李 智，張朝暉

(北京大學 基礎物理實驗教學中心，北京 100871)

傳統(tǒng)的物理實驗教學基于“做實驗學物理”的基本理念，圍繞既有的物理理論，安排學生完成一系列的驗證性實驗來學習理論、實驗技術和方法. 這種教學模式下學生可以比較扎實、全面地掌握相關的基礎物理理論和基本實驗方法，但是也存在一些明顯的缺陷和不足：從學生的角度看，傳統(tǒng)實驗教學模式對學生的科研與創(chuàng)新能力培養(yǎng)重視不夠；從課程內容的層面看，傳統(tǒng)的教學模式難以跟上不斷發(fā)展的新理論和新技術；而對于從事實驗課教學的教師來說，傳統(tǒng)的實驗教學內容和模式不利于教師將自身的科研優(yōu)勢更好地轉化為教學優(yōu)勢. 針對以上問題，并結合學校的實際情況，北京大學基礎物理實驗教學中心近年來探索以“科研引領實驗教學”理念，推動物理實驗課程建設，在本科生科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)、實驗課程體系完善、教師隊伍建設水平提升等幾個方面都取得了比較好的效果.

1 挑戰(zhàn)與機遇

近年來，隨著國家對一流大學建設的大力投入，各個大學對科研的重視程度空前提高，紛紛以建設研究型大學為目標. 研究型大學融入國際化的競爭，把提升本身的科研實力放到頭等重要的地位. 前沿科學研究的巨大投入和產(chǎn)出深刻影響著學校建設和發(fā)展的方方面面，也對基礎課的教學形成巨大的壓力，傳統(tǒng)的教學理念和教學模式遇到了一系列的困難和挑戰(zhàn). 蓬勃發(fā)展的科研，特別是本科生科研創(chuàng)新活動，倒逼傳統(tǒng)教學進行改革、創(chuàng)新，教學和科研的緊密融合成為基本的發(fā)展趨勢.

長期以來，物理實驗教學一直是大學本科教學的重要組成部分，并形成了實驗教學中心的教學組織形式. 專職的實驗教學隊伍為穩(wěn)定教學秩序、提高教學質量、推動教學改革做出了重要貢獻. 然而近年來，在優(yōu)化資源配置、加快科研創(chuàng)新的大學發(fā)展浪潮中，專職教學隊伍面臨轉型壓力，從教學型向教學科研型成為發(fā)展的必然趨勢.

面對以上挑戰(zhàn)，一種比較好的解決思路是以“科研引領實驗教學”理念，推動物理實驗教學的改革和團隊建設. “科研引領教學”在西方發(fā)達國家的高水平大學是比較成熟的模式，但在中國卻剛剛開始發(fā)展，原因是國內的大學正在由教學型向教學科研型過渡，科研的規(guī)模和水平尚未達到國際頂尖，更沒有形成“科研引領教學”的自覺意識和運行機制. 特別值得注意的是，目前國內的科研活動往往有較強的功利色彩，導致科研對教學的沖擊常常大于它對教學的促進. 因此，在轉型期，實驗教學中心就必須積極應對、主動調整，全面融入到研究型大學的建設中. 具體的做法包括引入研究型的教學模式、建立研究型的教學平臺、發(fā)展研究型的教師隊伍等，做到既能使長期以來形成的實驗教學核心隊伍得到保存和發(fā)展，又能夠站在科研的高端開展高水平的實驗教學. 換一個角度看，國家的一流大學建設在給實驗教學中心帶來種種挑戰(zhàn)的同時，實際上也為實驗教學中心的發(fā)展提供了良好的機遇：國家對教育的投入力度不斷加大，教學經(jīng)費越來越充足，為實驗教學中心的發(fā)展提供了必要的客觀物質基礎；研究型大學的建設使得越來越多的教師具有雄厚的科研背景，為實驗教學的發(fā)展提供了良好的人員基礎. 因此，抓住上述機遇，積極應對挑戰(zhàn)，用“科研引領實驗教學”理念推進科研和教學的全面融合，推動物理實驗教學的改革和團隊建設，是實驗教學中心發(fā)展的重要思路.

