在午餐時間，且提供披薩，所以也被學生稱為“披薩課”[8].

(4) 加州理工學院的每周課程教學分為3個部分，包括課堂教學、實驗室課時和學生課外自學[7].以經典力學和電磁學課程(課程編號Ph1abc.ClassicalMechanicsandElectromagnetism.9units(4-0-5))為例，一共9個學分，學時分為3部分，分別為4-0-5，即在經典力學和電磁學這門課中，每節課每周課堂教學為4學時，實驗時間為零學時，課外自學為5學時.而在物理實驗課(Ph3.PhysicsLaboratory.6units(0-3-3))這門課程中，每節課每周課堂教學為零學時，實驗室課時為3學時，課外自學為3學時.經典力學和電磁學作為專業基礎課程，學院考慮到學生理論知識的欠缺，以教師課堂教學和課外自學為主.而作為實驗技能課程，物理實驗課要求學生在教師課堂教學的指導下積極參與，鍛煉自己的動手能力和實驗能力.

3　加州理工學院物理學專業碩士研究生的課程設置

加州理工學院在物理學方面取得了如此令人驚嘆的成就，都與其獨具特色的研究生課程設置分不開的[4].

(1) 學院要求物理學專業的理學碩士必須保證至少1年的學習時間并完成學位所要求的課程學習，取得不少于135個學分，共包含3部分，見表1物理學研究生課程總要求[6]：

從表1和表2可以看出，在物理學課程設置中，通識課程占總學分的20%，交叉課程占專業課程的13.8%.我們可以得出這樣的結論:以培養優秀的物理人才為目標，學院在課程結構多樣化、課程設置靈活、課程體系全面的基礎上，不僅保證學生基礎課程、交叉課程的學習和融合，還重視培養學生的全面能力，體現在與本科生一樣，學院也要求碩士研究生學習人文社科類通識課程，這樣不僅可以避免研究生知識的單一性，還有利于理、工、文不同學科之間的互相滲透,賦予理工類學生以人文氣息.

(2) 學院重視本科生階段的基礎物理類課程的學習在后繼研究生培養中所起的作用，確保學生學習的系統性.根據學院對碩士生培養的要求以及Caltech的課程目錄說明：物理學專業的課程號100以下的為本科生學習課程范圍，100～199為本科生和研究生共同學習課程范圍[10]，可以看出學院重視學生基礎物理知識的學習，在考慮到部分學生本科階段已經選修量子力學的基礎上，在研究生培養階段再一次確保學生擁有扎實的基礎物理學知識，確保以后進一步的科研或者基礎

表1　物理學研究生課程總要求

表2　物理學專業碩士研究生專業選修課程

研究的需要.另外，在確保本科生階段的基本課程學習的基礎上，開放本科生和研究生共同學習課程領域，既保證高水平學生的學習需要，又保證了研究生培養中基礎課程的地位.

(3) 與本科生課程一樣，學院對碩士研究生課程的每周教學也分為3個部分，包括課堂教學、實驗室課時和學生課外自學[7].基于此，以量子力學和物理研討課程為例分析.量子力學課程(Ph125QuantumMechanics9units(3-0-6))中學時比例為3-0-6，即在量子力學這門課中，每節課每周課堂教學為3學時，實驗室課時為零學時，課外學習為6學時.而在物理研討(Ph242PhysicsSeminar. 3units(2-0-1))這門課程中，每節課每周課堂教學為2學時，實驗室課時為零學時，課外學習為1學時.量子力學作為專業基礎課，學院在考慮到學生本科階段已經學習過的前提下，在以教師課堂教學的基礎上著重強調培養學生的自我學習能力.而對于物理研討要求更多學時的課堂教學，要求教師不但要參與討論，還要對討論負責加以引導，并適時對學生的各種觀點做出分類和歸納[11].

