張 鋒，廖 飛，蒲利春

（重慶理工大學，重慶 400054）

在人類追求真理、探索未知世界的過程中，物理學展現(xiàn)了一系列科學的世界觀和方法論，深刻影響著人類對物質(zhì)世界的基本認識、人類的思維方式和社會生活，是人類文明的基石，在人才的科學素質(zhì)培養(yǎng)中具有重要的地位。物理學本質(zhì)上是一門實驗科學。物理實驗是科學實驗的先驅，體現(xiàn)了大多數(shù)科學實驗的共性，在實驗思想、實驗方法以及實驗手段等方面是各學科科學實驗的基礎［1］。正是基于這一點，物理實驗被確定為各高校理工類專業(yè)的必修基礎課，其教學組織模式多種多樣。但基于辦學條件的限制和教學效率的考慮，絕大教學單位多采用班組集體上課的模式。這種教學組織模式盡管在教學效率、教學管理方面具有明顯的優(yōu)勢，但也存在嚴重的問題，如學生曠課、抄襲、敷衍了事、上課老師指導不到位等現(xiàn)象普遍存在，嚴重影響了教學質(zhì)量和學生能力的培養(yǎng)。可以見單一的班組集體上課模式已經(jīng)不能完全適應當前教育質(zhì)量和人才培養(yǎng)的要求

物理實驗教學可以追溯到人類生活的早期。當時生產(chǎn)力水平極為低下，人們在生產(chǎn)勞動中把生產(chǎn)、生活經(jīng)驗和技術知識不斷地積累，并一代一代地傳承下來。這個過程不自覺地就進行著各種實驗（自然也包括物理實驗）的教學活動。但真正意義上的物理實驗教學是起源于西方大學誕生之后。尤其到16、17世紀，隨著自然哲學的發(fā)展，人們開始對自然科學越來越感興趣，并進行了大量的物理實驗，如伽利略單擺實驗、蓋里克的真空實驗、牛頓三棱鏡實驗、惠更斯的光折射反射實驗等等，一系列經(jīng)典、系統(tǒng)的物理實驗，促使了物理學的快速發(fā)展，但仍然沒有現(xiàn)在真正意義上的物理實驗課程教學。到第一次工業(yè)革命后期，一些歐洲主要資本主義國家的大學中開始有專門的物理實驗教育，這時由于學生規(guī)模小，物理實驗多以“師徒”形式開展。隨著第二次工業(yè)革命的到來，社會對科技人才需求的劇增，教育規(guī)模不斷擴大，物理實驗教學已經(jīng)開始以“班組”集體上課的形式進行［2］。這種方式持續(xù)了近100年，為各個國家所借鑒和效仿。二戰(zhàn)結束以后，科學技術在國民經(jīng)濟發(fā)展中的重要性日益凸顯，如何培養(yǎng)出具有獨立思維和探索精神的高素質(zhì)科技人才，成為世界各國尤其是歐美、日本等各發(fā)達國家教育改革的目標。經(jīng)過教育改革者的積極探索和實踐，加上教學設備和環(huán)境等硬件設備的不斷改善，“開放式”的教學組織模式逐漸引入，并受到學生的廣泛歡迎。縱觀物理實驗教學的組織模式，可以歸納為“師徒式”、“班組式”和“開放式”三種基本模式。本文試圖從物理實驗教學發(fā)展歷程的角度，分析這三種基本教學組織模式的特點和內(nèi)涵，針對當前物理實驗教學中存在的一些問題，從教學組織模式的角度，提出了教學改革思路。

1 師徒式組織模式

師徒式教學組織模式是物理實驗教學的最早組織模式。在人類生活的早期階段，由于生產(chǎn)力水平的限制，沒有專門的教育，所謂的教育都是生活、生產(chǎn)經(jīng)驗的直接傳授。教育者與被教育者之間的關系一般為師徒關系。通常都是師父在實踐過程邊示范邊教，而學生（徒弟）則在一旁邊觀察邊學。那時師徒關系即為師生關系［3］。其顯著特點表現(xiàn)為言傳身教。這種教育組織形式的最終效果是：學生可以得到老師的“真?zhèn)鳌?，個性鮮明，但同時受老師個人因素（如知識、能力、品行等）影響較大，限制了學生知識面和視野。

