美国斯坦福大学和加州大学伯克利分校物理实验教学介绍

祝 巍

(中国科学技术大学 物理学院，安徽 合肥 230026)

美国斯坦福大学和加州大学伯克利分校物理实验教学介绍

祝 巍

(中国科学技术大学 物理学院，安徽 合肥 230026)

介绍了美国斯坦福大学和加州大学伯克利分校大学物理实验教学情况、实验特点、实验课程设置和实验室管理，讲述了访问学习后的收获和体会.

物理实验；教学模式；课程设置；实验室管理

在中国科学技术大学“青年骨干教师出国研修”项目的支持下，本人于2014年在美国斯坦福大学和加州大学伯克利分校进行访问交流. 本次交流访问的目的是了解和学习这2所学校有关物理实验的课程设置、实验教学内容、实验教学模式、实验教材特点、实验室管理和人员设置等方面的做法和经验[1-2]. 交流学习期间与这2所大学从事物理实验教学的教师、实验技术人员进行了深入的交流，听取了他们有关物理专业及物理实验课程设置、教学管理、教学方法、实验室管理、人员设置等方面的介绍，参观了物理教学实验室和部分科研实验室，跟随斯坦福大学的实验教学人员进行随堂教学，并与部分助教和学生进行交流，了解他们的教学和学习情况，以及对基础物理实验的看法等. 以下从几个方面对所了解和学习到的情况作些介绍[3-5].

1 物理实验课程设置

斯坦福大学物理实验课程设置包括3部分：演示实验、基础物理实验(分3个不同的难度等级)和科研型课题实验. 斯坦福大学在物理实验教学的楼层走廊过道中放置了很多演示实验装置，学生可以自己动手操作，这些实验都比较直观，很有趣味性，涉及电、光、声、力、磁、热等领域，此类内容丰富、形象生动的演示实验无疑可以很好地激发学生对物理的兴趣. 基础物理实验是对一、二年级学生开设的，针对不同的专业分3个不同的难度等级，每个难度等级分3块不同的实验内容，每块9个实验. 由于斯坦福大学实行4学期制，每学期10周，因此基础实验是每周1次. 除了基础实验课之外每周还有1次1 h的实验讨论课.

科研型课题实验面向物理专业高年级学生开设，由学生自主选择进入各科研实验室完成相关project，内容深入物理研究各个前沿领域，由各科研实验室的教授负责指导完成.

加州大学伯克利分校的基础物理实验课程设置和斯坦福大学类似，也针对不同的专业分不同的难度等级和实验内容. 但是伯克利分校有针对三年级学生的高年级物理实验，在专门的实验室完成.

2 物理实验教学内容

在针对低年级的基础物理实验方面，这2所学校的内容大致类似，表1是本人所在学期斯坦福大学的基础物理实验课表.

从表1可以看到针对不同的专业方向分别开设了20/40/60系列实验，对于物理、电子等专业要求修学60系列实验，对于机械、工程等专业修学40系列实验，对于计算机、生物等专业修学20系列实验. 实验内容涵盖了力学、电学、磁学、热学、光学、近代物理等，内容上相互错开，这样可以更充分地利用设备和实验室. 具体开设的实验内容由对应的理论课教师指定，实验技术人员配合开课，实验课程的进度和理论课切合得较好，可以让学生更好地理解和掌握理论课知识.

表1 斯坦福大学2014年春季学期基础物理实验课表

加州大学伯克利分校开设了专门针对高年级物理专业学生的实验，在Donalo A. Glaser Advanced Lab完成，分2个学期，具体实验内容见http://instrumentationlab.berkeley.edu/[6]. 第一学期让学生掌握各种实验设备的使用，而且要学会用LabVIEW编程进行控制，最后完成教师指定的考核内容. 第二学期是一些比较大型的实验，比如低温霍尔效应、核磁共振、布朗运动、卢瑟福散射等，每个实验只有1套仪器，由专门的教师指导完成.

