浅谈中美两国高校大学物理基础课的教学现状

杨则金

【摘 要】本文讨论了中美两国高校大学物理基础课的教学现状，从多个方面深入探讨了提高大学物理教学效果的途径和增强学生热爱物理科学的方法，具体包括在物理教学活动中引入物理科学家的科学研究活动、科学品德，以及追求事物真理的科学精神入手，培养学生热爱物理科学，了解物理文化，培养成个性鲜明的人才等举措。

【关键词】大学物理教学；大学物理实验教学；物理学史；物理美学

中图分类号：G642 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）35-0087-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.

2018.35.037

Discussion on the current status of the university physics course between Iowa State University and Zhejiang University of Technology

YANG Ze-Jin

（Department of Applied Physics， School of Science， Zhejiang University of Technology， Hangzhou Zhejiang 310023， China）

【Abstract】We discussed the current status of the basic university physics course teaching between Iowa State University and Zhejiang University of Technology from diverse aspects. We suggested many effective methods on how to improve the teaching quality from introducing the concrete the scientific practice and their spirit of the scientists， and also inclusion the physical culture training and the intrinsic esthetics of the physics.

【Key words】University physics teaching； University physics measurement teaching； Physical history； Physical esthetics

1 当前浙江工业大学和美国Iowa State University的基础课教学现状

作为一名地方工科院校的基础课教师，本人已从事大学物理以及实验课教学8年，对我校所有理工科学生的学习面貌了如指掌。本人在授课时经常被学生问道：“我学大学物理有什么用？我做大学物理实验有什么用？这些跟我的专业没有关系啊！”这样的问题反映了学生的期望与现实不符的矛盾，因為在参加完高考后学生家长早已帮助学生规划好了未来，学个实用的专业，掌握一门应用技术，毕业后找个好工作，显然学习大学物理跟学生的这些预期不太相关。大学物理还不如高等数学在学生心目中的地位高，至少打算考研的学生还会用到。浙江工业大学（Zhejiang University of Technology，以下简称ZJUT， http：//www.zjut.edu.cn/）是一所典型的地方工科院校，而ZJUT志在发展成为一所具有区域特色的综合性研究型大学，因此是不适宜开展纯粹的职业技术教育的。然而只依靠提高教师的水平只是解决问题的一个外在因素，提高学生的学习积极性才是解决问题的内在因素。尽管各种教学改革方案层出不穷，但是绝大部分课堂仍然是传统的填鸭式授课，原因主要是很多大学物理课授课是统一要求的，特别是还有教学督导组的监督，因此如何在上述框架内仍然能够有效的调动学生热爱大学物理是一个难题。本文作者曾于2016.3-2017.3期间受国家公派资助在美国爱荷华州立大学（Iowa State University，ISU， https：//www.iastate.edu/）从事了一年的访问研究，该校是一所以工科见长的地方高校，2017 US NEWS世界大学排名177，笔者亲眼目睹了该校的基础课的授课过程，期间也认真聆听了本科生的基础课，据说物理课是学校很重视的一门课，学生也早已意识到物理课是自然科学的基础。ZJUT和ISU均是工科为主的地方高校，ZJUT在国内高校排名为100名左右，因此两者具有一定的可比性。本文将从几个方面对照分析中美两国高校的教学情况并提出培养并提高学习物理学积极性的一些举措。

2 教学内容的具体比较

2.1 学分的设置

适当提高大学物理在课程设置中的的学时和学分，只有这样才能让学生认识到这并不是一门可有可无的课。目前ZJUT普遍的趋势是减少公共大学物理课的学时，增加专业课的学时，这样的安排对于学生的就业是有立竿见影的效果的。比如ZJUT的物理学系，为本科生开设了光学，激光物理，光学设计，物理光学和应用光学等多个专业课程。在欧美发达国家，大学物理课往往要学习两年，而在我们国家很少有这样的学校，大多学校只学习一年，并且实行了分类培养，即不同的本科专业学习大学物理以及实验课程的学时均不同。但是仍然面临着共同的问题就是学生对学习基础课的认识不够，兴趣不高等共同的问题。