2 探索與實踐

20世紀50年代初，北京大學物理系學習當時蘇聯(lián)的教學經(jīng)驗，以專業(yè)人才的培養(yǎng)為目標，安排了從普通物理實驗逐步深入到專門物理實驗，最后進入到專門化物理實驗的實驗教學體系，其總的目的是“介紹給學生用實驗的方法研究物理學”. 文革后，大學教育開始了新紀元. 改革開放，社會轉型，特別是面對國際上科學技術的飛速發(fā)展，專門化的人才培養(yǎng)模式難以應對社會的實際需求. 于是，北京大學物理系逐步取消了各種專門化教學單位，開始實行大物理的寬口專業(yè)培養(yǎng)模式. 在這種形勢下，形成了取代專門和專門化實驗的近代物理實驗課程，相應的實驗教學體系調整為由普通物理實驗和近代物理實驗這2個層次組成. 30余年來，隨著科技的發(fā)展和國家投入的增加，普通物理實驗和近代物理實驗的課程內容、儀器設備和實驗室條件都在隨之不斷提升和完善. 然而，作為基礎課，兩者依然保持著傳統(tǒng)實驗教學以驗證性實驗為主的基本特征，突出“做實驗學物理”的傳統(tǒng)教學理念，對培養(yǎng)學生的科研探索能力和自主創(chuàng)新能力重視不夠，使學生在進入具體科研工作時常常面臨較大的困難. 另外，這種寬口教學模式對不同基礎、不同能力的學生缺少差異化、個性化的培養(yǎng)方案，難以同時滿足不同學生的不同需求.

針對上述傳統(tǒng)實驗教學模式的缺點和不足，北京大學基礎物理實驗教學中心曾嘗試了各種各樣的改進方式，比如采用學生自主設計實驗、引入探索型的綜合實驗以及在教師指導下讓學生重復科學前沿的最新實驗等方法. 為了不影響正常的教學秩序，將上述種種類型的新實驗統(tǒng)一納入到一門綜合物理實驗課程中，本科生在完成正常2學期的普通物理實驗課程之后，可以根據(jù)個人意愿選修綜合物理實驗課程，并選擇自己感興趣的課題，然后在教師指導下，用1個或2個學期的時間完成課題. 以上嘗試取得了非常好的效果，多年來累計新開展的實驗題目多達幾百個. 特別是最近幾年，在“科研引領實驗教學”理念的指導下，實驗中心開始嘗試面向物理學研究的前沿，重新審視和發(fā)展物理實驗教學，將“實驗物理”的科研模式轉化為“課題研究型實驗課程”的教學模式，選擇開放性的研究課題，并在實驗中強化學生的自主探索，實驗中心逐漸將綜合物理實驗課程發(fā)展為課題研究型實驗. 相比傳統(tǒng)的實驗課程，這些開放的課題研究型實驗能更好地調動學生的積極性和主動性，并且能更好地培養(yǎng)學生的科研探索能力和自主創(chuàng)新能力，是對以加強基礎為主要目的的傳統(tǒng)實驗教學活動的重要補充. 為了有力支持這一教學模式的發(fā)展，在具體實踐中積極鼓勵教師建設研究型的創(chuàng)新實驗教學平臺. 由實驗中心提供必要的實驗室場地和部分配套經(jīng)費，教師結合自身的科研基礎和優(yōu)勢建立自己的研究型創(chuàng)新實驗教學平臺，幾年來先后建成了“混合物理化學氣相沉積技術及應用”、“顆粒物質的物理與實驗”、“光的力學效應及應用”、“周期性弦鏈振動系統(tǒng)的物理與實驗”、“微流物理及芯片實驗”、“納米科技中的探針成像技術及應用”、“金屬微納光子學研究”等多個創(chuàng)新實驗教學平臺. 這些創(chuàng)新實驗平臺的建成，有力支持了研究型實驗課程的教學活動，同時也對教師自身的科研發(fā)展有很大的幫助. 以這些創(chuàng)新實驗平臺為基礎，激勵教師進行研究性的實驗教學創(chuàng)新，并大力支持優(yōu)秀本科生的研究性實驗探索. 為進一步深化研究型物理實驗教學，強化“科研引領實驗教學”的理念，實驗中心還配套購置和改造了科研級的大型儀器設備，如JEOL200CX型透射電鏡、KYKY-EM3200型掃描電鏡、HoribaJYLabRamHR800型顯微拉曼光譜儀，并自建了超高真空-分子束外延-低溫STM-四探針STM-拉曼光譜多功能實驗系統(tǒng)等. 依托這些大型儀器設備，將現(xiàn)有的各個創(chuàng)新實驗平臺逐漸整合為面向凝聚態(tài)物理和現(xiàn)代光學2個方向的2個大的創(chuàng)新課程平臺.

