美國大學物理教學和管理考察報告

美國大學物理教學和管理考察報告1引言復旦大學物理教學考察組，于2012年1月30日至2月12日期間分別訪問了美國斯坦福大學（StanfordUniversity，簡稱Stanford）、加州大學伯克利分校（UniversityofCaliforniaatBerkeley，簡稱UCB）、田納西大學（UniversityofTennessee，簡稱UT）、約翰霍普金斯大學（JohnsHopkinsUniversity，簡稱JHU）、哈佛大學（HarvardUniversity，簡稱Harvard）和麻省理工學院（MassachusettsInstituteofTechnology，簡稱MIT）6所世界一流大學的物理學系。目的是學習和交流本科生的物理課程教學和實驗教學以及管理等方面的做法和經(jīng)驗。該次行程安排得充實、緊湊，在每個學校都花了幾乎一整天的時間，看到和聽到很多感興趣內(nèi)容，對方也對中國的物理教學情況相當關(guān)注，因此雙方的交流非常集中和熱烈，以至于時鐘已臨近傍晚，大家還意猶未盡?？疾旖M此行收獲頗豐，故將此行的見聞和體會細致地整理后介紹給國內(nèi)的物理教學同仁，以供參考。2大學學制、課程教學安排及其人員配置該部分著重突出大學的學制、課程教學及其人員配置，及中美大學之間的具體差異，以便讀者理解美國大學的物理課程安排。2.1學制和課程教學安排美國大學的學期較短，一般一年分為春秋兩季，每學期為15周（實際教學安排為14周，另有1周用于考試）。而斯坦福大學較為特殊，每學年分為春、夏、秋、冬4個短學期，每個學期為10周。一般夏季學期不授課（類似于中國大學的暑假），常常用于學生自己申請校內(nèi)相關(guān)院系的科研實驗室工作，或外出到校外其他科研組工作。所以總的來算，美國每所大學每年的正常教學時間為30周，要遠遠少于國內(nèi)大學實行的40周學制，下文提到的學期除特別提出外，一般還是指15周的長學期制）。上述6所大學的物理系學生人數(shù)一般都很少，常常在10～40人不等，在所訪問的幾所學校中MIT的學生人數(shù)最多，可以有80人之多，這個數(shù)字應(yīng)該也是全美最大的了。美國的大學數(shù)量相當多（有幾千所），所以物理學專業(yè)總的人數(shù)來算也是不太少的。經(jīng)過了解這幾所大學的學費約均在5萬美元/年，相差不是很大，大學生們可以申請助學貸款或者獎學金來償付學費。除華裔以外，美國一般家庭，如果有困難，均可能由于經(jīng)濟原因而放棄一流大學的入學機會，僅僅享受次一流大學的獎學金來償付學費。每個大學物理系開設(shè)的物理類的基礎(chǔ)課程選課人數(shù)也很多，一般每年在500～800人，每周會開設(shè)2～3次同樣進度的課程。筆者認為這是與大學內(nèi)部的資源分配有關(guān)，越多的課程將帶來更多預算。一、二年級普通物理的教學主要分為層次不同的三類課程：第一類是物理類專業(yè)課程，需要較高的數(shù)學基礎(chǔ)；第二類是理科和工程類相關(guān)專業(yè)課程，也需要微積分基礎(chǔ)；第三個層次一般專為生命科學類學生（LifeScience）和醫(yī)科預備生（Premedical）專設(shè)，這類課程在一些學校需要微積分基礎(chǔ)，另一些甚至直接用代數(shù)教學。以下以哈佛大學物理系所教授的普通物理學為例，詳細敘述物理類學生的普通物理類課程。