适度的增加研究生助教的学时量，将会有效的降低任课教师的教学时数，目前ZJUT在研究生助教方面还处于探索阶段，毕竟该校博士研究生太少，仅有少量的硕士研究生承担部分助教工作。ISU的大学物理实验课均是由低年级的博士生授课。ISU由于没有体育课和外语等课程，所以学生的时间就充裕了很多。助教可以增加与学生接触的机会，因而可以引导学生树立考研等进一步深造的规划。

2.2 考查方式的异同

ZJUT的大学物理实验课程最后统计分数的时候包含三部分，分别是平时训练分，操作考试分，理论笔试分，每项约占总分的三分之一。而ISU则只有平时分，因此授课教师更能根据学生对不同类型的实验的掌握程度综合的评价其总分。ISU大多是低年级的博士生讲授大学物理实验课，ZJUT则由资历较浅的教师完成。ISU的课程管理上十分细致，体现了服务的本色。ZJUT的很多工作则需要由任课教师去完成，管理人员则体现了官本位的角色。ZJUT的大学物理实验室负责管理的人员较多，而ISU则较少，ZJUT管理人员则负责统一开门，统一关门，ISU则没有这样的现象，任课教师的主动权更多一些。ISU的授课侧重在实验测量过程中理解物理，享受物理，加深对物理的认识，是学习物理的过程，ZJUT则倾向于应试教育，为了考试拿到学分而学习物理，反映了不同的教育理念。ISU希望学生再现物理学家科学研究活动的过程，重温物理学家科学思想的精髓，科学测量的精湛和巧妙，情感投入较多则令学生带着崇敬的心情学习物理实验。ZJUT的学生课堂比较放松，很多学生则开小差玩手机游戏等，这也与学生的层次参差不齐有关。尽管ZJUT每堂课结束后教师要签字确认所测量的实验数据，但是抄袭其他同学数据的现象仍然不可避免。

2.3 授课教师的业务水平

接下来结合笔者的所见所闻谈一下大学物理理论课的授课状况。西方发达国家的教师授课制度有很多值得借鉴的地方，即不管是什么级别的教授均要给本科生授课，而刚刚走上工作岗位的博士则鲜有机会站在讲台授课，这一点在ISU体现的尤为明显，ISU物理系有位杰出教授Kai-Ming Ho （https：//www.ameslab.gov/users/kmh，笔者在其课题组内学习一年），他发表的学术论文已被引用几万次，但是仍然要给本科生讲大学物理课，不能由课题组内的年轻教师代替上课。ZJUT资历深的教授往往不上大学物理课。ZJUT的教授们认为上本科生的基础课是能力低的表现，要上研究生的课。ISU的教师在授课之余因并无行政资源可以获取，即使是系领导也无实权决定很多大事，只好安心从事学术研究，提升自己的学术水平并获得科研经费的资助，进而可以招收到研究生和博士后。

ZJUT的大学物理课尝试通过布置科研论文的形式来计算学生的平时分数，这显然是不切实际的。ISU的本科生若对某位教授的科研方向感兴趣就可以进入其课题组深入学习，因而本科阶段有机会深入学习科研的基本技能和方法，ZJUT这种现象很少。ZJUT组建了实验班，即集合全校优质生源组建了一个非实体的健行学院，人数较少，讲授大学物理使用英语课件，由于超出了部分学生的能力范围，所以很多学生不得已中途转班。个别学院如计算机学院也推出了实验班，但是学习大学物理实验课仍然和其他的学生一起完成，并没有特别的地方。

ZJUT的很多办学思路都是向浙江大学看齐，我校督导组教师始终认为基础课是可以和浙江大学比较的，专业课无法比较。笔者近些年的体会发现部分督导组成员仍然有失职失责的现象。ISU没有实验班，体现了公平公正，办学思路采用通用的方法，不拘泥于学习某一所著名高校的办学思路。