除了在普通物理實驗層面上發(fā)展起來的綜合物理實驗課程，實驗中心近年來還積極建設了近代物理實驗層面上的前沿物理實驗課程. 文革前的物理實驗教學從簡單的普通物理實驗一直延伸到復雜的專門化物理實驗. 面對新形勢，借鑒這樣的傳統(tǒng)教學安排，實驗中心推動了前沿物理實驗的課程建設，以前沿物理實驗的課程安排彌補現(xiàn)行教學體系的不足. 前沿物理實驗是繼近代物理實驗(1)之后、與近代物理實驗(2)并行開設的研究型實驗課程，歷時1個學期，供近代物理實驗(1)成績優(yōu)秀的學生選修. 課程采用科研一線教師指導學生做課題研究的教學模式，要求學生圍繞實驗內容豐富的熱點科學問題，以國際高水平的研究文獻為教材，想方設法重復選定文獻的實驗內容，完成驗證性的實驗工作，并對所驗證的工作進行綜合性的評述，以此引導學生學習前沿科學研究最新的實驗成果、科學思想、研究方法與實驗技術. 在此基礎上，鼓勵學生與指導教師緊密合作，爭取做出創(chuàng)新性的研究成果. 課程中指導教師在以下幾個環(huán)節(jié)全程指導學生的研究工作：1)精讀文獻，設計重復實驗的方案；2)實施所設計的實驗方案；3)總結、評述，發(fā)現(xiàn)新的科學問題；4)深化實驗，爭取創(chuàng)新性成果；5)完成課題研究的書面和口頭報告. 通過在前沿物理實驗中對實際科研題目的直接參與，學生做課題的過程中可以經(jīng)歷真正的科研訓練，不僅學習到科學前沿最新的理論、技術和方法，同時也很好地鍛煉了科研能力和創(chuàng)新能力. 這種教學模式可以在很大程度上彌補以加強基礎為主要目的的傳統(tǒng)實驗教學活動的不足，尤其是對特別優(yōu)秀的拔尖人才培養(yǎng)具有重要的意義.

通過綜合物理實驗和前沿物理實驗選修課的開設，北京大學基礎物理實驗教學中心不斷探索培養(yǎng)優(yōu)秀拔尖學生的物理實驗教學模式，逐漸形成了如圖1所示的實驗教學體系. 這個教學體系將主干的實驗教學分成2個基本通道A和B以及A和B之間的2個交叉通道.B通道保持從普物實驗(1)(2)到近物實驗(1)(2)的傳統(tǒng)實驗教學安排，滿足面上實驗教學的基本要求，該通道遵循“加強基礎、循序漸進”的基本思想. 而A通道相比B通道看上去僅用綜合物理實驗和前沿物理實驗分別取代普物實驗(2)和近物實驗(2)，實際上引入了2次選拔-選擇機制，即普物實驗(1)和近物實驗(1)成績優(yōu)秀的學生可以分別選修這2門新設的實驗課程. 期待A通道成為培養(yǎng)優(yōu)秀拔尖學生的標志性的實驗教學環(huán)節(jié)，同時自然地向學生開放了2個通道之間的轉換選擇，從而達到“因材施教、全面提高”的效果. 另外，鑒于部分參加國際中學生物理奧賽和亞賽的學生在進入北京大學之前已經(jīng)做過絕大部分的普物實驗，在他們做普物實驗的時段為他們安排了科研專題的研究型實驗. 而在近代物理實驗(2)的時段，為滿足部分專業(yè)的特殊培養(yǎng)需要，還安排了可以替代近代物理實驗(2)的激光實驗、核物理實驗等.

圖1 北京大學基礎物理實驗教學中心現(xiàn)行的物理實驗教學體系

3 成效與展望

北京大學基礎物理實驗教學中心以“科研引領實驗教學”理念推進科研和教學的全面融合，調整課程體系，推動物理實驗教學的改革，取得了顯著的成效.