哈佛針對物理類學生所講授的課程名稱為Physics15A（力學，選課人數(shù)在150人/年），15B（電磁學和熱學基礎(chǔ)，選課人數(shù)在100人/年）以及15C（光學及近代物理介紹，選課人數(shù)在60人/年）；針對非物理類的理工科專業(yè)學生所開設(shè)的是2個學期的物理課程，亦即Physics11A和11B；而針對生命科學類和醫(yī)科預備生開設(shè)的課程名稱為PhysicalSciencesPS2和PS3。選擇15A/15B/15C類課程的學生一般也不完全是物理專業(yè)的，哈佛的物理專業(yè)分3個方向，有物理學專業(yè)、雙學士學位中含物理學專業(yè)的學生以及生物物理專業(yè)，以上合計也不過40～50人/年。選15A的課程還有一部分學生是為了獲得“榮譽畢業(yè)”（Honored）頭銜的學生。哈佛在15A/15B/15C的課程安排上，也與國內(nèi)大學的普通物理教學有很大的不同，往往在這3個學期中均穿插著實驗和討論課程。在課程時間設(shè)計上，基本上采用3＋3＋2的形式，即每周2次（1.5h/次）的課堂教學，1次3h的實驗課，以及2次（1h/次）小組討論。2.2課程人員配置在美國高校，教授每年需要考核教學工作量。他們承擔了主要的課堂教學任務(wù)，研究生TA（TeachingAssistant）也承擔了大量的教學工作，也有的學校叫做GSA（GraduatedStudentAssistant）。但是，這幾年也有學校（如MIT）開始利用高年級的學生承擔起實驗教學的課程TA，好處是他們剛做完這些實驗，印象比較深，知道問題出在哪里，與學生溝通也比較容易。對于講座類課程配置1個教授，1～2個TA課堂輔助（1次250～300人，每周2次）。每周的討論課程全部由TA負責教學過程和討論，內(nèi)容是習題講解和實驗報告討論等，一般為6～10個學生組織在一間討論教室內(nèi)進行。實驗課程配置1＋1＋1，一般為1個教授（Facultymember），1個新進教員（Juniormember），1個TA，平均師生比為1：10。3課堂教學和課堂演示這一部分主要介紹各個大學低年級的課堂教學及課堂演示。美國各個大學的課堂教學相比國內(nèi)大學來說要遠遠的生動活潑，特別注重學生的參與和相互之間的討論，以及師生之間的互動。為了更能在課堂上抓住學生的注意力，課堂演示的實驗注重“碩大”（實驗教具）、“新奇”（提高興趣）和“沖擊力”（加深印象），特別能引起學生的注意和思考。講課采用的是大課堂教學（300～500人）階梯教室，課堂一般配置6～9塊大黑板，2個大屏幕投影和1個超大屏幕投影。有專門的攝像工作人員，負責將各塊黑板投影到大屏幕上。在物理演示實驗的過程中，如果課堂演示的設(shè)備過小，也有專門的攝像機拍攝演示實驗并投影到大屏幕上。攝像工作人員也在后臺編輯攝像（如圖1所示），課后剪輯好放置在學校網(wǎng)站供學生預習或者復習使用。

圖1哈佛大學的多媒體技術(shù)服務(wù)中心物理演示實驗被廣泛地應(yīng)用在普通物理的教學過程中，物理演示實驗室就位于黑板的后方，實驗儀器的儲藏室位于階梯教室樓梯下。每個階梯教室有旋轉(zhuǎn)講臺，便于課間準備演示實驗或課后教師與學生討論（如圖2），筆者看到的是2個相對的教室配備1間準備室，各占120°。課間可以將在實驗準備室里面所布置準備好的物理演示儀器轉(zhuǎn)到下個教室，這樣就可不必錯開需要演示實驗的課程了。

