歐洲大學非物理專業(yè)的大學物理教學

李祖斌，鄢小卿，宋 峰

(南開大學 物理科學學院，天津 300071)

作為近現代科學的基礎，物理學一直是近現代科學教育的重點. 第一次、第二次工業(yè)革命都是發(fā)端于物理學. 在目前正在進行的第三次工業(yè)革命中，物理學也起著重要的作用. 為了主動應對新一輪科技革命與產業(yè)變革，教育部啟動了新工科戰(zhàn)略行動，并取得了很大成效，目前已輻射到全國不同類型的高校.

大學物理是新工科人才培養(yǎng)的重要基礎課程，如何在具有不同特點的新工科專業(yè)建設中，更有效地發(fā)揮大學物理的基礎和支撐作用，達到厚植科學精神、夯實科學基礎、培育家國情懷的效果，是重要的研究課題.

目前國內高校都將物理學設置為理工類學科(包括新工科)的基礎通識類必修課程，這既符合國家一直以來以科技創(chuàng)新為基本戰(zhàn)略的發(fā)展方向，也符合提高全民科學素質的目標. 但是，近年來，大學普通物理的教學也面臨許多亟待改革的問題[1]，比如教學內容和形式等方面. 在課時與學分方面，大學物理教學面臨的主要問題是：非物理學科自身課程發(fā)展的需求與大學物理課時或學分之間的矛盾. 傳統(tǒng)的大學物理內容廣泛，包括力學、熱學、電磁學、光學、量子力學、原子物理等內容，需要占用較多的課時和學分. 然而，各理科專業(yè)也有自身課程發(fā)展的需求，這就與大學物理的課時要求發(fā)生沖突；另外，各專業(yè)對物理教學內容的需求也各不相同. 所以，在課時、學分上大學物理亦有改革的必要. 針對國內高校大學物理課時學分的調研，已有部分結果見刊[2-4]，也有針對美國著名大學的調查[5]，但是針對歐洲大學的調查還比較少.

它山之石可以攻玉. 西方高等教育體系已經歷數百年，對于物理課程的設置有成熟的經驗. 因此，本文調查了歐洲部分國家高校新工科專業(yè)的物理課程設置情況，包括是否開設課程、學分、課時等情況，希望能對國內大學物理課程改革提供參考數據.

1 歐洲國家新工科專業(yè)物理課程開設情況

本文對歐洲主要發(fā)達國家的高水平大學新工科專業(yè)的物理課程開設情況進行了調研，所有數據全部來自各個學校官網上的公開數據. 具體情況如下.

1.1 學校

學校的選取，參考了2020年度美國U.S. News世界大學排名和泰晤士高等教育世界大學排名(THE)，同時兼顧大學所在國家的廣泛性，選取了13個國家的34所大學，如表1所示.

表1 調查大學情況

續(xù)表國家學校U.S.News排名THE排名學制荷蘭阿姆斯特丹大學 Universiteit van Amster-dam4062三年烏特勒支大學 Univer-siteit Utrecht5575三年萊頓大學Universiteit Lei-den8967三年荷蘭格羅寧根大學 Rijksuni-versiteit Groningen9673三年比利時魯汶大學 Katholieke Uni-versiteit Leuven5645三年根特大學 Universiteit Gent87123三年丹麥哥本哈根大學 K?benhavns Universitet32101三年芬蘭赫爾辛基大學 Helsingin yliopisto8796三年瑞典隆德大學 Lunds Univer-sitet9196三年烏普薩拉大學 Uppsala Universitet102102三年挪威奧斯陸大學 Universitetet i Oslo91131三年西班牙巴塞羅那大學 Universitat de Barcelona98201-250四年意大利博洛尼亞大學 Università di Bologna116168三年帕多瓦大學 Università di Padova116201-250三年奧地利維也納大學 Universit?t Wien200134三年

這些學校中，有兩所較為特殊：巴黎文理研究大學和索邦巴黎西岱大學，它們都是由多個大學和研究機構合并而成. 在調查各學科課程情況時，是從各個分校網站上查詢到的，但最終的統(tǒng)計數據，仍將這兩所學校作為一個整體來處理，其中的各學科數據，以正向優(yōu)先(有物理課)、學分平均的原則處理.

1.2 學位和學制

此次調查僅限于各學科學士學位課程，亦有極少部分本碩連讀的學科，比如倫敦國王學院和奧斯陸大學的藥學專業(yè)，因為只調研其第一學年基礎課程，所以對結果并無影響.

