美國大學物理學分層次教學研究

1、美國大學物理學分層次教學研究張立彬1，張功2，楊祖念3（1.南開大學外國教材中心，天津，300071；2.南開大學泰達應用物理學院，天津，300071；3. 四川教育學院物理與電子技術系，成都，610041）摘要：以麻省理工學院、耶魯大學、斯坦福大學為例，詳細介紹了美國一流大學物理學入門課程和物理專業(yè)分層次教學及其課程設置，內(nèi)容詳實，讀者可以通過此文深入了解美國大學物理教育情況，也能夠為國內(nèi)大學物理教學改革提供一些好的范例，起到一定的借鑒作用.關鍵詞：美國大學；物理學入門課程；物理專業(yè)；分層次教學；課程設置；集中的培養(yǎng)方案；靈活的培養(yǎng)方案中圖分類號： 文獻標識碼： 文章編號： 近年來，我國對高

2、等教育改革的呼聲越來越高，然而高等教育改革不可空喊口號、空唱高調(diào)，要有具體的、實質(zhì)性的、細節(jié)的、可操作的方案.那么這些方案從何而來？國外一流大學的教學模式和課程設置顯然是非常值得借鑒的.基于這樣一個目的，我們詳細地研究了美國一流大學物理分層次教學，并以麻省理工學院、耶魯大學和斯坦福大學為例進行分析和研究，希望能夠?qū)鴥?nèi)大學物理教育的改革起到一點借鑒作用.我們在對麻省理工學院、耶魯大學和斯坦福大學物理分層次教學進行詳細分析后發(fā)現(xiàn)，這三所大學并沒有單獨為物理專業(yè)學生開設物理學入門課程（Introductory Physics），即國內(nèi)大學的普通物理課程（主要內(nèi)容為力熱電光），而是面向所有學科的學生

3、（包括物理專業(yè)學生）或者所有自然科學專業(yè)大一大二學生（MIT）開設不同層次的物理學入門課程，不同專業(yè)學生可以根據(jù)自己的數(shù)學物理基礎，以及所學專業(yè)對物理知識的需求選擇適合自己那一個層次的物理學入門課程.同一專業(yè)的學生也可以根據(jù)自己的數(shù)學物理基礎選擇適合自己那一個層次的物理學入門課程.對于物理專業(yè)的學生，各大學物理系會根據(jù)學生的職業(yè)目標和成績水平為他們制定兩套以上的課程計劃，選擇不同的課程計劃要完成不同程度的物理學專業(yè)高級課程，不管學生執(zhí)行哪一個課程計劃，完成規(guī)定的課程，學生都將獲得物理學理學學士學位. 美國大學本科生物理教學注重多樣性，不光在物理學入門課程中實行分層次教學，還根據(jù)職業(yè)發(fā)展方向的區(qū)

4、別為物理專業(yè)學生設計不同的培養(yǎng)方案.因為美國大學都知道即便是物理專業(yè)的學生將來也不一定從事物理學領域的工作，他們也許會從事工程、醫(yī)學，甚至法律、管理、商業(yè)等領域的職業(yè)，但是物理專業(yè)的學習能夠培養(yǎng)他們出色的解決問題能力，良好的物理學背景顯然會促進他們在其他領域取得成功.以麻省理工學院為例，“集中的培養(yǎng)方案”（The focused option）主要面向那些將在物理學及相關領域攻讀研究生的學生，該培養(yǎng)方案為學生制定了更加深入的物理學高級課程計劃，還有物理學領域的研究計劃和物理學專業(yè)學術論文的要求.“靈活的培養(yǎng)方案”（The flexible option）主要面向那些希望在其他領域發(fā)展的學生，諸

5、如工程、醫(yī)學、法律、商業(yè)、管理等領域.靈活的培養(yǎng)方案是一種更加靈活的課程計劃，該方案中的物理學高級課程沒有“集中的培養(yǎng)方案”深入，但更加廣泛，學生可以選修其它學科的集中課程，比如天文學、生物、計算物理、納米技術、科學史、科技政策、哲學、科學教育、管理學、醫(yī)學、法律等學科的課程，也可以選擇其它學科的實驗課程和研究項目以及學術論文.靈活的培養(yǎng)方案讓學生有更多的選擇空間來學習他們感興趣的領域，但是一定量的物理學高級課程是必須的，因為畢竟他們要獲得的是物理學理學學士學位.1 麻省理工學院麻省理工學院物理系為本科生制定兩個層面的課程計劃， 它能夠讓學生按照個人未來的職業(yè)目標來安排自己的物理學習.The

