美國斯坦福大學和加州大學伯克利分校物理實驗教學介紹

祝 巍

(中國科學技術大學 物理學院，安徽 合肥 230026)

美國斯坦福大學和加州大學伯克利分校物理實驗教學介紹

祝 巍

(中國科學技術大學 物理學院，安徽 合肥 230026)

介紹了美國斯坦福大學和加州大學伯克利分校大學物理實驗教學情況、實驗特點、實驗課程設置和實驗室管理，講述了訪問學習后的收獲和體會.

物理實驗；教學模式；課程設置；實驗室管理

在中國科學技術大學“青年骨干教師出國研修”項目的支持下，本人于2014年在美國斯坦福大學和加州大學伯克利分校進行訪問交流. 本次交流訪問的目的是了解和學習這2所學校有關物理實驗的課程設置、實驗教學內容、實驗教學模式、實驗教材特點、實驗室管理和人員設置等方面的做法和經驗[1-2]. 交流學習期間與這2所大學從事物理實驗教學的教師、實驗技術人員進行了深入的交流，聽取了他們有關物理專業及物理實驗課程設置、教學管理、教學方法、實驗室管理、人員設置等方面的介紹，參觀了物理教學實驗室和部分科研實驗室，跟隨斯坦福大學的實驗教學人員進行隨堂教學，并與部分助教和學生進行交流，了解他們的教學和學習情況，以及對基礎物理實驗的看法等. 以下從幾個方面對所了解和學習到的情況作些介紹[3-5].

1 物理實驗課程設置

斯坦福大學物理實驗課程設置包括3部分：演示實驗、基礎物理實驗(分3個不同的難度等級)和科研型課題實驗. 斯坦福大學在物理實驗教學的樓層走廊過道中放置了很多演示實驗裝置，學生可以自己動手操作，這些實驗都比較直觀，很有趣味性，涉及電、光、聲、力、磁、熱等領域，此類內容豐富、形象生動的演示實驗無疑可以很好地激發學生對物理的興趣. 基礎物理實驗是對一、二年級學生開設的，針對不同的專業分3個不同的難度等級，每個難度等級分3塊不同的實驗內容，每塊9個實驗. 由于斯坦福大學實行4學期制，每學期10周，因此基礎實驗是每周1次. 除了基礎實驗課之外每周還有1次1 h的實驗討論課.

科研型課題實驗面向物理專業高年級學生開設，由學生自主選擇進入各科研實驗室完成相關project，內容深入物理研究各個前沿領域，由各科研實驗室的教授負責指導完成.

加州大學伯克利分校的基礎物理實驗課程設置和斯坦福大學類似，也針對不同的專業分不同的難度等級和實驗內容. 但是伯克利分校有針對三年級學生的高年級物理實驗，在專門的實驗室完成.

2 物理實驗教學內容

在針對低年級的基礎物理實驗方面，這2所學校的內容大致類似，表1是本人所在學期斯坦福大學的基礎物理實驗課表.

從表1可以看到針對不同的專業方向分別開設了20/40/60系列實驗，對于物理、電子等專業要求修學60系列實驗，對于機械、工程等專業修學40系列實驗，對于計算機、生物等專業修學20系列實驗. 實驗內容涵蓋了力學、電學、磁學、熱學、光學、近代物理等，內容上相互錯開，這樣可以更充分地利用設備和實驗室. 具體開設的實驗內容由對應的理論課教師指定，實驗技術人員配合開課，實驗課程的進度和理論課切合得較好，可以讓學生更好地理解和掌握理論課知識.

表1 斯坦福大學2014年春季學期基礎物理實驗課表

加州大學伯克利分校開設了專門針對高年級物理專業學生的實驗，在Donalo A. Glaser Advanced Lab完成，分2個學期，具體實驗內容見http://instrumentationlab.berkeley.edu/[6]. 第一學期讓學生掌握各種實驗設備的使用，而且要學會用LabVIEW編程進行控制，最后完成教師指定的考核內容. 第二學期是一些比較大型的實驗，比如低溫霍爾效應、核磁共振、布朗運動、盧瑟福散射等，每個實驗只有1套儀器，由專門的教師指導完成.

