物理類課程實踐環節設置研究
——以麻省理工學院、加州理工學院、蘇黎世聯邦理工學院為例

李春燕，銀 燕，余同普

（國防科技大學 理學院，湖南 長沙 410073）

引言

一流本科課程建設注重培養和訓練學生解決實際問題的能力，旨在讓學生學有所獲、學有所用，而實踐活動是其中重要的實現手段，因此，國內高校在教學大綱和人才培養方案中對實踐活動做了具體要求。譬如，規定理論課與實踐課課時占比、要求課堂演示實驗套數和次數等。物理類課程包括低年級學生的物理基礎公共課程以及物理系開設的專業課程，是高水平大學理工科學生的重要學習內容。然而，這些課程普遍具有內容抽象、理論性強、學生學習興趣和積極性不高等問題。另外，隨著科學技術的迅猛發展，學生獲得信息和知識的方式趨于多樣化，學習方式也在發生變化，這為課堂教學帶來巨大的挑戰。如何適應學生的變化，充分利用新技術，在物理類課程中更為有效地融入實踐內容，提高學生的學習興趣和學習成效，尤其是提高學生利用物理知識解決實際問題的能力，是國內外物理課程建設面對的共同課題。

本文選取2023年QS世界大學排名前十位的三所理工類大學：麻省理工學院、加州理工學院以及蘇黎世聯邦理工學院作為案例，對其物理系開設的所有課程進行詳細梳理，總結其實踐內容設置的基本模式和特點，并結合國內高校物理課程建設的實際情況，提出一流物理課程建設中實踐環節設置的具體建議［1-3］。

一、三所世界知名理工大學物理類課程實踐環節設置模式

三所世界一流理工類大學物理類專業課程基于提高學生的學習積極性、發揮學生的創造力設置實踐環節，主要包括以下三種模式。

（一）案例式教學法

案例式教學法從美國高校發源，在世界各國教育界推廣［4］。案例直接反映知識應用，包括問題提出、分析到最后解決的全過程。利用案例搭建知識和應用的橋梁，通過生活的例子讓學生在應用知識的同時，既能提高學習的興趣，又能加深對知識的理解，這與我們現行的新工科建設目標一致［5］。三所高校案例式教學具體呈現方法如下。

1.設計與學生專業密切相關的應用案例。譬如，蘇黎世聯邦理工學院物理系在面向電氣工程與信息技術專業學生開設的量子力學相關內容中，整合了工程學科的相關案例；加州理工學院在“波、量子力學和統計物理學”課程講授中，介紹了其基本概念在電信和能源技術等領域的應用。

2.提煉物理知識前沿應用案例。以加州理工學院物理系設置的課程為例，幾乎所有理論課程都將前沿技術應用作為重要內容寫在課程介紹中，如在“原子和光子”課程中靈活加入了超冷原子、原子鐘等前沿研究進展內容。

3.圍繞具體問題設置課程。加州理工學院的“數量級物理”課程，通過具體例子介紹使用基礎物理知識理解復雜系統，課程案例選自材料科學、大氣學、天體物理學、生物力學等多個學科門類。

（二）實驗式教學法

以實驗或模擬等直觀的形式向學生展示物理圖像，有助于加深學生對基礎知識，尤其是較為抽象概念的理解。調研的三所高水平大學在理論類和實驗類物理課程中都非常重視實驗內容的安排。

1.數量多、種類廣的實驗類課程設置。麻省理工學院和加州理工學院的通識課中都對物理實驗部分做出要求，蘇黎世聯邦理工學院物理系本科生需要在大一完成數學、物理基本理論課程學習之后，每年以實驗課或專業講座等形式參加更多的實踐活動。表1是加州理工學院物理系面向本科生開設的實驗課程，據此可以看到其物理系開設的實驗課程種類和數量。

表1 加州理工學院物理系開設本科生實驗課程

2.豐富的演示實驗資源。麻省理工學院“物理Ⅲ（振動與波）”課程資料顯示，24次課共包含43套課堂演示儀器，幾乎每個知識點都有對應的演示實驗。這些豐富的演示實驗來源于工程應用、生活實際，甚至前沿探索，為學生掌握物理基礎理論、理解和運用物理原理奠定了堅實基礎。

