安 煒

(北京航空航天大學(xué) 中法工程師學(xué)院/國際通用工程學(xué)院,北京 100191 )

隨著法國總統(tǒng)馬克龍于2023年4月訪華并發(fā)布中法聯(lián)合聲明[1],中法高等教育的合作展開了新篇章.法國作為歐洲傳統(tǒng)發(fā)達(dá)國家,其高等教育尤以物理教育為代表較為成功并有著顯著的特點(diǎn),而且在歷史上涌現(xiàn)出諸多大家,如泊松、菲涅爾、拉普拉斯、傅里葉以及拉格朗日等.對其教育教學(xué)進(jìn)行深入研究能夠?yàn)槲覈拇髮W(xué)物理教學(xué)帶來一定的啟示.同時,隨著中法合作辦學(xué)的逐漸深入和法國工程師預(yù)科物理教學(xué)的逐步實(shí)踐總結(jié)[2],以及國內(nèi)教師獲得法國工程師預(yù)科物理教師資格[3],對其教學(xué)內(nèi)容的對比研究也成為可能.本文將以法國教育部2021年發(fā)布的《大學(xué)校預(yù)科物理教學(xué)基本要求》[4,5]和我國教育部發(fā)布的《理工科類大學(xué)物理理論、實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求(2010年版)》[6]為準(zhǔn)對其中的光學(xué)教學(xué)要求部分進(jìn)行對比研究,以期得到對國內(nèi)的大學(xué)物理光學(xué)教學(xué)改革的一些啟示.

1 法國工程師預(yù)科物理簡介

法國高等教育實(shí)行雙軌制,即綜合性大學(xué)Université)實(shí)施大眾教育和大學(xué)校(Grande école)實(shí)施精英教育.綜合性大學(xué)和國內(nèi)大學(xué)基本無異,為3～4年本科學(xué)制,其中前期為基礎(chǔ)通識教育,隨后進(jìn)入專業(yè)教育,最終進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計等.因其大眾教育的屬性,法國高中生通過高中畢業(yè)會考取得高中文憑后,即可遞交申請材料進(jìn)入大學(xué)學(xué)習(xí).而教學(xué)效果凸顯的精英教育,則需要在高中畢業(yè)后進(jìn)行為期兩年的預(yù)科教育進(jìn)行數(shù)理強(qiáng)化學(xué)習(xí),隨后通過競爭極為激烈的大學(xué)校入學(xué)考試(競爭激烈程度和選拔性類似我國的高考)才能進(jìn)入諸如高等工程師大學(xué)校和高等師范大學(xué)校等進(jìn)行深造.

大學(xué)校的教學(xué)質(zhì)量是受到法國教育部直接管理和監(jiān)控的,鑒于其良好的教學(xué)效果和表現(xiàn),本文將使用法國教育部發(fā)布的《大學(xué)校預(yù)科物理教學(xué)基本要求》作為和我國大學(xué)物理課程的對比標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究.大學(xué)校預(yù)科的兩年教學(xué)又分為不同的序列(Filière),如第一年分為數(shù)學(xué)物理工業(yè)科學(xué)(MPSI)、物理化學(xué)工業(yè)科學(xué)(PCSI)、物理技術(shù)工業(yè)科學(xué)(PTSI)、技術(shù)物理化學(xué)(TPC) 等等.在第一年的基礎(chǔ)上學(xué)生可以進(jìn)入到第二年的序列學(xué)習(xí),專業(yè)性更強(qiáng)一些,如數(shù)學(xué)物理(MP),物理化學(xué)(PC)、物理工業(yè)科學(xué)(PSI)等等.從中可以看出,法國大學(xué)校預(yù)科體系的課程具有通識性,其物理教育類似于我國的對理工科進(jìn)行的大學(xué)物理教育.由于不同序列的教學(xué)要求不盡相同,更進(jìn)一步地,本文中使用第一年為MPSI和第二年為MP的教學(xué)要求進(jìn)行對比研究.

