淺談美國高校物理實驗之特色和可借鑒之處

劉端陽 馮志芳 邵曉紅 侯志靈

摘? 要：本文根據(jù)筆者親身在美國勞倫斯-伯克利國家實驗室訪問時對加州伯克利分校等美國高校物理實驗課程的調(diào)查，結(jié)合北京化工大學(xué)的物理實驗教學(xué)情況以及和兄弟院校的交流心得，對中美兩國高校在物理實驗教學(xué)上的異同做了一定的總結(jié)，并分析了美國高校的物理實驗制度可以借鑒之處。以加州大學(xué)伯克利分校為例，本文詳細(xì)分析了美國在物理實驗制度建設(shè)上的理念及其各種實現(xiàn)措施，并于本校的實驗制度進(jìn)行了一定的類比，指出了可以借鑒美國制度的若干方面。

關(guān)鍵詞：物理實驗? 中美? 制度? 借鑒

中圖分類號：O4-33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2021）07（b）-0138-04

On the Characteristics and Reference of Physics Experiment in American Colleges and Universities

LIU Duanyang*? FENG Zhifang? SHAO Xiaohong? HOU Zhiling

（College of Mathematics and Physics， Beijing University of Chemical Technology， Beijing， 100029? China）

Abstract： Based on the author's personal investigation of physics experiment courses in American universities such as University of California， Berkeley during his visit to Lawrence Berkeley National Laboratory， combined with the physics experiment teaching situation of Beijing University of Chemical Technology and the exchange experience with brother universities， this paper summarizes the similarities and differences in physics experiment teaching between Chinese and American universities， It also analyzes what can be used for reference in the physical experiment system of American colleges and universities. Taking the University of California， Berkeley as an example， this paper analyzes in detail the concept and various implementation measures of the construction of the American physical experiment system， makes a certain analogy with the experimental system of our university， and points out some aspects that can learn from the American system.

Key Words： Physics experiments; China and America; System; Use for reference

在國家留學(xué)基金管理委員會的“國家公派高級研究學(xué)者、訪問學(xué)者、博士后項目”的支持下，筆者于2019年在美國勞倫斯-伯克利國家實驗室進(jìn)行了訪問交流。由于筆者還參與了北京化工大學(xué)物理實驗中心的管理工作，因此在訪問期間，對加州大學(xué)伯克利分校（University of California， Berkeley， 簡稱UCB）及其他一些學(xué)校的物理實驗教學(xué)進(jìn)行了較為詳盡的了解，也和UCB的一些學(xué)生和訪問學(xué)者對該校的教學(xué)管理制度進(jìn)行過相當(dāng)程度的交流，也了解了他們對這些制度的看法。回國后，在參與實驗室管理工作和與兄弟院校物理實驗中心交流后，筆者將國內(nèi)的物理實驗制度和美國的這些制度進(jìn)行了分析比較，總結(jié)之后寫下本文。收集資料到成文期間，正值新冠疫情期間[1]，也因此實驗教學(xué)面臨挑戰(zhàn)需要改革之時，本文先從UCB等美國院校對物理實驗的理念及相關(guān)措施方面[2]進(jìn)行介紹，再對比思考國內(nèi)院校的現(xiàn)狀，思考值得借鑒的地方。

1? 重要的理念及相應(yīng)的措施實現(xiàn)

1.1 極度重視實驗安全

UCB等美國高校物理系都非常重視實驗室安全教育和安全培訓(xùn)，在課程講義中專門列章節(jié)介紹，需要通過安全培訓(xùn)測試才可以參加實驗，像斯坦福近代物理實驗室就需要填寫安全培訓(xùn)回執(zhí)單。實驗室各種安全設(shè)施齊全，不僅僅是消防等安全措施，個人護(hù)具也很齊全，例如必要時需要戴安全頭盔和護(hù)目鏡等。

1.2 提倡實驗的趣味性

尤其是對低年級學(xué)生，美國這些高校十分重視培養(yǎng)學(xué)生對實驗的興趣，盡量將物理原理糅合進(jìn)有趣的實驗中，使學(xué)生學(xué)得很快樂與輕松。例如很多高校的物理實驗室都有很多“很大”的看起來像道具一般的“實驗儀器”模型，如游標(biāo)卡尺、千分尺、通電螺線管等，大大激發(fā)了學(xué)生對實驗的興趣。將平平無奇的物理實驗做的富有新奇性和沖擊力，使學(xué)生更容易接受和學(xué)習(xí)物理實驗。

1.3 十分重視演示實驗

UCB等美國高校的物理實驗，對演示實驗的重視可謂是到了極致。在物理理論的課堂上，教授們都會指定需要演示的實驗內(nèi)容，由實驗技術(shù)人員負(fù)責(zé)實驗并在課堂上完成演示。在UCB的多功能講課大教室，為了演示實驗的準(zhǔn)備和展示，特意設(shè)計成了“旋轉(zhuǎn)舞臺式” 講臺。而斯坦福大學(xué)的物理實驗走廊則遠(yuǎn)近聞名，因為他們在走廊里放置了很多演示實驗儀器供學(xué)生隨意動手操作，這些實驗都很有趣味性。實際上，上述對演示實驗的重視，不僅僅提高了學(xué)生對物理實驗和相關(guān)知識的感性認(rèn)識，同時也大大提高了學(xué)生對實驗的興趣。

