發展研究型基礎物理實驗教學的理念與實踐

張朝暉

(北京大學 物理學院 基礎物理實驗教學中心，北京 100871)

物理學作為近現代科學的基礎，是大學本科教育的重要內容之一. 物理學是一門實驗科學，源于實驗，又在實驗中不斷豐富和發展，因此，用實驗的方法研究物理學是開設物理實驗課程的基本思想[1]. 非物理類專業的大學物理實驗、物理類專業的普通物理實驗和近代物理實驗等課程，構成了國內物理實驗教學的基本課程體系. 改革開放40多年來，該體系的各門課程都得到了充分恢復和長足發展，形成了現今教學的基本模式：在不同的課程層面上，引導學生通過做具體的實驗來加深理解物理學的理論知識，并學習物理學的技術和方法. 隨著社會科技(特別是高校科研)的快速發展，這種教學模式面臨新的挑戰. 本科生直接參加科研活動(簡稱本研)的親身體驗,在較大程度上弱化了學生對現行物理實驗課程教學模式的認同感. 頗受歡迎的科研模式在倒逼物理實驗課程進行改革，構架和發展科研創新模式的物理實驗教學是未來發展的主要方向.

教學和科研是高等學校的兩大任務，也是高等學校人才培養的主要方面. 一方面，將科研創新模式引入到實驗課程的教學中，滿足優秀學生的發展需求，助力拔尖人才的快速成長. 另一方面，基礎物理實驗課程承擔系統性培養學生物理實驗素養和實驗技能的基本任務，面上教學的基本內容和模式必須得到相應的保證. 如何把這兩方面的教學結合在一起協同發展，是發展基礎物理實驗教學的一個系統性問題.

從教與學兩方面來看，物理實驗課程的教學成本較高. 首先，實驗教學要用到一系列的儀器、足夠面積的實驗室和人數眾多的教師及實驗技術人員，因此實驗教學占用教學資源顯著大于理論課教學. 另一方面，物理實驗的課程教學實際上是案例型的“交互式教學”，每個案例的教學都需要學生、教師以及儀器設備之間充分地交流、應對和協調才能達到預期的效果. 這就要求學生每次上物理實驗課都要投入比理論課更多的時間和精力. 如何讓高成本課程具有高“性價比”，是基礎物理實驗課程教學面臨的一個現實問題.

長期以來，我們堅持以科研引領實驗教學的理念，推動物理實驗的教學改革和團隊建設[2]，在發展研究型基礎物理實驗教學方面下功夫，經過長期努力，取得了積極的效果.

1 回歸實驗物理的基本理念，探索研究型教學的課程模式

物理學研究分理論物理研究和實驗物理研究. 所謂實驗物理研究，簡單地說，就是通過做實驗來發展物理學的理論、技術和方法. 基礎物理實驗課程教學在邏輯上是相反的過程，即從已有的理論、技術和方法出發，教授學生如何做實驗. 引入科研創新模式的實驗教學，就是在理念上回歸實驗物理的研究模式[3]. 基于這樣的理念，探究研究型物理實驗教學的課程模式. 我們經過多年的選修課實踐，培育了普通物理層次的“綜合物理實驗”和近代物理層次的“前沿物理實驗”.

1.1 綜合物理實驗

綜合物理實驗1個學期，64學時，3學分，要求學生完成6個實驗項目. 目前有9個項目：

1)光學成像與光信息處理；

2)邁克耳孫干涉儀與光學相關測量；

3)基于虛擬儀器技術的弗蘭克-赫茲實驗；

4)光力學效應及光鑷實驗；

5)一維周期弦鏈系統振動模研究；

6)二維法拉第斑圖實驗觀察與研究；

7)證偽貝爾不等式的雙光子糾纏實驗；

8)糾纏雙光子的干涉實驗；

9)納米材料的拉曼光譜實驗.

綜合物理實驗課程的實施分4個環節：

1)學生自主實驗. 實驗室對學生全程開放，要求每2周完成1個項目的實驗工作，時間可以自由安排. 實驗現場由1位工程師負責儀器管理. 任課教師不到現場指導，放手讓學生自主實驗，鼓勵學生間的互助交流.

2)師生面談交流. 學生完成每周實驗后至少預約任課教師面談1次，匯報實驗的進展情況，商討解決實驗中遇到的問題.

3)口頭學術報告. 要求學生在做過的實驗項目中找出1個自己最感興趣且深入研究了的問題，按照學術報告的規范做15 min的口頭報告，外加5 min的聽眾提問.

