世界一流大學近代物理實驗課程網絡調研及啟示

馮娟娟， 李訓栓， 王心華， 郭黨委

(蘭州大學 大學物理實驗教學中心，蘭州 730000)

·國外實驗室·

世界一流大學近代物理實驗課程網絡調研及啟示

馮娟娟， 李訓栓， 王心華， 郭黨委

(蘭州大學 大學物理實驗教學中心，蘭州 730000)

近代物理實驗課程作為大學物理實驗的重要組成部分，對培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新型人才具有重要意義。通過查閱15所世界一流大學的近代物理實驗的網站，從實驗題目數量和實驗時長，實驗的選題方式，實驗目的、講義和實驗要求，教授負責制，網絡資源等方面詳細介紹了他們的課程設置和安排的特點，希望對國內的近代物理實驗的課程設置和實驗教學有所啟發(fā)。同時總結了國內高校近代物理實驗教學的特點和差距，希望結合國內大學的實際情況，通過學習國外一流大學的經驗，能更好地提高近代物理實驗教學的水平。

世界一流大學; 近代物理實驗; 實驗教學; 課程設置

0 引 言

目前，國家正在大力推進“世界一流大學和一流學科建設”，而培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新型人才是其中的一個重要內容。大學物理實驗為創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)提供了一個良好的平臺，對培養(yǎng)富有創(chuàng)新能力與實踐能力的高素質人才具有舉足輕重的作用[1-3]。近代物理實驗作為理工科高年級本科生的一門基礎實驗課，是大學物理實驗的重要組成部分，在培養(yǎng)學生的綜合實驗能力、專業(yè)素養(yǎng)等方面發(fā)揮著重要作用[4-9]。

作者查閱了2015泰晤士報高等教育世界大學排名靠前的15所一流大學(見表1，數據來自各個學校官方網站)的近代物理實驗的網站(注：各個學校近代物理實驗的叫法各有不同，如modern physics lab, advanced physics laboratory或mini-projects等)，通過對比，總結了這些一流高校近代物理實驗的課程設置和安排的特點，同時指出了國內高校在這方面的不足之處，希冀對國內高校的近代物理實驗教學有所啟發(fā)。

表1 世界一流學校的近代物理實驗安排(標注*的是沒有查到具體數據)

1 世界一流大學近代物理實驗網站內容調研

這些學校開設的近代物理實驗的內容與國內高校的基本相同，涉及凝聚態(tài)物理、核物理、原子核物理、固體物理等領域。課程開放對象與國內也基本一致，一般為高年級本科生(3或4年級，有些學校也同時開放給研究生選修，但是實驗要求不同)。關于具體的實驗內容，由于近代物理實驗的內容廣泛，且每個學校的側重點不同，這里不做探討。本文討論的重點內容是近代物理實驗的課程設置和安排，特點總結如下：

1.1 要求做的實驗題目數量較少[10]，但實驗持續(xù)時間長

從這些學校的官網上來看，他們開設的實驗題目較多，且實驗內容大多是與獲得過諾貝爾物理獎的經典實驗有關，但是要求學生做的數目卻不多。表1中是各所大學在最近一個學期(因各學校課程安排不同，大部分數據為2015秋季學期，少數為2016年春季學期)所提供的近代物理實驗的總實驗數和要求學生完成的實驗數。這些學校中，要求的實驗數最多的是5個，最少的是2個。例如：哈佛大學要求在16個實驗中選做3個；加州大學伯克利分校要求做4個；麻省理工學院要求先做2個預備實驗(一個實驗的要求是熟悉實驗室規(guī)則，數據分析工具等，另一個是3 h的介紹性實驗)，之后再選做3個正式實驗[11]。

另外，雖然這些學校雖然要求的實驗題目少，但是完成每個實驗的時間卻很長。如劍橋大學每個實驗要求做30～40 h(2周)，加州大學伯克利分校一個實驗需要做2～4周。這樣的安排既能讓學生接觸和了解具體的實驗內容，又能讓學生進行較為深入和系統(tǒng)的學習和體驗，總而更好地掌握物理實驗的方法和技能。