在漫長的封建社會，學校教育一直是重古文經(jīng)史，輕自然科學，先進的科技發(fā)明被視為“奇技淫巧”，這就嚴重地阻礙了學校開設自然科學課程，使學校物理等自然學科的教育難以發(fā)展，到16世紀以后，與西方相比，我國在自然科學和技術等各個方面的差距越拉越大。但是物理學和物理實驗教育從沒有終止過，是一種普遍的社會活動，師徒式的教學組織模式一直持續(xù)到近代。但教學規(guī)模很小，社會化程度低，沒有受到重視。盡管如此，我國古代也出現(xiàn)過諸如墨子（公元前468－前376年）、王充（公元27－約97年）、張衡（公元78－139年）、沈括（1031－1095年）、趙友欽（1279－1368年）、王夫之（1619－1692年）等一批偉大的科學家。

到16、17世紀，西方自然哲學得到了較好的發(fā)展，近代自然科學逐漸形成，并獨立于哲學。實驗方法的教育價值也逐漸被人們所認識，成為物理學研究的基本手段，實驗室成為人們獲取物理學新知識的主要場所［2］。物理學在17世紀末進入歐洲主要國家的大學課堂，但是學習和從事物理學及物理學實驗研究的人相對很少，沒有專門的物理實驗場所和物理實驗教學，物理實驗室和物理實驗也僅限于研究之用。當時從事物理實驗完全是出于個人對自然哲學問題的思考和對自然現(xiàn)象的好奇與探索，孰不知這正是推動物理學不斷發(fā)展的不竭動力與源泉。然而由于當時從事物理實驗活動多屬于個人行為，加上當時受經(jīng)院哲學思想的影響，人們對物理實驗的重要性還沒有足夠的認識，甚至認為是一種供人消遣的魔術，所以社會效應很小。所謂的實驗室通常只是一簡陋的房間，甚至沒有固定的場所［2］。所以當時沒有真正意義上的物理實驗教學，更談不上教學組織模式。

直到19世紀30年代，在歐洲的一些大學里終于出現(xiàn)了專門針對學生的實驗物理訓練［2］。但物理實驗室多是私人實驗室。科學家經(jīng)常把自己的住所一部分或大學里閑置的房間改造、裝備成實驗場所，然后接受那些熱衷于實驗研究活動的學生進入他們的實驗室學習和工作。德國柏林大學的 H.G.馬格努斯（1802－1870年）就把自己寓所中的幾個房間裝備成物理實驗室，接受并指導學生做實驗，學生人數(shù)一般為三四人，包括留學生。在這樣的實驗室學生通常可以接受到良好的、全面的物理實驗技能和知識的訓練。在馬格努斯的實驗室里接受過訓練的學生中就有后來成為著名科學家的亥姆霍茲（1821－1894年）和丁鐸爾（1820－1893年）。

類似于這樣的師傅帶徒弟式的實驗物理訓練在19世紀前期和中期的歐洲大學里較為普遍。這種師徒式教育的突出特點是：教師與學生的交往非常密切，他對每一個來實驗室工作的學生的興趣和特長了如指掌，因而能夠因材施教，充分發(fā)揮學生的主動性和積極性，在教師的言傳身教之下進行創(chuàng)造性的實驗研究。與當今的導師制非常類似，但在教學內(nèi)容和教學方法明顯不同，即，前者是先通過系統(tǒng)性的實踐來獲得物理知識，屬于任務性的學習，而后者則是先通過系統(tǒng)的學習理論知識然后通過再用于實踐，屬于驗證性的學習，在培養(yǎng)學生主觀能動性方面后者明顯要稍遜一籌。從教學組織形式的角度看，這種師徒式的教育是典型的個別傳授制。這與當時教育規(guī)模小，理工科學生數(shù)量少的狀況是相適應的。同時，它也反映了當時自然科學實驗活動的特點：科學實驗活動已成為一種與生產(chǎn)相分離的、獨立的社會活動，但其社會化程度還是較低。