(4) 學院還根據教育對象的不同采用不同的教學方法.研究生教育相較于本科階段的教育更加注重培養學生的自主學習能力，相對應的，教學方式也有別于本科課程教學的諸多方面.除了既定的課程知識的學習，加州理工學院建議學生將更多的時間和精力放在小組學習以及跟隨導師參與實驗或項目上.就物理學、數學與天文科學學院而言，學院為物理學學科的碩士研究生設立了可參與的研究項目或者研究所，一般由相關領域的專家學者們帶領研究生進行研究，共16項之多，包括量子信息和物質研究所(InstituteforQuantumInformation&Matter(IQIM) )、基本粒子物理學和弦理論(ParticlePhysicsandStringTheory)、太空物理學(SpacePhysics)等[12].學院更重視對研究生科研和實踐能力的培養，為以后的進一步學習或深造打下堅實的基礎.

4　加州理工學院物理學專業本科生和碩士研究生課程設置的啟示

通過以上對加州理工學院物理學專業本科生和碩士研究生課程設置的分析，不難看出加州理工學院在物理學人才培養方面有其獨有的特點和魅力，學習與借鑒加州理工學院本科生和碩士研究生教育對于我國高校物理學專業的發展具有深遠意義.

(1) 堅持“小而精”的辦學特色

在人才選拔方面，加州理工學院始終遵循“學科不求過多,范圍不求過寬、嚴格保證學生入學和學習質量，寧缺毋濫，精益求精”的方針,嚴格選拔人才.加州理工學院每年有超過5000名的申請者，錄取率卻不超過10%[13].不僅如此，加州理工學院的“小而精”的辦學特色還體現在學院的設置上.該學院總共設有 6 個學部: 生物學學部，化學與化學工程學部，工程學與應用科學學部，地質學與行星學學部，人類學與社會學學部，物理、數學與天文學學部.每一個學部的設置都是根據不同學科的特點及其相互關系合并到一起的，不追求數量，而追求知識融合以及教學質量.參照加州理工學院經驗，我國的大學應根據自身條件，努力建設好特色學科、優勢學科，而不應該一味追求“大而全”，關鍵在于有特色，并把特色發揮到極致[14].

(2) 堅持教師教學、學生自學和實驗學習相結合的原則

加州理工學院的課程安排在結合課程自身特點的基礎上，根據學生的需求，合理安排教師的教、學生的學和實驗學習，確保學生能夠在教師的引導下，將理論知識運用于實踐，鍛煉學生的動手能力和創新能力，且理工科學生相比于人文社科類學生更強調實踐能力和動手能力的培養.因此，參照加州理工學院的經驗，建議：據不同層次、不同類型學生的培養目標，制定不同的課程和教學體系.對于注重基礎課程知識的學習和鞏固的本科生和注重培養科研能力的碩士生因“生”施教.另外，區別于傳統的知識灌輸，在教學的時候需要在鞏固學生基礎理論知識的同時著重挖掘學生的科研潛力、培養學生的動手能力、創新能力和實踐能力等.在具體課程設置中建議合理定位教師的角色，加大操作性課程中實驗課的比重，對學生自我學習和課外學習能力提出要求.

(3) 重視基礎課程、通識課程與交叉課程的結合，注重課程結構的調整

加州理工學院重視學生基礎課程和通識課程的學習.因此，參照加州理工學院的經驗，學院不僅要重視學生的專業基礎知識，也要注重培養理工類學生的人文知識素養.建議：在課程設置方面，嘗試根據課程的性質以及學生的需求等改變課程結構設置，同時重視培養學生的人文素養，鼓勵學生選修通識類課程.減少必修課的同時設置具有前沿性和前瞻性選修課，以便于學生根據自身的不同需求進行學習.另外，考慮到物理學專業的特性，可以在課程考核中提高科研和實驗能力在學分中的比重，減少成績所占的比重.

(4) 組織開展各種學術交流類活動，與國際接軌

加州理工學院重視師生關系的發展，重視師生間的學術性交流.參照該校的經驗，建議我國高校不僅可以充分利用本校的教職工資源，定期開展師生研討會，而且還可以定期聘請國內外優秀學者、專家來校辦講座或任教，舉辦學術討論會和研究辯論會，這樣不僅可以使學生獲得新的學術思想,走在學術前沿，活躍學術氣氛,還可以提高學生的科研積極性和參與度，促進師生關系的和諧.