1.4 實驗教學(xué)環(huán)節(jié)重視學(xué)生的動手能力，重視交流討論，避免教授學(xué)生機(jī)械操作

在物理實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，筆者考察的這些美國高校幾乎清一色地都十分重視學(xué)生的動手能力，并為此制定了很多配合的措施，這里僅列其中較為重要的幾點，其他的一些措施會在其他思想的討論中涉及到。

首先，他們把基礎(chǔ)性質(zhì)、測量性質(zhì)的實驗放在十分重要的位置[2-4]，在各高校的基礎(chǔ)物理實驗中，其都占有相當(dāng)?shù)谋戎兀寣W(xué)生熟悉測量的基本操作和基本原理，為學(xué)生自行理解操作其他實驗奠定基礎(chǔ)。

其次，各實驗室的儀器中，除了通用儀器，如示波器、信號源及基礎(chǔ)測量工具都是購買的大公司品牌外，專用儀器中直接購買的比例卻比較小，很大一部分的專用儀器都是自制的，可以組合，便于拆裝。所有這些儀器透明度幾乎都很高，基本不采用“黑匣子”式的集成化儀器，這些都是為了讓學(xué)生在實驗過程中自行摸索，提高對實驗的感性認(rèn)知。為了做到這一點，幾乎所有物理實驗室都有自己的金工車間，并且設(shè)備齊全，工人素質(zhì)很高，學(xué)生不僅可以定制需要的儀器，甚至可以自己動手做，這不僅提高了學(xué)生的動手能力，實質(zhì)上也大大提高了學(xué)生的實驗興趣。

然后，在實際的教學(xué)過程中，教師或助教講授的都很少，例如在UCB的基礎(chǔ)物理實驗，每次實驗過程差不多要2個學(xué)時，而助教只介紹5min左右，剩下的時間都是學(xué)生操作。在這里，鼓勵學(xué)生與學(xué)生之間、學(xué)生與教師之間的交流討論，期望通過交流討論和教師的點撥來完成實驗，而不是讓學(xué)生按照教師要求的指令來完成實驗，盡量避免了學(xué)生只是機(jī)械操作，真正鍛煉了學(xué)生的實驗動手能力。

1.5 基礎(chǔ)物理實驗重過程，輕考核，以提高學(xué)生對實驗的興趣和動手能力為根本出發(fā)點

UCB的基礎(chǔ)物理實驗沒有單獨設(shè)置課程，但是物理實驗的考核都是相應(yīng)物理課程（類似國內(nèi)大學(xué)物理）成績的一部分，占比10%，且若少上一次實驗課，會降低一檔物理課成績。其他一些高校，如斯坦福和UCB也類似。也有一些高校單獨設(shè)立基礎(chǔ)物理實驗課程的，但是他們對實驗的考核方式都和國內(nèi)大相徑庭。

美國高校的基礎(chǔ)物理實驗，并不強(qiáng)調(diào)寫預(yù)習(xí)報告，也不強(qiáng)調(diào)課后的數(shù)據(jù)處理報告，甚至對實驗結(jié)果是否精確也沒有太嚴(yán)格的要求。很多實驗課程，學(xué)生基本都只需要在課程網(wǎng)站[5]上下載打印講義，事先預(yù)習(xí)做一些相應(yīng)的pre-lab的練習(xí)，然后在課上完成in-lab activity的部分，在2h的課堂上當(dāng)堂處理一些簡單的數(shù)據(jù)即可當(dāng)堂提交實驗報告。由于對實驗數(shù)據(jù)精確度和數(shù)據(jù)處理的要求都不高，只要學(xué)生做一定的準(zhǔn)備，認(rèn)真操作，基本都可以在課上完成實驗，從而在期末拿到相應(yīng)的實驗學(xué)分。這樣的制度，可以說是把重過程，輕考核做到了極致，學(xué)生不必受到分?jǐn)?shù)的高壓，能夠更多地投入到對實驗過程、實驗操作的學(xué)習(xí)和體會中去，看似放松，實則更好地鍛煉了學(xué)生的實驗?zāi)芰Α?/p>

1.6 教學(xué)樓及實驗室空間寬敞，設(shè)計符合實驗教學(xué)需求且人性化

UCB等美國高校在實驗室的布局設(shè)計上，就致力于讓學(xué)生在一種輕松便捷的環(huán)境自主完成實驗（見圖1）。實驗教室空間都特別大，樓層也很高，所有管道和電纜都在上方，這樣做的好處是可以根據(jù)實際情況隨時調(diào)整實驗室布局。另外，每間實驗教室都有大量各類導(dǎo)線懸掛在墻上，供學(xué)生選擇，其他設(shè)備也都標(biāo)識清楚，便于學(xué)生取用，十分人性化。UCB等幾所高校更是將實驗室的實驗臺布局成類似餐廳的形式，盡量降低給學(xué)生的壓迫感。實際上，這樣的設(shè)計，單堂實驗課，教師或助教面對的學(xué)生數(shù)量很少，往往只有十幾二十個，教師可以兼顧到幾乎所有學(xué)生的實驗情況，大大提高了教學(xué)效果，在此條件下，為學(xué)生提供更大的實驗自由度。