圖2斯坦福大學的學生課后與授課教授討論演示實驗室充分利用了階梯教室階梯下面的空間進行設(shè)備存儲，所有演示實驗都有詳細的設(shè)備編號，可以在網(wǎng)上查到適用于哪些課程內(nèi)容，存儲在哪個柜子里面，以便教授課前備課查閱。不少大學的演示實驗室還配有加工車間，可以自行設(shè)計和制作演示儀器和設(shè)備。很多演示實驗都是各個大學獨有的，自行設(shè)計和制作的。課堂演示實驗所涉及到的幾個要素在于“碩大”、“新奇”和“暴力”，特別能夠吸引學生的注意力和引起學生主動思考。筆者印象最深的一次是在Harvard的課堂上，教授們利用1個超大的充電電容，將1根直徑約0.5cm，長30cm的金屬絲瞬間擊穿，在課堂里面放了一朵“大型禮花”（如圖3所示）。如此驚人的演示實驗，配合i－Click的提問環(huán)節(jié)，可以極大地調(diào)動學生的積極性。學生非常樂于在提問后與身邊的同學相互之間討論5min后并投票。也有的教師往往將特別新奇的實驗在課程結(jié)束前提出，讓學生在課后繼續(xù)思考，或者是告訴學生通過閱讀后面課程的某一章節(jié)去解釋這一現(xiàn)象，從而學生往往能夠有的放矢，帶著疑問去快樂地學習。

圖3哈佛大學課堂上演示實驗綻放的“禮花”值得一提的是：i－Click作為基于無線的投票系統(tǒng)，每個客戶端是學生新入學時購買的，完成學業(yè)后學?？梢砸砸欢ㄕ劭刍厥?。課堂上提問給出選擇題的選項后發(fā)起投票，教師利用i－Click的接收裝置接收學生的投票。投票結(jié)束以后將結(jié)果通過投影儀公布給學生。由于i－Click裝置是與學生的學號綁定在一起的，這樣一來不僅僅是調(diào)動了學生的積極性，還可以免去了課堂點名，另一方面如果學生在課堂上給出正確的答案，教師還可以給予一定的學分獎勵，以評估學生的預習等情況，加強了上課的教學效果。4基礎(chǔ)物理實驗這部分主要介紹低年級普通物理實驗課程及實驗室建設(shè)情況。大部分美國大學的基礎(chǔ)物理實驗都是穿插在普通物理的課程中間同步進行的，盡管實際操作的實驗數(shù)目不是太多，但是非常注重培養(yǎng)學生的科學方法和科學素養(yǎng)。各所大學的基礎(chǔ)物理實驗課程叫法也不同，但是基本上都是每周穿插在課堂教學之間，以普通物理課堂教學輔助課程形式出現(xiàn)的，但是在實驗內(nèi)容方面也是完全做不到與課堂教學內(nèi)容的同步。一個說法是：無非是先做實驗還是先學理論而已，實驗和理論是交錯上行的。各所大學的基礎(chǔ)物理實驗課程內(nèi)容都很簡單，以提高學生的興趣為主，實驗數(shù)量也不多（1學期平均2周1個，一共6個實驗左右），教學理念上更多的是教會他們?nèi)绾谓⒛Ｐ?，能夠科學地進行思考。筆者看到的一個物理實驗是這樣的：3個同學1組，2個同學相互以各種方式拋擲小球，另1個同學負責錄像。隨后通過錄像分析，得出小球的運行軌跡是拋物線的結(jié)論。學生只有3h做物理實驗的時間，一般不要求撰寫實驗報告，而是在課堂上完成填寫簡單的實驗表格，減輕了學生的工作量。當然這樣的做法是否合理，還需要大家去斟酌。5高年級物理實驗這部分主要介紹高年級近代物理實驗的教學及實驗建設(shè)情況。高年級的課程各個大學的風格都不盡相同，每個學校都保持著自己的特色。由于歷史的積累和沉淀，實驗內(nèi)容和器材往往能夠體現(xiàn)出該大學的科研方向和實力。美國高校物理類學生在完成普通物理學課程和同時進行的物理實驗課程后，一般只有在三年級有1～2個學期的物理進階實驗課程（AdvancedPhysicsLab），在MIT稱作為JuniorLab。