羅 劍 歐陽建明 彭 剛 鄭浩斌 江永紅

(國(guó)防科技大學(xué)文理學(xué)院 湖南 長(zhǎng)沙 410073)

習(xí)近平在新組建國(guó)防科技大學(xué)的訓(xùn)詞中指出，“要緊跟世界軍事科技發(fā)展潮流，適應(yīng)打贏信息化局部戰(zhàn)爭(zhēng)要求，抓好通用專業(yè)人才和聯(lián)合作戰(zhàn)保障人才培養(yǎng).”大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是我校必修公共基礎(chǔ)課程，是培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力最基礎(chǔ)、最重要的一環(huán).因此，在課程建設(shè)上需要注重基礎(chǔ)與前沿兼顧，加強(qiáng)創(chuàng)新能力培養(yǎng)，為實(shí)現(xiàn)國(guó)防和軍隊(duì)現(xiàn)代化建設(shè)的基礎(chǔ)研究和原始創(chuàng)新奠定基礎(chǔ).此外，理論聯(lián)系實(shí)際，實(shí)事求是，是中國(guó)共產(chǎn)黨一貫堅(jiān)持的正確思想路線，也是長(zhǎng)期革命斗爭(zhēng)中形成的三大優(yōu)良作風(fēng)之一，作為一所軍事院校的物理實(shí)驗(yàn)課程，“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”的課程建設(shè)更應(yīng)該加強(qiáng)與理論課程的融合聯(lián)系，讓學(xué)生能學(xué)有所用、學(xué)以致用，在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中培養(yǎng)實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，立志獻(xiàn)身國(guó)防的精神.本文主要針對(duì)國(guó)外部分知名高校的物理實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)方式和培養(yǎng)模式進(jìn)行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)這些高校的實(shí)驗(yàn)課程在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)性和前沿性、學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和理論聯(lián)系實(shí)踐的課程體系建設(shè)等方面都有可供我校學(xué)習(xí)借鑒之處.

1 注重基礎(chǔ)與前沿兼顧的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在物理實(shí)驗(yàn)課程中，基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)是基石，培養(yǎng)學(xué)生基本的實(shí)驗(yàn)方法與技能，理解掌握基本的實(shí)驗(yàn)思想.前沿性實(shí)驗(yàn)則能深化學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生探索與研究的興趣.

國(guó)外高校非常注重學(xué)生對(duì)物理前沿的了解與掌握，物理科學(xué)前沿相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容將會(huì)在較早的實(shí)驗(yàn)課程中接觸到，例如加州理工大學(xué)的學(xué)生將在物理實(shí)驗(yàn)室(Ph7)就開始接觸前沿性的物理實(shí)驗(yàn)，課程內(nèi)容涉及量子、凝聚態(tài)、核和粒子物理等方面，主要學(xué)習(xí)相關(guān)方面的實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用和主要實(shí)驗(yàn)技術(shù).而近代物理實(shí)驗(yàn)室(Ph77 abc)需要完成課程Ph7或得到導(dǎo)師許可方能進(jìn)行，共有9個(gè)單元實(shí)驗(yàn).課程內(nèi)容包括先進(jìn)的信號(hào)采集、調(diào)整與數(shù)據(jù)處理等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，介紹現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)中廣泛使用的光學(xué)設(shè)備與技術(shù)、激光頻率穩(wěn)定技術(shù)，以及經(jīng)典的近代物理實(shí)驗(yàn)，如磁共振、光泵浦等.而近代物理實(shí)驗(yàn)(Ph177)也包括9個(gè)單元實(shí)驗(yàn)，以團(tuán)隊(duì)的形式要求學(xué)生設(shè)計(jì)、組裝、校準(zhǔn)和使用儀器，內(nèi)容涉及量子光學(xué)、其他前沿物理研究領(lǐng)域的重要實(shí)驗(yàn)、重現(xiàn)已發(fā)表的研究論文結(jié)果等.