3 物理实验教学模式

斯坦福大学的基础物理实验每学期9个实验，学生网上自主选课和对应的上课时间，上课前要下载打印好对应的实验讲义，并且进行预习，完成讲义上pre-lab的内容. 每次实验最多16人，2人1套设备合作完成，时间为2 h，到时间就结束，下面还会有学生过来，最多1天看到安排了5组学生做实验，因此他们的基础物理实验转得很快. 上课开始助教会对实验作简单介绍，一般不超过5 min，因此对学生的预习要求比较高. 开始做实验后学生之间的讨论较多，合作完成，有问题和助教讨论解决. 讲义上在对应的实验内容处会留出空白让学生填写实验结果和做简单数据处理，实验结束学生当堂上交实验报告. 实验过程中助教也会发放上周的实验报告，并针对个别学生讨论实验报告中有问题之处. 每位助教每周带2次课，带固定2组学生做实验，因此助教和学生之间比较熟悉.

学生每周进入同一实验室进行实验，实验技术人员每周会花半天更新实验，另外半天培训助教，每次更新会留1～2套上周的设备给需要补做的学生. 因此实验室运行效率较高，虽然做基础物理实验的学生也比较多，但是常用的是3个大实验室.

斯坦福大学高年级的物理专业学生会做对应的“Project”，根据自己的兴趣找对应的科研实验室完成，会花比较多的时间，做的也是物理前沿方面的内容. 学生先和实验室教授或者研究生讨论方案，然后自己去学校各种shop里加工或者购买配件，最后进行实验. 实验完成后会要求提交正式的报告论文和答辩.

加州大学伯克利分校的基础物理实验教学和斯坦福大学类似，也是学生固定去同一教室，每周实验会更新. 不过伯克利分校每年是2学期，每学期时间较长，不是每周都有实验课，而是根据理论课的进度来安排，每学期一共9次左右. 对于高年级的物理专业学生，加州大学伯克利分校有专门的advanced lab来进行教学. 分Lab1和Lab2，一共要2学期才能完成，每个Lab有3个学分，从学生访谈中得知每周要花10～20 h. 其中Lab1由助教来指导，让学生先熟悉各种常用的设备如信号发生器、示波器、锁相放大器等，然后从简单实验入手，之后学习用LabVIEW编程控制数据采集和分析，之后的考核是用LabVIEW编程做指定的实验，学会物理实验的软硬件结合. Lab2是一些比较大型的实验，设备都只有1套，全都由教师来完成指导，学生和教师讨论完成实验内容.

4 物理实验教材

这2所学校都没有正式出版的实验教材，实验课用的讲义都是自编的，学生可以从网上下载. 讲义中有详细的实验仪器和计算机软硬件的使用说明，实验内容分pre-lab和in-lab activity内容，学生要先打印讲义预习，把pre-lab内容做了，到实验室后直接从in-lab activity内容开始. 基础物理实验讲义在实验内容方面紧扣课堂理论知识，由浅入深地让学生体验、理解对应的物理知识. 实验内容往往以提问的方式让学生思考尝试，最后得出自己的结论，每一项内容后留有空白处，让学生填写对应的结果或者作图，2 h的实验结束就当堂提交实验报告.

对于高年级物理实验会给出1个课题，学生去网上调研相关资料，再与教师进行讨论，由于需要做高年级物理实验的学生较少，因此也可以实现这种方式，让学生接触物理研究的前沿问题.

5 物理实验成绩评定

斯坦福大学的基础物理实验课不单独设学分和考试，但是要想获得对应专业的学位必须通过对应系列的实验，比如要想获得物理专业学位必须通过60系列的基础物理实验. 每学期9个实验，每个实验1～3分，必须拿到18分以上才算通过. 每次的分数由助教评定，每位助教指导2组约32名学生，他们非常了解学生的学习情况，对学生能力的评价比一次考试更准确.

加州大学伯克利分校的基础物理实验也不单独设学分和考试，但是每次实验会有分数，最后实验分数会占到对应物理课程分数的10%. 不过实验课是必须上的，如果少上1次课会降低1挡物理课成绩. 高年级的物理实验有单独的学分和最后的考核，需要上2个学期，每学期3学分，学生需要花的时间也比较多.