實驗課程的內(nèi)容涵蓋電子線路課程、光學、核物理和低溫方向。由于物理類的學生很少，很多學生就有機會在1～2年級參與到科研實驗組中，學校也是鼓勵推動學生加入科研課題組，所以一般來說學生做近代物理相關(guān)實驗的積極性不是很高。各個學校在這個階段的教學相當不同，不能一概而論。但是教學理念上還是傾向于讓學生接觸科學研究的方法，體驗科研前沿領(lǐng)域的方向。也有很大的部分是在具體訓練學生寫paper的格式（writingup）等方面。近代物理實驗的教學內(nèi)容和實驗器材方面還是在于歷史的積累和沉淀，實際在使用的教學設(shè)備都比較有年頭，甚至有60多年的設(shè)備還在使用。實驗室相對于基礎(chǔ)物理實驗來說相對擁擠一些（可能由于實驗儀器較多的原因），同一個實驗的套數(shù)也很少，一般為1～2套。在近代物理實驗室建設(shè)上，各個學校都投入了很多精力，平均2年建設(shè)出一個現(xiàn)代科研領(lǐng)域的物理實驗。以哈佛為例，這幾年他們特別重視實驗建設(shè)，投入了相當多的人力和財力，以至于每年開會討論后，特別指定1名教授開發(fā)1個實驗，開發(fā)時間按照實際情況，可以視為完成當年的教學任務(wù)。這點類似英國一些學校的做法。由于JHU擁有全美第一流的醫(yī)學院，所以他們這幾年在生命科學類和醫(yī)學院預備生的物理實驗建設(shè)上投入較多，實驗設(shè)計非常重視物理與生命科學的結(jié)合，教學效果相當好。6金工車間、機械加工及環(huán)境布置這部分主要介紹金工車間及物理系的環(huán)境布置。這2個方面似乎是我們大學不太注重和關(guān)心的，而美國大學卻花了很大精力在做和關(guān)注，所以特別列出這一節(jié)的內(nèi)容來做詳細地介紹。6.1金工車間和機械加工美國各個大學的物理系均有很強的機械加工背景，一般來說至少有1個專為科研服務(wù)的精工車間（如圖4所示），以及給高年級學生和博士生使用的學生金工車間；還有給演示實驗室制作演示實驗儀器所使用的機械加工車間，一般在演示實驗倉庫附近。每所大學都鼓勵學生動手，比如UCBerkley有專設(shè)給學生專設(shè)的機械加工課程，學生能夠獨立完成1件“作品”以后，就授予學生該金工車間的鑰匙。

圖4UCB的金工車間6.2環(huán)境布置筆者所訪問的幾所大學的物理系均有很強的科學研究背景，一走進物理學系所在的大樓里面，能夠馬上感受到該院系的學術(shù)氛圍和學術(shù)傳統(tǒng)。以JHU為例，他們有較強的光學和天文學背景，在大廳中央陳列的是19世紀所使用的制作光柵器件的機械設(shè)備和1902年所使用的分光計（如圖5所示），而在另一處則陳列著他們所制作的哈勃望遠鏡上使用的一個主要光學部件的模型。哈佛大學在大廳陳列的是世界上第一臺軍用計算機。

圖5約翰霍普金斯大學1902年所使用的分光計另一方面，各所大學將演示實驗放在大廳，設(shè)備較大，而且大多數(shù)都能給路過的學生直接擺弄，以提高學生對于物理的興趣。如哈佛大學在走廊陳列的“水透鏡”，直徑有1M（如圖6所示）。這些演示實驗往往是該學校教授提出想法，由他們自己制作，只此1套！哈佛大學還專門有1間科學歷史博物館：Harvard'SCollectionofHistoricalScientificInstrument，其網(wǎng)址在：http：///emuseumdev/code/emuseum.asp?lang＝EN，其中有相當多的歷史收藏，如果訪問時間充足，值得一看。

