何焰藍，黎　雙，楊　筱，彭　剛，劉一星

(國防科技大學 理學院 物理系，湖南 長沙　410073)

?

美國華盛頓大學的物理實驗教學
——以華盛頓大學“物理學導論”的教學為例

何焰藍，黎雙，楊筱，彭剛，劉一星

(國防科技大學 理學院 物理系，湖南 長沙410073)

既有理論也有實驗的美國華盛頓大學“物理學導論”課程，無論是內容還是教學模式都很有特色.實驗項目的內容緊扣理論教學環(huán)節(jié)并盡可能澄清課堂學習的一些問題.實驗講義以物理史實或以身邊易于實踐的自編故事為引子切入原理并讓學生繼續(xù)展開實驗，以物理系和網(wǎng)絡上可尋的與實驗相關的科技前沿發(fā)展背景為延伸，注重學生興趣導向.對學生采取人員變動式分組方式，注重其建模、預測以及合作能力的培養(yǎng).文中還介紹了他們如何要求學生撰寫實驗報告(包括評分點展示)，采取的先進實驗儀器技術，進行的實驗室管理與學生實驗素養(yǎng)培養(yǎng)相結合等方面的一系列行之有效的辦法.

物理學導論；物理實驗；建模；預測

位于美國圣路易斯的華盛頓大學(以下簡稱華大)，是美國一所久負盛名的名校.華大于2006年開始采用《Six Ideas that Shaped Physics》[1-6](以下簡稱《Six Ideas》)為教材，采取以學生為主的教學方式以來，教學質量明顯提高，效果顯著[7].至2014年秋季學期，華盛頓大學物理系在Howard Hughes Medical Institute提供的資金資助[8]下對原來的物理實驗教學(美國高校的基礎物理課程包含理論和實驗)作了全面的改進，其理念從某種意義上說與《Six Ideas》教材的撰寫以及其對應的教學是一致的，并落實于所選的實驗設備以及項目中，同時融入新編寫的實驗講義.

本文作者于2007年以及2014年兩次對華盛頓大學物理系進行了訪問，獲益匪淺.這里就華大物理實驗教學以及教學管理種種，與國內高校物理教學的同仁們一起分享.

1　年輕朝氣富于創(chuàng)新的師資

華盛頓大學物理系的實驗教學、建設以及管理僅由3名年輕教師以及7名左右的在讀博士生TA組成.女博士Hynes負責整個《物理學導論》的TA管理與協(xié)調工作，同時還擔任該課的理論課教學.充滿活力的Hynes，與學生于課堂上的互動異常活躍.“如果任課教師自己在授課時都沒精打采，怎能希望學生有興趣？！”這是她的理念.Hynes每周都要組織TA進行一次實驗教學的分析協(xié)調會，屆時，實驗室唯一的專職管理員Flanagan碩士也會出席.會上，TA們會將一周異常的教學情況與Hynes和Daniel進行溝通，以保證教學秩序健康發(fā)展.相比理論課TA而言，華大物理系對從事實驗教學的TA要求更高，因為小課堂與學生將有更多的面對面交流.Wagoner博士同Hynes一樣，也要擔任“物理學導論”的理論課教學，他更喜歡在課堂上演示實驗.他與Daniel共同圓滿地完成了Medical Institute提供的資金資助實驗室建設的項目，撰寫了相應的實驗講義.Daniel不僅要負責面向每年5～6百名學生的3個實驗室的管理工作，更重要的是要負責實驗課程的建設以及網(wǎng)頁的建設、維護和管理工作，同時也要擔任一部分的實驗教學工作.

2　“物理學導論”的實驗項目以及教學特色

美國高校的物理實驗其性質為課程實驗，華大也如此.因此其課程實驗的主要教學目標正如他們在對學生介紹實驗室所描述的一般：“實驗室為補充和澄清課堂學習材料，因此進入實驗室將幫助了解物理學講座.”所選的實驗項目以及實驗時間的安排跟理論課盡可能同步.

2.1實驗項目內容及要求

華大物理系的物理實驗按春秋季共開設19個實驗[9]，其實驗項目名稱、對應的主要內容以及開課順序列于表1.

表1　實驗項目一覽表

續(xù)表

在華大改革后的物理學導論課中，沒有關于幾何光學的內容.實驗中幾何光學和物理光學實驗在一定程度上彌補了這段空白.

