世界一流大学近代物理实验课程网络调研及启示

冯娟娟， 李训栓， 王心华， 郭党委

(兰州大学 大学物理实验教学中心，兰州 730000)

·国外实验室·

世界一流大学近代物理实验课程网络调研及启示

冯娟娟， 李训栓， 王心华， 郭党委

(兰州大学 大学物理实验教学中心，兰州 730000)

近代物理实验课程作为大学物理实验的重要组成部分，对培养拔尖创新型人才具有重要意义。通过查阅15所世界一流大学的近代物理实验的网站，从实验题目数量和实验时长，实验的选题方式，实验目的、讲义和实验要求，教授负责制，网络资源等方面详细介绍了他们的课程设置和安排的特点，希望对国内的近代物理实验的课程设置和实验教学有所启发。同时总结了国内高校近代物理实验教学的特点和差距，希望结合国内大学的实际情况，通过学习国外一流大学的经验，能更好地提高近代物理实验教学的水平。

世界一流大学; 近代物理实验; 实验教学; 课程设置

0 引 言

目前，国家正在大力推进“世界一流大学和一流学科建设”，而培养拔尖创新型人才是其中的一个重要内容。大学物理实验为创新型人才的培养提供了一个良好的平台，对培养富有创新能力与实践能力的高素质人才具有举足轻重的作用[1-3]。近代物理实验作为理工科高年级本科生的一门基础实验课，是大学物理实验的重要组成部分，在培养学生的综合实验能力、专业素养等方面发挥着重要作用[4-9]。

作者查阅了2015泰晤士报高等教育世界大学排名靠前的15所一流大学(见表1，数据来自各个学校官方网站)的近代物理实验的网站(注：各个学校近代物理实验的叫法各有不同，如modern physics lab, advanced physics laboratory或mini-projects等)，通过对比，总结了这些一流高校近代物理实验的课程设置和安排的特点，同时指出了国内高校在这方面的不足之处，希冀对国内高校的近代物理实验教学有所启发。

表1 世界一流学校的近代物理实验安排(标注*的是没有查到具体数据)

1 世界一流大学近代物理实验网站内容调研

这些学校开设的近代物理实验的内容与国内高校的基本相同，涉及凝聚态物理、核物理、原子核物理、固体物理等领域。课程开放对象与国内也基本一致，一般为高年级本科生(3或4年级，有些学校也同时开放给研究生选修，但是实验要求不同)。关于具体的实验内容，由于近代物理实验的内容广泛，且每个学校的侧重点不同，这里不做探讨。本文讨论的重点内容是近代物理实验的课程设置和安排，特点总结如下：

1.1 要求做的实验题目数量较少[10]，但实验持续时间长

从这些学校的官网上来看，他们开设的实验题目较多，且实验内容大多是与获得过诺贝尔物理奖的经典实验有关，但是要求学生做的数目却不多。表1中是各所大学在最近一个学期(因各学校课程安排不同，大部分数据为2015秋季学期，少数为2016年春季学期)所提供的近代物理实验的总实验数和要求学生完成的实验数。这些学校中，要求的实验数最多的是5个，最少的是2个。例如：哈佛大学要求在16个实验中选做3个；加州大学伯克利分校要求做4个；麻省理工学院要求先做2个预备实验(一个实验的要求是熟悉实验室规则，数据分析工具等，另一个是3 h的介绍性实验)，之后再选做3个正式实验[11]。

另外，虽然这些学校虽然要求的实验题目少，但是完成每个实验的时间却很长。如剑桥大学每个实验要求做30～40 h(2周)，加州大学伯克利分校一个实验需要做2～4周。这样的安排既能让学生接触和了解具体的实验内容，又能让学生进行较为深入和系统的学习和体验，总而更好地掌握物理实验的方法和技能。

1.2 实验题目选择方式的多样性

调研的这些国外高校中，近代物理实验题目大多是由学生自主选择，必做的实验较少。如加州大学伯克利分校要求的4个实验题目中，“Optical Pumping”为必做实验，其余3个从剩余的19个实验中选做；麻省理工的3个正式实验中，必须从Compton Scattering，Relativistic Dynamics，Cosmic Ray Muons，Rutherford Scattering, and X-Ray Physics这5个实验中选作1～2个，其他的从剩余题目中选做。

多样的实验题目选择方式，一方面能更好地达到实验教学目的，另一方面也能充分地调动学生的积极性，提高学生做实验的兴趣，激发学生探究感兴趣事物的潜能，同时避免了学生对安排的实验不感兴趣造成教学资源和实验设备的浪费。