3.創新教學模式，強調理論實驗結合。譬如，麻省理工學院面向全校學生開設的物理課程，使用了技術支持與自主學習（簡稱TEAL）這一新的課程模式，利用桌面實驗和計算機仿真計算等手段，讓學生在分析問題和解決問題的過程中學習物理基本概念，幫助他們建立物理圖像，構筑完善、縝密的知識網絡。這種演示實驗和師生之間的互動有效提升了學生對基礎課程的參與度和自主性，豐富了教學手段，強化了能力培養，也為高水平科學研究打下了基礎，因此，成為我國理工科院校物理課程教學改革的范例［6］。

（三）項目式教學法

項目式學習指的是教師提供關鍵素材，學生根據素材解決開放問題的具體學習過程，通過解決課題的過程培養學生的創新能力。三所學校將項目式實踐融入課程的主要表現如下。

1.項目式教學模式改革。麻省理工學院的TEAL教學模式是一種典型的項目式學習模式，教師圍繞知識點布置項目，學生通過自主學習，合作分析、解決問題，完成項目。在這個過程中，學生不僅能夠學習新知識，還能提高交流討論和團隊合作能力。

2.本科生科研。通過設置研討型課程或本科研究項目，讓學生在研究中培養解決問題的能力。譬如，麻省理工學院設有本科研究項目（UROP）、獨立活動期項目（IAP）和新生咨詢研討會（FAS）等，這些活動為本科生提供了接觸科技前沿和進行科學研究的機會［7］。加州理工學院物理系針對本科新生開設的研討型課程，為學生提供了與本校專家學者和教師共同討論科學前沿問題的機會，能夠幫助他們確定未來暑期研究的方向。此外，麻省理工學院還設立了暑期本科生研究獎學金（SURF）項目。學生通過這類課程能夠與世界頂尖的科學家一起在一些具有創新性的實驗設施中進行科學研究實踐。

二、三所世界知名理工大學物理類課程實踐環節設置的特色分析

三所學校通過各種模式將實踐環節融入物理類課程，為學生理解物理知識、建立物理圖像提供了全方位的體驗和實踐平臺，切實讓課程為學生未來的職業規劃服務。這些學校的物理類課程實踐環節設置主要有以下特點。

（一）實踐內容與形式靈活多樣

三所學校物理類課程圍繞知識內容設計了靈活多樣的實踐環節。“公共基礎物理”課程及“普通物理”課程主要采用演示實驗及TEAL模式進行講授，幫助學生理解基本概念，并與實際應用相結合。專業物理課程中的實踐內容更重視案例式教學，尤其是對科技前沿應用領域的介紹，以期給予學生最前沿的科學信息。此外，三所學校物理系會根據學科自身優勢和學生特點開展靈活多樣的實驗與實踐課程教學。譬如，麻省理工學院物理系為了與人才培養目標相匹配，對不同研究方向的學生設置不同的實驗課程，盡量做到因材施教、差異化教學。加州理工學院在“經典力學和電磁學”b部分和c部分中，設置了理論分析和應用兩種類型的課程，供不同需求的學生選擇。

（二）實踐中注重發揮學生的主動性與創造力

三所學校實踐活動設置重視學生對活動或項目的主導性，具體體現為項目選題的多樣性、研究方式和方法的互補性以及課題研究的團隊性，旨在給予學生最大程度的自由。譬如，加州理工學院物理系為新生開設了“音樂科學”課程，學生可以通過自主設計和深度參與課題研究初步體驗科學研究的過程。在“電磁學”課程中專門設計實驗，要求學生自制分析天平，并用它來測量電線之間的力，研究1 000 V火花的特性；要求學生自己提出方案，構建并研究無線電波發射器和接收器等。在麻省理工學院的TEAL模式課程中，學生不僅要完成教師設定的任務，還要自己設計并完成小型實驗。這些自主設計的環節極具挑戰性和趣味性，不僅要完成既定的實驗過程，對于培養學生的創新能力更具意義，這對國內的本科實驗課程教學具有很好的借鑒價值［7］。