歐洲的大學，在歐洲高等教育改革計劃之后，本科學制基本都是三年180學分(ECTS). 在調查的34所大學中，僅有英國愛丁堡大學和西班牙巴塞羅那大學是四年制. 也有部分學校，比如英國的倫敦大學學院、倫敦國王學院等，是360學分，在學分計算上根據學分比例按照180學分進行折算.

1.3 調查的學科

本次調查的學科主要是工科專業(yè)，涵蓋新工科，包括生物、化學、計算機、環(huán)境、數學、材料、藥學等七個學科專業(yè). 在調查中，對于傳統(tǒng)工科如工程類專業(yè)未考慮在內.

1.4 調查的物理課程

本次調查的是新工科專業(yè)中普通物理課的開設情況，只考慮普通物理課程，即力、熱、電磁、光、量子導論等基礎課程，一般設置在第一學年. 對于專業(yè)性質的物理課程，例如材料專業(yè)中的材料物理、固體物理，不計入統(tǒng)計. 另外，英國的大多學校的數學專業(yè)，都在二、三年級設置物理類必修課或選修課，包括經典力學、流體力學、狹義和廣義相對論、量子力學等. 在其課程介紹中，發(fā)現這些課程應該是專業(yè)類數學物理課程，是數學面向物理的應用類課程，固這類課程也不計入統(tǒng)計.

1.5 必修與選修

本次調查只統(tǒng)計課程設置中的必修課程，如無論何種性質的選修課都不計入統(tǒng)計. 調查中發(fā)現，部分歐洲大學與國內大學課程設置類似，會有基礎必修、專業(yè)必修、專業(yè)選修、自由選擇課程等. 本文只記錄必修課程中的物理課程. 有些專業(yè)必修課也是可選擇的(selective)，通常是兩三門課程中選修一門，這種情況中的物理課，也并不計入統(tǒng)計.

另外，有些大學，比如法國的巴黎綜合理工大學、荷蘭的烏特勒支大學，第一學年的課程是可以任意選擇的，二、三年級的課程才進行專業(yè)化最終選定畢業(yè)的方向. 對于這類學校，自由選擇也就意味著非必修，也認為是沒有普通物理課的. 英國的劍橋大學也與此類似，設置了一個自然科學學位，在第一、二年可以在16個學科中選擇課程，第三年專業(yè)化后，最終可以在多個自然科學選擇畢業(yè)的方向. 這種設置，沒有固定課程安排，本文也認為是沒有普通物理課的.

法國的索邦大學自然科學方向較為特殊，第一年為基礎課，通過考試后才能繼續(xù)選修專業(yè)課程. 第一年課程有3個方向：Biologie/ Chimie/ Géosciences(生物/化學/地理)、Mathématiques/ Informatique/ Physique/ Ingénierie(數學/計算機/物理/工程)、Mathématiques/ Informatique/ Physique/ Ingénierie(數學/計算機/物理/工程). 在第一個方向中，沒有物理的必修課. 在第二、三個方向中，有普通物理必修課程. 由此，第二、三方向中涉及的專業(yè)可以認為是有物理課程的.

1.6 新冠疫情的影響

本次調查正值新冠疫情在全世界范圍蔓延流行，所調查高校多有應對舉措. 部分大學在學校網站上發(fā)布了新冠疫情期間改為線上授課甚至線上考試的通知，比如德國慕尼黑工業(yè)大學[6]，特別是對外籍留學生有詳細的應對安排. 不過這些調整只是針對上課模式，課程的內容和課時并未有改變.

1.7 統(tǒng)計結果

經過調查統(tǒng)計，這些大學中各學科大學普通物理課開設情況如圖1、圖2所示：

圖1 各學科物理課開設情況

圖2 物理課程學分情況

2 分析討論

綜合以上統(tǒng)計結果，以及各學科的具體數據，發(fā)現歐洲各大學的大學普通物理課程設置各有千秋，呈現多樣性，當然也有很多共性可以借鑒，各個專業(yè)之間有較大差異.

