以“科研引领实验教学”理念，推动物理实验教学的改革和团队建设

李 智，张朝晖

(北京大学 基础物理实验教学中心，北京 100871)

传统的物理实验教学基于“做实验学物理”的基本理念，围绕既有的物理理论，安排学生完成一系列的验证性实验来学习理论、实验技术和方法. 这种教学模式下学生可以比较扎实、全面地掌握相关的基础物理理论和基本实验方法，但是也存在一些明显的缺陷和不足：从学生的角度看，传统实验教学模式对学生的科研与创新能力培养重视不够；从课程内容的层面看，传统的教学模式难以跟上不断发展的新理论和新技术；而对于从事实验课教学的教师来说，传统的实验教学内容和模式不利于教师将自身的科研优势更好地转化为教学优势. 针对以上问题，并结合学校的实际情况，北京大学基础物理实验教学中心近年来探索以“科研引领实验教学”理念，推动物理实验课程建设，在本科生科研创新能力培养、实验课程体系完善、教师队伍建设水平提升等几个方面都取得了比较好的效果.

1 挑战与机遇

近年来，随着国家对一流大学建设的大力投入，各个大学对科研的重视程度空前提高，纷纷以建设研究型大学为目标. 研究型大学融入国际化的竞争，把提升本身的科研实力放到头等重要的地位. 前沿科学研究的巨大投入和产出深刻影响着学校建设和发展的方方面面，也对基础课的教学形成巨大的压力，传统的教学理念和教学模式遇到了一系列的困难和挑战. 蓬勃发展的科研，特别是本科生科研创新活动，倒逼传统教学进行改革、创新，教学和科研的紧密融合成为基本的发展趋势.

长期以来，物理实验教学一直是大学本科教学的重要组成部分，并形成了实验教学中心的教学组织形式. 专职的实验教学队伍为稳定教学秩序、提高教学质量、推动教学改革做出了重要贡献. 然而近年来，在优化资源配置、加快科研创新的大学发展浪潮中，专职教学队伍面临转型压力，从教学型向教学科研型成为发展的必然趋势.

面对以上挑战，一种比较好的解决思路是以“科研引领实验教学”理念，推动物理实验教学的改革和团队建设. “科研引领教学”在西方发达国家的高水平大学是比较成熟的模式，但在中国却刚刚开始发展，原因是国内的大学正在由教学型向教学科研型过渡，科研的规模和水平尚未达到国际顶尖，更没有形成“科研引领教学”的自觉意识和运行机制. 特别值得注意的是，目前国内的科研活动往往有较强的功利色彩，导致科研对教学的冲击常常大于它对教学的促进. 因此，在转型期，实验教学中心就必须积极应对、主动调整，全面融入到研究型大学的建设中. 具体的做法包括引入研究型的教学模式、建立研究型的教学平台、发展研究型的教师队伍等，做到既能使长期以来形成的实验教学核心队伍得到保存和发展，又能够站在科研的高端开展高水平的实验教学. 换一个角度看，国家的一流大学建设在给实验教学中心带来种种挑战的同时，实际上也为实验教学中心的发展提供了良好的机遇：国家对教育的投入力度不断加大，教学经费越来越充足，为实验教学中心的发展提供了必要的客观物质基础；研究型大学的建设使得越来越多的教师具有雄厚的科研背景，为实验教学的发展提供了良好的人员基础. 因此，抓住上述机遇，积极应对挑战，用“科研引领实验教学”理念推进科研和教学的全面融合，推动物理实验教学的改革和团队建设，是实验教学中心发展的重要思路.

2 探索与实践

20世纪50年代初，北京大学物理系学习当时苏联的教学经验，以专业人才的培养为目标，安排了从普通物理实验逐步深入到专门物理实验，最后进入到专门化物理实验的实验教学体系，其总的目的是“介绍给学生用实验的方法研究物理学”. 文革后，大学教育开始了新纪元. 改革开放，社会转型，特别是面对国际上科学技术的飞速发展，专门化的人才培养模式难以应对社会的实际需求. 于是，北京大学物理系逐步取消了各种专门化教学单位，开始实行大物理的宽口专业培养模式. 在这种形势下，形成了取代专门和专门化实验的近代物理实验课程，相应的实验教学体系调整为由普通物理实验和近代物理实验这2个层次组成. 30余年来，随着科技的发展和国家投入的增加，普通物理实验和近代物理实验的课程内容、仪器设备和实验室条件都在随之不断提升和完善. 然而，作为基础课，两者依然保持着传统实验教学以验证性实验为主的基本特征，突出“做实验学物理”的传统教学理念，对培养学生的科研探索能力和自主创新能力重视不够，使学生在进入具体科研工作时常常面临较大的困难. 另外，这种宽口教学模式对不同基础、不同能力的学生缺少差异化、个性化的培养方案，难以同时满足不同学生的不同需求.