笔者在ISU时则发现该校教师比较侧重个性化教学，崇尚理论联系实验，对于教师的授课方法别人无权干涉。通过ISU和 ZJUT授课教师的比较发现ZJUT需要提高教授从事大学物理和实验课的比例，ZJUT需要加强教师和学生之间的沟通和互动。ZJUT需要改进督导组的业务水平和工作态度。ZJUT应设法提高教师授课的激情和热情，而不是机械式和呆板的授课模式，缺少人文气息以及輕松愉悦的氛围。教授是高等学校教育事业的核心，也是最有能力做好基础课教学任务的群体，应在政策上约束其承担一定的基础课教学任务。ZJUT已经加大了对青年教师的教学培训和科研导师制的支持，开辟了青年教师导师制这一师徒结对的形式进行传帮带的活动，初衷尚可，但是效果如何还有待时间的检验。

笔者在听ISU的物理课时发现几乎没有学生课堂低头看手机，而是集中精力听课，ZJUT的学生低头长时间看手机的学生相对较多。ZJUT的大学物理课则很少与学生互动，原因之一是课时少，内容多。而快速的讲解一遍，学生则听不懂，学期末学生对教师的网络评价则很低。对于国外较为流行的课堂即时应答系统（Personal Response System）等侧重过程评价的技术在地方院校由于种种原因暂时尚无能力实施。

2.4 人文情怀教育的重要性

想尽一切办法提升物理科学的魅力和物理学家的科学贡献，让学生始终徜徉在科学的海洋中，也不失为一个有效的辅助手段。营造校园以及教室科学文化氛围，创设物理文化情境，大力宣传物理科学知识，增强学生对科学家的崇拜，这些均十分有利于培养学生的科学兴趣。目前虽然网络已经普及了，但是ISU校园内路灯的杆子上始终张贴着上一年工作完成出色的教师的简介以及所取得的科研成果的描述。ISU校园内张贴了很多学校的辉煌历史的简介，如该校物理系大门口竖立着一个牌子，写的是该系研制成功第一台电子计算机，还有第一台打印机，如由ISU负责运营的美国能源部的Ames实验室（https：//www.ameslab.gov/）就座落在该校园内，其中Ames实验室的5栋大楼均是由为该实验室做出突出贡献的物理学家的名字命名的（如Zaffarano Hall，Wilhem Hall），而且该实验室在二战时期参与了“曼哈顿计划”，为美国的原子弹研制提供了浓缩的铀，为二战的胜利做出了重要贡献。ZJUT目前的“子良楼”则是由实业家张子良先生捐资建成，“邵逸夫科学馆”也是由实业家捐款建成。ISU的图书馆则是由实业家捐资建成。ZJUT尚无使用科学家的名字命名的教学大楼。

ISU校园的西北角有一片墓地，是纪念为该校做出杰出贡献的教师而设立的，此举极大的提升了教师的归属感，也将教师的灵魂永远的留在了学校中。ISU物理系大楼内部陈列着很多教师自己研制的教学仪器，编纂的物理教材，每一位教师的照片。为了验证这种现象是否为普遍的行为，笔者仔细查看了化学系大楼，材料学系大楼，机械学系大楼等校园内部多栋大楼，发现其中化学系大楼内部的装饰更加让人感觉如同置身于科学史的殿堂中，如化学系教师自己研制的很多玻璃仪器均放在走廊内，教师们所获得的各种科学奖章以及教师们首次合成的化学物质等均放在小盒子内一一陈列，该楼的名字为Gilman Hall，就是为了纪念化学家Henry Gilman而命名的。近些年ZJUT也在校园物理文化建设方面取得了较大的进步，如受聘我校的诺贝尔物理学奖获得者Wilczek教授每年10月都会来我校开展为期一周的专题讲座[1]，Wilczek教授的讲座总是座无虚席，这表明学生在内心深处还是渴望得到大师的教诲的。ZJUT兼职教授黄大年心有大我，至诚报国的胸怀，催人奋进，令人感动。