光學(xué)作為一門古老的學(xué)科,歷久彌新.其學(xué)科體系完整且有著諸多應(yīng)用,同時,作為物理教學(xué)內(nèi)容來說,光學(xué)部分有著天然地可與自然現(xiàn)象相聯(lián)系的特征,且可進(jìn)行的物理實(shí)驗(yàn)眾多.因此,該部分內(nèi)容在基礎(chǔ)物理教育中有著重要的地位,不論中國還是法國都將其作為重點(diǎn)進(jìn)行了教學(xué)上的要求.因此,本文也將主要考查中法兩國在大學(xué)物理中的光學(xué)教學(xué)上的異同,包括教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和教學(xué)安排等.

2 法國大學(xué)校預(yù)科物理的光學(xué)教學(xué)基本要求

國內(nèi)教育部頒布的《理工科類大學(xué)物理理論、實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求(2010年版)》國內(nèi)同行已較為熟知,其中光學(xué)主題A級教學(xué)條目共14條,建議學(xué)時數(shù)大于18學(xué)時,B級教學(xué)條目9條,內(nèi)容涉及幾何光學(xué)(1—5條)、波動光學(xué)或稱物理光學(xué)(6—17條)以及偏振等其他現(xiàn)象(18—23條),其具體分級和要求建議等本文不再贅述.下文將主要介紹法國大學(xué)校預(yù)科物理的光學(xué)教學(xué)的基本要求.

2.1 教學(xué)目標(biāo)和基本教學(xué)要求

大學(xué)校預(yù)科物理的教學(xué)目標(biāo)是以物理知識的傳播為手段,最終進(jìn)行科學(xué)能力素養(yǎng)的訓(xùn)練.使得學(xué)生能夠以高中物理的水平為基礎(chǔ),通過MPSI和MP兩年的學(xué)習(xí),達(dá)到大學(xué)校的入學(xué)標(biāo)準(zhǔn),最終使得學(xué)生能夠成為工程師,科研工作者或者高校教師.教學(xué)目標(biāo)強(qiáng)調(diào)了主要為了夯實(shí)學(xué)生的科學(xué)范式和能力,即觀察和適應(yīng)能力、分析與建模、實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證,交流并且討論結(jié)果等.由于物理是所有其他自然科學(xué)的基礎(chǔ),其直面自然的特性,能夠讓學(xué)生感興趣,保持創(chuàng)新性,并訓(xùn)練批判性思維.

物理是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué),實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的重中之重.不論是理論課的講授還是實(shí)驗(yàn)課的操作,實(shí)驗(yàn)都應(yīng)是重點(diǎn)內(nèi)容.實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃寣W(xué)生直面真實(shí)的現(xiàn)象,真正的將理論與實(shí)際相聯(lián)系.這才是日后學(xué)生從事相關(guān)職業(yè)需要訓(xùn)練的能力.

同時,在教學(xué)中注意多媒體數(shù)字化信息技術(shù)的應(yīng)用,尤其是各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的模擬.新技術(shù)的變革對教學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)而重大的影響,這使得以往受限于手算無法達(dá)到的模型,在新技術(shù)的加持下可以得以建立和實(shí)現(xiàn).舉例來說,非線性現(xiàn)象的建模,如果模型希望建立的和實(shí)際更為貼合則需要大量算力,否則只能化簡而得到較為粗淺的模型.

教學(xué)過程中應(yīng)著重注意建立物理模型的過程和方法.物理學(xué)的發(fā)展過程是一個天然的物理模型建立方法的教科書.學(xué)生需要不斷地在客觀世界、實(shí)驗(yàn)事實(shí)以及模型和理論間進(jìn)行切換.在培養(yǎng)學(xué)生建模能力的同時,教師應(yīng)該努力在這些相互互補(bǔ)的教學(xué)方法中找到平衡：比如思想性實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)、抽象和具象、理論和應(yīng)用、歸納和演繹、定量和定性等.建模對于數(shù)學(xué)要求很高,物理學(xué)奠基人伽利略曾說過,數(shù)學(xué)是描述這個世界的語言,因此也需要格外重視數(shù)學(xué)能力的培養(yǎng).

最后,大學(xué)校預(yù)科物理強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自覺和主動性.基本教學(xué)要求中建議設(shè)置《問題解決式研討課程》將其作為類似習(xí)題課的教學(xué)形式開展.在這類課程中訓(xùn)練學(xué)生的自覺和主動性.在這類研討課上,學(xué)生需要調(diào)用自己的全部物理知識和能力去解決一些實(shí)際問題或者達(dá)成一個最終目標(biāo).在這個過程中沒有任何問題解決步驟給到學(xué)生,全靠學(xué)生自己摸索.