紐約大學(xué)主要開設(shè)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)I和II、中級(jí)物理實(shí)驗(yàn)I和II、近代物理實(shí)驗(yàn)等物理實(shí)驗(yàn)課程[3].其中基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)I和II(PHYS-UA 71,PHYS-UA 72)主要介紹基本的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，包括基本實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的設(shè)置和操作、基本的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、推理和分析以及介紹經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)技術(shù).中級(jí)物理實(shí)驗(yàn)I和II(PHYS-UA 73,PHYS-UA 74)進(jìn)一步提升在基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)中介紹的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，介紹一些近代物理實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)技術(shù).前沿性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在近代物理實(shí)驗(yàn)(PHYS-UA 112)課程進(jìn)行，主要介紹現(xiàn)代物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)和技術(shù)，在一些入門級(jí)實(shí)驗(yàn)之后，學(xué)生還可以選擇進(jìn)行各種開放的實(shí)驗(yàn)，開始接觸前沿科學(xué)研究相關(guān)的實(shí)驗(yàn).

2 注重培養(yǎng)創(chuàng)新能力的課程模式

美國(guó)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程非常注重創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，在課程的設(shè)置上勇于打破傳統(tǒng)，讓物理實(shí)驗(yàn)具有更多的自主性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性，將創(chuàng)新能力培養(yǎng)作為實(shí)驗(yàn)課程最重要的培養(yǎng)目標(biāo).

最典型的是麻省理工學(xué)院的物理實(shí)驗(yàn)課程，其普通物理實(shí)驗(yàn)并不為學(xué)生提供專門的實(shí)驗(yàn)室，而是從屬于普通物理課程，把普通物理實(shí)驗(yàn)室變?yōu)镠ome Lab，發(fā)給學(xué)生一個(gè)實(shí)驗(yàn)箱，里面有各種小工具，而具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容則作為家庭作業(yè)帶回家去完成，有效地調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，充分發(fā)掘自身的創(chuàng)新能力.這一做法也被哈佛大學(xué)、加州理工大學(xué)等采用，例如加州理工大學(xué)就開設(shè)電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)(Ph8 bc)作為家庭實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括用自制的精密天平測(cè)量導(dǎo)線之間的力、測(cè)量一個(gè)1 000 V火花的性能以及建立一套無線電波發(fā)射和接收的實(shí)驗(yàn)設(shè)備并對(duì)此開展研究等.

麻省理工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室課程則主要是近代物理實(shí)驗(yàn)，在第3年的春秋兩個(gè)學(xué)期開設(shè)[4]，課程主要注重學(xué)生專業(yè)技能和科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng).每個(gè)學(xué)期，學(xué)生從21個(gè)實(shí)驗(yàn)中選擇幾個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)，前3個(gè)為介紹性實(shí)驗(yàn)，以少于或等于16名學(xué)生為1組，每組由1名教員獨(dú)立管理，并有1名研究生助教協(xié)助.每周2次課，每次課3個(gè)小時(shí)，課程安排在周一至周四.除了常規(guī)課程之外，實(shí)驗(yàn)室還在周五上午10:00至下午4:00開放，供學(xué)生進(jìn)行自己設(shè)計(jì)的開放式實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力.

3 注重理論與實(shí)踐結(jié)合的課程體系

英國(guó)高校的物理實(shí)驗(yàn)課程更注重實(shí)驗(yàn)與理論的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問題的能力，在校期間學(xué)生需要用大量的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程，使得學(xué)生的科研基礎(chǔ)能力在大學(xué)期間得到充分鍛煉，順利進(jìn)入研究生階段.

劍橋大學(xué)的物理課程是基于世界知名的卡文迪什實(shí)驗(yàn)室開設(shè)的[5]，學(xué)生4年在校學(xué)習(xí)期間，實(shí)驗(yàn)課程與理論課程結(jié)合緊密，貫穿學(xué)生在校學(xué)習(xí)的全部過程，并且實(shí)驗(yàn)課占很大比重.第1年，學(xué)生要求選擇3個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每?jī)芍軈⒓右粋€(gè)下午的物理實(shí)驗(yàn)，主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，并通過實(shí)驗(yàn)來闡明物理學(xué)中的思想和概念.相比于國(guó)內(nèi)高校以理論課程講授相關(guān)物理概念的方式，通過實(shí)驗(yàn)更能讓學(xué)生直觀地了解其中蘊(yùn)含的物理思想.第2年的實(shí)驗(yàn)課程形式與第1年相同，增加了實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間.第3年的實(shí)驗(yàn)課程將會(huì)增加至30～40 h，完成秋季學(xué)期的實(shí)驗(yàn)課程(E1)并通過理論物理課程(TP1)考試后才能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程(E2)，E2的實(shí)驗(yàn)是讓學(xué)生提升專業(yè)能力，在實(shí)驗(yàn)中將理論與實(shí)驗(yàn)聯(lián)系起來，加強(qiáng)學(xué)生物理思維的鍛煉.第4年，學(xué)生開始接觸前沿科學(xué)研究的邊界，可以選擇一個(gè)前沿領(lǐng)域進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，如凝聚態(tài)物理、粒子物理、天體物理、半導(dǎo)體物理，相關(guān)內(nèi)容更是理論與實(shí)驗(yàn)的高度結(jié)合.當(dāng)然，學(xué)生也可以在更廣泛的領(lǐng)域選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，拓寬自己知識(shí)面.牛津大學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)課程體系與劍橋大學(xué)類似，只在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和時(shí)間安排上略有不同.