物理学有直接可以体验到和想象到的美，如霓与虹以及隐藏在其后的简练的物理规律，这些美丽的自然现象深刻的折射出物理学的美，正如英国著名诗人布雷克（William. Blake， 1757-1827）的几句富含极高物理境界的诗句一样，

To see a world in a grain of sand，

And a heaven in a wild flower，

Hold infinity in the palm of your hand，

And eternity in an hour.

从这些美妙的自然现象中我们可以看出大学物理教学绝非只是为了专业课服务，而是培养一个人科学文化情怀的不可替代的课。由于ZJUT实行统一教学的模式来管理所有的教学班级，因此教师在授课时很少有时间培养学生的人文精神，况且教学督导组经常来监督，并且他们有直接向校长汇报课堂教学效果的权利，因此教师们普遍按部就班的教学。ISU的大学物理课堂侧重问题启发式和讨论等形式授课，因此有较多的机会向学生讲解物理学的发展简史，由于授课的教师普遍都是各自研究领域内有较高造诣的学者，因此教学能力是过硬的。本人在ISU旁听大学物理课期间询问过几个本科生是否听说过吴健雄这个实验物理科学家的名字，他们当中至少有相当一部分学生听说过，这显然与他们的授课方式以及学生们经常阅读物理学书籍有很大的关系。ZJUT的学生将更多的精力投入在做题等与考试直接相关的事情上，这显然是与学校的教学规划有关，而ISU的学生则将接受高等教育看作人生经历的一个必然阶段。

诺贝尔物理学奖获得者杨振宁教授给清华大学的本科生上基础课的行为本身就说明了这是一门重要的课。杨振宁教授非常精辟的总结了国立西南联合大学取得成功的主要原因[2]。国外普遍认为大学物理基础课比专业课难讲，因而需要由阅历丰富的教师主讲，而国内则恰恰相反。

ISU则对从事基础课教学任务的教师从事定期的学术休假制度，而ZJUT等国内高校只有教授才能享受这样的制度。ISU侧重教师的教学水平，重过程，而ZJUT则严格考評教学工作量，重结果。营造崇尚学术的育人环境是需要身体力行而不是只在墙上挂上该教授的照片和若干句名人名言。四川大学芶清泉教授[3]在其80多岁高龄时仍然坚持协助指导研究生，在其95岁临终时（1917-2011）仍然交代其未完成的学术论文，由此可见其热爱科学的崇高精神多么值得我们敬佩，这样的学术大师对学生科学品质的的影响是深远的，对提高学生热爱物理的热情是终生的，笔者第一次聆听芶清泉的报告时心情异常激动，这就是伟大科学家的人格魅力。晚年才获得诺贝尔奖的波恩是培养学生中获得诺贝尔奖最多的导师，波恩形成了一个学派与波恩严谨朴实以及无私的人格不无关系，也与其独特的授课方式（“seminar”的形式[4-5]）有关。