(5) 重視高等教育培養過程的系統性和層次性

加州理工學院對物理學專業的學生培養并不僅局限于眼前的基礎物理或科學研究，更注重不同教育階段對學生培養的系統性和層次性.參照加州理工學院的經驗，建議：我國高校為本科生設置一些研究生課程，供學生自由選修，這樣不僅可以為成績優秀的本科生提供更多的更高層次的學習機會，也為有繼續深造想法的本科生提供學習研究生階段知識的機會，為將來研究生階段的學習打下基礎.

[1]GraduateSchoolSearch—PhysicsPrograms[EB/OL].http://grad-schools.usnews.rankingsandreviews.com/best-graduate-schools/search?program=top-physics-schools&specialty=&name=&zip=&program_rank=top_10&sort=&sortdir=. [2015-10-10]

[2]藍勁松.小而精的學府何以也成功——對加州理工學院崛起的分析[J].復旦教育論壇，2003(1).

[3]PhysicsDegreeRequirements—PhD&MS[EB/OL].http://www.pma.caltech.edu/content/physics-degree-requirements-phd-ms. [2016-01-31]

[4]戴宏毅，陳平形，黃明球.加州理工學院物理專業研究生課程設置特點[J].高等教育研究學報，2014，37(2)：57-60.[5]PhysicsUndergraduateStudies[EB/OL].http://www.pma.caltech.edu/content/physics-undergraduate-studies. [2016-01-03]

[6]CaltechataGlance[EB/OL].http://www.caltech.edu/content/glance.[2015-11-03]

[7]GraduationRequirement[EB/OL].http://catalog.caltech.edu. [2015-11-13]

[8]CoreInstituteRequirements,AllOptions[EB/OL].http://catalog.caltech.edu. [2015-11-13]

[9]Courses[EB/OL].http://catalog.caltech.edu.[2016-01-03]

[10]catalog_15_16_part5[EB/OL].http://catalog.caltech.edu. [2016-01-03]

[11]包水梅.中美高等教育學博士研究生培養制度的比較研究——基于廈門大學與斯坦福大學的案例分析[J].高等教育管理,2012(6)：59-66.

[12]PhysicsResearch[EB/OL].http://www.pma.caltech.edu/content/physics-research. [2016-01-03]

[13]2012PotentialApplicantLetter[EB/OL].http://www.caltech.edu/content/about-caltech. [2015-02-03]

[14]劉寶存.世界一流大學發展模式的個性化選擇[J].比較教育研究，2007(6).

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ANALYSISANDENLIGHTENMENTINUNDERGRADUATEANDGRADUATECURRICULUMOFPHYSICSEDUCATIONATCALIFORNIAINSTITUTEOFTECHNOLOGY

ChenJingyiLiGuiya

(SchoolofPublicAdministration,HohaiUniversity,Nanjing,Jiangsu211100)

Asaworld-renownedcollege,CaliforniaInstituteofTechnology,withitssignificantreputation,hasgottenagreatcontributionandmanyremarkablescientificachievements,especiallyinthefieldofphysics.AfterintroducingthehistoryofgrowingandrisingprocessofphysicsinCaliforniaInstituteofTechnology,thispaperintroducesitsundergraduateandpostgraduatecourses,andsummarizesitscharacteristics.Onthisbasis,somesuggestionsareputforwardtoimprovethephysicaltalentscultivationincollegesanduniversitiesinChina.Thesuggestionsarecomposedofinsistingthe“smallbutexcellent”culturingnotion,insisting“teaching-studying-labing”principle,payingattentiontobasiccurriculumstructureadjustment,organizingdifferentkindsofacademicactivities,actingoninternationalconvention,andpayingattentiontothesystematicnessandhierarchyofhighereducation.

CaliforniaInstituteofTechnology;physics;undergraduatestudent;graduatestudent;curriculum

2015-11-18;

2016-02-08

2013年度中國學位與研究生教育學會資助項目“美國著名大學研究生培養機制的院校案例研究”(B2-2013Y09-128)的階段性成果.

陳靜漪，女，副教授，主要從事高等教育學科研工作，研究方向為高等教育管理、院校研究.chenjy66@163.com；李桂雅，女，在讀研究生.lgyhohai@126.com

引文格式: 陳靜漪，李桂雅. 加州理工學院物理學專業本科生和碩士研究生課程設置分析[J]. 物理與工程，2016，26(3)：53-58.