6、focused option是為那些有志于將物理學作為自己一生的職業(yè)并將繼續(xù)在物理或相關領域進一步深造的學生量身打造的一個出色的培養(yǎng)方案.The flexible option將為那些有志于在其他領域發(fā)展的學生提供一個優(yōu)秀的物理學背景，促進他們在其他領域，比如工程學、管理學、商業(yè)、法律或者醫(yī)學等領域的工作更加出色.不管選擇哪一個課程計劃，都將使學生們深入理解基礎物理學的概念，并有相當多的時間去選修其他課程以獲得更廣泛的知識.兩種課程選擇同樣獲得物理學理學學士學位.第一學年，物理系本科生無論選擇執(zhí)行哪一個課程計劃，他們都要學習“物理學 I”、“物理學 II”和“微積分I”、“微積分II”,以及化

7、學、生物和HSAA課程（人文、藝術、社會課程）.這些課程都屬于校級必修課（General Institute Requirements）.其中“物理學 I”、“物理學 II”由物理系開設，供物理系學生和全校理工科學生選擇.“物理學 I”的內(nèi)容是經(jīng)典力學，包括：時間和空間、運動學、牛頓力學、質(zhì)點動力學、碰撞和守恒定律、功和能、外有引力、剛體、平衡、轉(zhuǎn)動力學.分為四個層次，課程代號分別為：8.01，8.011，8.012，8.01L.物理學 II 的內(nèi)容是靜電學和電磁學，包括：電荷、庫倫定律、物質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)、導體和電介質(zhì)、靜電場和電勢、靜電能、電流、磁場和安培定律、磁性材料、時變電場和法拉第感應定

8、律、基本電路、電磁波和麥克斯韋方程.“物理學 II”需要有“物理學 I”和“微積分I”作為基礎，分三個層次，課程代號分別為： 8.02，8.021，8.022.以下分別解釋不同層次課程代碼的實際含義：8.01 表示“物理學 I”秋季授課，主要采用TEAL(Technology-Enabled Active Learning)形式授課，它的特點是學生以三人組成一個小組進行學習，討論概念，解決問題，并在計算機數(shù)據(jù)采集和分析的輔助下進行桌面實驗.8.011表示“物理學 I”春季授課，該課程以小的章節(jié)為單元授課， 一周三次，包括周五的一次測驗.學生第一次選課時不能選擇該課程，只有那些沒有通過或者無法適

9、應8.01和8.012課程的學生才能選擇這個課程.選擇該課程需要經(jīng)指導教師的允許，并且有人數(shù)上的限制.8.012表示“物理學 I ”秋季授課，比8.01 更加深入和理論化、數(shù)學化，大量使用微積分，主要面向數(shù)學和物理基礎很好的學生.推薦學生同時選擇比18.01 更高級的數(shù)學課程.為了鞏固理論，學生要完成一些自己設計的小實驗.這個課是限制人數(shù)的，只有在物理分班考試中的數(shù)學測驗成績較好的學生才能注冊這門課.8.01L表示“物理學 I” 秋季授課， 其授課時間比8.01 長，從秋季直到下學期第二年1月份，這是允許那些基礎不好的學生有更多的時間培養(yǎng)解題能力.它也部分采用TEAL(Technology-E

10、nabled Active Learning)的授課形式，強調(diào)復習和加強必要的數(shù)學工具和基本的物理概念和解題能力.內(nèi)容、深度和難度與8.01 相同.8.02表示“物理學 II” 秋季和春季上課，使用TEAL (Technology Enabled Active Learning)形式教學，它利用現(xiàn)代技術和小組討論來幫助學生形成物理現(xiàn)象的直覺和概念模型.8.021 表示“物理學 II” 秋季授課，該課程以小的章節(jié)為單元授課， 一周三次，包括周五的一次測驗.同8.011一樣，學生第一次選課時不能選擇該課程，只有那些沒有通過或者無法適應8.01和8.012課程的學生才能選擇這個課程.選擇該課程需要經(jīng)