2.5 科学原理的独特魅力

传授物理学基本原理的过程必然离不开其形成和建立的科学背景和社会发展状态，因此讲解物理学基本原理必然离不开物理学史的再现以及这些物理学家的思维模式和人文素养等方面的文化属性。ISU的教学活动通常会融汇贯通一些历史事件，其实也在无形中将物理学的文化属性和哲学特性一并传授给了学生。而ZJUT则很少提及这方面的背景知识，主要是授课教师本身可能也不知道这些史实资料，另外就算知道可能也无法体会出其特有的价值以及内涵，尤其是物理学美的一面。ISU则是侧重基于问题启发式的教学，具有引导学生一步一步深入学习的动机，并且每前进一步总是把科学背景讲述的很清楚，仿佛有身临其境的感觉。美国物理学家费曼的物理学讲义很受欢迎，原因就是该教材对物理学概念的讲解是通过很多比喻、类比、联想等方式展开的，看起来是很不严谨的教材，但却使得学习者在理解物理概念时变的轻松容易了很多。笔者在ZJUT授课多年对这种教学方法深有体会，如热力学中有一个物理概念“熵”，将其比喻为“混乱度”就容易理解的多，一下子就彻底明白了其物理内涵。为了使得学生彻底明白entropy为什么就翻译成熵，需要具体讲解说明这是由我国著名物理学家胡刚复教授翻译过来的，因为S=Q/T即热量和绝对温度的商是德国科学家克劳修斯提出的并命名为entropy的一个概念，而考虑这是与温度和热量有关的物理名词，即在商前加上一个火字就形成了熵[6]。entropy本是克劳修斯用定义为“转换”的希腊语“τροπη”为S命名，在其德文中同音字为entropie，对应的英文为entropy。这些讲解对刚接触大学物理的学生来说至关重要，因为简答的讲解就揭开了物理学神秘的面纱，就让学生彻底明白我们接下来要研究的是能量转换方面的问题，使得学生抓住了问题的主线和实质。由此可见纯粹的教学不搞科研是很难教好学生的，而ZJUT目前成立了专职大学物理教学团队，专门从事基础课教学任务。ISU则没有成立专门的教学团队。

2.6 物理科学精神的传播对学生信念的影响

通过阐述物理学家多年如一日的刻苦劳动，侧重向学生说明任何科学理论的发现和建立都是经过了漫长的过程。水银液体上做否定以太的实验科学家坚持了几十年甚至一辈子，爱因斯坦建立相对论和量子力学的统一花费他整个后半生，但还是失败了，居里夫人从几十吨矿石中提取出1克镭，开普勒的导师几十年如一日的观测星体的运动规律，日心说和地心说的确定，等等。陈述科学家发现科学原理的过程，可以培养学生的科学历史和科学文化的知识，揭示科学原理的科学背景，洞悉科学家的思维过程，阐明科学原理的发展脉络，为从宏观上和整体上把握所要教授的科学知识做好铺垫，也可以培养学生吃苦耐劳的精神。物理学史是由物理学家的科学活动构成的，通过讲述物理学家对真理和科学的孜孜不倦的追求，侧重说明知识发现的过程，科学原理的内在规律，培养学生的创造性思维。ISU将科学家的科研成果以实物的形式展现出来，是最有说服力的表现形式，ZJUT教学楼走廊内尚无这方面的展示。

2.7 教学环节的互动

ISU的大学物理课堂虽然采用了很多现代的教学方法，例如实时应答系统，小组讨论回答问题的办法，这样的话无形之中就挤占了很多教学时间，因此教师在授课过程中特别注意教学过程的取舍，即有的简单的公式推导则要求学生课后独立完成，课堂上则直接给出结果，而有些复杂的公式则详细的演示推导过程，并不断的讲解其中的思想和意义，由于大学物理课公式推导相对较少，因此课堂节奏很容易把握。ZJUT的大学物理课由于课时相对较少，加之授课内容较多，主要采用学生非常欢迎的PowerPoint的形式授课。ZJUT虽然平时分在总分的权重上提升到了50%以上，但是由于考试更能体现公平公正，再加上要求统一教材，统一考试等原因，所以平时分较高权重比例的优势尚未完全发挥出来。ISU的考试则没有那么严格，往往是任课教师自己出题考试，在结合学生的作业的完成情况，综合评定学生的成绩。

2.8 服务机构的理念

ISU服务的理念细致入微，行政人员通过邮件、手机短信等一些手段及时的将教学和生活信息通知到每位学生，教学楼走廊里免费提供电脑和打印机等学习必需品。ZJUT则更多注重教学规范，注重的是本科教学，思想教育的工作则由辅导员完成。美国哈弗大学的校长Derek Bok对这方面有极其详尽的阐述[7]。

