馮娟娟， 李訓(xùn)栓， 王心華， 郭黨委

(蘭州大學(xué) 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，蘭州 730000)

·國(guó)外實(shí)驗(yàn)室·

世界一流大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)課程網(wǎng)絡(luò)調(diào)研及啟示

馮娟娟， 李訓(xùn)栓， 王心華， 郭黨委

(蘭州大學(xué) 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，蘭州 730000)

近代物理實(shí)驗(yàn)課程作為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，對(duì)培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新型人才具有重要意義。通過(guò)查閱15所世界一流大學(xué)的近代物理實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)站，從實(shí)驗(yàn)題目數(shù)量和實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)的選題方式，實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒅v義和實(shí)驗(yàn)要求，教授負(fù)責(zé)制，網(wǎng)絡(luò)資源等方面詳細(xì)介紹了他們的課程設(shè)置和安排的特點(diǎn)，希望對(duì)國(guó)內(nèi)的近代物理實(shí)驗(yàn)的課程設(shè)置和實(shí)驗(yàn)教學(xué)有所啟發(fā)。同時(shí)總結(jié)了國(guó)內(nèi)高校近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)和差距，希望結(jié)合國(guó)內(nèi)大學(xué)的實(shí)際情況，通過(guò)學(xué)習(xí)國(guó)外一流大學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，能更好地提高近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的水平。

世界一流大學(xué); 近代物理實(shí)驗(yàn); 實(shí)驗(yàn)教學(xué); 課程設(shè)置

0 引 言

目前，國(guó)家正在大力推進(jìn)“世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)”，而培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新型人才是其中的一個(gè)重要內(nèi)容。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)為創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)提供了一個(gè)良好的平臺(tái)，對(duì)培養(yǎng)富有創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力的高素質(zhì)人才具有舉足輕重的作用[1-3]。近代物理實(shí)驗(yàn)作為理工科高年級(jí)本科生的一門(mén)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，在培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、?zhuān)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(bào)高等教育世界大學(xué)排名靠前的15所一流大學(xué)(見(jiàn)表1，數(shù)據(jù)來(lái)自各個(gè)學(xué)校官方網(wǎng)站)的近代物理實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)站(注：各個(gè)學(xué)校近代物理實(shí)驗(yàn)的叫法各有不同，如modern physics lab, advanced physics laboratory或mini-projects等)，通過(guò)對(duì)比，總結(jié)了這些一流高校近代物理實(shí)驗(yàn)的課程設(shè)置和安排的特點(diǎn)，同時(shí)指出了國(guó)內(nèi)高校在這方面的不足之處，希冀對(duì)國(guó)內(nèi)高校的近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有所啟發(fā)。

表1 世界一流學(xué)校的近代物理實(shí)驗(yàn)安排(標(biāo)注*的是沒(méi)有查到具體數(shù)據(jù))

1 世界一流大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)網(wǎng)站內(nèi)容調(diào)研

這些學(xué)校開(kāi)設(shè)的近代物理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容與國(guó)內(nèi)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(lǐng)域。課程開(kāi)放對(duì)象與國(guó)內(nèi)也基本一致，一般為高年級(jí)本科生(3或4年級(jí)，有些學(xué)校也同時(shí)開(kāi)放給研究生選修，但是實(shí)驗(yàn)要求不同)。關(guān)于具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，由于近代物理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容廣泛，且每個(gè)學(xué)校的側(cè)重點(diǎn)不同，這里不做探討。本文討論的重點(diǎn)內(nèi)容是近代物理實(shí)驗(yàn)的課程設(shè)置和安排，特點(diǎn)總結(jié)如下：

1.1 要求做的實(shí)驗(yàn)題目數(shù)量較少[10]，但實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)