11、指導教師的允許，并且有人數(shù)上的限制.8.022 表示“物理學 II” 春季和秋季授課， 比8.02更加數(shù)學化和理論化，要求一些矢量微積分的知識，還包括微分和積分形式的麥克斯韋方程，靜電矢勢和磁矢勢，電介質(zhì)和磁性材料的性質(zhì).該課程除了理論上的闡述，還需要學生在實驗室中完成幾個電學和磁學實驗.MIT將物理學 I和物理學 II課程分成幾個層次，分別采用不同的授課方式、不同的難度要求，和不同的學習時間，為不同基礎的學生提供了具有針對性的學習課程，學生可以根據(jù)自己的實際情況來選擇適合自己的課程.MIT本科生可以在第二年確定他們的培養(yǎng)方案或課程計劃，也就是說學生可根據(jù)自身情況選擇The focused o

12、ption課程計劃或The flexible option課程計劃.The focused option課程計劃能夠為學生以后的物理研究生學習做充分的準備，當然，它也能夠為包括天體物理、生物物理、地球物理和許多工程學科在內(nèi)的相關領域的職業(yè)工作打下堅實寬厚的基礎.選擇The focused option課程計劃的學生還需要修3門量子力學課程、36個學分的實驗課程和一篇物理學學位論文.第二學年，執(zhí)行The focused option課程計劃的學生應完成課程：8.03“物理學” III、8.033“相對論”、8.04“量子物理I”、8.044“統(tǒng)計物理學I”、8.023“經(jīng)典力學II”的學習，并通

13、過本科生研究計劃項目（UROP）來獲得重要的實驗技能.第三學年，執(zhí)行The focused option課程計劃的學生應完成課程：8.13“實驗物理I”、8.14“實驗物理II”、8.05“量子物理II”和8.06“量子物理III”.并開始選修那些限制性選修課，包括一門數(shù)學類課程和至少兩門物理類課程. 18.04“復變函數(shù)及其應用”、18.075“工程高級微積分”、和18.06“線性代數(shù)”深受物理系學生的歡迎.“天體物理學”、“生物物理學”、“凝聚態(tài)物質(zhì)”、“等離子體”、“原子核和粒子物理”等選修課為學生提供現(xiàn)代物理學最前沿的知識.鼓勵打算攻讀物理學研究生的學生選修理論物理系列課程，包括：8.

14、07“電磁學II” 8.08“統(tǒng)計物理學II”和8.09“經(jīng)典力學II”，等等.第四學年，學生需完成學位論文并有大量的空余時間可以用來深化自己的物理知識或者拓展其他學科.學位論文是The focused option課程計劃的重要組成部分，該論文需在一名物理系教師的指導下完成，許多論文是學生在參與本科生研究計劃項目（UROP）中完成的.學生應該在大三學年中期開題，在大四的秋季學期結(jié)束之前提交.見表一.表一：MIT The focused option 典型課程安排第一學年第二學年第三學年第四學年秋季春季秋季春季秋季春季秋季春季8.01物理學I8.02物理學II8.03物理學III和8.223經(jīng)

15、典力學II8.04量子物理I8.05量子物理II8.06量子物理III限制性選修課物理類論文化學生物8.033相對論8.044統(tǒng)計物理學I實驗實驗選修限制性選修課物理類18.01微積分I18.02微積分II18.03微分方程限制性選修課數(shù)學類選修選修選修選修人文、藝術、社科人文、藝術、社科人文、藝術、社科人文、藝術、社科人文、藝術、社科人文、藝術、社科人文、藝術、社科人文、藝術、社科The flexible option課程計劃為那些不打算在物理學領域進行研究生學習的學生制定，該課程計劃提供學生很好的物理學基礎，有了這個基礎，他們也許能夠從事物理學之外其他的職業(yè).許多學生已經(jīng)發(fā)現(xiàn)對物理學基本概