3 物理實驗教學模式

斯坦福大學的基礎物理實驗每學期9個實驗，學生網上自主選課和對應的上課時間，上課前要下載打印好對應的實驗講義，并且進行預習，完成講義上pre-lab的內容. 每次實驗最多16人，2人1套設備合作完成，時間為2 h，到時間就結束，下面還會有學生過來，最多1天看到安排了5組學生做實驗，因此他們的基礎物理實驗轉得很快. 上課開始助教會對實驗作簡單介紹，一般不超過5 min，因此對學生的預習要求比較高. 開始做實驗后學生之間的討論較多，合作完成，有問題和助教討論解決. 講義上在對應的實驗內容處會留出空白讓學生填寫實驗結果和做簡單數據處理，實驗結束學生當堂上交實驗報告. 實驗過程中助教也會發放上周的實驗報告，并針對個別學生討論實驗報告中有問題之處. 每位助教每周帶2次課，帶固定2組學生做實驗，因此助教和學生之間比較熟悉.

學生每周進入同一實驗室進行實驗，實驗技術人員每周會花半天更新實驗，另外半天培訓助教，每次更新會留1～2套上周的設備給需要補做的學生. 因此實驗室運行效率較高，雖然做基礎物理實驗的學生也比較多，但是常用的是3個大實驗室.

斯坦福大學高年級的物理專業學生會做對應的“Project”，根據自己的興趣找對應的科研實驗室完成，會花比較多的時間，做的也是物理前沿方面的內容. 學生先和實驗室教授或者研究生討論方案，然后自己去學校各種shop里加工或者購買配件，最后進行實驗. 實驗完成后會要求提交正式的報告論文和答辯.

加州大學伯克利分校的基礎物理實驗教學和斯坦福大學類似，也是學生固定去同一教室，每周實驗會更新. 不過伯克利分校每年是2學期，每學期時間較長，不是每周都有實驗課，而是根據理論課的進度來安排，每學期一共9次左右. 對于高年級的物理專業學生，加州大學伯克利分校有專門的advanced lab來進行教學. 分Lab1和Lab2，一共要2學期才能完成，每個Lab有3個學分，從學生訪談中得知每周要花10～20 h. 其中Lab1由助教來指導，讓學生先熟悉各種常用的設備如信號發生器、示波器、鎖相放大器等，然后從簡單實驗入手，之后學習用LabVIEW編程控制數據采集和分析，之后的考核是用LabVIEW編程做指定的實驗，學會物理實驗的軟硬件結合. Lab2是一些比較大型的實驗，設備都只有1套，全都由教師來完成指導，學生和教師討論完成實驗內容.

4 物理實驗教材

這2所學校都沒有正式出版的實驗教材，實驗課用的講義都是自編的，學生可以從網上下載. 講義中有詳細的實驗儀器和計算機軟硬件的使用說明，實驗內容分pre-lab和in-lab activity內容，學生要先打印講義預習，把pre-lab內容做了，到實驗室后直接從in-lab activity內容開始. 基礎物理實驗講義在實驗內容方面緊扣課堂理論知識，由淺入深地讓學生體驗、理解對應的物理知識. 實驗內容往往以提問的方式讓學生思考嘗試，最后得出自己的結論，每一項內容后留有空白處，讓學生填寫對應的結果或者作圖，2 h的實驗結束就當堂提交實驗報告.

對于高年級物理實驗會給出1個課題，學生去網上調研相關資料，再與教師進行討論，由于需要做高年級物理實驗的學生較少，因此也可以實現這種方式，讓學生接觸物理研究的前沿問題.

5 物理實驗成績評定

斯坦福大學的基礎物理實驗課不單獨設學分和考試，但是要想獲得對應專業的學位必須通過對應系列的實驗，比如要想獲得物理專業學位必須通過60系列的基礎物理實驗. 每學期9個實驗，每個實驗1～3分，必須拿到18分以上才算通過. 每次的分數由助教評定，每位助教指導2組約32名學生，他們非常了解學生的學習情況，對學生能力的評價比一次考試更準確.

加州大學伯克利分校的基礎物理實驗也不單獨設學分和考試，但是每次實驗會有分數，最后實驗分數會占到對應物理課程分數的10%. 不過實驗課是必須上的，如果少上1次課會降低1擋物理課成績. 高年級的物理實驗有單獨的學分和最后的考核，需要上2個學期，每學期3學分，學生需要花的時間也比較多.

6 教學和技術人員崗位設置

斯坦福大學的基礎物理實驗具體內容由上理論課的教師指定，實驗技術人員給出建議和負責實施，整個基礎物理實驗只有1名實驗技術人員，每周要更換3個實驗室的設備，不過基礎實驗的設備都比較簡單和小型化，因此1名技術人員也可以勝任. 助教一般由低年級研究生擔任，每學期選聘1次，每名助教輔導32名學生，除了指導學生做實驗外，助教還會每周和學生討論1次實驗. 每學期中間會有1次對助教的考核，形式是助教本人回避，其他助教到課堂直接向學生進行問答調研，考核助教是否按照要求完成指導任務. 這種配置使得基礎物理實驗的目的是為了讓學生更加直觀地理解和掌握基本的物理知識.