從這些學(xué)校的官網(wǎng)上來(lái)看，他們開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)題目較多，且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大多是與獲得過(guò)諾貝爾物理獎(jiǎng)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)有關(guān)，但是要求學(xué)生做的數(shù)目卻不多。表1中是各所大學(xué)在最近一個(gè)學(xué)期(因各學(xué)校課程安排不同，大部分?jǐn)?shù)據(jù)為2015秋季學(xué)期，少數(shù)為2016年春季學(xué)期)所提供的近代物理實(shí)驗(yàn)的總實(shí)驗(yàn)數(shù)和要求學(xué)生完成的實(shí)驗(yàn)數(shù)。這些學(xué)校中，要求的實(shí)驗(yàn)數(shù)最多的是5個(gè)，最少的是2個(gè)。例如：哈佛大學(xué)要求在16個(gè)實(shí)驗(yàn)中選做3個(gè)；加州大學(xué)伯克利分校要求做4個(gè)；麻省理工學(xué)院要求先做2個(gè)預(yù)備實(shí)驗(yàn)(一個(gè)實(shí)驗(yàn)的要求是熟悉實(shí)驗(yàn)室規(guī)則，數(shù)據(jù)分析工具等，另一個(gè)是3 h的介紹性實(shí)驗(yàn))，之后再選做3個(gè)正式實(shí)驗(yàn)[11]。

另外，雖然這些學(xué)校雖然要求的實(shí)驗(yàn)題目少，但是完成每個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間卻很長(zhǎng)。如劍橋大學(xué)每個(gè)實(shí)驗(yàn)要求做30～40 h(2周)，加州大學(xué)伯克利分校一個(gè)實(shí)驗(yàn)需要做2～4周。這樣的安排既能讓學(xué)生接觸和了解具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，又能讓學(xué)生進(jìn)行較為深入和系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和體驗(yàn)，總而更好地掌握物理實(shí)驗(yàn)的方法和技能。

1.2 實(shí)驗(yàn)題目選擇方式的多樣性

調(diào)研的這些國(guó)外高校中，近代物理實(shí)驗(yàn)題目大多是由學(xué)生自主選擇，必做的實(shí)驗(yàn)較少。如加州大學(xué)伯克利分校要求的4個(gè)實(shí)驗(yàn)題目中，“Optical Pumping”為必做實(shí)驗(yàn)，其余3個(gè)從剩余的19個(gè)實(shí)驗(yàn)中選做；麻省理工的3個(gè)正式實(shí)驗(yàn)中，必須從Compton Scattering，Relativistic Dynamics，Cosmic Ray Muons，Rutherford Scattering, and X-Ray Physics這5個(gè)實(shí)驗(yàn)中選作1～2個(gè)，其他的從剩余題目中選做。

多樣的實(shí)驗(yàn)題目選擇方式，一方面能更好地達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的，另一方面也能充分地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，提高學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的興趣，激發(fā)學(xué)生探究感興趣事物的潛能，同時(shí)避免了學(xué)生對(duì)安排的實(shí)驗(yàn)不感興趣造成教學(xué)資源和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的浪費(fèi)。

1.3 訓(xùn)練學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度和基本的實(shí)驗(yàn)技能

(1) 近代物理實(shí)驗(yàn)的目的是通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)使學(xué)生懂得如何去研究物理問(wèn)題，而不是只局限在知識(shí)的傳授和技能的訓(xùn)練范圍內(nèi)[12]。近代物理實(shí)驗(yàn)大多是已經(jīng)有了明確結(jié)論的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中更多的是驗(yàn)證和重復(fù)，在驗(yàn)證和重復(fù)的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和科學(xué)素質(zhì)。另外，國(guó)內(nèi)大學(xué)經(jīng)常強(qiáng)調(diào)的“創(chuàng)新性”在國(guó)外的近代物理實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)中沒(méi)有提及。各個(gè)學(xué)校通過(guò)提供其他多種方式來(lái)培養(yǎng)學(xué)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(xué)有“Advanced Physics Laboratory: Project”課程供學(xué)生選修。

(2) 各學(xué)校大多為自編講義[13-14]，而且這些實(shí)驗(yàn)講義修訂更新及時(shí)，沒(méi)有看到有要求的固定教材。15所被調(diào)研的學(xué)校中，11所學(xué)校的實(shí)驗(yàn)講義提供網(wǎng)上下載(8所可以直接下載，標(biāo)注為“有#”的3所大學(xué)需要本校的注冊(cè)ID登錄下載)。網(wǎng)站提供的講義格式規(guī)范更新快[13]，如麻省理工學(xué)院的講義是標(biāo)準(zhǔn)的科研論文形式，題目，摘要，概述，內(nèi)容，結(jié)論，問(wèn)題，參考文獻(xiàn)等全部包含，更新時(shí)間大多是2014年。另外這些學(xué)校雖然沒(méi)有推薦的固定的實(shí)驗(yàn)教材，但大都推薦了相關(guān)的參考文獻(xiàn)和書(shū)籍，方便學(xué)生查找資料。