16、念的理解和解決物理問題的方法也有助于解決商業(yè)、法律、醫(yī)學和工程等領域的問題，這顯然幫助他們在這些領域取得成就.鑒于如今非傳統(tǒng)、技術相關的職業(yè)逐漸增多，The flexible option課程計劃是很有吸引力的.執(zhí)行該課程計劃的學生要完成課程：8.03“物理學 III”、8.04“量子物理I”、8.044“統(tǒng)計物理學II”、8.21“能量物理”或者8.223“經(jīng)典力學II”；如果學分不夠，還可以修8.05“量子物理II”或者8.033“相對論”（或8.20“狹義相對論導論”）.當然也有實驗課的要求：8.13“實驗物理I”，經(jīng)過物理系的允許，外系類似強度的實驗課，一項實驗研究計劃或者論文，實驗導

17、向的暑期校外實習都可以滿足The flexible option課程計劃中實驗課學分的要求.執(zhí)行The flexible option課程計劃的學生必須完成一個集中課程同一學科內(nèi)相互關聯(lián)的三門課，不一定是物理類課程，但要經(jīng)過物理系的允許.學生們通常選擇天文學、生物、計算物理、納米技術、科學史、科技政策、哲學、科學教育、管理學、醫(yī)學、法律等學科的課程.學生也可以選擇他們所修的集中課程學科內(nèi)的實驗和探究課程來滿足該課程計劃的實驗和探究課程學分要求，當然也可以選擇其他的學科領域.學生能夠在集中課程中學習自己感興趣的課程和知識，并有志于從事學科領域的相關工作.見表二.表二：MIT The flexib

18、le option典型課程安排第一學年第二學年第三學年第四學年秋季春季秋季春季秋季春季秋季春季物理學I物理學II物理學III和8.223經(jīng)典物理學II（可替換）量子物理I量子物理II（可替換）選修限制性選修課物理類選修化學生物選修統(tǒng)計物理學I實驗（可替換）選修選修選修微積分I微積分II微分方程選修集中課程集中課程集中課程選修人文、藝術、社科人文、藝術、社科人文、藝術、社科人文、藝術、社科人文、藝術、社科人文、藝術、社科人文、藝術、社科人文、藝術、社科與表一對照可以看出The focused option 計劃僅有5門自由選修課，而The flexible option計劃除了三門某一學科的集中

19、課程外，還有8門自由選修課.前者課程面窄但是深入，目標明確：培養(yǎng)從事物理學的精英人才；后者課程面廣，既能夠提供學生很好的物理學背景，又能使學生涉獵自己感興趣的將來有志于從事的學科知識，其目標是培養(yǎng)具有良好物理學基礎，但將來從事其它領域的人才.12 耶魯大學耶魯大學物理系根據(jù)學生不同的數(shù)學物理基礎和專業(yè)學習的不同要求，提供了由低到高5個層次的大學物理學入門課程和兩個層次的大學物理實驗課程.并且像MIT一樣，根據(jù)學生職業(yè)生涯的目標，為物理學專業(yè)提供了兩個層次的物理學專業(yè)課程.下文分別予以介紹. 25個層次的大學物理學入門課程如下：一是PHYS  110“現(xiàn)代物理學進展”：不要求

20、物理和數(shù)學基礎，面向不打算學習自然科學專業(yè)的學生.二是PHYS  170“面向生命科學的大學物理”：幾乎不要求物理基礎，只要求高中數(shù)學基礎，面向打算學習醫(yī)學或生物專業(yè)的學生.但要求同時修MATH  112a“單變量微積分I”和MATH  115b“單變量微積分II”.三是PHYS  180“大學物理”：要求一定的數(shù)學和物理基礎，要求具有MATH 112a“單變量微積分I”級別的微積分水平，面向打算學習自然科學專業(yè)的學生，要求同時修MATH 115a“單變量微積分II”和MATH 120b“多變量微積分”.四是PHY

21、S  201“物理學原理”:要求物理和數(shù)學基礎很好，面向打算學習自然科學專業(yè)的學生.要求具有MATH 115a“單變量微積分II”的微積分水平，要求同時修MATH 120b“多變量微積分”.建議同時修MATH 222b“線性代數(shù)及其應用”或者MATH 225b“線性代數(shù)及矩陣理論”.五是PHYS  260“強化的物理學導論”:面向那些有非常出色的數(shù)學方法和定量分析能力的學生，并且要求堅實的物理基礎.要求同時修MATH 230a“矢量微積分與線性代數(shù)I”和MATH 231b “矢量微積分與線性代數(shù)II”.可見，前兩個層次的課程不要求微積分基礎，后三個層次的