2 班組式組織模式

隨著第一次工業(yè)革命的推進和第二次工業(yè)革命的開始，科學技術對生產(chǎn)力和生活的影響日益顯著，歐美各主要資本主義國家的教育規(guī)模急劇擴大，學生人數(shù)激增，師徒式實驗教育模式已經(jīng)難以滿足社會對科學技術人才的巨大需求。其中美國作為新興的資本主義國家，表現(xiàn)的尤為突出。到第一次工業(yè)革命后期，科技人才顯得嚴重缺乏，尤其在工業(yè)增長比其他地區(qū)更為迅速的美國東北部各州更是如此。為適應這種需要，美國一方面創(chuàng)辦新型大學，如麻省理工學院（1861年）、康奈爾大學（1865年）等［4］，另一方面也更加強烈地認識到物理實驗方法的教育價值，開始考慮教學組織模式的改革。麻省理工學院首任院長、物理學教授羅杰斯（1804－1882年）就強烈倡導對本科生大班級開設正規(guī)的實驗課程的思想［2］。當時主持物理系工作的教授皮克林（1946－1919年）實現(xiàn)了羅杰斯教授的這一想法，并在1870年創(chuàng)辦了麻省理工學院針對本科學生的物理實驗室，開創(chuàng)了大面積開設物理實驗課程的教學組織模式，并使實驗課程成為學生為得到學位而必修的一門有計劃的、系統(tǒng)的課程。這種組織模式的主要特點體現(xiàn)在以下幾方面：（1）實驗設備成建制配備，配備專門實驗人員；（2）每次上課時間、實驗人數(shù)固定；（3）教學內(nèi)容和教學方法相對固定；（4）教師每次上課指導的人數(shù)較多。為此，皮克林當時還編寫了一本實驗教科書。在世界教育史上，這本書是最早出版和最有影響的學生物理實驗指導書。

皮克林開創(chuàng)了的班組集體教學模式，制取代了此前的師徒式個別傳授模式，是物理實驗教學史上的一次重大變革和進步［2］。它不僅體現(xiàn)了工業(yè)化和教育大發(fā)展對實驗教學的客觀要求，同時也是19世紀后期科學實驗活動規(guī)模不斷擴大、社會化程度不斷提高在實驗教學上的反映。因此，它出現(xiàn)不久就被美國的一些大學所效仿，同時也促成了歐洲許多大學物理實驗教學的變革。J.W.S.瑞利（1842－1919年）在1874年繼任劍橋大學卡文迪許實驗室教授職位后設置了學生實驗室教學，即采取了皮克林創(chuàng)設的方法。當時在卡文迪許實驗室參與這項工作的格萊茲布魯克認為，在19世紀末葉，英國及美國的大多數(shù)實驗物理學家都是在麻省理工學院實驗教學體制下培養(yǎng)出來的。麻省理工學院首創(chuàng)的班組集體物理實驗教學模式標志著現(xiàn)代實驗教學制度的確立［2］。直至二戰(zhàn)前后，盡管物理實驗的內(nèi)容與設備在不斷充實和更新，但實驗教學的指導與管理方法基本上是在沿襲皮克林時代的模式。這是由生產(chǎn)力水平和經(jīng)濟發(fā)展程度等各方面社會因素所決定的。

在創(chuàng)辦班組集體式物理實驗教學模式之初，皮克林教授本人很重視培養(yǎng)學生的獨立思考能力和探索創(chuàng)新精神，鼓勵學生運用實驗實現(xiàn)他可能想到的任何想法，并盡可能親手設計和制作所需要的器具，向著獨創(chuàng)性的研究方向努力。這無疑是極有見地和教育價值的。但由于受儀器設備、實驗場所、師資力量及教學管理等諸方面條件的制約，設計性、探索性實驗在大班級教學中難以實施，學生實驗基本是根據(jù)實驗指導書描述的程式按部就班進行的。使得這一組織模式后來在實際操作過程中的教學效果打了折扣?，F(xiàn)在看來，這一教學組織模式非常適用于基礎驗證性實驗項目的教學，適合大規(guī)模傳授學生知識的教學活動，而不太適合設計研究性實驗項目的教學，不利于培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力。在后來的班組式教學模式中，教師往往成為課堂的主角，學生成為聽眾，學習比較被動，對所學知識不能靈活運用，不能充分發(fā)揮學生主觀能動性。

