物理类课程实践环节设置研究——以麻省理工学院、加州理工学院、苏黎世联邦理工学院为例

李春燕，银 燕，余同普

（国防科技大学 理学院，湖南 长沙 410073）

引言

一流本科课程建设注重培养和训练学生解决实际问题的能力，旨在让学生学有所获、学有所用，而实践活动是其中重要的实现手段，因此，国内高校在教学大纲和人才培养方案中对实践活动做了具体要求。譬如，规定理论课与实践课课时占比、要求课堂演示实验套数和次数等。物理类课程包括低年级学生的物理基础公共课程以及物理系开设的专业课程，是高水平大学理工科学生的重要学习内容。然而，这些课程普遍具有内容抽象、理论性强、学生学习兴趣和积极性不高等问题。另外，随着科学技术的迅猛发展，学生获得信息和知识的方式趋于多样化，学习方式也在发生变化，这为课堂教学带来巨大的挑战。如何适应学生的变化，充分利用新技术，在物理类课程中更为有效地融入实践内容，提高学生的学习兴趣和学习成效，尤其是提高学生利用物理知识解决实际问题的能力，是国内外物理课程建设面对的共同课题。

本文选取2023年QS世界大学排名前十位的三所理工类大学：麻省理工学院、加州理工学院以及苏黎世联邦理工学院作为案例，对其物理系开设的所有课程进行详细梳理，总结其实践内容设置的基本模式和特点，并结合国内高校物理课程建设的实际情况，提出一流物理课程建设中实践环节设置的具体建议［1-3］。

一、三所世界知名理工大学物理类课程实践环节设置模式

三所世界一流理工类大学物理类专业课程基于提高学生的学习积极性、发挥学生的创造力设置实践环节，主要包括以下三种模式。

（一）案例式教学法

案例式教学法从美国高校发源，在世界各国教育界推广［4］。案例直接反映知识应用，包括问题提出、分析到最后解决的全过程。利用案例搭建知识和应用的桥梁，通过生活的例子让学生在应用知识的同时，既能提高学习的兴趣，又能加深对知识的理解，这与我们现行的新工科建设目标一致［5］。三所高校案例式教学具体呈现方法如下。

1.设计与学生专业密切相关的应用案例。譬如，苏黎世联邦理工学院物理系在面向电气工程与信息技术专业学生开设的量子力学相关内容中，整合了工程学科的相关案例；加州理工学院在“波、量子力学和统计物理学”课程讲授中，介绍了其基本概念在电信和能源技术等领域的应用。

2.提炼物理知识前沿应用案例。以加州理工学院物理系设置的课程为例，几乎所有理论课程都将前沿技术应用作为重要内容写在课程介绍中，如在“原子和光子”课程中灵活加入了超冷原子、原子钟等前沿研究进展内容。

3.围绕具体问题设置课程。加州理工学院的“数量级物理”课程，通过具体例子介绍使用基础物理知识理解复杂系统，课程案例选自材料科学、大气学、天体物理学、生物力学等多个学科门类。

（二）实验式教学法

以实验或模拟等直观的形式向学生展示物理图像，有助于加深学生对基础知识，尤其是较为抽象概念的理解。调研的三所高水平大学在理论类和实验类物理课程中都非常重视实验内容的安排。

1.数量多、种类广的实验类课程设置。麻省理工学院和加州理工学院的通识课中都对物理实验部分做出要求，苏黎世联邦理工学院物理系本科生需要在大一完成数学、物理基本理论课程学习之后，每年以实验课或专业讲座等形式参加更多的实践活动。表1是加州理工学院物理系面向本科生开设的实验课程，据此可以看到其物理系开设的实验课程种类和数量。

表1 加州理工学院物理系开设本科生实验课程

2.丰富的演示实验资源。麻省理工学院“物理Ⅲ（振动与波）”课程资料显示，24次课共包含43套课堂演示仪器，几乎每个知识点都有对应的演示实验。这些丰富的演示实验来源于工程应用、生活实际，甚至前沿探索，为学生掌握物理基础理论、理解和运用物理原理奠定了坚实基础。