2.2實驗教學儀器

華大的實驗項目如同美國其他高校一樣采用Vernier公司的多種傳感器+接口+計算機，通過強大的數(shù)據(jù)處理軟件對采集所得數(shù)據(jù)進行分析和處理，得出相應的結論或物理規(guī)律.這一類儀器與國內一些高校所采用的美國PASCO公司的儀器非常類似.這種類型的設備非常適于開發(fā)新實驗項目.2014年秋季學期開始，華大在物理實驗室的每一個實驗位上又配備了專門用于學生進行數(shù)據(jù)處理、作圖乃至撰寫實驗報告等用的平板電腦.學生在實驗時間內必須完成實驗報告并上傳于TA處.

2.3實驗教學特色

2.3.1教學過程嚴謹

學生2人一組，由TA不定期劃分組合.十分注重學生物理實驗的預習，規(guī)定必須在進入該實驗室做實驗之前將有關預習問題的回答交給TA，否則預習這項分數(shù)將為零，且補做無效.電學實驗學生必須畫出線路草圖，等待TA檢查合格后，方可通電繼續(xù)實驗.2014年春季學期沒有使用平板電腦當堂完成實驗報告.學生完成實驗后，需經(jīng)TA檢查數(shù)據(jù)并且檢查儀器是否歸位、整潔，然后TA會在實驗報告紙上蓋一個章(圖1)后，學生方可離開.這個章既是對學生操作過程的一個規(guī)范，同時也是TA對學生實驗報告批改后登記成績的地方.

圖1　實驗報告簽章

2015年春季學期華大實驗室全部采用新進平板電腦以及其中軟件撰寫實驗報告，一個小組只需交一份實驗報告，合作人在報告的文檔命名中體現(xiàn).由于平板電腦的便利，他們在頁面中設置了一個“Cleaning”的鏈接，里面有一個PDF文檔，文檔中有關于該實驗項目所有相關儀器以及元器件的規(guī)范擺放的圖片，學生必須按圖示整理桌面，并將有關儀器的開關置于正確狀態(tài)，如圖2所示，最后經(jīng)TA的檢查驗收后才能離開實驗室.這個配有圖文的管理舉措既可以很好地培養(yǎng)學生的良好實驗習慣，又是方便管理的聰明之舉，值得學習.

圖2　規(guī)放整理標準圖

對于因故不能準時參加實驗的學生補做實驗有明確的規(guī)定，僅當實驗時間與其他科目的考試相沖突或者是宗教節(jié)日，并給出相應證明時.允許補做實驗的同學必須提前一周預約，否則一律不讓補做.

2.3.2實驗報告評判標準

實驗報告的評判標準分為3個主要部分，其中完整性占40%，正確性占40%，清晰程度占20%.正確性的分數(shù)不能超過完整性的分數(shù)，如果遺失重要信息，完整性將要被扣分.計算錯誤、缺失的單位或與物理規(guī)律陳述相矛盾也要扣除正確性的相應分數(shù).令人困惑的語句，不合邏輯的位置的信息或者數(shù)據(jù)量不足也導致清晰程度減分.學生最終的實驗成績將被作為整個物理學導論課程成績的一部分.此外，理論考試中將會有1～2個涉及實驗概念的問題(無論它們是否包含于課堂講座).

3　“物理學導論”的實驗講義特色以及理念

3.1以歷史和故事作為牽引增加學生興趣

在每一個講義的預習部分總是由與該實驗項目相關的歷史或者編一個與身邊的物理相關且易于實踐的故事作為引子.這點也與他們所用的物理學導論教材《Six Ideas》的編寫風格有異曲同工之處：以歷史史實為出發(fā)點，關注身邊的物理.一方面提升學生的興趣，讓學生知道物理與日常生活息息相關，所學的知識無處不在.另一方面，也非常符合教育理論：從學生身邊的物理這一最近發(fā)展區(qū)生長知識.

例如在“Radiation Playhouse”這個實驗講義的開始就是以貝克勒爾怎樣發(fā)現(xiàn)放射性的歷史故事為引子介紹放射性的發(fā)現(xiàn)以及意義.而“Physica Optics”實驗的講義卻以學生為主角，從如何向他的祖父母澄清DVD、CD乃至老式膠盤唱片記錄和存儲歌曲信息的方式引入物理光學的基本現(xiàn)象，并用實驗解釋；而對弟弟這個非常喜歡3D的年輕人以興趣為誘惑，講解了偏振光的道理.這種形式有趣也很有效.