3 開放式教學組織模式

第二次世界大戰(zhàn)結束后，世界政治格局發(fā)生變化，各國在經(jīng)濟和科技方面競爭明顯加劇，對高等教育培養(yǎng)出來的人才提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)致力于傳授知識的教育模式已經(jīng)顯得捉襟見肘，迫切需要改革。尤其是現(xiàn)代科學技術的發(fā)展更需要具有開拓精神和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才，要求知識與能力并重。實驗教學由于在培養(yǎng)人才中獨特的功能而受到了人們更多的關注。在物理實驗教學方面，以美國為例，先后推出了諸如PSSC方案（美國物理學會為美國高等院校制訂的方案）、伯克利方案、倫塞來爾方案和麻省理工學院方案等多種改革計劃［2］。這些方案雖各有特色，但有一點是共同的：注重為學生提供足夠的條件，以便在實驗過程中充分發(fā)揮他們的主觀能動性，使學生置身于一種富有探索和創(chuàng)造性的學習環(huán)境中，積極、主動地觀察、思考，受到類似于專業(yè)研究人員進行創(chuàng)造性實驗研究時的那種訓練。其教學要點是：由學生自己或學生與教師商討選擇實驗題目，實驗方案的擬定、儀器的配置、測量和操作，以至實驗中出現(xiàn)的故障的排除等皆由學生自己完成，教師只在必要時給以指點，實驗時數(shù)乃至最終要求也不作硬性規(guī)定，由學生根據(jù)自己的時間、能力及興趣來安排。這種教學模式我們現(xiàn)在稱之為“開放式”教學模式。麻省理工學院物理實驗教學的改革方案最初由密立根教學獎獲得者J.G.金教授等主持，從1964年開始在150名一年級本科生中試行，取得良好效果［2］。此后就在教學計劃中規(guī)定新生入學后前兩年必修12個學分的設計性實驗。1966年，J.G.金撰文向外界介紹了經(jīng)驗。從60年代后期開始，國外很多大學開始了類似于麻省理工學院的實驗教學改革。

“開放式”實驗教學模式要求上課時間形式、實驗內(nèi)容、教學和管理方式都是“開放”的［5］。實行這種教學模式可以有效地解決實驗資源與公共時間的矛盾，學生可以根據(jù)自己的能力、專業(yè)、興趣和學習風格等特點來選擇實驗內(nèi)容和時間，體現(xiàn)以學生為中心、以學生發(fā)展為本、教育的人性化和學習的個性化的新的教育教學理念。但是可以想像，對于數(shù)量龐大的學生群體，這種“開放式”教學模式在管理上壓力較大。當今隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，開發(fā)基于校園網(wǎng)的實驗教學管理系統(tǒng)，為“開放式”實驗教學的全面鋪開創(chuàng)造了條件。

可以看出，開放式教學模式最大的特點就是：學生可以根據(jù)自己的興趣愛好選擇實驗內(nèi)容，可以自由安排自己的時間，學生成為課程和課堂的主體。這樣有利于調(diào)動學生主觀能動性，培養(yǎng)學生獨立思考的能力和創(chuàng)新意識，但是需要一定已經(jīng)設備和管理體制支撐。

4 我國近代各時期物理實驗教學的組織模式

北京大學1913年設立物理學門，標志著我國物理學本科教育從此開始。但直到1917年才建成一套比較完整的課程設置，意味著我國物理實驗教學從此拉開序幕。當時學生人數(shù)很少，第一屆學生只有5個，于1916年畢業(yè)。隨著我們高等教育的不斷發(fā)展，先后有南京大學于1920年設立物理系，于1922年建立物理實驗中心；四川大學于1926年設立物理系；上海交通大學物理實驗室于1906年始建；武漢大學于1928年設立物理系，實驗室于1932年創(chuàng)建；浙江大學物理實驗室于1933年創(chuàng)建等等。相對西方，我國物理學的高等教育起步相對較晚。

在二戰(zhàn)以前，我國物理實驗多采用美國教育模式，由于學生人數(shù)并不多，教學組織形式多以“班組式”和“師徒式”相結合的方式進行，這種教學模式創(chuàng)造了我國物理學高等教育的輝煌，培養(yǎng)出了諸如鄧稼先、楊振寧、李振道、黃昆等一批杰出的物理學家。