22、課程則都要求不同程度的微積分基礎.與大學物理課程相配套，耶魯大學也開設了兩個層次的大學物理實驗課程.一是PHYS  165L“普通大學物理實驗”：主要面向沒有較強的高中物理實驗基礎的學生，與此相配套的大學物理課程是PHYS 170“面向生命科學的大學物理”以及PHYS 180“大學物理”.二是PHYS  205L“現(xiàn)代物理測量”：面向打算學習物理專業(yè)的學生，配套的課程是PHYS 180“大學物理”，PHYS  201“物理學原理”，PHYS  260 “強化的物理學導論”.物理系還提供

23、一些高級選修課，它們面向已經(jīng)完成基于微積分的物理學入門課程的所有專業(yè)的學生.這些課程有：“地球和環(huán)境物理導論”，“引力、天體物理及宇宙學”，“量子和納米尺度物理學”.兩個層次的物理專業(yè)課程分別為：物理學標準專業(yè)（B.S. degree）與物理學強化專業(yè)（the B.S. with an intensive major），兩個專業(yè)的學生都要學習物理學、數(shù)學和相關領域的高級課程.物理學強化專業(yè)的課程比物理學標準專業(yè)更高級，主要目標是培養(yǎng)將要在研究生階段繼續(xù)研究物理學的學生.這個強化課程主要包含深入的物理學高級課程和一項研究計劃.物理系的本科生學業(yè)指導教師可以幫助計劃攻讀物理學專業(yè)研究生學位的學生推

24、薦合適的選修課以補充高級核心課程.兩個專業(yè)都要求學生在第一學年和第二學年中期先修有微積分基礎的物理學入門課程和配套的實驗課程，同時要修相應的數(shù)學課程.對于物理學標準專業(yè)，除先修課程之外，要求必修8門課程，以及大四的一個研究項目.學生必須修一門至少與PHYS 301a“數(shù)學物理方法導論”同水平的數(shù)學課程.學生還必須按順序完成三門高級的物理學核心課程：兩門經(jīng)典物理課程PHYS 401a“高級經(jīng)典力學：從牛頓到愛因斯坦I”，PHYS 402b“高級經(jīng)典力學：從牛頓到愛因斯坦II”（主要內(nèi)容為力學、統(tǒng)計物理和熱力學、電磁學）；一門量子力學課程PHY 439a“量子力學基礎或者PHYS 440b量子力學

25、與自然現(xiàn)象I”.三門高級選修課：一門PHY340系列課程PHYS 342a“地球與環(huán)境物理學導論”或PHYS 343b“引力、天體物理和宇宙學”，或PHYS 344b“量子與納米尺度物理學”；一門高級實驗課程PHYS 382Lb“近代物理實驗”（原子、光學、核物理和凝聚態(tài)物理方面的高級實驗課程，主要關注現(xiàn)代實驗方法，并伴隨理論和實驗技術的討論）；一門PHY400系列課程（包括經(jīng)典力學、統(tǒng)計熱力學、電磁場與光學、固體物理、原子核與基本粒子物理導論、光學原理及其應用、物理學中的數(shù)學方法等）.學生也可以選擇其它理科專業(yè)、工程專業(yè)和數(shù)學專業(yè)的高級課程，如果要用其它專業(yè)的課程來滿足必修課的要求，必須經(jīng)過

26、指導教師的允許.通常學生為了在某一領域更深入地學習，他們總是選擇更多的課程.在第四學年，學生還要完成一個一學期的研究項目.對于物理學強化專業(yè)，除先修課程外，要求必修10門課程，以及大四的一個研究項目.它們是：一門至少與PHYS 301a“數(shù)學物理方法導論”同水平的數(shù)學課程；按順序完成五門高級的物理學核心課程：三門經(jīng)典物理課程PHYS 410a“經(jīng)典力學”，PHYS 420a“熱力學與統(tǒng)計物理”，PHYS 430b“電磁場與光學”，兩門量子力學課程PHYS 440b“量子力學與自然現(xiàn)象I”和PHYS 441a“量子力學與自然現(xiàn)象II”；一門高級實驗課程PHYS 382Lb“近代物理實驗”；至少兩