圖6哈佛大學走廊陳列的“水透鏡”6.3教學樓和實驗室設(shè)計各所大學的物理實驗室及教室均設(shè)計得相當好，據(jù)了解是在實驗室方案的具體設(shè)計階段中反復推敲過而確定下來的，與中國的大學教學實驗室相比的幾個特點在于：1）實驗教室比較集中，布局有序合理，而且相當大，空間上非常寬敞，教室里面往往僅有幾張大桌子（如圖7所示）。2）樓層特別高，所有管道和電纜都在上方裸露，房間從不吊頂，電線和網(wǎng)線通過上方垂直下放鋪設(shè)（不怕漏水），可以根據(jù)情況隨時調(diào)整實驗室布局（如圖8所示）。3）教室周圍是一系列的實驗柜子，各類常用的儀器分類合理整潔，每間教室都有大量的各類導線懸掛在墻上供學生選用。4）擁有大量的供10個人左右討論的小教室，往往是大教室通過簡單的隔離，便于助教輔導1個小組的學生時使用。

圖7JHU的普通物理實驗室（位于地下室）的布局

圖8UCB的基礎(chǔ)物理實驗室的具體布局7小結(jié)7.1物理實驗教學和管理幾個明顯的特點通過對美國6所大學的考察和了解，筆者們認為對方的物理教學與管理有比較明顯的特點。具體如下：1）非常重視在課堂講授中的演示實驗教學，演示的具體實驗內(nèi)容由授課的教授親自指定，實驗技術(shù)人員負責具體實施，在課堂中共同完成演示教學過程。2）對低年級的學生，主張和提倡實驗內(nèi)容的趣味性，將深奧的物理原理寓于趣味之中，以便讓學生們學得非常快樂與輕松。3）重視低年級學生參與到實驗動手過程中，教師（或助教）融入學生之中且貫穿討論和交流中；重視高年級學生的口頭報告和實驗報告。4）重視對物理學專業(yè)學生的科學研究能力的培養(yǎng)。5）實驗設(shè)備中通用儀器（如示波器，信號源等）均為大公司產(chǎn)品，而專用儀器中有很大一部分是自制的，可以組合或便于拆裝，實驗儀器的透明度較高，不采用“集成化”儀器，多為“積木式”教學儀器。6）計算機（主要是Mac系統(tǒng)電腦）廣泛應(yīng)用于教學實驗過程中，其作用是豐富和深化教學內(nèi)容，而不是代替學生動手。7）各校均沒有統(tǒng)一的正式出版實驗教材，自編的實驗教材能夠適應(yīng)教學內(nèi)容和實驗儀器的不斷更新和新技術(shù)的應(yīng)用。8）利用實驗題目的編號來處理實驗教學內(nèi)容，體現(xiàn)出實驗室所開設(shè)過的實驗教學內(nèi)容的歷史沉淀和底蘊。9）考核方式不采用一般意義上的筆試和操作考試，學生成績由平時實驗、討論和實驗報告，或口頭報告等綜合評定。10）實驗技術(shù)人員具有很強的業(yè)務(wù)能力和很高的實驗室管理水平。11）非常重視實驗室的安全教育和培訓，警鐘長鳴，在實驗課程概論或講義中列出專門的章節(jié)介紹，并且簽署安全培訓回執(zhí)單。12）注重科學文化底蘊的傳承，且定期開放實驗室，對社會大眾開展科普教育。7.2收獲和體會根據(jù)收集到的第一手資料，并通過聽取對方的情況介紹、近距離參觀實驗室、與實驗室的負責人員面對面的教授討論，以及與學生一對一的交談，筆者們對美國大學的物理實驗教學情況有了比較全面的了解，從中也得到了寶貴的啟示，學到了教學與管理方面的經(jīng)驗。歸納起來，主要有下面幾點收獲和體會。1）物理實驗和實驗室安全受到充分重視。各校均把物理實驗放在十分重要的位置上，為物理系本科生開設(shè)了必修的實驗課，實驗課采取教授負責制。