加州大學伯克利分校基礎物理實驗和斯坦福類似，高年級物理實驗的Lab1也是由助教來輔導，不過70名學生有7名助教進行輔導，而Lab2全都由教師指導完成.

雖然他們配備的專職實驗技術人員不多，但是都很盡職和高效，能勝任多個學科和各種儀器的技術支持，能設計和選配，甚至加工滿足各種實驗需求的實驗裝置. 此外他們還負責對助教進行儀器設備的培訓和撰寫儀器使用說明，每天及時看郵件，回答學生和助教的問題.

7 物理實驗教學的特點

通過在這2所大學的物理實驗教學中心一段時間的交流和學習，覺得他們的物理實驗教學和管理有如下明顯的特點：

1) 重視演示實驗，無論在課堂上或者在實驗室走廊等公共空間，演示實驗都很直觀地反映了某一物理現象或者物理原理，可以增加學生對物理知識的理解和興趣.

2) 針對低年級的基礎物理實驗內容與理論課銜接較好，實驗內容比較靈活，不強調測量一定要多精準，但是會讓學生在完成實驗時體會其中的物理內涵. 對于不同的專業方向，實驗難度和內容也有所不同，做到因材施教.

3) 重視實驗過程中的討論和學生自己的思考，實驗內容以提問的形式引導學生完成，而不是指令式的一步一步完成.

4) 計算機應用比較廣泛，而且有統一的數據采集卡，對于不同的實驗只要更換傳感器和對應的采集軟件即可，可提高實驗效率.

5) 對于高年級的物理實驗注重學生研究能力的培養，除了動手能力之外，像LabVIEW之類的物理實驗常用的軟件也是必修內容，最后可以讓高年級的學生學會物理實驗的軟硬件結合和數據的自動化采集處理.

6) 沒有統一的正式出版教材，自編的實驗教材更能適應教學內容和儀器的不斷更新.

7) 基礎物理實驗沒有單獨的學分，但是是畢業或者理論課成績的關鍵組成部分，開實驗課的主要目的是讓學生對物理概念有直觀的了解，增加學生對物理的認識和興趣. 在考核方面沒有一般意義上的考試，主要由學生平時實驗和討論的表現決定，正常來說，學生只要去做實驗了，肯定可以通過物理實驗課程.

8) 實驗室運行效率很高，每周更換實驗設備，學生每次實驗時間是2 h，這對實驗技術人員和助教都有較高的要求.

8 收獲和體會

經過一段時間的訪問和學習，對斯坦福大學和加州大學伯克利分校的物理實驗教學情況有一定的了解，從中得到了寶貴的啟示，結合我校的物理實驗教學情況，主要有以下收獲和體會：

1) 非常重視物理實驗教學

這2所大學都把物理實驗教學放在十分重要的位置，像斯坦福大學基礎物理實驗是面向全校所有理工科專業的學生，不通過對應的實驗課程就無法拿到對應的學位. 而加州大學伯克利分校也要求通過對應的實驗課程，而且還不能缺實驗，否則對應的理論課程就無法通過. 實驗內容方面均是由經驗豐富的教授來指定，而且緊扣理論課進程. 我校對基礎物理實驗也非常重視，單獨設課，有獨立的學分，而且是全校所有專業的必修課程.

對于高年級的物理實驗加州大學伯克利分校有專門的實驗室，學生每周要花10～20 h，持續2個學期才能獲得對應的學分，特別是Lab2全由教師指導，可見對物理實驗的重視程度.

雖然這2所大學均以工科見長，每年物理專業的學生也不多，但是物理專業的排名非常靠前，這與他們對物理實驗教學的重視是密不可分的.

2) 物理實驗課目的明確

在幾個月的交流和學習中，可以感受到他們為學生開設物理實驗課的目的非常明確. 在斯坦福大學，基礎物理實驗課是面向所有的理工科學生，因此難度較低，主要是讓學生對基本物理概念有直觀的了解，懂得如何去研究物理問題. 對于物理量的測量講求物理圖像，而對于最終值的精度要求不高，也沒有不確定度分析的要求. 不同的專業方向要求通過不同level的基礎物理實驗，真正做到因材施教.