1.3 训练学生严谨的科研态度和基本的实验技能

(1) 近代物理实验的目的是通过物理实验使学生懂得如何去研究物理问题，而不是只局限在知识的传授和技能的训练范围内[12]。近代物理实验大多是已经有了明确结论的经典实验，实验过程中更多的是验证和重复，在验证和重复的过程中培养学生的动手能力和科学素质。另外，国内大学经常强调的“创新性”在国外的近代物理实验课程目标中没有提及。各个学校通过提供其他多种方式来培养学生的科研创新性，例如：选修“project”课程或者直接参与科研小组等，如斯坦福大学有“Advanced Physics Laboratory: Project”课程供学生选修。

(2) 各学校大多为自编讲义[13-14]，而且这些实验讲义修订更新及时，没有看到有要求的固定教材。15所被调研的学校中，11所学校的实验讲义提供网上下载(8所可以直接下载，标注为“有#”的3所大学需要本校的注册ID登录下载)。网站提供的讲义格式规范更新快[13]，如麻省理工学院的讲义是标准的科研论文形式，题目，摘要，概述，内容，结论，问题，参考文献等全部包含，更新时间大多是2014年。另外这些学校虽然没有推荐的固定的实验教材，但大都推荐了相关的参考文献和书籍，方便学生查找资料。

(3) 实验过程中各个环节对学生要求的规范性，科学性。①要求对实验过程完整记录。如加州理工学院，实验室的全部过程需要手写记录在Notebook(实验记录本)上，包括数据分析，最后需要提交Notebook，以此来给成绩；对于有Prelab exercises(实验前练习)的实验，Notebook成绩的占比也高达67%(Prelab exercises 占33%)。②数据的处理要求独立完成，进行误差计算，数据要求真实，不允许抄袭和伪造。③很多学校要求实验报告以科技论文的格式去写，引用别人的东西必须标明。④考核方式多样化，实验成绩不采用传统的笔试或操作考试，而是由预习，平时操作，讨论等综合评定，有很多学校要求有Oral presentation(口头报告)，并体现在最终成绩里[12]，如MIT占30%，爱丁堡大学占20%。这些规范的要求在训练学生严谨的科研态度和基本功方面很有帮助。

1.4 近代物理实验教学多是教授负责制

教授负责制有效地保证了实验课的教学质量，也说明了这些一流大学对近代物理实验的充分重视。这些负责的教授中甚至有诺贝尔奖获得者，如加州大学伯克利分校的Donald A. Glaser，这充分说明了该校对近代物理实验课程的重视。通过查阅网站和相关文献，国外实验课的上课模式多为教授负责，实验技术人员负责实验仪器的准备与使用维护，并参与部分实验指导工作，同时允许研究生或高年级本科生作为TA(Teaching Assistant)对实验教学的参与[12]。如麻省理工学院的每个正式实验是由一位教授，两位助教(一位是研究生，另一位是选过此课的高年级学生)，和若干实验技术人员负责指导[11]。

另外，教授负责实验能及时将一些前沿科研成果转化为新的物理实验，来充实近代物理实验的内容，使近代物理实验内容更具有吸引力，能让学生更加有兴趣来参与实验。如斯坦福大学的“超流”实验[12]，牛津大学的“光镊子实验”；同时各个大学对近代物理实验也投入了很多精力，鼓励教授们建设近代物理实验室，哈佛大学每年要求一名教授开发一个实验内容，开发时间按照具体情况，可以视为完成当年的教学任务[15]，而剑桥大学的近代物理实验中的很多题目直接来自于学院的各个研究小组。

1.5 网络资源的完备和实用

这几所大学的近代物理实验的网站建设相当完备，有专门的网站，而且维护更新很快，内容全面。支撑实验教学的两个大方面的内容在网站上基本都有提供：一方面是与实验内容相关，如课程目标，实验安排，选课制度，实验讲义(甚至有每个实验的讲解、操作过程的视频资料)，注意事项，实验相关的参考书籍文献等，有些学校还会给出很多相关链接，如数据处理方法、计算机软件教程等；另一方面是实验的组织和开展的支撑信息，如实验室安排和安全培训，实验室使用注意事项和一些通知等。这些网站的内容充实，信息全面，既方便了实验教学(实际上也承担了一部分预习的任务)，提前让学生对课程内容有总体的把握，又有利于学生课下的准备和自学，更好地提高学生做实验的效率，获得更好的实验效果，同时也方便了实验室的高效利用和安全管理。