在ISU后期管理人员也尽最大努力为师生做好保障工作。如冬天下雪季节校园内所有人行道上均撒满了细沙子，防止行人滑倒，清雪车更是第一时间将学校内部所有街道清理的非常干净，为骑自行车的学生提供便利，晚间校园内每一栋楼都有保安排查是否有安全隐患，校园内部所有车辆在遇到过街人行斑马线的时候无论是否有行人通过都要停车至三秒，仔细查看确保安全后再通过。笔者经常开学初第一节课下课后就给ZJUT的管理人员反映需要调节投影机的分辨率，更換话筒，更新电脑软件，几乎均是一个学期也无人来修理，有一次督导组的教师听完课以后问我：“你怎么连积分符号都写反了，太粗糙的课件了”，实际上笔者每次上课之前的头一天晚上都是再仔细的查看一遍课件，由于版本不兼容才导致出现了这样的问题，类似的现象比比皆是。

2.9 外部环境的影响

ISU在职称晋升时特别强调基础课的授课情况，而ZJUT从2012年开辟的教学为主型、教学科研并重型和科研为主型的教授/副教授的晋升通道，前两者也考核教学完成情况，强调的是数量，ISU则重质重量。孤立教学与科研同样是不可取的。

ZJUT通过有限的物质奖励无法调动教授从事基础课授课的积极性。美国高校早期对待本科生教育的状况和我们国家现在的部分高校极其类似，然而由于受到社会纳税人以及政府的指责和施压，美国的学校才将本科教育作为高校的灵魂工作，一切工作都是为了更好的完成本科教育。ISU的教学与科研的关系已经处理的很好。在我国高等教育大众化的时代，基础课的教学更加显得重要，需要由经验更加丰富的正教授担任。

ISU等美国高校教师之间的收入差距很小，因此外在的因素对教师的影响很小，教师将教学视作一种乐趣。美国获得诺贝尔奖的教师同时从事教学与科研工作。ZJUT在2016年首次推出教书育人贡献奖和优课优酬奖等。浙江大学也推出了类似的奖项，获奖的是实实在在的有名望的教学名师。ISU等国外高校的评奖多是第三方机构评选，并且ISU很少有各种名目的评比，而ZJUT均是层层推荐，领导签字确认。ZJUT部分教师普遍存在这样的心态，即搞科研是给自己搞的，搞教学是给别人搞的。清华大学物理系要求最优秀的教授必须给本科生上基础课作为一项纲领性的文件在系内早已明确下来[8]。

小结：本文从多个方面系统的总结比较了浙江工业大学和美国Iowa State University两所地方工科院校的大学物理课和物理实验课的基本情况，初步探讨了教学方法，教育特征，教师的授课情况，对于了解和研究中美两国本科基础教育提供了有价值的参考，为改进和完善现存的问题提出了基本的设想。

【参考文献】

[1]徐志君，施建青.大学物理课程研究性学习模式的构建 中国大学教学[J].2016，4：36-39.

[2]厚宇德.杨振宁看待西南联大成功的一个新视角，科技导报[J].2017，35（2）：93.

[3]朱正和.纪念芶清泉教授诞辰100周年，原子与分子物理学报[J].2017，34（2）：174-176.

[4]厚宇德.波恩与哥廷根物理学派[M].北京：中国科学技术出版社，2017：173.

[5]厚宇德，邢鸿飞.《对波恩及其学派的系列研究》连载？[J]，大学物理，2016，7：60-66.

[6]胡刚复.热力学第二定律和熵的概念[J].科学.1923，8：515.

[7]德雷克·博克.回归大学之道[M].上海：华东师范大学出版社，2008：96.

[8]朱邦芬.回归后杨振宁先生所做的五项贡献[J].物理，2017，46（9）：573-581.