3.创新教学模式，强调理论实验结合。譬如，麻省理工学院面向全校学生开设的物理课程，使用了技术支持与自主学习（简称TEAL）这一新的课程模式，利用桌面实验和计算机仿真计算等手段，让学生在分析问题和解决问题的过程中学习物理基本概念，帮助他们建立物理图像，构筑完善、缜密的知识网络。这种演示实验和师生之间的互动有效提升了学生对基础课程的参与度和自主性，丰富了教学手段，强化了能力培养，也为高水平科学研究打下了基础，因此，成为我国理工科院校物理课程教学改革的范例［6］。

（三）项目式教学法

项目式学习指的是教师提供关键素材，学生根据素材解决开放问题的具体学习过程，通过解决课题的过程培养学生的创新能力。三所学校将项目式实践融入课程的主要表现如下。

1.项目式教学模式改革。麻省理工学院的TEAL教学模式是一种典型的项目式学习模式，教师围绕知识点布置项目，学生通过自主学习，合作分析、解决问题，完成项目。在这个过程中，学生不仅能够学习新知识，还能提高交流讨论和团队合作能力。

2.本科生科研。通过设置研讨型课程或本科研究项目，让学生在研究中培养解决问题的能力。譬如，麻省理工学院设有本科研究项目（UROP）、独立活动期项目（IAP）和新生咨询研讨会（FAS）等，这些活动为本科生提供了接触科技前沿和进行科学研究的机会［7］。加州理工学院物理系针对本科新生开设的研讨型课程，为学生提供了与本校专家学者和教师共同讨论科学前沿问题的机会，能够帮助他们确定未来暑期研究的方向。此外，麻省理工学院还设立了暑期本科生研究奖学金（SURF）项目。学生通过这类课程能够与世界顶尖的科学家一起在一些具有创新性的实验设施中进行科学研究实践。

二、三所世界知名理工大学物理类课程实践环节设置的特色分析

三所学校通过各种模式将实践环节融入物理类课程，为学生理解物理知识、建立物理图像提供了全方位的体验和实践平台，切实让课程为学生未来的职业规划服务。这些学校的物理类课程实践环节设置主要有以下特点。

（一）实践内容与形式灵活多样

三所学校物理类课程围绕知识内容设计了灵活多样的实践环节。“公共基础物理”课程及“普通物理”课程主要采用演示实验及TEAL模式进行讲授，帮助学生理解基本概念，并与实际应用相结合。专业物理课程中的实践内容更重视案例式教学，尤其是对科技前沿应用领域的介绍，以期给予学生最前沿的科学信息。此外，三所学校物理系会根据学科自身优势和学生特点开展灵活多样的实验与实践课程教学。譬如，麻省理工学院物理系为了与人才培养目标相匹配，对不同研究方向的学生设置不同的实验课程，尽量做到因材施教、差异化教学。加州理工学院在“经典力学和电磁学”b部分和c部分中，设置了理论分析和应用两种类型的课程，供不同需求的学生选择。

（二）实践中注重发挥学生的主动性与创造力

三所学校实践活动设置重视学生对活动或项目的主导性，具体体现为项目选题的多样性、研究方式和方法的互补性以及课题研究的团队性，旨在给予学生最大程度的自由。譬如，加州理工学院物理系为新生开设了“音乐科学”课程，学生可以通过自主设计和深度参与课题研究初步体验科学研究的过程。在“电磁学”课程中专门设计实验，要求学生自制分析天平，并用它来测量电线之间的力，研究1 000 V火花的特性；要求学生自己提出方案，构建并研究无线电波发射器和接收器等。在麻省理工学院的TEAL模式课程中，学生不仅要完成教师设定的任务，还要自己设计并完成小型实验。这些自主设计的环节极具挑战性和趣味性，不仅要完成既定的实验过程，对于培养学生的创新能力更具意义，这对国内的本科实验课程教学具有很好的借鉴价值［7］。