即使是專攻理論物理的學生，實驗課也是不可缺少的。而從事實驗工作的學生則要在實驗上投入更多的時間，但理論課可以不必全修。有的學校具體安排實驗室的安全培訓活動，或在講義中專門講授注意事項。非常重視演示實驗，在課堂教學上大量采用精心準備的演示實驗，演示效果十分明顯和震撼?？茖W技術(shù)在不斷地進步，實驗內(nèi)容也在不斷地更新，但他們重視物理實驗以及演示實驗的這一傳統(tǒng)始終沒有改變。2）物理實驗課目的明確。物理實驗課的目的就是要通過物理實驗使學生懂得如何去研究物理問題，而不是只局限在知識的傳授和技能的訓練。但是，這并不意味著他們不重視實驗基本技能的訓練，在參觀實驗室時筆者們發(fā)現(xiàn)他們的學生基本實驗技能都相當好。對方之所以這么強調(diào)，是要把著眼點放在培養(yǎng)學生用實驗方法解決物理問題的能力上。3）實驗課程設(shè)置各有特色。這幾所大學的實驗課程設(shè)置各有特色，教學組織形式多樣，沒有固定統(tǒng)一的模式。有的學校將基礎(chǔ)物理實驗與理論課結(jié)合在一起，上完部分章節(jié)后做幾個實驗；有的學校分不同層次單獨開設(shè)實驗課。對高年級學生更是靈活，有的開設(shè)“Project”實驗課程，有的組織學生在暑期到實驗室工作等。在高年級的近代物理實驗中要求學生做實驗的數(shù)目不多，主要采取“少而精”和“觸類旁通”的方式。對學生的實驗報告要求也按年級和不同學生有所不同，這樣的課程設(shè)置完全體現(xiàn)以學生為本的原則，對我們很有啟發(fā)。4）注重科研能力的培養(yǎng)。各校在為本科生高年級開設(shè)的實驗課中，無論是麻省理工學院的“UpperDivision”實驗課，還是斯坦福大學、哈佛大學的“Project”實驗課，他們的共同特點都是實驗室非常注重為學生提供足夠的條件，以便在實驗過程中充分發(fā)揮他們的主觀能動性，使學生置身于富有探索和創(chuàng)造性的學習環(huán)境中，積極主動地思考、分析問題，使他們受到類似于專業(yè)科研人員搞科研的訓練。學生在做上述這類實驗時，需要親自完成調(diào)研和閱讀文獻資料、選擇實驗題目、擬定實驗方案、配置實驗設(shè)備、制作儀器部件（或者搭建電子線路）、測量實驗數(shù)據(jù)、分析實驗結(jié)果、完成實驗報告等工作，這對他們是非常好的科學研究的訓練過程。在實驗中出現(xiàn)的問題完全由學生自己解決，教師只是在必要時加以適當?shù)闹笇?。對實驗的時間和最終結(jié)果不作硬性的規(guī)定，學生可以根據(jù)自己的時間、能力及興趣來安排。這種注重培養(yǎng)學生科研能力的做法，是極有遠見的，非常有利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和提升。5）及時將科研成果轉(zhuǎn)化為新實驗。各校的近代物理實驗的內(nèi)容新穎，實驗題目分布在物理學的各個領(lǐng)域，且各有特色，顯得更有生氣和更有活力，既有廣度，又有深度。對方學校能夠不斷地更新實驗教學內(nèi)容，就是因為他們能及時地將一些前沿或先進的科研成果轉(zhuǎn)化成新的物理實驗。例如：MIT的“量子信息處理”實驗，斯坦福大學的“超流”實驗，Harvard的“混沌實驗”、“光鑷子”實驗，UCB的一系列核物理實驗，以及JHU的“布朗運動”實驗和“生物醫(yī)學物理芯片”實驗等內(nèi)容。這說明只有將