我校也面向全校所有專業開設基礎物理實驗課程，但是沒有針對不同的專業開設不同的實驗和內容，可以借鑒他們的方法，在實驗方向和內容上有所調整.

對于高年級的物理專業學生，人數較少，因此可以安排到各科研實驗室做project，或者由專門的教師指導進行專業物理實驗，研究物理前沿問題. 在這個過程中讓學生學習如何選題、調研、提出方案、討論、實施、總結等. 對高年級我校也有研究性實驗，而且學生眾多，每年有600人左右，有些小組也可以獲得很不錯的結果，但覺得如果能延長研究性實驗的時間，建設更加貼近科研前沿的研究性平臺，更有利于學生科研能力的培養.

3) 注重科研能力的培養

雖然他們物理專業的學生不多，但這些學生都是對物理具有濃厚的興趣，因此學校給學生提供足夠的條件，以便在實驗過程中充分發揮他們的積極性和主觀能動性. 通過教師的全程指導或者安排到科研實驗室進行研究，讓學生置于富有創造和探索性的環境中，主動思考、發現問題、分析問題、解決問題，使他們經歷完整的科研過程，享受其中的樂趣.

4) 實驗室運作效率很高

雖然基礎實驗面向的學生很多，但是他們開課占用的實驗室并不多，而是通過固定實驗時間，每周更換實驗來完成. 這一方面要求實驗技術人員要及時更換設備，另一方面要求學生認真預習，否則沒法按時完成實驗. 實驗設備就放置在實驗室四周的柜子或者架子上，一目了然，更換也比較方便. 有些固定設備，比如電腦、打印機、示波器、信號發生器等通用性好的設備是不用更換的，一般更換的都是比較小型的設備.

在實驗室運行方面覺得我校的效率不是很高，每次實驗時間是下午或者晚上，1天最多2批學生，因此同時開放了很多實驗室，設置很多實驗才能完成教學任務. 而實際學生做基礎物理實驗時間在2 h左右，因此覺得也可以考慮加快實驗的輪轉，提高效率.

5) 有高水平的專職實驗技術人員

這2所大學的物理實驗教學中心都有人數不多的專職實驗技術人員隊伍，他們屬于系里STAFF職位，知識面廣，動手能力強. 平時負責實驗室的管理，通過完成教授對實驗的設想來組建新實驗，在實驗建設中擔當了重要角色. 像斯坦福大學基礎物理實驗部分只有1名專職實驗技術人員，完成每周3個實驗室的設備更換及所有設備的維護和維修，還要回答助教和學生對于實驗儀器的問題，及時“清理”郵件. 他的辦公室就是小型的車間，有各種小型車床和工具，各種配件和工具分門別類有序擺放. 這么一支人數不多的隊伍是完成物理實驗教學的有力保障.

致謝：感謝斯坦福大學Grogory S. Romine教授和伯克利大學王勝同學的幫助和指導.

[1] 姚凱倫，劉祖黎. 美國大學的物理實驗教學及其管理[J]. 物理實驗，1986，6(3)：137-139.

[2] 段家怟，曹惠賢，王煜，等 美國高校物理實驗教學和管理情況考察報告[J]. 大學物理，2004,23(3)：42-45.

[3] 俞熹，樂永康，冀敏，等. 美國大學物理教學和管理考察報告[J]. 物理實驗，2013，33(4)：14-20.

[4] 李靜，王祖源. 中美大學物理實驗教學的比較與分析[J]. 中國大學教學，2008(2)：95-97.

[5] 沈元華. 美國大學物理實驗教學考察報告[J]. 實驗室研究與探索，2001，20(1)：89-92.

[6] Horowitz P, Hill W. The art of electronics [M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1989.

[責任編輯：任德香]

Introduction of the physics experiment teaching of Stanford University and UC Berkeley

ZHU Wei

(School of Physical Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

The situation of physics experiment teaching at Stanford University and UC Berkeley was introduced based on the several months’ visiting and studying there. The physics experiment lessons’ curriculum, features and management of the lab were introduced. The gains from this visiting were also reported.

physics experiment; teaching model; curriculum provision; lab management

2016-05-11；修改日期：2016-10-24

中國科學技術大學“青年骨干教師出國研修”項目

祝 巍(1981-)，男，浙江杭州人，中國科學技術大學物理學院物理實驗教學中心講師，博士，從事凝聚態物理方面科研和物理實驗教學工作.

G642.423

B

1005-4642(2017)02-0038-05

“第9屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文