1.2 實驗題目選擇方式的多樣性

調研的這些國外高校中，近代物理實驗題目大多是由學生自主選擇，必做的實驗較少。如加州大學伯克利分校要求的4個實驗題目中，“Optical Pumping”為必做實驗，其余3個從剩余的19個實驗中選做；麻省理工的3個正式實驗中，必須從Compton Scattering，Relativistic Dynamics，Cosmic Ray Muons，Rutherford Scattering, and X-Ray Physics這5個實驗中選作1～2個，其他的從剩余題目中選做。

多樣的實驗題目選擇方式，一方面能更好地達到實驗教學目的，另一方面也能充分地調動學生的積極性，提高學生做實驗的興趣，激發(fā)學生探究感興趣事物的潛能，同時避免了學生對安排的實驗不感興趣造成教學資源和實驗設備的浪費。

1.3 訓練學生嚴謹的科研態(tài)度和基本的實驗技能

(1) 近代物理實驗的目的是通過物理實驗使學生懂得如何去研究物理問題，而不是只局限在知識的傳授和技能的訓練范圍內[12]。近代物理實驗大多是已經有了明確結論的經典實驗，實驗過程中更多的是驗證和重復，在驗證和重復的過程中培養(yǎng)學生的動手能力和科學素質。另外，國內大學經常強調的“創(chuàng)新性”在國外的近代物理實驗課程目標中沒有提及。各個學校通過提供其他多種方式來培養(yǎng)學生的科研創(chuàng)新性，例如：選修“project”課程或者直接參與科研小組等，如斯坦福大學有“Advanced Physics Laboratory: Project”課程供學生選修。

(2) 各學校大多為自編講義[13-14]，而且這些實驗講義修訂更新及時，沒有看到有要求的固定教材。15所被調研的學校中，11所學校的實驗講義提供網上下載(8所可以直接下載，標注為“有#”的3所大學需要本校的注冊ID登錄下載)。網站提供的講義格式規(guī)范更新快[13]，如麻省理工學院的講義是標準的科研論文形式，題目，摘要，概述，內容，結論，問題，參考文獻等全部包含，更新時間大多是2014年。另外這些學校雖然沒有推薦的固定的實驗教材，但大都推薦了相關的參考文獻和書籍，方便學生查找資料。

(3) 實驗過程中各個環(huán)節(jié)對學生要求的規(guī)范性，科學性。①要求對實驗過程完整記錄。如加州理工學院，實驗室的全部過程需要手寫記錄在Notebook(實驗記錄本)上，包括數據分析，最后需要提交Notebook，以此來給成績；對于有Prelab exercises(實驗前練習)的實驗，Notebook成績的占比也高達67%(Prelab exercises 占33%)。②數據的處理要求獨立完成，進行誤差計算，數據要求真實，不允許抄襲和偽造。③很多學校要求實驗報告以科技論文的格式去寫，引用別人的東西必須標明。④考核方式多樣化，實驗成績不采用傳統(tǒng)的筆試或操作考試，而是由預習，平時操作，討論等綜合評定，有很多學校要求有Oral presentation(口頭報告)，并體現(xiàn)在最終成績里[12]，如MIT占30%，愛丁堡大學占20%。這些規(guī)范的要求在訓練學生嚴謹的科研態(tài)度和基本功方面很有幫助。

1.4 近代物理實驗教學多是教授負責制

教授負責制有效地保證了實驗課的教學質量，也說明了這些一流大學對近代物理實驗的充分重視。這些負責的教授中甚至有諾貝爾獎獲得者，如加州大學伯克利分校的Donald A. Glaser，這充分說明了該校對近代物理實驗課程的重視。通過查閱網站和相關文獻，國外實驗課的上課模式多為教授負責，實驗技術人員負責實驗儀器的準備與使用維護，并參與部分實驗指導工作，同時允許研究生或高年級本科生作為TA(Teaching Assistant)對實驗教學的參與[12]。如麻省理工學院的每個正式實驗是由一位教授，兩位助教(一位是研究生，另一位是選過此課的高年級學生)，和若干實驗技術人員負責指導[11]。

另外，教授負責實驗能及時將一些前沿科研成果轉化為新的物理實驗，來充實近代物理實驗的內容，使近代物理實驗內容更具有吸引力，能讓學生更加有興趣來參與實驗。如斯坦福大學的“超流”實驗[12]，牛津大學的“光鑷子實驗”；同時各個大學對近代物理實驗也投入了很多精力，鼓勵教授們建設近代物理實驗室，哈佛大學每年要求一名教授開發(fā)一個實驗內容，開發(fā)時間按照具體情況，可以視為完成當年的教學任務[15]，而劍橋大學的近代物理實驗中的很多題目直接來自于學院的各個研究小組。