從統(tǒng)計結果看，傳統(tǒng)的偏理的學科，如生物、化學、環(huán)境、材料，物理課程開設比例都超過了50%. 這說明，對于傳統(tǒng)理科學科，更多的大學仍然認為物理是自然科學的基礎必修課，是大學本科生必須修習的課程. 而且物理課程平均學分在9～16學分左右，一般都會開設兩學期的物理課程，每學期學分平均在6學分左右. 從某些學校提供的課程信息可以看到，這些物理課程涵蓋了力學、振動和波、狹義相對論、電磁學、光學、量子力學、原子物理等內容或其中的大部分內容，基本與國內大學普通物理相當. 對于計算機類專業(yè)，開設物理課較少. 大部分學校第一年課程都是以專業(yè)課程和數學課為主.

在各學校網站中，部分學校提供了課程的詳細設置，比如課時. 一般的課程課時既包括講授(lecture)，也包括習題課(exercise)，也有包括實驗課時的. 比如洛桑聯(lián)邦理工學院的生物專業(yè)，物理課程非常全面，共計四門22學分，包括力學6學分、熱學6學分、電磁學6學分、量子力學4學分. 每周課時數分別為：力學3(講授)+3(習題)學時，熱學3+3學時，電磁學4+2學時，量子力學2+2學時. 再如海德堡大學的化學專業(yè)，物理課程包括兩學期課程(每門6學分)和一門實驗(3學分)共15學分. 課時上，每學期每周4課時(講授)+2(習題)，實驗課3課時. 可見，開設普通物理課程的學校，仍然是非常重視普通物理教育的，大量的課時和課程內容的全面覆蓋，將給予學生系統(tǒng)的科學教育，教給他們物理的知識和思想，更好的幫助他們在主修專業(yè)上的學習.

調查中也發(fā)現，優(yōu)秀的工科院校，傾向于在大部分專業(yè)都開設物理課，比如瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院，幾乎所有調查專業(yè)都開設了物理課程，而且學分數很高、課時很多(包括計算機專業(yè)). 開設物理課程較多的國家有瑞士、德國、法國、比利時、西班牙、意大利，而有的國家的大學幾乎沒有開設普通物理課，比如英國. 歐洲大學學制的改革可能影響了課程的設置. 三年180學分，每年60學分，如果每門課3～5學分，每年將會有12～20門課程. 調查中也看到，很多學校一年級的課表是非常滿的. 在這種設置下，課程可能會向專業(yè)課傾斜，去除不必要的課程. 所以可以看到，不同學校相同專業(yè)，大學物理的學分差異很大. 另外，除了必修課程，學校都會設置一定的學分由學生自由選修課程，這里其實就包括了一般的物理課程. 另一種可能性是，如果在高中時代就已經修習了必要的具有一定深度的物理課程，大學中的普通物理可能就沒有太多必要了. 比如英國的大部分大學，學科介紹中可以看到對入學的要求，其中就有物理課達到A級的要求，這也許正是英國大部分學校非物理專業(yè)未開設物理課程的原因. 當然，這樣的設置，必須是一種由下而上的整體設計，高中與大學的體系必然是緊密關聯(lián)的. 這也許是國內可以借鑒的地方.

另外，調查中也發(fā)現有些大學采取了更加自由的選課形式，不限定課程的設置或僅作范圍性的限定，由學生根據興趣和自我發(fā)展的需要選擇修習的課程，比如前面介紹的法國的巴黎綜合理工大學、法國的索邦大學、荷蘭的烏特勒支大學等. 這樣的設置，必然會有學生的多樣性和學科交叉的各種可能性，對培養(yǎng)復合型人才是非常有必要的. 但是有利有弊，這樣也必然會削弱專業(yè)性人才的培養(yǎng). 所以，自由選擇還是專業(yè)限定，沒有孰優(yōu)孰劣的問題，只是面向未來的不同選擇而已. 更好的方式也許應該是給出各種可能性，讓學生自行選擇合適的方式，同時允許中途的轉變，另外也必須兼顧國家的需要，避免人才向所謂過熱方向的集中，保證人才的均衡發(fā)展.

總而言之，從調查數據來看，歐洲這些高水平大學中，大學普通物理課程仍是大部分學校非物理理科專業(yè)的必修課程. 即便沒有開設物理課程的學校，也大都開設了物理選修課程以供學生選擇. 這與物理在科學中的地位和物理對其他學科的意義是分不開的，物理學仍應是大學理科專業(yè)必修的基礎通識課程. 當然，也可以看到不同專業(yè)的物理課程會有很大差異，這與學科對物理課程的需求密不可分. 所以，合理的設置課程內容和層次，以便不同專業(yè)選擇適合自己的層次，是目前大學普通物理課程發(fā)展的方向.