2? 對比中美物理實驗的一些思考

中美教育體制完全不同，UCB等美國高校在物理實驗上的優(yōu)點未必都適合我國，我國相比他們，具備更注重學(xué)生基本功練習(xí)的優(yōu)勢。不過，從取長補(bǔ)短的角度來說，有些地方還是值得我國學(xué)習(xí)的[6]。為了對比中美大學(xué)物理實驗的不同，美國高校中筆者以最熟悉的UCB為例，中國高校就以筆者所在的北京化工大學(xué)為例，將兩校基礎(chǔ)物理實驗的一些指標(biāo)列在表1中以直觀比較，以此為基礎(chǔ)，說說以下幾點筆者認(rèn)為可以借鑒UCB等美國大學(xué)的地方。

2.1 可以將安全教育落在更具有可操作性的地方

無論如何強(qiáng)調(diào)實驗安全都不為過，實際上本校和其他國內(nèi)院校也一直很重視安全教育，但是往往是緒論課等理論課上強(qiáng)調(diào)的更多，其他方面的努力相對較少。一方面，可以學(xué)習(xí)UCB等美國高校，用視頻教學(xué)加考核測試準(zhǔn)入制度的方式對學(xué)生進(jìn)行安全教育;另一方面，可以進(jìn)一步完善個人的安全設(shè)備。

2.2 提高演示實驗的數(shù)量和地位

通過演示實驗提高學(xué)生對物理知識的理解以及對物理實驗的興趣是很好的辦法。制作一些簡單易上手，有趣的甚至是富有視覺沖擊力的演示實驗儀器，惠而不費，對提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性大有作用;除此之外，斯坦福的實驗走廊，也啟示我們需要進(jìn)一步讓學(xué)生感覺到演示實驗離自己很近，隨手可得，使得學(xué)生不再畏懼物理實驗，甚至能夠喜歡物理，那將會是所有教師和學(xué)生的幸事。

2.3 提高基礎(chǔ)、測量實驗的地位和比例，減少其他實驗的條條框框，給學(xué)生更大的自由度

從實驗課程的設(shè)置角度，可以提高基礎(chǔ)、測量實驗的比例，并且將其他實驗設(shè)定成需要完成相應(yīng)的基礎(chǔ)或測量實驗才能學(xué)習(xí)，可以讓學(xué)生很快地學(xué)以致用，減緩學(xué)習(xí)壓力，會對學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果都有好處。此外，應(yīng)該盡量減少教師和助教的講解，給學(xué)生更大的自由度，降低對數(shù)據(jù)的要求，允許學(xué)生以試錯的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而真正鍛煉學(xué)生動手做實驗的能力。

2.4 適當(dāng)降低對預(yù)習(xí)報告和實驗報告的要求，減少單堂實驗課的人數(shù)，以提高對學(xué)生實驗過程的把控能力

這兩者必然是要聯(lián)系在一起的，若只是降低要求，而上課人數(shù)不減少，教師把控不住學(xué)生的實驗情況，在目前的大環(huán)境下，很難對實驗的教學(xué)效果起到積極作用。但是如果配合降低單堂實驗課的學(xué)生人數(shù)，使得教師可以兼顧所有學(xué)生的實驗實際情況，則可以使得實驗教學(xué)真正聚焦到物理實驗的核心進(jìn)程——實驗操作上來。這樣方可真正起到提高學(xué)生實驗操作能力的目的，同時，學(xué)生為了提高自己的操作和學(xué)習(xí)效果，預(yù)習(xí)和處理數(shù)據(jù)的積極性也自然能夠調(diào)動起來，也不會淪為一個形式過場。

致謝：感謝伯克利-勞倫斯實驗室的汪林望教授和張布雨同學(xué)的幫助和指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 樂永康.新冠肺炎疫情下美國物理實驗教學(xué)及中美情況對比[J].物理與工程，2020，30（2）：11-13.

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[3] 熊澤本，馬世紅.美國基礎(chǔ)物理實驗教科書（講義）的特點分析[J].大學(xué)物理，2017，36（5）：53-61.

[4] 熊澤本，馬世紅.中美基礎(chǔ)物理實驗教科書的對比與啟示[J].物理與工程，2017，27（3）：10-17.

[5] 馮娟娟，王心華，李訓(xùn)栓，等.UCB近代物理實驗網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的介紹和啟示[J].實驗室科學(xué)，2017，20（1）：230-237.

[6] 劉云云.大學(xué)物理實驗教學(xué)方法與實踐[J].電子技術(shù)，2021，50（4）：152-153.

[7] 吳季強(qiáng).中美科學(xué)教科書中物理實驗的比較研究[D].杭州：杭州師范大學(xué)，2019.