4)書面學術論文. 要求學生在做過的實驗項目中找出1個自己最感興趣且深入研究了的問題，按照學術雜志發表論文的模式，提交1篇規范的學術論文.

與上述4個環節相對應，綜合物理實驗課程考核分4部分：現場實驗(30%)、面談交流(30%)、學術報告(20%)和學術論文(20%)，由教學團隊按各部分的占比考核打分，合起來給出課程的學期成績.

綜合物理實驗課程旨在通過模仿科研活動來組織實驗教學，用內容豐富、綜合性強且具挑戰性的實驗項目和研究型的課程模式，激勵學生主動學習、自主實驗，培養自身的科學素養和科研能力. 課程提供精選的實驗項目，內容從普通物理實驗擴展到近代物理實驗，延伸到前沿物理實驗，只要學生對所涉及的物理圖像能夠理解即可. 這樣的安排挑戰學生的選課意愿，也激發學生迎難而上、成就自我、追求卓越的發展需求.

幾年來的實踐表明，挑戰性項目隱含有待研究的問題越多，越受學生歡迎，最后的學術報告和論文也越精彩. 重要的問題是只有實驗室不斷地供給這樣的項目，才能保持課程一直在高水平上運行.

1.2 近代物理實驗

選擇近代物理學的經典實驗和重要技術為課程的主要內容，引導學生通過實驗認識新物理概念產生、形成和發展的過程，學習如何用實驗方法研究物理現象和規律. 另一方面，作為高年級學生的1門基礎課，近代物理實驗的課程教學還應對標物理研究的前沿，做出相應的教學安排[4].

1.3 前沿物理實驗

前沿物理實驗1個學期，64學時，3學分，要求學生與科研團隊的教授商定1個研究課題，然后在教授的指導下在他的科研實驗室里完成該課題的研究工作，期末提交1份書面報告，并做口頭報告.

實驗教學中心設1位課程主持人，全程負責課程教學的組織管理，包括開課前面談審核學生的課題和研究方案，期中面談審核學生的研究進展，期末匯總審核學生的書面報告、組織學生報告會和評定學期成績，并根據掌握的具體情況給出每個學生占比20%的學期成績. 科研指導教授負責安排、檢查、指導和考核學生在他實驗室的研究工作，指導學生完成期末的書面和口頭報告，并根據全面掌握的情況給出學生占比20%的學期成績. 每位指導教授都要出席期末學生報告會，并給每位學生的報告打分，所有教授打分的平均值給出占比60%的學期成績.

前沿物理實驗是近代物理實驗課程探索科研型教學模塊的實踐成果，旨在引導學生在實際的科研環境中學習前沿科研的思想、技術和方法，增強自身的科研素養和能力.

多年的教學實踐表明，科研實踐的課程模塊順應了優秀學生的發展需求，助力了拔尖學生快速成長.

2 整合基礎物理實驗課程的教學體系，融合研究型的物理實驗教學

改革開放以后物理學專業形成了普通物理實驗+近代物理實驗的基礎物理實驗課程體系. 面上課程教學分4個層次：普通物理實驗(1)和(2)、近代物理實驗(1)和(2)，依次在4個學期進行.

綜合物理實驗和前沿物理實驗是應對優秀學生發展需求，培養學生科研創新能力的研究型教改課程. 將這2門課程嵌入常規課程的教學體系，形成如圖1所示互融互通的雙通道教學新體系，其中A通道是研究型實驗課程的教學通道，B通道是常規實驗課程的教學通道. 2個通道的入口都是二上開始的普通物理實驗(1). 然后是課程分流的第1個選擇：普通物理實驗(1)中，成績優秀的學生可選修綜合物理實驗，其他學生進入普通物理實驗(2)的課程學習. 接著，所有學生都在上完近代物理實驗(1)之后，再做課程分流的第2個選擇：成績優秀的學生選修前沿物理實驗，其他人進入近代物理實驗(2). 最后對接到畢業論文的研究學習.

圖1 互融互通的雙通道教學體系

互融互通的雙通道教學體系妥善地安排了研究型課程教學(A通道)，不但保證了這些課程本身的持續發展，而且更有利于拔尖學生綜合素質的全面培養. 這主要體現在以下幾方面：

1)在穩定常規實驗教學的基礎上，放手探索研究型的教學模式.

常規的實驗教學以“教授知識和能力”為目的，是涉及諸多教師和大量來自不同院系學生的大班授課，需要按照固定的模式重復運行. 相比之下，研究型的實驗教學是問題導向、開放探究、個性化的小班研討，只要學生對所涉及的物理圖像能夠理解，就可以用作課程內容. 即使像“證偽貝爾不等式的雙光子糾纏實驗”[5]“糾纏雙光子的干涉實驗”[6]等，也可以讓學生做. 綜合物理實驗課程的實驗項目就是通過小班研討豐富和完善起來的.