新中國成立初期，出于鞏固國家政權、發(fā)展國民經(jīng)濟、增強國力的迫切需要，我國高等教育幾乎照搬照套了蘇聯(lián)模式［6］，一切工作秉承“有計劃、有針對性”原則開展，人才培養(yǎng)也不例外。這一時期，大學物理實驗是以班組集體式的形式進行，側重物理知識的傳授，便于批量性地培養(yǎng)人才。當時教學只重視知識的傳授，以及教學條件的限制，物理實驗一般都是理論課程的附屬，沒有獨立設課。這一教學現(xiàn)狀持續(xù)到了上世紀70年代末。在80年代初，我國已經(jīng)認識到蘇聯(lián)模式的不足，開始不斷嘗試改革。首先將物理實驗獨立于物理理論課教學，單獨成為一門課。在教學組織形式上仍然采用班組集體授課的模式。但“班組集體”教學模式的通病很快暴露，表現(xiàn)在實驗項目內(nèi)容單調(diào)乏味、師資力量水平不高、教學質(zhì)量下滑、學生成績考核單一、教學資源利用效率低等等各個方面。在上世紀80年代末和90年代初，我國各類高校開始著手物理實驗的教學改革，逐步將“開放式”教學模式引入實驗教學，在教學時間、教學內(nèi)容上實行開放式教學，受到學生普遍歡迎和支持，人才培養(yǎng)質(zhì)量也得到用人單位的廣泛認可［6－7］。然而在硬件建設、網(wǎng)絡管理、實驗室管理體制等諸多方面都不能與“開放式”的教學組織模式要求相匹配，所以開放式教學在我國各個高校并沒有真正全面實施。

5 啟示與結束語

物理實驗的教學模式與當時社會發(fā)展水平是密切相關的。不同歷史階段，由于社會經(jīng)濟發(fā)展水平、教育規(guī)模大小的不同，都有與之相適應的教學組織模式，大致可以歸納為師徒式、班組式和開放式三種基本模式。這三種教學組織模式都有其相應的適用范圍，各有利弊。針對培養(yǎng)學生規(guī)模和培養(yǎng)層次的不同，應靈活地采取不同的教學組織模式。現(xiàn)階段，單一的教學組織模式已經(jīng)不適應人才培養(yǎng)的需求。我國綜合國力正在不斷增強，教學資源在一定程度上已經(jīng)允許采取多樣化的教學組織模式。物理實驗作為理工類專業(yè)必修的基礎課程，在教學規(guī)模和教學目標上與專業(yè)實驗教學均有所不同。物理實驗課程更側重于學生基本知識的掌握、基本科學素養(yǎng)和能力的培養(yǎng)。根據(jù)師徒式、班組式、開放式教學組織模式的特點，可以將這三種組織模式有機的結合，靈活地應用于物理實驗教學。為了將這三種教學組織模式更好地融合與教學中，相應的實驗室管理制度、網(wǎng)絡管理方法、師資配置、硬件設備都需要進一步進行優(yōu)化。只有這樣，才能高效率的利用學校教學資源，人性化地為學生提供學習機會，高質(zhì)量地完成教學目標，為培養(yǎng)高素質(zhì)的專業(yè)人才奠定堅實基礎。

［1］教育部高等學校物理學與天文學教學指導委員會，理工科類大學物理課程教學基本要求，理工科類大學物理實驗課程教學基本要求（2010年版）［M］.北京：高等教育出版社，2011：15.

［2］史貴全.大學物理實驗教學的變革歷史及其啟示［J］.大學物理，2001，22（2）：27－30.

［3］何了然.我國學校和高等教育的起源［J］.遼寧高等教育研究，1992，61（4）：117－122.

［4］Arthur M.Gohen.美國高等教育通史［M］.李子江譯，北京：北京大學出版社，2010：96－106.

［5］容敏麗.大學物理實驗課教學的一種新模式［J］.高等教育研究，1991，45（3）：76－78.

［6］黃福濤.蘇聯(lián)高等教育模式形成的歷史考察［J］.清華大學教育研究，2002（5）：57－64.

［7］廖艷林.大學物理實驗教學中科研思維的培養(yǎng)［J］.大學物理實驗，2012（6）：101－103.