（三）与科学研究技术应用前沿接轨

大学的主要目标是培养高水平创新及技术人才，因此，应及时将学术研究和科技发展前沿成果引入课堂，体现课程的前沿性与时代性，扩宽学生知识的广度。上述三所高水平院校都非常重视学生科学研究和创新能力的培养，充分利用基础学科资源，通过融入前沿技术或教师科研成果、开设前沿问题或新技术课程等不同形式开展教学实践，让学生在科研中掌握基础知识，在实践中培养创新能力。譬如，麻省理工学院开设的“量子物理”课程有两位主讲教师，他们结合自己的研究课题调整授课内容，特别是相应的练习和案例：一位教师注重讨论凝聚态物理的应用，另一位教师则专注于散射和共振。2020年初，全世界面临新冠病毒感染疫情，麻省理工学院物理系借此开设了“病毒大流行和免疫”这门新课程，针对不同年级的学生执行不同的教学计划。加州理工学院利用学校在研课题或观测机构公开的免费数据资源开设新形式研讨课，譬如，使用超新星数据测量宇宙的膨胀、用宇宙辐射探测器普朗克的数据研究宇宙背景辐射等，通过这些活动训练学生提取信息进行科学研究的能力。

三、对国内高校的启示与建议

物理课程中的实践教学是提高学生解决实际问题能力的重要途径和培养拔尖创新型人才的重要手段。在一流课程建设的过程中，我们要强化课程内容的基础性和应用性，增强课程的挑战性和趣味性，突出其创新性和开放性，让理论课程对学生更有吸引力，让学生动起来，从而显著提升教学效果。近年来，国内物理课程越来越重视实践内容的整体设计改革，还有一些值得我们借鉴和学习的地方。

各高校结合学校特色不断完善课程资源库，但是在案例涉及的广度上需要进一步拓展。物理学提供的规律及思想方法具有普适性，在物理课程中引入涉及大气学、心理学、经济学等多个学科门类案例对于学生掌握这些规律和科学方法具有重要意义，我们需要深入参考国内外一流高校的课程及教材，在教学中打通物理学的不同领域，采用更多学科的案例。

国内各高校都非常重视演示实验的作用，并为此不断探索拓宽演示实验进课堂的道路，成果丰硕。但是从数量和创新性上看，与麻省理工学院的演示仪器资源库相比还有差距，需要重视设计与研发。

重视科教融合，加强基础研究反哺基础课程教学。从科学研究中获得案例用于课堂教学，开设前沿介绍课程，引导、鼓励本科生尝试科研。高校对于科研的重视为科教融合提供了有力支撑，但真正做到科研对基础课程和人才培养的反哺仍需要科研工作者对教育投入更多的热情，调动科研人员的育人积极性，给予更多的政策支持。

利用新工具和新技术，不断创新实践环节的形式和内容。加州理工学院的新生研讨课，在运用基本知识的基础上结合了最新实验数据解决前沿问题，盘活了网络这一新资源，这一举措值得我们广泛借鉴和深入学习。另外，在教学中我们可以将一些强大的数学工具，如Mathematica、MATLAB、物理工坊（phyphox）甚至人工智能技术等充分利用起来［8］，开发、设计对应物理问题和物理原理的可视化工具及软件，提高学生学以致用和自主创新的能力。

结语

本文研究了三所世界一流理工科大学的物理课程，详细梳理了课程中的实践内容与环节，分析总结了其主要模式与特色，并结合国内高校特色对建设一流物理课程的实践环节进行了初步探讨，特别提出科研渗透人才培养和利用新技术创新实践环节对提升课程高度及创新人才培养模式具有重要意义，在一流课程建设中有望发挥更大的作用。