6 教学和技术人员岗位设置

斯坦福大学的基础物理实验具体内容由上理论课的教师指定，实验技术人员给出建议和负责实施，整个基础物理实验只有1名实验技术人员，每周要更换3个实验室的设备，不过基础实验的设备都比较简单和小型化，因此1名技术人员也可以胜任. 助教一般由低年级研究生担任，每学期选聘1次，每名助教辅导32名学生，除了指导学生做实验外，助教还会每周和学生讨论1次实验. 每学期中间会有1次对助教的考核，形式是助教本人回避，其他助教到课堂直接向学生进行问答调研，考核助教是否按照要求完成指导任务. 这种配置使得基础物理实验的目的是为了让学生更加直观地理解和掌握基本的物理知识.

加州大学伯克利分校基础物理实验和斯坦福类似，高年级物理实验的Lab1也是由助教来辅导，不过70名学生有7名助教进行辅导，而Lab2全都由教师指导完成.

虽然他们配备的专职实验技术人员不多，但是都很尽职和高效，能胜任多个学科和各种仪器的技术支持，能设计和选配，甚至加工满足各种实验需求的实验装置. 此外他们还负责对助教进行仪器设备的培训和撰写仪器使用说明，每天及时看邮件，回答学生和助教的问题.

7 物理实验教学的特点

通过在这2所大学的物理实验教学中心一段时间的交流和学习，觉得他们的物理实验教学和管理有如下明显的特点：

1) 重视演示实验，无论在课堂上或者在实验室走廊等公共空间，演示实验都很直观地反映了某一物理现象或者物理原理，可以增加学生对物理知识的理解和兴趣.

2) 针对低年级的基础物理实验内容与理论课衔接较好，实验内容比较灵活，不强调测量一定要多精准，但是会让学生在完成实验时体会其中的物理内涵. 对于不同的专业方向，实验难度和内容也有所不同，做到因材施教.

3) 重视实验过程中的讨论和学生自己的思考，实验内容以提问的形式引导学生完成，而不是指令式的一步一步完成.

4) 计算机应用比较广泛，而且有统一的数据采集卡，对于不同的实验只要更换传感器和对应的采集软件即可，可提高实验效率.

5) 对于高年级的物理实验注重学生研究能力的培养，除了动手能力之外，像LabVIEW之类的物理实验常用的软件也是必修内容，最后可以让高年级的学生学会物理实验的软硬件结合和数据的自动化采集处理.

6) 没有统一的正式出版教材，自编的实验教材更能适应教学内容和仪器的不断更新.

7) 基础物理实验没有单独的学分，但是是毕业或者理论课成绩的关键组成部分，开实验课的主要目的是让学生对物理概念有直观的了解，增加学生对物理的认识和兴趣. 在考核方面没有一般意义上的考试，主要由学生平时实验和讨论的表现决定，正常来说，学生只要去做实验了，肯定可以通过物理实验课程.

8) 实验室运行效率很高，每周更换实验设备，学生每次实验时间是2 h，这对实验技术人员和助教都有较高的要求.

8 收获和体会

经过一段时间的访问和学习，对斯坦福大学和加州大学伯克利分校的物理实验教学情况有一定的了解，从中得到了宝贵的启示，结合我校的物理实验教学情况，主要有以下收获和体会：

1) 非常重视物理实验教学

这2所大学都把物理实验教学放在十分重要的位置，像斯坦福大学基础物理实验是面向全校所有理工科专业的学生，不通过对应的实验课程就无法拿到对应的学位. 而加州大学伯克利分校也要求通过对应的实验课程，而且还不能缺实验，否则对应的理论课程就无法通过. 实验内容方面均是由经验丰富的教授来指定，而且紧扣理论课进程. 我校对基础物理实验也非常重视，单独设课，有独立的学分，而且是全校所有专业的必修课程.

对于高年级的物理实验加州大学伯克利分校有专门的实验室，学生每周要花10～20 h，持续2个学期才能获得对应的学分，特别是Lab2全由教师指导，可见对物理实验的重视程度.

虽然这2所大学均以工科见长，每年物理专业的学生也不多，但是物理专业的排名非常靠前，这与他们对物理实验教学的重视是密不可分的.