2)研究型的創新能力培養和基礎性的實驗技能訓練相互促進、協調發展，保證研究型實驗教學在高水平運行. 例如：

a.“一維周期弦鏈系統振動模研究”[7]將常規的均勻弦振動實驗擴展到弦鏈振動，豐富了物理內容和檢測技術，并且可以類比研究微觀的量子系統.

b.“邁克耳孫干涉儀與光學相關測量”將分振幅干涉的原理性觀察引伸到時間相干性的光學相關測量，在邁克耳孫干涉儀的基礎上搭建出傅里葉變換光譜儀，探討以此進行光譜分析所涉及的理論和技術問題.

3)在研究型教學通道上，持續激勵優秀學生挑戰自我，追求卓越.

從規范型的普通物理實驗，到研究型的綜合物理實驗，經基礎性的近代物理實驗，再到真實科研的前沿物理實驗，選擇A通道研究型教學模式的學生付出得多，收獲也大，有些學生在研究型課程期間還發表了高水平的學術論文[8-9].

3 整合面上實驗課程教學的內容與方法，提升面上教學的綜合探究水平

在大學物理或者普通物理課程階段，簡單地說，理論課是教師通過講授物理實驗教學生學習物理理論知識，而實驗課則是教師通過講授物理理論知識教學生做物理實驗. 2類課程并行開課自然形成理論知識在教學上的重疊和反復，于是“做實驗，培養動手能力”就成為人們對物理實驗教學的一種簡單樸素的理解. 實際上，伴隨著做實驗的過程，物理的理論知識、實驗技術和方法才能被學生更深刻地理解和掌握，做實驗的能力才會得到培養. 因此，“做實驗，學物理，培養實驗能力”應該是基礎物理實驗課程基本的教學要求. 在此層面上考慮面上物理實驗課程的建設，使之朝著綜合研究型的方向發展.

借鑒研究型教學的課程模式，可以從以下3個方面入手：

1)面向現代科技，調整教學內容；與時俱進，更新實驗項目.

早年將弗蘭克-赫茲實驗、高溫超導實驗、核磁共振實驗等下放到普通物理實驗教學，現在將雙光子糾纏、雙光子干涉等現代物理的內容排成新實驗，這樣的課程安排考慮了在現代科技背景下激發學生做實驗的興趣和熱情，引導學生在做實驗的過程中深入探究其中的物理原理和技術問題. 需要注意的是，在現今的物理實驗教學中，還有相當一部分實驗內容的物理思想是過時的，技術和方法也較為陳舊，這既不能反映物理思想的應用前景，也不利于激發學生做實驗的興趣.

2)用綜合應用型的實驗模塊取代單一的驗證型實驗項目，構建模塊化的基礎物理實驗教學.

傳統的物理實驗課程中，每個實驗項目基本上是對應于物理課程的1個知識點設計出來的驗證性實驗，其教學內容和目標比較單一，各實驗項目之間的相互關聯也比較弱. 我們嘗試將內容單一的實驗，按綜合應用的類型組合成模塊化的實驗項目，用項目的實際應用激發學生的興趣，用項目的綜合內容引導學生進行實驗探究. 例如，將X光衍射實驗和微波布拉格衍射實驗組合成1個實驗項目模塊，實踐效果比較好.

3)轉變教學觀念，發展以問題為導向的實驗教學新模式.

面上實驗課程推行三段式的教學要求，即課前做好預習，課上做好實驗，課后寫好實驗報告. 三段式的教學安排是知識傳授型課程教學的普適模式. 面上實驗課程的三段式教學在很大程度上要求通過讓學生做實驗的方式傳授物理知識，相比之下，在培養實驗能力方面顯得力不從心. 我們認為應當轉變這種教學觀念，從聚焦“實驗知識”轉向聚焦“實驗過程”，以問題為導向，聚焦解決問題的物理思想、實驗技術和方法. 從培育綜合物理實驗課程的實踐中獲得經驗，逐步將該經驗向面上教學推廣，強化實驗探究的課程特性，努力探索基礎物理實驗面上教學的新模式.

4 結束語

基礎物理實驗課程教學跨度大，涉及面廣，既有基礎性的定位，又有開展實驗活動的特定要求. 提出“科研引領實驗教學”的理念，就是從實際出發，立足于基礎，面向科研，探索研究型教學的課程模式，創建“基礎”與“創新”協同發展的基礎物理實驗課程教學新體系[10].