4 我校“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”的建設(shè)與發(fā)展方向

我校的“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”以國(guó)家級(jí)一流線上課程“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”MOOC和國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為基礎(chǔ)，結(jié)合模塊化、系列化的線下實(shí)體實(shí)驗(yàn)體系開展線上線下混合式教學(xué)[6].學(xué)生的課前預(yù)習(xí)以線上學(xué)習(xí)為主，需要完成相關(guān)MOOC視頻學(xué)習(xí)，完成相應(yīng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行預(yù)習(xí)測(cè)試.在課堂學(xué)習(xí)階段以線下學(xué)習(xí)為主，教師主要采用研討式教學(xué)，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，首先需要深化對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)儀器的認(rèn)識(shí)，完成實(shí)體儀器探索，并針對(duì)共性問題進(jìn)行討論.然后需要對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的物理量進(jìn)行測(cè)量，完成自主實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.自主實(shí)驗(yàn)后針對(duì)實(shí)驗(yàn)思想、測(cè)量技術(shù)和實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題開展課堂研討，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度和廣度.在課后階段以線上學(xué)習(xí)為主，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并利用MOOC視頻和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行復(fù)習(xí)，同時(shí)與老師進(jìn)行交流和答疑.此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、MOOC等信息化資源也可為學(xué)生提供實(shí)體實(shí)驗(yàn)沒有的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，擴(kuò)充學(xué)生的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目表.

借鑒國(guó)外高校物理實(shí)驗(yàn)課程優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，我?！按髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn)”建設(shè)與發(fā)展方向?qū)⒅饕性谝韵?個(gè)方面：

(1)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容的前沿性建設(shè)

目前我?！按髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn)”的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容由基礎(chǔ)、綜合以及設(shè)計(jì)性3個(gè)層次的20余個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組成，覆蓋了力、熱、光、電磁、近代物理知識(shí)領(lǐng)域.其中基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要訓(xùn)練學(xué)生基本的實(shí)驗(yàn)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)思想和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，?shí)驗(yàn)內(nèi)容多與經(jīng)典的物理理論相關(guān)，面臨著挑戰(zhàn)度不足的問題，學(xué)生難以從學(xué)習(xí)中獲得解決問題的成就感.而現(xiàn)今很多前沿科學(xué)技術(shù)多是基于簡(jiǎn)單的物理原理發(fā)展而來，還有很多創(chuàng)新發(fā)明中使用的思想有基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)思想的影子.例如，能精確測(cè)量重力加速度的激光干涉絕對(duì)重力儀就使用了最簡(jiǎn)單的方法——自由落體法，得到了非常高精度的測(cè)量結(jié)果.將這些前沿科技和創(chuàng)新思想融入基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)當(dāng)中，能極大地增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的前沿性和創(chuàng)新性.

我?！按髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn)”將在下一步的發(fā)展建設(shè)中增加與前沿科技緊密結(jié)合的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容，建立前沿科技應(yīng)用案例庫.例如，在邁克爾孫干涉儀實(shí)驗(yàn)中引入LIGO測(cè)量引力波的應(yīng)用介紹；新建次聲波測(cè)量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等.通過這些新增的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容，加強(qiáng)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與前沿科技的聯(lián)系，深化學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)思想和技術(shù)的理解，提升實(shí)驗(yàn)課程的品位.