1.5 網絡資源的完備和實用

這幾所大學的近代物理實驗的網站建設相當完備，有專門的網站，而且維護更新很快，內容全面。支撐實驗教學的兩個大方面的內容在網站上基本都有提供：一方面是與實驗內容相關，如課程目標，實驗安排，選課制度，實驗講義(甚至有每個實驗的講解、操作過程的視頻資料)，注意事項，實驗相關的參考書籍文獻等，有些學校還會給出很多相關鏈接，如數據處理方法、計算機軟件教程等；另一方面是實驗的組織和開展的支撐信息，如實驗室安排和安全培訓，實驗室使用注意事項和一些通知等。這些網站的內容充實，信息全面，既方便了實驗教學(實際上也承擔了一部分預習的任務)，提前讓學生對課程內容有總體的把握，又有利于學生課下的準備和自學，更好地提高學生做實驗的效率，獲得更好的實驗效果，同時也方便了實驗室的高效利用和安全管理。

2 啟示和思考

(1) 國外一流大學的近代物理實驗的安排更多體現(xiàn)了科學性和合理性,以人為本，目標明確，管理規(guī)范，追求效率。這對國內的實驗課程安排有很大的啟發(fā)。同時這些學校對實驗教學足夠重視，都投入了大量的人力和財力，教學效果好[10,16]。

(2) 對比國外一流高校，國內的很多大學對實驗教學的重視度不夠，或者只是口頭上重視，投入的人力物力卻遠遠不及，缺少具體的相應措施來保證和提高實驗教學的質量：如缺乏高水平的實驗課老師，教授們很少會去帶近代物理實驗；網站建設需要進一步提高，內容要更加實用，從而能更好地為實驗教學服務；另外實驗室的硬件建設也存在差距，如儀器老化、維護經費不足等問題比較嚴重。

(3) 國內大學的近代物理實驗教學內容廣泛，題目眾多，但是完成每個實驗所用的學時較少。大多數學生在實驗過程中以完成實驗操作，得到實驗結果和數據為目的，普遍存在著“有實驗結果，而無分析和探究”的現(xiàn)象，匆匆做完，匆匆而去，實驗中更多的是疲于應付，不能完全達到實驗教學的目的。同時實驗題目和講義更新緩慢，內容陳舊，不能吸引學生學習和研究的興趣。

3 結 語

國外一流大學的近代物理實驗的課程安排與國內高校有很多不同，這些不同之處很可能影響了實驗教學的效果。當然，國內的實驗教學中也存在諸多實際困難，如上課學生多，實驗室基礎薄弱等，這需要長期的大量的具體工作才能解決。希望國內高校能有更多的機會學習國外一流大學的經驗，結合我們的實際情況對近代物理實驗做出更加科學和合理安排。

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·名人名言·

實驗室和發(fā)明是兩個有密切關系的詞，沒有實驗室，自然科學就會枯萎；科學家一經離開了實驗室，就變成戰(zhàn)場上繳了械的戰(zhàn)士。

——巴斯德

An Online Investigation on Modern Physics Experiment of World-class Universities

FENGJuanjuan,LIXunshuang,WANGXinhua,GUODangwei

(Physics Experiment Teaching Center, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)

As an important part of college physics experiment, modern physics experiment (MPE) course is very significant for the training of top-notch innovative talents. By investigating the websites of MPE of 15 world-class universities, the characteristics of their course arrangement about MPE were introduced from the aspects of amounts, duration time, choosing, goals, handouts and requirements of experiments, the system of professor's taking responsibility for teaching, network resources and so on. At the same time, the gap on MPE teaching between domestic universities and the first-class foreign universities was summarized. It is hoped that the teaching level of domestic MPE will be improved by learning the experience of foreign universities, combined with the real situation of domestic universities.

world-class universities; modern physics experiment; experimental teaching; course arrangement

2016-08-22

馮娟娟(1982-)，女，河南郟縣人，博士，工程師，主要從事低維半導體納米材料制備及其電池特性的研究和本科實驗教學管理工作。Tel.: 0931-8912753; E-mail：fengjj@lzu.edu.cn

O 4-33；G 649

A

1006-7167(2017)04-0229-03