针对上述传统实验教学模式的缺点和不足，北京大学基础物理实验教学中心曾尝试了各种各样的改进方式，比如采用学生自主设计实验、引入探索型的综合实验以及在教师指导下让学生重复科学前沿的最新实验等方法. 为了不影响正常的教学秩序，将上述种种类型的新实验统一纳入到一门综合物理实验课程中，本科生在完成正常2学期的普通物理实验课程之后，可以根据个人意愿选修综合物理实验课程，并选择自己感兴趣的课题，然后在教师指导下，用1个或2个学期的时间完成课题. 以上尝试取得了非常好的效果，多年来累计新开展的实验题目多达几百个. 特别是最近几年，在“科研引领实验教学”理念的指导下，实验中心开始尝试面向物理学研究的前沿，重新审视和发展物理实验教学，将“实验物理”的科研模式转化为“课题研究型实验课程”的教学模式，选择开放性的研究课题，并在实验中强化学生的自主探索，实验中心逐渐将综合物理实验课程发展为课题研究型实验. 相比传统的实验课程，这些开放的课题研究型实验能更好地调动学生的积极性和主动性，并且能更好地培养学生的科研探索能力和自主创新能力，是对以加强基础为主要目的的传统实验教学活动的重要补充. 为了有力支持这一教学模式的发展，在具体实践中积极鼓励教师建设研究型的创新实验教学平台. 由实验中心提供必要的实验室场地和部分配套经费，教师结合自身的科研基础和优势建立自己的研究型创新实验教学平台，几年来先后建成了“混合物理化学气相沉积技术及应用”、“颗粒物质的物理与实验”、“光的力学效应及应用”、“周期性弦链振动系统的物理与实验”、“微流物理及芯片实验”、“纳米科技中的探针成像技术及应用”、“金属微纳光子学研究”等多个创新实验教学平台. 这些创新实验平台的建成，有力支持了研究型实验课程的教学活动，同时也对教师自身的科研发展有很大的帮助. 以这些创新实验平台为基础，激励教师进行研究性的实验教学创新，并大力支持优秀本科生的研究性实验探索. 为进一步深化研究型物理实验教学，强化“科研引领实验教学”的理念，实验中心还配套购置和改造了科研级的大型仪器设备，如JEOL200CX型透射电镜、KYKY-EM3200型扫描电镜、HoribaJYLabRamHR800型显微拉曼光谱仪，并自建了超高真空-分子束外延-低温STM-四探针STM-拉曼光谱多功能实验系统等. 依托这些大型仪器设备，将现有的各个创新实验平台逐渐整合为面向凝聚态物理和现代光学2个方向的2个大的创新课程平台.

除了在普通物理实验层面上发展起来的综合物理实验课程，实验中心近年来还积极建设了近代物理实验层面上的前沿物理实验课程. 文革前的物理实验教学从简单的普通物理实验一直延伸到复杂的专门化物理实验. 面对新形势，借鉴这样的传统教学安排，实验中心推动了前沿物理实验的课程建设，以前沿物理实验的课程安排弥补现行教学体系的不足. 前沿物理实验是继近代物理实验(1)之后、与近代物理实验(2)并行开设的研究型实验课程，历时1个学期，供近代物理实验(1)成绩优秀的学生选修. 课程采用科研一线教师指导学生做课题研究的教学模式，要求学生围绕实验内容丰富的热点科学问题，以国际高水平的研究文献为教材，想方设法重复选定文献的实验内容，完成验证性的实验工作，并对所验证的工作进行综合性的评述，以此引导学生学习前沿科学研究最新的实验成果、科学思想、研究方法与实验技术. 在此基础上，鼓励学生与指导教师紧密合作，争取做出创新性的研究成果. 课程中指导教师在以下几个环节全程指导学生的研究工作：1)精读文献，设计重复实验的方案；2)实施所设计的实验方案；3)总结、评述，发现新的科学问题；4)深化实验，争取创新性成果；5)完成课题研究的书面和口头报告. 通过在前沿物理实验中对实际科研题目的直接参与，学生做课题的过程中可以经历真正的科研训练，不仅学习到科学前沿最新的理论、技术和方法，同时也很好地锻炼了科研能力和创新能力. 这种教学模式可以在很大程度上弥补以加强基础为主要目的的传统实验教学活动的不足，尤其是对特别优秀的拔尖人才培养具有重要的意义.

通过综合物理实验和前沿物理实验选修课的开设，北京大学基础物理实验教学中心不断探索培养优秀拔尖学生的物理实验教学模式，逐渐形成了如图1所示的实验教学体系. 这个教学体系将主干的实验教学分成2个基本通道A和B以及A和B之间的2个交叉通道.B通道保持从普物实验(1)(2)到近物实验(1)(2)的传统实验教学安排，满足面上实验教学的基本要求，该通道遵循“加强基础、循序渐进”的基本思想. 而A通道相比B通道看上去仅用综合物理实验和前沿物理实验分别取代普物实验(2)和近物实验(2)，实际上引入了2次选拔-选择机制，即普物实验(1)和近物实验(1)成绩优秀的学生可以分别选修这2门新设的实验课程. 期待A通道成为培养优秀拔尖学生的标志性的实验教学环节，同时自然地向学生开放了2个通道之间的转换选择，从而达到“因材施教、全面提高”的效果. 另外，鉴于部分参加国际中学生物理奥赛和亚赛的学生在进入北京大学之前已经做过绝大部分的普物实验，在他们做普物实验的时段为他们安排了科研专题的研究型实验. 而在近代物理实验(2)的时段，为满足部分专业的特殊培养需要，还安排了可以替代近代物理实验(2)的激光实验、核物理实验等.