2.2 詳細(xì)教學(xué)要求的組織形式

在MPSI和MP這兩年的教學(xué)要求文件中,主要分為兩大部分.

第一部分為實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求,主要介紹了《測量和不確定度的培養(yǎng)目標(biāo)》《實(shí)驗(yàn)方法的培養(yǎng)目標(biāo)》和《實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)目標(biāo)》 等.上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要具體的問題做指引,問題的來源是第二部分的具體教學(xué)內(nèi)容.實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要教師根據(jù)情況編排,以確保一個循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)過程和能力不斷積累的過程.

第二部分是教學(xué)內(nèi)容.MPSI中提及了四個專題,分別是波動和信號、運(yùn)動和相互作用、能量：轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移、物質(zhì)的構(gòu)成和變化.MP中提及了九個專題,分別是力學(xué)、信號處理基礎(chǔ)、光學(xué)、電磁學(xué)、熱力學(xué)、量子物理、統(tǒng)計物理初步、物質(zhì)的化學(xué)變化(熱力學(xué)角度)以及電化學(xué)的動力學(xué)和熱力學(xué).上述教學(xué)內(nèi)容如表1—表8所示分為兩欄進(jìn)行表述,左欄是概念和教學(xué)內(nèi)容,右欄是需要達(dá)到的能力要求.跟實(shí)驗(yàn)緊密鏈接的內(nèi)容用黑體做了標(biāo)記,這些內(nèi)容應(yīng)該優(yōu)先進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時發(fā)揮主觀能動性.

上述兩大部分的最后還包含了三份附錄,包括了實(shí)驗(yàn)部分需要的實(shí)驗(yàn)材料、數(shù)學(xué)要求附錄以及信息技術(shù)要求附錄,這些內(nèi)容需要在教學(xué)過程結(jié)束后學(xué)生能夠自主地進(jìn)行調(diào)用.例如在MPSI的數(shù)學(xué)要求中第一學(xué)期的物理量均為標(biāo)量,且只跟時間有關(guān),或者少數(shù)情況下和空間變量有關(guān).

上述教學(xué)要求和教學(xué)目標(biāo)并不構(gòu)成一個教學(xué)過程的詳細(xì)要求,教師有自己編排內(nèi)容和使用教學(xué)方法的自由.

2.3 預(yù)科物理中光學(xué)的詳細(xì)教學(xué)要求

由前述預(yù)科物理的教學(xué)內(nèi)容要求編排并不是按照力熱聲光電的學(xué)科體系安排的,尤其是第一年MPSI.因此,關(guān)于光學(xué)的詳細(xì)教學(xué)要求需要在整個基本教學(xué)要求中尋找.

首先,第一年MPSI的主題為波動和信號中有關(guān)于成像的教學(xué)要求,算作光學(xué)的內(nèi)容,如表1所示.該部分主要講述如何成像以及用光纖作為例子拓展光波導(dǎo)概念.成像部分是提及物理模型和物理模型的適用范圍的極好場合,也是介紹各種科技應(yīng)用的好場合.有一些實(shí)例在教學(xué)要求里提到了,另一些則是教師的自由選擇(眼鏡,顯微鏡,手機(jī)攝像頭等).這部分要特別著重實(shí)驗(yàn)教學(xué),因?yàn)槠渚哂絮r明的實(shí)驗(yàn)特性.

表1 成像

第一年MPSI中的實(shí)驗(yàn)要求部分中也散落有部分和光學(xué)相關(guān)的內(nèi)容,分別是測量長度和角度以及光學(xué)部分,分別摘錄至表2—表3.