在物理學本科人才培養(yǎng)方面，調整后課程體系中的B通道有效保證了面上教學的傳統(tǒng)品質，延續(xù)了傳統(tǒng)教學模式在加強基礎方面的優(yōu)勢，典型的成果體現(xiàn)是：在全國大學生物理實驗競賽中，北京大學每屆都有多名參賽學生獲得一等獎，這是對實驗教學成效的一個標志性評價. 另一方面，調整后課程體系中的A通道有效加強了對優(yōu)秀學生的特殊培養(yǎng)，顯著提高了優(yōu)秀學生的科研創(chuàng)新能力，典型的成果體現(xiàn)是：在綜合物理實驗和前沿物理實驗的課題研究中，教師指導本科生為第一作者的研究論文成功發(fā)表在NanoLetters，Nanoscale，AppliedPhysicsLetters，OpticsLetters等國際重要學術刊物上[1-4]，為物理學院的拔尖人才培養(yǎng)做出了突出貢獻，選修A通道課程的大部分同學在本科畢業(yè)后均順利申請到哈佛、斯坦福、麻省理工、加州理工等國外頂尖高校深造.

在實驗教學教師隊伍建設方面，研究型的A通道課程有效吸引了物理學院很多科研一線的教師投入到物理實驗教學工作中，并積極倡導科研模式的實驗教學方法. 同時，研究型的A通道課程建設還極大促進了實驗中心的專任教師隊伍從教學型向教學科研型轉變，特別是研究型的創(chuàng)新實驗教學平臺建設，有效支撐了中心教師的科研發(fā)展，使中心的年輕教師快速成長，獲得可喜地提升. 典型的例子是，在北京大學物理學院職稱晉升的激烈競爭中，青年教師楊景于2015年晉升為副教授，青年教師李智、廖慧敏于2017年分別晉升為教授和副教授.

在新實驗教學儀器研發(fā)方面，上述研究型課程積極促進教師將本人的科研成果轉化為實驗教學儀器，建立基礎物理實驗教學與前沿科技的直接聯(lián)系. 典型的例子有：2014年，實驗中心的周路群、賈春燕、冉書能、劉國超老師研制的非線性熱對流斑圖測試儀榮獲第3屆全國高校自制實驗教學儀器設備評選一等獎，該設備已經(jīng)應用到近代物理實驗課程的教學中，并與北京杏林睿光公司簽訂了專利許可轉化協(xié)議，力圖向全國高校推廣；另外，在2016年，實驗中心的張朝暉、劉國超等老師研制的多功能拉曼光學顯微鏡榮獲第9屆全國高校物理實驗教學研討會實驗儀器評比一等獎，并在7個一等獎中排名第一位.

回顧過去，我們的工作還存在著方方面面的不足，但根據(jù)近些年來的探索和實踐經(jīng)驗，總體來

說我們認為，以“科研引領實驗教學”理念推動物理實驗教學改革和團隊建設，是一條行之有效的思路，也符合國際一流大學的發(fā)展趨勢. 展望未來，我們也將繼續(xù)深入實踐這一理念，并對一些具體實施方式進行不斷調整和優(yōu)化. 比如對于學生來說，基礎訓練和創(chuàng)新實踐實際上是相輔相成、缺一不可的，脫離基礎空談創(chuàng)新更多只是一種空中樓閣，如何更好地在加強基礎和科研創(chuàng)新間獲得平衡，如何更好地調整傳統(tǒng)課程和創(chuàng)新課程間的關系，使2類課程都能夠更好地發(fā)揮各自的優(yōu)勢，還需要在未來的實踐中去進一步探索. 另外，如何在現(xiàn)有基礎上繼續(xù)實驗教學核心隊伍的保持和發(fā)展，以及如何進一步吸引學院的優(yōu)秀人才更多地參與到實驗教學工作中等等，都還需要學校在配套政策和運行機制上進行相應的支持.

[1] Yao Wenjie, Liu Shang, Liao Huimin, et al. Efficient directional excitation of surface plasmons by a single-element nanoantenna [J]. Nano Letters, 2015(15):3115-3121.

[2] Song Xueyang, Zhang Zhengxing, Liao Huimin, et al. Efficient unidirectional launching of surfaceplasmonsby a cascade asymmetric-groove structure [J]. Nanoscale, 2016(8):6777-6782.

[3] Zhang Yifei, Wang Heming, Liao Huimin, et al. Unidirectional launching of surface plasmons at the subwavelength scale [J]. Applied Physics Letters, 2014(105):231101.

[4] ChenBo, YangJing, HuChuang, et al. Plasmonic polarization nano-splitter based on asymmetric optical slot antenna pairs [J]. Optics Letters, 2016(41):4931-4934.