27、學期的獨立研究項目.高級選修課只要求一門：PHY340系列課程（PHYS 342a“地球與環(huán)境物理學導論”，PHYS 343b“引力、天體物理和宇宙學”，PHYS 344b“量子與納米尺度物理學”）或PHY400系列課程（包括經(jīng)典力學、統(tǒng)計熱力學、電磁場與光學、固體物理、原子核與基本粒子物理導論、光學原理及其應用、物理學中的數(shù)學方法等）或研究生課程.在第四學年，學生還要完成一個兩學期的研究項目.見表三.表三：耶魯大學物理系兩個專業(yè)的課程設置比較一、二學年二、三學年四學年物理學標準專業(yè)基于微積分的物理學入門課程現(xiàn)代物理測量數(shù)學現(xiàn)代物理測量PHYS 301a數(shù)學物理方法導論PHYS 401a高級經(jīng)

28、典力學：從牛頓到愛因斯坦IPHYS 402b高級經(jīng)典力學：從牛頓到愛因斯坦II選修課1-PHYS 382Lb近代物理實驗PHY 439a量子力學基礎或者PHYS 440b量子力學與自然現(xiàn)象I一學期的研究項目選修課2-PHY340系列選修課3-PHY400系列物理學強化專業(yè)基于微積分的物理學入門課程現(xiàn)代物理測量數(shù)學現(xiàn)代物理測量PHYS 301a數(shù)學物理方法導論PHYS 410a經(jīng)典力學PHYS 440b量子力學與自然現(xiàn)象IPHYS 382Lb近代物理實驗PHYS 441a量子力學與自然現(xiàn)象IIPHYS 420a熱力學與統(tǒng)計物理PHYS 430b電磁場與光學兩學期的研究項目選修13 斯坦福大學斯坦

29、福大學將本科物理教學的對象分為三類，分別是：將物理作為通識教育的學生；有志于從事對物理知識有一定要求的那些專業(yè)領域工作的學生，諸如醫(yī)學、工程等；有志于在物理及相關領域從事教學或者研究工作的學生.課程號低于100的物理課程適合這三類學生，課程號高于100的物理課程主要滿足第三類學生.針對各類學生的基礎和對物理的要求，斯坦福大學提供三個層次的物理學入門系列課程物理學20, 物理學40, 和物理學60系列課程，他們的主要內(nèi)容如表四所示.物理學20系列不需要微積分基礎，主要面向生物專業(yè)的學生.對于那些擁有AP（advanced placement-美國高中的大學先修課程）學分的學生，特別是將來想從事生

30、物研究的學生，也許要考慮修20系列或40系列課程，而不是用AP學分折抵大學學分，跳過這些課程.這些物理學入門課程非常重視問題的解決能力，這對生物學研究是非常有價值的，因為如今的生物學研究涉及了大量的基于物理學的技術.物理學40系列主要面向工程、地球科學、數(shù)學、化學和物理學專業(yè)的學生.物理學60系列主要面向那些已經(jīng)修過與40系列同級別的物理學課程的學生，或者至少有很強的力學和微積分基礎，較強的電學和磁學基礎的學生.它要求AP物理C考試的學分必須達到4或5分.見表四.表四：斯坦福大學物理學入門系列課程內(nèi)容物理學20物理學40物理學60是否要求微積分基礎不要求要求要求秋季21-力學和熱22-力熱實驗

31、45-光和熱46-光熱實驗61-力學和狹義相對論62-經(jīng)典力學實驗冬季23-電學和光學24-實驗41-力學42-經(jīng)典力學實驗41N-力學研討課63-電磁學和波64-實驗春季25-近代物理26-實驗43-電和磁44-實驗43N-電磁現(xiàn)象研討課65-熱力學和近代物理67-實驗物理學40系列從冬季授課力學課程開始，然后是春季的電學和磁學，最后是秋季的光和熱.大部分學生需從力學開始學習.當然對于那些高中物理基礎較好的學生（至少AP物理C考試4分），可以不學力學和電磁，直接從秋季授課的光和熱開始學習.要獲得物理學理學學士學位，首先要修一系列基于微積分的入門課程：物理61、62、63、64、65、67系列