表2 MPSI實(shí)驗(yàn)-測量長度和角度

表3 MPSI實(shí)驗(yàn)-光學(xué)

其次,第二年MP的教學(xué)要求是延續(xù)了MPSI序列的波動和信號的內(nèi)容,主要是采用光的波動模型加深了對于光的干涉現(xiàn)象的研究.教學(xué)應(yīng)以實(shí)驗(yàn)為主,同時配以理論建模和分析.建模的目的在于能夠盡量合乎邏輯地解釋什么情況下能夠觀察到光干涉的現(xiàn)象以及定量的對它能進(jìn)行解釋.MP中的光學(xué)主題中分為四個部分,分別是：

1) 光的標(biāo)量振動模型,其給出了干涉現(xiàn)象描述的必備工具,其教學(xué)要求見表4.教學(xué)要求中使用強(qiáng)度或者光強(qiáng)來表述所測量的量,但是其實(shí)授課過程中也可不加區(qū)分地使用光強(qiáng)、輻射強(qiáng)度和照度等,在這個層次不做深究.光強(qiáng)被定義成單位時間通過單位截面的輻射能量.馬呂斯定理,就是波面和光線垂直,在這里直接當(dāng)做已知,不作證明.

2) 光波疊加,如表5所示.該部分中雙光束干涉公式(在MPSI的波動教學(xué)要求中未證明)被證明.另外,該部分中的多光束干涉部分以定性解釋為主,不進(jìn)行繁雜計算.

3)分波陣面干涉儀的例子：楊氏雙孔,如表6所示.該部分可以很好地同時聯(lián)系理論和實(shí)驗(yàn).楊氏雙縫可以涉及,但僅僅是實(shí)驗(yàn)部分.分波面干涉的其他實(shí)驗(yàn)例子不做要求.

表4 光波的標(biāo)量振動模型

表5 光波的疊加

表6 分波陣面干涉儀的例子：楊氏雙孔

4) 分振幅干涉儀的例子：在擴(kuò)展光源照射下的邁克耳孫干涉儀,如表7所示.邁克耳孫干涉儀形成的平行空氣薄膜是很好地理論和實(shí)驗(yàn)聯(lián)系的教學(xué)點(diǎn).邁克耳孫干涉儀形成的空氣劈尖僅做實(shí)驗(yàn)展示.對于邁克耳孫干涉儀的建模,假設(shè)半反半透鏡沒有厚度.

MP的實(shí)驗(yàn)要求部分也給出了一些與光學(xué)相關(guān)的教學(xué)要求,見表8.

表7 分振幅干涉儀的例子：邁克耳孫干涉儀

表8 MP實(shí)驗(yàn)-光學(xué)

3 中法兩國大學(xué)物理中光學(xué)教學(xué)內(nèi)容的對比分析

3.1 共同之處

首先,中法兩國大學(xué)物理教學(xué)均強(qiáng)調(diào)物理學(xué)教育的基礎(chǔ)重要地位,并指出物理學(xué)的知識尤其是課程所教授的科學(xué)方法和科學(xué)范式是培養(yǎng)未來科學(xué)工作者和工程技術(shù)人員乃至高校教師所必備的。

其次,科學(xué)素養(yǎng)的養(yǎng)成依托于學(xué)生觀察和適應(yīng)客觀世界、分析問題和解決問題、探索創(chuàng)新能力等等的訓(xùn)練與構(gòu)建。這使得以實(shí)驗(yàn)為基石的物理學(xué)在這方面的培養(yǎng)中起到了不可替代的作用。

再次,兩國的教學(xué)要求中均將學(xué)生的獨(dú)立自主和自覺地主觀能動性作為培養(yǎng)的主要目標(biāo)之一,通過設(shè)置相應(yīng)的教學(xué)環(huán)節(jié),對學(xué)生這一能力進(jìn)行專項(xiàng)培養(yǎng)。

第四,兩國的教學(xué)要求中均提到發(fā)揮利用多媒體技術(shù)和演示實(shí)驗(yàn)的重要性。對于光學(xué)這一物理領(lǐng)域,上述教學(xué)手段的重要性尤為突出。

第五,從光學(xué)的教學(xué)內(nèi)容上看,兩國的教學(xué)要求中均分為幾何光學(xué)和波動光學(xué)的部分,對于光學(xué)的理論體系介紹較為完備。

最后,兩國的教學(xué)要求中均不涉及教學(xué)內(nèi)容的先后安排,保障了教師在教學(xué)過程中的靈活度和自由,可在此基礎(chǔ)上針對學(xué)生學(xué)情進(jìn)行專門的課程改革。