（三）與科學研究技術應用前沿接軌

大學的主要目標是培養高水平創新及技術人才，因此，應及時將學術研究和科技發展前沿成果引入課堂，體現課程的前沿性與時代性，擴寬學生知識的廣度。上述三所高水平院校都非常重視學生科學研究和創新能力的培養，充分利用基礎學科資源，通過融入前沿技術或教師科研成果、開設前沿問題或新技術課程等不同形式開展教學實踐，讓學生在科研中掌握基礎知識，在實踐中培養創新能力。譬如，麻省理工學院開設的“量子物理”課程有兩位主講教師，他們結合自己的研究課題調整授課內容，特別是相應的練習和案例：一位教師注重討論凝聚態物理的應用，另一位教師則專注于散射和共振。2020年初，全世界面臨新冠病毒感染疫情，麻省理工學院物理系借此開設了“病毒大流行和免疫”這門新課程，針對不同年級的學生執行不同的教學計劃。加州理工學院利用學校在研課題或觀測機構公開的免費數據資源開設新形式研討課，譬如，使用超新星數據測量宇宙的膨脹、用宇宙輻射探測器普朗克的數據研究宇宙背景輻射等，通過這些活動訓練學生提取信息進行科學研究的能力。

三、對國內高校的啟示與建議

物理課程中的實踐教學是提高學生解決實際問題能力的重要途徑和培養拔尖創新型人才的重要手段。在一流課程建設的過程中，我們要強化課程內容的基礎性和應用性，增強課程的挑戰性和趣味性，突出其創新性和開放性，讓理論課程對學生更有吸引力，讓學生動起來，從而顯著提升教學效果。近年來，國內物理課程越來越重視實踐內容的整體設計改革，還有一些值得我們借鑒和學習的地方。

各高校結合學校特色不斷完善課程資源庫，但是在案例涉及的廣度上需要進一步拓展。物理學提供的規律及思想方法具有普適性，在物理課程中引入涉及大氣學、心理學、經濟學等多個學科門類案例對于學生掌握這些規律和科學方法具有重要意義，我們需要深入參考國內外一流高校的課程及教材，在教學中打通物理學的不同領域，采用更多學科的案例。

國內各高校都非常重視演示實驗的作用，并為此不斷探索拓寬演示實驗進課堂的道路，成果豐碩。但是從數量和創新性上看，與麻省理工學院的演示儀器資源庫相比還有差距，需要重視設計與研發。

重視科教融合，加強基礎研究反哺基礎課程教學。從科學研究中獲得案例用于課堂教學，開設前沿介紹課程，引導、鼓勵本科生嘗試科研。高校對于科研的重視為科教融合提供了有力支撐，但真正做到科研對基礎課程和人才培養的反哺仍需要科研工作者對教育投入更多的熱情，調動科研人員的育人積極性，給予更多的政策支持。

利用新工具和新技術，不斷創新實踐環節的形式和內容。加州理工學院的新生研討課，在運用基本知識的基礎上結合了最新實驗數據解決前沿問題，盤活了網絡這一新資源，這一舉措值得我們廣泛借鑒和深入學習。另外，在教學中我們可以將一些強大的數學工具，如Mathematica、MATLAB、物理工坊（phyphox）甚至人工智能技術等充分利用起來［8］，開發、設計對應物理問題和物理原理的可視化工具及軟件，提高學生學以致用和自主創新的能力。

結語

本文研究了三所世界一流理工科大學的物理課程，詳細梳理了課程中的實踐內容與環節，分析總結了其主要模式與特色，并結合國內高校特色對建設一流物理課程的實踐環節進行了初步探討，特別提出科研滲透人才培養和利用新技術創新實踐環節對提升課程高度及創新人才培養模式具有重要意義，在一流課程建設中有望發揮更大的作用。