(2)加強(qiáng)實(shí)踐與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”是理工科本科生的一門必修基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，也是學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后接受系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開端，對(duì)學(xué)生大學(xué)階段實(shí)踐能力的培養(yǎng)具有重要作用.我?！按髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn)”一直致力于進(jìn)行學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的改革和實(shí)踐，改革效果也初見成效，例如，錢學(xué)森拓展班的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程就是借鑒了麻省理工的“Home Lab”的教學(xué)理念，采取學(xué)生自主設(shè)計(jì)、教師適當(dāng)指導(dǎo)的方式，在各教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生閱讀、寫作、交流、思維等方面都進(jìn)行了培養(yǎng)，只要學(xué)生具備了基本的科學(xué)素養(yǎng)及理性的思維，學(xué)生與生俱來的創(chuàng)新能力就能發(fā)揮出來.這一教學(xué)模式使得學(xué)生的創(chuàng)新能力得到了極大的培養(yǎng)，教學(xué)效果成效顯著.例如，在2020年全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽(創(chuàng)新賽)中，我校就獲得了3項(xiàng)一等獎(jiǎng)，2項(xiàng)二等獎(jiǎng)的佳績(jī)，而其中獲得一等獎(jiǎng)的3組隊(duì)伍，有2組由錢學(xué)森拓展班的學(xué)生組成.

我校“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”將繼續(xù)推廣“Home Lab”的教學(xué)理念，在“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)施過程中改進(jìn)教學(xué)方法，采取“以學(xué)生為中心”的教學(xué)方式，讓學(xué)生在教師的指導(dǎo)下自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量，完成設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，充分挖掘?qū)W生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，使學(xué)生得到極大的鍛煉和提高.

(3)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容與軍事技術(shù)的聯(lián)系

我校的“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”是基于“面向戰(zhàn)場(chǎng)、面向部隊(duì)、圍繞實(shí)戰(zhàn)搞教學(xué)”的要求，以培養(yǎng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)急需的通用專業(yè)人才和聯(lián)合作戰(zhàn)保障人才為目標(biāo)，開展課程建設(shè)和教學(xué)實(shí)施.現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)使用了許多先進(jìn)的軍事技術(shù)，這些技術(shù)的使用使得軍隊(duì)指揮官不但要具有過硬的軍事素質(zhì)，還要有一定的科學(xué)文化素質(zhì)，對(duì)現(xiàn)代軍事技術(shù)有一定程度的了解.而物理學(xué)是軍用科技發(fā)展的理論先導(dǎo)和基礎(chǔ)，對(duì)現(xiàn)代高技術(shù)武器裝備的影響是最深最廣泛的學(xué)科之一，將現(xiàn)代軍事技術(shù)引入基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生從基礎(chǔ)學(xué)科的角度認(rèn)識(shí)現(xiàn)代軍事技術(shù)，鍛煉學(xué)生規(guī)范使用儀器裝備的能力，為學(xué)生在后期的軍事訓(xùn)練中盡快了解和掌握相關(guān)軍事武器打下扎實(shí)的基礎(chǔ)，也為在軍事行動(dòng)、進(jìn)攻戰(zhàn)斗中更準(zhǔn)確有效地使用軍事武器提供可靠的保證.

我?！按髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn)”將依托成熟的線下實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，尋找與軍事應(yīng)用緊密相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，增加軍事應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，新建軍事化特色實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，建立大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中相關(guān)軍事科學(xué)技術(shù)應(yīng)用的案例，提高實(shí)驗(yàn)課程的軍味.例如，建設(shè)全息射擊瞄準(zhǔn)鏡制作的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；建設(shè)模擬彈頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；邁克爾孫干涉儀的實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)思想在激光陀螺儀中的應(yīng)用案例等.

5 結(jié)論

從這幾所國(guó)外知名高校的物理實(shí)驗(yàn)課程體系設(shè)置中可以看出，他們將實(shí)驗(yàn)課程與理論課程緊密結(jié)合，更加注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、解決問題的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力.借鑒國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我校自身的教學(xué)理念、學(xué)生水平、師資力量和實(shí)驗(yàn)室情況，建設(shè)具有自身特色的“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”，才能充分發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，更好地實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)在軍事科技人才培養(yǎng)中不可或缺的地位與作用.