3.2 區(qū)別與特色

首先,中法兩國光學(xué)教學(xué)內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)有著較大的不同。通過對比可知,中方的光學(xué)部分教學(xué)內(nèi)容更為全面,而法方的MPSI和MP教學(xué)內(nèi)容中缺少光的衍射這一大部分內(nèi)容,同時缺少旋光現(xiàn)象和光與物質(zhì)的相互作用等內(nèi)容。法方在內(nèi)容上進(jìn)行刪減的同時,加重了楊氏雙孔和邁克耳孫干涉儀的教學(xué)比重,并以這兩個光學(xué)儀器為抓手,深入探討了光的空間相干性和時間相干性的概念。從這里可以看到法方教學(xué)上的取舍和權(quán)衡,即如不能做到將一個知識的前后邏輯全部透徹地給出,則干脆刪去。同時,這里也可以看到法方對于實(shí)驗(yàn)的重視程度,即整個光學(xué)教學(xué)內(nèi)容實(shí)際上是以學(xué)生最終能夠清晰明白地完成楊氏雙孔和邁克耳孫干涉儀的擴(kuò)展光源實(shí)驗(yàn)而展開的。除此之外,幾何光學(xué)部分光在球面上的反射和折射在法方的教學(xué)要求中有所削弱,其更偏重于薄透鏡的直接應(yīng)用。

其次,法方的幾何光學(xué)和波動光學(xué)分為兩年進(jìn)行授課。由于MPSI和MP的兩年有著不同的教學(xué)要求和教學(xué)內(nèi)容,雖然教學(xué)要求中對教學(xué)內(nèi)容編排不做限制,但由于分屬于不同的教學(xué)要求的文件,實(shí)際上幾何光學(xué)內(nèi)容和波動光學(xué)內(nèi)容被分為兩年進(jìn)行授課。因此,在法國的光學(xué)課程屬于打散授課狀態(tài),且由于幾何光學(xué)所需的數(shù)學(xué)工具較少,放置于首年授課也未嘗不可。如此做的好處是,學(xué)生的光學(xué)知識和能力可以進(jìn)行螺旋式上升,而國內(nèi)通常將幾何光學(xué)和波動光學(xué)合并在一門課中講授,可以得到更為詳盡完備的理論體系。

最后,國內(nèi)發(fā)布的教學(xué)要求對于教學(xué)過程的基本要求更為具體。其中包括了教學(xué)方法,即對習(xí)題課和小班習(xí)題課的比例要求,探究式學(xué)習(xí)的多種展開方式的建議等,包括了對于學(xué)生考核的要求和說明等等。而法方的基本要求中沒有過多的要求,甚至對于教學(xué)最低學(xué)時也沒有明確規(guī)定,主要依靠各預(yù)科教師自行設(shè)定。

4 結(jié)論

本文以法國大學(xué)校預(yù)科物理教學(xué)中的光學(xué)教學(xué)內(nèi)容為研究對象,結(jié)合國內(nèi)大學(xué)物理中的光學(xué)教學(xué)內(nèi)容,通過對比的方法,揭示了中法兩國大學(xué)物理中的光學(xué)教學(xué)內(nèi)容的異同。兩國的大學(xué)物理教育均強(qiáng)調(diào)借由具體的物理知識進(jìn)行科學(xué)范式訓(xùn)練和科學(xué)素養(yǎng)養(yǎng)成是大學(xué)物理的最終目標(biāo)。在各項(xiàng)重要的科學(xué)素養(yǎng)能力中,自覺和主動性具有很高的地位。教學(xué)內(nèi)容的取舍上,中法方有較大的不同,體現(xiàn)在中方更注重學(xué)科體系的完整性而法方更關(guān)注邏輯鏈條的完備性。同時,法方將幾何光學(xué)和波動光學(xué)分為兩年授課,較中方有較大不同。由于法方教學(xué)體系的編排邏輯是按照各項(xiàng)問題專題進(jìn)行,因此,與光學(xué)有關(guān)的內(nèi)容仍有可能散落在其他專題中,若要完全比對清楚,尚需將整個教學(xué)要求進(jìn)行對比。同時,本研究工作僅關(guān)注于教學(xué)內(nèi)容,對于能力和素養(yǎng)的具體展開和實(shí)施的對比研究有待后續(xù)進(jìn)行。