2 启示和思考

(1) 国外一流大学的近代物理实验的安排更多体现了科学性和合理性,以人为本，目标明确，管理规范，追求效率。这对国内的实验课程安排有很大的启发。同时这些学校对实验教学足够重视，都投入了大量的人力和财力，教学效果好[10,16]。

(2) 对比国外一流高校，国内的很多大学对实验教学的重视度不够，或者只是口头上重视，投入的人力物力却远远不及，缺少具体的相应措施来保证和提高实验教学的质量：如缺乏高水平的实验课老师，教授们很少会去带近代物理实验；网站建设需要进一步提高，内容要更加实用，从而能更好地为实验教学服务；另外实验室的硬件建设也存在差距，如仪器老化、维护经费不足等问题比较严重。

(3) 国内大学的近代物理实验教学内容广泛，题目众多，但是完成每个实验所用的学时较少。大多数学生在实验过程中以完成实验操作，得到实验结果和数据为目的，普遍存在着“有实验结果，而无分析和探究”的现象，匆匆做完，匆匆而去，实验中更多的是疲于应付，不能完全达到实验教学的目的。同时实验题目和讲义更新缓慢，内容陈旧，不能吸引学生学习和研究的兴趣。

3 结 语

国外一流大学的近代物理实验的课程安排与国内高校有很多不同，这些不同之处很可能影响了实验教学的效果。当然，国内的实验教学中也存在诸多实际困难，如上课学生多，实验室基础薄弱等，这需要长期的大量的具体工作才能解决。希望国内高校能有更多的机会学习国外一流大学的经验，结合我们的实际情况对近代物理实验做出更加科学和合理安排。

[1] 李永涛，赵洪牛，葛智勇，等. 近代物理实验综合教学体系建设与实践[J]. 实验室研究与探索，2014，33(10)：147-150.

[2] 李爱侠， 叶 柳， 张子云，等. 近代物理实验教学改革与大学生创新能力的培养[J]. 实验室研究与探索，2010，29(4)：77-78，102.

[3] 杨昌虎. 探究教学在大学物理实验教学中的实践[J]. 高校实验室工作研究，2015(2)：91-92.

[4] 方家光，张连芳. 近代物理实验课程建设中的两个问题[J]. 清华大学教育研究，1995(1)：55-57.

[5] 任 红，刘彩霞，朱志峰. 近代物理实验考试模式和成绩评价体系的创新与实践[J]. 实验技术与管理，2011，28(1)：140-143.

[6] 李喜贵，魏建宇，张豪锋，等. 近代物理实验课分层次教学模式的设想与实施[J]. 实验室研究与探索，2001，20(5)：21-23.

[7] 高铁军，王书运，朱俊孔，等. 专题系列近代物理实验课程体系的建设与实践[J]. 实验室研究与探索，2007，26(7)：93-94，109.

[8] 李喜贵，魏桂森，魏建宇，等. 注重预习 提高近代物理实验的质量[J]. 实验室研究与探索，2005，24(3)： 54-56.

[9] 尤素萍，吴 玲，蔡本晓，等. 近代物理实验教学中多媒体的应用[J]. 实验室研究与探索，2013，32(6)：326-328.

[10] 沈元华. 美国大学物理实验教学考察报告[J]. 实验室研究与探索，2001，20(1)：89-92.

[11] 黄松筠，何 彪. MIT近代物理实验课程特点及启示[J]. 高等教育研究学报，2013，36(z1)：55-57.

[12] 段家忯，曹惠贤，王 煜，等. 美国高校物理实验教学和管理情况考察报告 [J]. 大学物理，2004，23(3)：42-45.

[13] 宿沛然，周增均. 近代物理实验网络课件的制作 [J]. 物理，2004，33(12)：929-933.

[14] 沈元华. 访美归来谈物理实验的教学改革[J]. 物理实验，2001，21(6)：43-46.

[15] 俞 熹，乐永康，冀 敏，等. 美国大学物理教学和管理考察报告[J]. 物理实验，2013，33(4)：14-20.

[16] 苏卫锋，姚红英，高 渊，等. 欧洲物理实验教学考察报告[J]. 物理，2014，43(4)：266-271.

·名人名言·

实验室和发明是两个有密切关系的词，没有实验室，自然科学就会枯萎；科学家一经离开了实验室，就变成战场上缴了械的战士。

——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

冯娟娟(1982-)，女，河南郏县人，博士，工程师，主要从事低维半导体纳米材料制备及其电池特性的研究和本科实验教学管理工作。Tel.: 0931-8912753; E-mail：fengjj@lzu.edu.cn

O 4-33；G 649

A

1006-7167(2017)04-0229-03