3.2以科技前沿相關的視頻以及文檔資料增添學生學習動力

在預習部分，也有一些取自互聯(lián)網(wǎng)上與該實驗相關背景資料需要學生觀看并回答問題.如 “效率”實驗中，給出美國政府能源部網(wǎng)站網(wǎng)址，讓學生觀看視頻并回答問題.在 “電流研究” 實驗網(wǎng)頁中有與本實驗相關的本系研究進展的鏈接.如在“輻射”實驗欄目里就有關于Wessel教授以及“神經(jīng)小組”的用“法拉第籠”開展研究的鏈接等等.這些做法同樣與《Six Ideas》教材以及與之相關教學思想非常一致，要讓學生感受到所學的基礎物理在今天的科學技術發(fā)展中發(fā)依然揮著重要的作用，增添學生學習的動力.

3.3以建模方式建立測量公式，以預測模式估計結果注重能力培養(yǎng)

華大對實驗項目絕不是簡單提出一個測量目標，給出相應的測量公式，讓學生按步驟得出結論，而是以建模方式來建立測量公式，并且十分注重實驗條件對模型的約束以及可能造成的影響.在相應的實驗測量公式以及一定的實驗條件下，不急于讓學生測量，而是留有一定時間讓學生事前估計或者預測可能出現(xiàn)的實驗現(xiàn)象或者結果.測量完畢后鼓勵學生將預測與結果進行比較得出自己的結論.這種模式在理論課中同樣倡導，實踐證明，這十分有利于學生能力的培養(yǎng).在 “碰撞” 實驗中，首先以一定篇幅介紹物理建模的故事，建模的重要性以及建模的基本原則，同時給出了一些具體實例，并要求根據(jù)實驗設備建立具體的碰撞模型進行相關測試、預測與比較分析.初看，這個實驗與國內的“碰撞研究實驗”很相似，但卻有本質的區(qū)別.

國內的實驗很少關注建模和“預測”，多關注測量與計算以及簡單分析.華大的要求更注重過程養(yǎng)成，而非結果.他們在實驗相應的附錄中明確提及：“在這個實驗中，你被要求做許多預測，在這之后測試預測.即使預測是錯誤的也沒關系！不要刪除不正確的預測.只要你有‘支持預測的一、兩個句子’你將得到滿分.在另一方面，如果你不解釋正確的預測，也可能得到很少的分數(shù)甚至零分.測試完預測后，你會被詢問是否正確.如果你的預測是正確的、完整的，畫一個笑臉.如果預測不正確或不完整的，你必須解釋失敗的推理.要說清楚，你已經(jīng)明白什么地方出了錯.澄清你的誤解是解決這些問題的最佳途徑！”

3.4略繁就簡介紹不確定度，通過實驗明白測量的表達與意義

華大的物理實驗中沒有專門的時間和篇幅作關于物理實驗測量的基本知識介紹，但是不確定度以及測量的意義貫穿在實驗“Measurements”中.該實驗首先以幾個物理學歷史上重大事實強調了測量的意義，介紹了一些測量相關的標準器件以及日常物理量的單位.告知學生這一個學期在解決問題時，將被要求做出合理估計.比如讓學生用先驗知識估計“一杯熱咖啡合理的熱力學溫度是多少？”以及“成人合理的身高是多少米？”等問題，特別強調必須基于事實等的“估計”而非“猜測”.

實驗中對于不確定度的描述用最簡單的約定或“法則”：將測量儀器最小劃分值的一半作為不確定度.例如尺子最小分度值為1 cm，則這把尺子的不確定性是0.5 cm.如果一個要被測量的塊規(guī)其長度估讀值為7.2 cm，就稱其為最佳值，而0.5 cm為不確定度.他們在講義中提示學生：“一個好的物理學家就會將測量值表示為(7.2±0.5) cm”.而另一個同學用同樣的尺子測量同一個塊規(guī)卻可能得到(7.3± 0.5) cm.