(3) 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生要求的規(guī)范性，科學(xué)性。①要求對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程完整記錄。如加州理工學(xué)院，實(shí)驗(yàn)室的全部過(guò)程需要手寫(xiě)記錄在Notebook(實(shí)驗(yàn)記錄本)上，包括數(shù)據(jù)分析，最后需要提交Notebook，以此來(lái)給成績(jī)；對(duì)于有Prelab exercises(實(shí)驗(yàn)前練習(xí))的實(shí)驗(yàn)，Notebook成績(jī)的占比也高達(dá)67%(Prelab exercises 占33%)。②數(shù)據(jù)的處理要求獨(dú)立完成，進(jìn)行誤差計(jì)算，數(shù)據(jù)要求真實(shí)，不允許抄襲和偽造。③很多學(xué)校要求實(shí)驗(yàn)報(bào)告以科技論文的格式去寫(xiě)，引用別人的東西必須標(biāo)明。④考核方式多樣化，實(shí)驗(yàn)成績(jī)不采用傳統(tǒng)的筆試或操作考試，而是由預(yù)習(xí)，平時(shí)操作，討論等綜合評(píng)定，有很多學(xué)校要求有Oral presentation(口頭報(bào)告)，并體現(xiàn)在最終成績(jī)里[12]，如MIT占30%，愛(ài)丁堡大學(xué)占20%。這些規(guī)范的要求在訓(xùn)練學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度和基本功方面很有幫助。

1.4 近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)多是教授負(fù)責(zé)制

教授負(fù)責(zé)制有效地保證了實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)質(zhì)量，也說(shuō)明了這些一流大學(xué)對(duì)近代物理實(shí)驗(yàn)的充分重視。這些負(fù)責(zé)的教授中甚至有諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，如加州大學(xué)伯克利分校的Donald A. Glaser，這充分說(shuō)明了該校對(duì)近代物理實(shí)驗(yàn)課程的重視。通過(guò)查閱網(wǎng)站和相關(guān)文獻(xiàn)，國(guó)外實(shí)驗(yàn)課的上課模式多為教授負(fù)責(zé)，實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)儀器的準(zhǔn)備與使用維護(hù)，并參與部分實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)工作，同時(shí)允許研究生或高年級(jí)本科生作為T(mén)A(Teaching Assistant)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的參與[12]。如麻省理工學(xué)院的每個(gè)正式實(shí)驗(yàn)是由一位教授，兩位助教(一位是研究生，另一位是選過(guò)此課的高年級(jí)學(xué)生)，和若干實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員負(fù)責(zé)指導(dǎo)[11]。

另外，教授負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)?zāi)芗皶r(shí)將一些前沿科研成果轉(zhuǎn)化為新的物理實(shí)驗(yàn)，來(lái)充實(shí)近代物理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，使近代物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更具有吸引力，能讓學(xué)生更加有興趣來(lái)參與實(shí)驗(yàn)。如斯坦福大學(xué)的“超流”實(shí)驗(yàn)[12]，牛津大學(xué)的“光鑷子實(shí)驗(yàn)”；同時(shí)各個(gè)大學(xué)對(duì)近代物理實(shí)驗(yàn)也投入了很多精力，鼓勵(lì)教授們建設(shè)近代物理實(shí)驗(yàn)室，哈佛大學(xué)每年要求一名教授開(kāi)發(fā)一個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，開(kāi)發(fā)時(shí)間按照具體情況，可以視為完成當(dāng)年的教學(xué)任務(wù)[15]，而劍橋大學(xué)的近代物理實(shí)驗(yàn)中的很多題目直接來(lái)自于學(xué)院的各個(gè)研究小組。