32、或者物理41、42、43、44、45、46、70（近代物理學基礎）系列課程.然后要修一些高級物理學和數(shù)學類課程.3見表五.表五：斯坦福大學物理學專業(yè)高級課程物理類數(shù)學類推薦課程（非必修）Physics 105電子學及實驗Physics 107激光實驗Physics 108 工程實驗Physics 110 中級力學Physics 120 中級電磁學IPhysics 121中級電磁學IIPhysics 130 量子力學IPhysics 131 量子力學IIPhysics 170 熱力學、統(tǒng)計力學IPhysics 171 熱力學、統(tǒng)計力學IIMath 51 線性代數(shù)/多變量微積分(或51H 多變量數(shù)

33、學)Math 52矢量微積分(或52H 多變量數(shù)學)Math 53 常微分方程(或53H 多變量數(shù)學)Math 131P 偏微分方程(或 173 偏微分方程理論)Math 101以上的課程（或Physics 112 數(shù)學物理方法或STATS 116 概率論或EE 261 傅里葉變換及其應用）Physics 59 當今研究熱點Physics 113 計算物理（或AP 215 物理學家和工程師使用的數(shù)值方法）Physics 134 高等量子力學注：將來想從事技術工作的學生推薦選擇113，計劃攻讀物理學博士學位的學生推薦選擇113和134.斯坦福大學物理系為不同層次的學生設計了三套教學計劃：Vers

34、ion 1: 針對數(shù)學物理基礎很好的學生(AP物理C-力學和AP-微積分考試在4或5分)，見表六.表六：Version 1課程計劃第一學年秋季冬季春季物理45/46光和熱及實驗（或物理61/62力學和狹義相對論）數(shù)學51線性代數(shù)/多變量微積分物理59當今研究熱點（非必修）物理41/42力學及實驗（或物理63/64電磁與波及實驗）數(shù)學52矢量微積分物理43/44電磁及實驗（或物理65/67熱學與近代物理及實驗）數(shù)學53常微分方程第二學年物理70近代物理基礎物理105電子學數(shù)學131P偏微分方程物理120中級電磁學I物理112數(shù)學物理方法或其他相關高級課程物理121中級電磁學II物理110中級力學

35、物理113計算物理（非必修）第三學年物理130量子力學I物理131量子力學II 物理107激光實驗物理134高等量子力學（非必修，推薦繼續(xù)攻讀物理學博士學位的學生選擇）物理108工程實驗第四學年物理170熱力學、統(tǒng)計力學I物理171熱力學、統(tǒng)計力學IIVersion 2: 針對數(shù)學物理基礎一般的學生（物理C-力學考試低于4分的學生），見表七.表七：Version 2課程計劃第一學年秋季冬季春季物理59當今研究熱點（非必修）數(shù)學51線性代數(shù)/多變量微積分物理41/42力學及實驗52矢量微積分物理43/44電磁及實驗數(shù)學53常微分方程第二學年物理45/46光和熱及實驗物理70近代物理基礎數(shù)學131

36、P偏微分方程（或173偏微分方程理論）物理120中級電磁學I物理112數(shù)學物理方法或其他相關高級課程物理121中級電磁學II物理110中級力學物理113計算物理（非必修）第三學年物理130量子力學I物理105電子學物理131量子力學II 物理107激光實驗物理134高等量子力學（非必修，推薦繼續(xù)攻讀物理學博士學位的學生選擇）物理108工程實驗第四學年物理170熱力學、統(tǒng)計力學I物理171熱力學、統(tǒng)計力學IIVersion 3: 針對在第一學年不能夠完成數(shù)學50系列和物理40系列課程的學生，見表八.表八：Version 3課程計劃第一學年秋季冬季春季物理59當今研究熱點（非必修）數(shù)學51線性代數(shù)