該實驗還要求學生用不同分度值的儀器測量同樣的物體，如1 cm、1 mm以及0.01 mm的尺子測量一個大約7.2 cm左右的塊規(guī)長度；用郵局用的天平和精度更高的數(shù)字天平秤塊規(guī)的質量；用視頻拍攝和秒標法同時測量圓球滾動的速度.并由此還需計算塊規(guī)的密度.對于塊規(guī)密度的不確定性取決于計算它使用的所有測量的不確定性這一觀點明確表述，但華大在物理學導論中的教學理念是不愿花太多時間涉及如此一類較難的公式，他們認為相對寬松的對待不確定性不會讓學生成為“壞的物理學家”.相反，它會騰出時間給物理學其他重要的且可能更有趣的方面.

那么華大關于這門課不確定性期望首先是，他們想讓學生明白任何測量或任何讀取的值都有不確定性.第二，希望學生能夠估計所測量的不確定性.第三，希望學生能考慮一個特定適合特定的測量的儀器.

4　結語

美國華盛頓大學既有理論又包含實驗的“物理學導論”的改革不僅在美國高校同類物理學教學中有積極的影響，同時也給我們國內的基礎物理教學很好的啟迪，值得國內同行借鑒.

[1]Thomas A Moore.Six Ideas That Shaped Physics：Unit C： Conservation Laws Constrain Interactions[M].2nd Ed.McGraw-Hill Press，2003：1-285.

[2]Thomas A Moore.Six Ideas That Shaped Physics：Unit N：The Laws of Physics Are Universal[M].2nd Ed.McGraw-Hill Press，2003：1-264.

[3]Thomas A Moore.Six Ideas That Shaped Physics：Unit R：The Laws of Physics Are Frame-Independent[M].2nd Ed.McGraw-Hill Press，2003：1-213.

[4]Thomas A Moore.Six Ideas That Shaped Physics：Unit E： Electric and Magnetic Fields Are Unified[M].3rd Ed.(Draft)，McGraw-Hill Press，2006：1-325.

[5]Thomas A Moore.Six Ideas That Shaped Physics：Unit Q：Particles Behave Like Waves [M].2nd Ed.McGraw-Hill Press，2003：1-297.

[6]Thomas A Moore.Six Ideas That Shaped Physics：Unit T：Some Processes Are Irreversible[M].2nd Ed.McGraw-Hill Press，2003：1-185.

[7]Rebecca L Trousil.The Introductory Course:Innovations & Implications[D].SPIN-UP Midwest Regional Workshop Marquette University,June 20,2009.

[8]About the Wash U Intro Physics Labs[EB/OL].http://physics.wustl.edu/introphys/Spring/about.html

[9]Wash U Intro Physics Labs[EB/OL].http://physics.wustl.edu/introphys/Fall/index.html.

Physics experiment teaching of Washington university——Taking the teaching of “Introduction to the Physics” as an example

HE Yan-lan,LI Shuang,YANG Xiao,PENG Gang,LIU Yi-xing

(College of Science,National University of Defense Technology,Changsha,Hunan 410073,China)

“Introduction to the Physics” is a course which includes both theoretical and experimental parts in Washington university.It has characteristics in teaching content and mode.The experimental part is closely related to the theoretical one,clarifying the problems.The lecture note begins with the physical facts or little stories and leads to the physical principle and the key points of the course.And it ends with the extended introduction of the experimental backgrounds and the related frontier technology.The great attentions are paid on sparking the students’ interests,developing their abilities on modeling,prediction and cooperation.The essay also introduces their demands for students’ experimental reports (including reveal of the key points to score),the advanced apparatus and technology,the combination of laboratory management and quality training of students,and other effective measures.

introduction to the physics;physics experiments;modeling;predictions

2015-02-23；

2015-07-06

“基于博雅理念和精益思想的《大學物理實驗》教學研究”，國防科技大學教育教學研究重點立項課題(U2012003)；“依托國家級虛擬仿真實驗教學中心，借鑒翻轉課堂教學模式，探索和實踐大學物理實驗教學新模式”， 國防科技大學教育教學研究重點立項課題( U2014000)；“實驗物理教學可持續(xù)性發(fā)展研究”，國防科技大學訓練部：教育訓練項目

何焰藍(1962―)，女，四川南充人，國防科技大學理學院教授，博士，主要從事光學與聲學方面研究工作、物理基礎課特別是物理實驗教學以及研究工作.

教學改革

G 642

A

1000- 0712(2016)01- 0045- 04