1.5 網(wǎng)絡(luò)資源的完備和實(shí)用

這幾所大學(xué)的近代物理實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)站建設(shè)相當(dāng)完備，有專(zhuān)門(mén)的網(wǎng)站，而且維護(hù)更新很快，內(nèi)容全面。支撐實(shí)驗(yàn)教學(xué)的兩個(gè)大方面的內(nèi)容在網(wǎng)站上基本都有提供：一方面是與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相關(guān)，如課程目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)安排，選課制度，實(shí)驗(yàn)講義(甚至有每個(gè)實(shí)驗(yàn)的講解、操作過(guò)程的視頻資料)，注意事項(xiàng)，實(shí)驗(yàn)相關(guān)的參考書(shū)籍文獻(xiàn)等，有些學(xué)校還會(huì)給出很多相關(guān)鏈接，如數(shù)據(jù)處理方法、計(jì)算機(jī)軟件教程等；另一方面是實(shí)驗(yàn)的組織和開(kāi)展的支撐信息，如實(shí)驗(yàn)室安排和安全培訓(xùn)，實(shí)驗(yàn)室使用注意事項(xiàng)和一些通知等。這些網(wǎng)站的內(nèi)容充實(shí)，信息全面，既方便了實(shí)驗(yàn)教學(xué)(實(shí)際上也承擔(dān)了一部分預(yù)習(xí)的任務(wù))，提前讓學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容有總體的把握，又有利于學(xué)生課下的準(zhǔn)備和自學(xué)，更好地提高學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的效率，獲得更好的實(shí)驗(yàn)效果，同時(shí)也方便了實(shí)驗(yàn)室的高效利用和安全管理。

2 啟示和思考

(1) 國(guó)外一流大學(xué)的近代物理實(shí)驗(yàn)的安排更多體現(xiàn)了科學(xué)性和合理性,以人為本，目標(biāo)明確，管理規(guī)范，追求效率。這對(duì)國(guó)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)課程安排有很大的啟發(fā)。同時(shí)這些學(xué)校對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)足夠重視，都投入了大量的人力和財(cái)力，教學(xué)效果好[10,16]。

(2) 對(duì)比國(guó)外一流高校，國(guó)內(nèi)的很多大學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視度不夠，或者只是口頭上重視，投入的人力物力卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及，缺少具體的相應(yīng)措施來(lái)保證和提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量：如缺乏高水平的實(shí)驗(yàn)課老師，教授們很少會(huì)去帶近代物理實(shí)驗(yàn)；網(wǎng)站建設(shè)需要進(jìn)一步提高，內(nèi)容要更加實(shí)用，從而能更好地為實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)；另外實(shí)驗(yàn)室的硬件建設(shè)也存在差距，如儀器老化、維護(hù)經(jīng)費(fèi)不足等問(wèn)題比較嚴(yán)重。

(3) 國(guó)內(nèi)大學(xué)的近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣泛，題目眾多，但是完成每個(gè)實(shí)驗(yàn)所用的學(xué)時(shí)較少。大多數(shù)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中以完成實(shí)驗(yàn)操作，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)為目的，普遍存在著“有實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而無(wú)分析和探究”的現(xiàn)象，匆匆做完，匆匆而去，實(shí)驗(yàn)中更多的是疲于應(yīng)付，不能完全達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。同時(shí)實(shí)驗(yàn)題目和講義更新緩慢，內(nèi)容陳舊，不能吸引學(xué)生學(xué)習(xí)和研究的興趣。

3 結(jié) 語(yǔ)

國(guó)外一流大學(xué)的近代物理實(shí)驗(yàn)的課程安排與國(guó)內(nèi)高校有很多不同，這些不同之處很可能影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。當(dāng)然，國(guó)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中也存在諸多實(shí)際困難，如上課學(xué)生多，實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)薄弱等，這需要長(zhǎng)期的大量的具體工作才能解決。希望國(guó)內(nèi)高校能有更多的機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)國(guó)外一流大學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我們的實(shí)際情況對(duì)近代物理實(shí)驗(yàn)做出更加科學(xué)和合理安排。

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·名人名言·

實(shí)驗(yàn)室和發(fā)明是兩個(gè)有密切關(guān)系的詞，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)室，自然科學(xué)就會(huì)枯萎；科學(xué)家一經(jīng)離開(kāi)了實(shí)驗(yàn)室，就變成戰(zhàn)場(chǎng)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(dǎo)體納米材料制備及其電池特性的研究和本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)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