2) 物理实验课目的明确

在几个月的交流和学习中，可以感受到他们为学生开设物理实验课的目的非常明确. 在斯坦福大学，基础物理实验课是面向所有的理工科学生，因此难度较低，主要是让学生对基本物理概念有直观的了解，懂得如何去研究物理问题. 对于物理量的测量讲求物理图像，而对于最终值的精度要求不高，也没有不确定度分析的要求. 不同的专业方向要求通过不同level的基础物理实验，真正做到因材施教.

我校也面向全校所有专业开设基础物理实验课程，但是没有针对不同的专业开设不同的实验和内容，可以借鉴他们的方法，在实验方向和内容上有所调整.

对于高年级的物理专业学生，人数较少，因此可以安排到各科研实验室做project，或者由专门的教师指导进行专业物理实验，研究物理前沿问题. 在这个过程中让学生学习如何选题、调研、提出方案、讨论、实施、总结等. 对高年级我校也有研究性实验，而且学生众多，每年有600人左右，有些小组也可以获得很不错的结果，但觉得如果能延长研究性实验的时间，建设更加贴近科研前沿的研究性平台，更有利于学生科研能力的培养.

3) 注重科研能力的培养

虽然他们物理专业的学生不多，但这些学生都是对物理具有浓厚的兴趣，因此学校给学生提供足够的条件，以便在实验过程中充分发挥他们的积极性和主观能动性. 通过教师的全程指导或者安排到科研实验室进行研究，让学生置于富有创造和探索性的环境中，主动思考、发现问题、分析问题、解决问题，使他们经历完整的科研过程，享受其中的乐趣.

4) 实验室运作效率很高

虽然基础实验面向的学生很多，但是他们开课占用的实验室并不多，而是通过固定实验时间，每周更换实验来完成. 这一方面要求实验技术人员要及时更换设备，另一方面要求学生认真预习，否则没法按时完成实验. 实验设备就放置在实验室四周的柜子或者架子上，一目了然，更换也比较方便. 有些固定设备，比如电脑、打印机、示波器、信号发生器等通用性好的设备是不用更换的，一般更换的都是比较小型的设备.

在实验室运行方面觉得我校的效率不是很高，每次实验时间是下午或者晚上，1天最多2批学生，因此同时开放了很多实验室，设置很多实验才能完成教学任务. 而实际学生做基础物理实验时间在2 h左右，因此觉得也可以考虑加快实验的轮转，提高效率.

5) 有高水平的专职实验技术人员

这2所大学的物理实验教学中心都有人数不多的专职实验技术人员队伍，他们属于系里STAFF职位，知识面广，动手能力强. 平时负责实验室的管理，通过完成教授对实验的设想来组建新实验，在实验建设中担当了重要角色. 像斯坦福大学基础物理实验部分只有1名专职实验技术人员，完成每周3个实验室的设备更换及所有设备的维护和维修，还要回答助教和学生对于实验仪器的问题，及时“清理”邮件. 他的办公室就是小型的车间，有各种小型车床和工具，各种配件和工具分门别类有序摆放. 这么一支人数不多的队伍是完成物理实验教学的有力保障.

致谢：感谢斯坦福大学Grogory S. Romine教授和伯克利大学王胜同学的帮助和指导.

[1] 姚凯伦，刘祖黎. 美国大学的物理实验教学及其管理[J]. 物理实验，1986，6(3)：137-139.

[2] 段家怟，曹惠贤，王煜，等 美国高校物理实验教学和管理情况考察报告[J]. 大学物理，2004,23(3)：42-45.

[3] 俞熹，乐永康，冀敏，等. 美国大学物理教学和管理考察报告[J]. 物理实验，2013，33(4)：14-20.

[4] 李静，王祖源. 中美大学物理实验教学的比较与分析[J]. 中国大学教学，2008(2)：95-97.

[5] 沈元华. 美国大学物理实验教学考察报告[J]. 实验室研究与探索，2001，20(1)：89-92.

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

[责任编辑：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

中国科学技术大学“青年骨干教师出国研修”项目

祝 巍(1981-)，男，浙江杭州人，中国科学技术大学物理学院物理实验教学中心讲师，博士，从事凝聚态物理方面科研和物理实验教学工作.

G642.423

B

1005-4642(2017)02-0038-05

“第9届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文