37、/多變量微積分52矢量微積分數(shù)學53常微分方程第二學年物理45/46光和熱及實驗（或物理61力學和狹義相對論）數(shù)學51線性代數(shù)/多變量微積分物理41/42力學及實驗（或物理63/64電磁與波及實驗）數(shù)學52矢量微積分物理43/44電磁及實驗（或物理65/67熱學與近代物理及實驗）數(shù)學53常微分方程第三學年物理70近代物理基礎數(shù)學131P偏微分方程（或173偏微分方程理論）物理105電子學物理120中級電磁學I物理112數(shù)學物理方法或其他相關高級課程物理121中級電磁學II物理110中級力學物理113計算物理（非必修）第四學年物理130量子力學I物理170熱力學、統(tǒng)計力學I物理131量子力學II

38、 物理107激光實驗物理171熱力學、統(tǒng)計力學II物理134高等量子力學（非必修，推薦繼續(xù)攻讀物理學博士學位的學生選擇）物理108工程實驗斯坦福大學還提供一系列物理學科內(nèi)某一領域的集中課程，主要面向那些想在本科階段專注于物理學的某一領域或者將要在物理學的某一領域攻讀研究生的學生.這些集中課程并不是必修的，學生可以根據(jù)自己的興趣選擇，但是在畢業(yè)時，完成集中課程的學生會獲得一個集中課程的認證.選擇某一領域集中課程的學生至少要修四門課或三門課，并加一篇大四的畢業(yè)論文.斯坦福大學物理專業(yè)的集中課程包括：A 應用物理系列： 固體物理PHYSICS 172“固體物理學”；APPPHYS 270“固體中的磁

39、學和長程有序”；MATSCI 195“固體中的波和衍射”.生物物理APPPHYS 192“生物物理學導論”.激 光EE 231“激光導論”；EE 232“激光動力學”；EE 268“現(xiàn)代光學導論”.實驗方法APPPHYS 207, 208“模擬與數(shù)字電子學實驗”；APPPHYS 304“激光實驗”.B 天體物理系列：必修PHYSICS 100“觀測與實驗天文學導論”；PHYSICS 160“恒星與銀河系天體物理學導論”；PHYSICS 161“銀河系外天體物理學和宇宙學導論”.選修PHYSICS 211“連續(xù)介質(zhì)力學”；PHYSICS 260“天體物理和宇宙學導論”；PHYSICS 262“萬

40、有引力導論”；PHYSICS 312“等離子體物理基礎”.C 生物物理系列：APPPHYS 136“系統(tǒng)生物學”；APPPHYS 192/292“生物物理導論”；BIOC 202“新陳代謝的生物化學”；BIOPHYS 228“計算結(jié)構(gòu)生物學”；BIO 141“生物統(tǒng)計學”；BIO 132/232“生物物理高級成像實驗”；BIO 135/HUMBIO 182“生物時鐘”；BIO 211“感覺傳導生物物理學”；BIO 217“神經(jīng)生物物理學”；CS 273A“人類基因組的計算之旅”.D 地球物理系列：必修GEOPHYS 110“危機中的地球”；GEOPHYS 120“冰、水、火”；GEOPHYS

41、150“地球動力學”； 選修GEOPHYS 130“地震學導論”；GEOPHYS 140“遙感”；GEOPHYS 170“板塊構(gòu)造論”；GEOPHYS 184“地球中心之旅”；GEOPHYS 190“近表面地球物理學”；E 理論物理系列：PHYSICS 152A,B“粒子物理導論”；PHYSICS 204“理論物理研討會”；PHYSICS 212“統(tǒng)計力學”；PHYSICS 232“量子力學”；PHYSICS 260“天體物理與宇宙學導論”；PHYSICS 262“萬有引力導論”；PHYSICS 330,331,332“量子場論”；PHYSICS 351“粒子物理標準模型”；PHYSICS 362“高級銀河系外天體物理學和宇宙學”；PHYSICS 364“高級引力論”.結(jié)束語除了本文詳細介紹的三所大學之外，美國還有很多學校（譬如：普林斯頓大學、加州大學伯克利分校等）的物理系都有類似的課程設置.通過對美國大學物理教學的研究，我們可以看出：美國大學物理系辦學的成功經(jīng)驗之一就是分層次教學.在充分考慮學生的個體差異、興趣愛好的基礎上，制定了具有針對性的分層次