图1 北京大学基础物理实验教学中心现行的物理实验教学体系

3 成效与展望

北京大学基础物理实验教学中心以“科研引领实验教学”理念推进科研和教学的全面融合，调整课程体系，推动物理实验教学的改革，取得了显著的成效.

在物理学本科人才培养方面，调整后课程体系中的B通道有效保证了面上教学的传统品质，延续了传统教学模式在加强基础方面的优势，典型的成果体现是：在全国大学生物理实验竞赛中，北京大学每届都有多名参赛学生获得一等奖，这是对实验教学成效的一个标志性评价. 另一方面，调整后课程体系中的A通道有效加强了对优秀学生的特殊培养，显著提高了优秀学生的科研创新能力，典型的成果体现是：在综合物理实验和前沿物理实验的课题研究中，教师指导本科生为第一作者的研究论文成功发表在NanoLetters，Nanoscale，AppliedPhysicsLetters，OpticsLetters等国际重要学术刊物上[1-4]，为物理学院的拔尖人才培养做出了突出贡献，选修A通道课程的大部分同学在本科毕业后均顺利申请到哈佛、斯坦福、麻省理工、加州理工等国外顶尖高校深造.

在实验教学教师队伍建设方面，研究型的A通道课程有效吸引了物理学院很多科研一线的教师投入到物理实验教学工作中，并积极倡导科研模式的实验教学方法. 同时，研究型的A通道课程建设还极大促进了实验中心的专任教师队伍从教学型向教学科研型转变，特别是研究型的创新实验教学平台建设，有效支撑了中心教师的科研发展，使中心的年轻教师快速成长，获得可喜地提升. 典型的例子是，在北京大学物理学院职称晋升的激烈竞争中，青年教师杨景于2015年晋升为副教授，青年教师李智、廖慧敏于2017年分别晋升为教授和副教授.

在新实验教学仪器研发方面，上述研究型课程积极促进教师将本人的科研成果转化为实验教学仪器，建立基础物理实验教学与前沿科技的直接联系. 典型的例子有：2014年，实验中心的周路群、贾春燕、冉书能、刘国超老师研制的非线性热对流斑图测试仪荣获第3届全国高校自制实验教学仪器设备评选一等奖，该设备已经应用到近代物理实验课程的教学中，并与北京杏林睿光公司签订了专利许可转化协议，力图向全国高校推广；另外，在2016年，实验中心的张朝晖、刘国超等老师研制的多功能拉曼光学显微镜荣获第9届全国高校物理实验教学研讨会实验仪器评比一等奖，并在7个一等奖中排名第一位.

回顾过去，我们的工作还存在着方方面面的不足，但根据近些年来的探索和实践经验，总体来

说我们认为，以“科研引领实验教学”理念推动物理实验教学改革和团队建设，是一条行之有效的思路，也符合国际一流大学的发展趋势. 展望未来，我们也将继续深入实践这一理念，并对一些具体实施方式进行不断调整和优化. 比如对于学生来说，基础训练和创新实践实际上是相辅相成、缺一不可的，脱离基础空谈创新更多只是一种空中楼阁，如何更好地在加强基础和科研创新间获得平衡，如何更好地调整传统课程和创新课程间的关系，使2类课程都能够更好地发挥各自的优势，还需要在未来的实践中去进一步探索. 另外，如何在现有基础上继续实验教学核心队伍的保持和发展，以及如何进一步吸引学院的优秀人才更多地参与到实验教学工作中等等，都还需要学校在配套政策和运行机制上进行相应的支持.

[1] Yao Wenjie, Liu Shang, Liao Huimin, et al. Efficient directional excitation of surface plasmons by a single-element nanoantenna [J]. Nano Letters, 2015(15):3115-3121.

[2] Song Xueyang, Zhang Zhengxing, Liao Huimin, et al. Efficient unidirectional launching of surfaceplasmonsby a cascade asymmetric-groove structure [J]. Nanoscale, 2016(8):6777-6782.

[3] Zhang Yifei, Wang Heming, Liao Huimin, et al. Unidirectional launching of surface plasmons at the subwavelength scale [J]. Applied Physics Letters, 2014(105):231101.

[4] ChenBo, YangJing, HuChuang, et al. Plasmonic polarization nano-splitter based on asymmetric optical slot antenna pairs [J]. Optics Letters, 2016(41):4931-4934.