中法两国大学物理中光学教学内容的对比研究

安 炜

(北京航空航天大学 中法工程师学院/国际通用工程学院,北京 100191 )

随着法国总统马克龙于2023年4月访华并发布中法联合声明[1],中法高等教育的合作展开了新篇章.法国作为欧洲传统发达国家,其高等教育尤以物理教育为代表较为成功并有着显著的特点,而且在历史上涌现出诸多大家,如泊松、菲涅尔、拉普拉斯、傅里叶以及拉格朗日等.对其教育教学进行深入研究能够为我国的大学物理教学带来一定的启示.同时,随着中法合作办学的逐渐深入和法国工程师预科物理教学的逐步实践总结[2],以及国内教师获得法国工程师预科物理教师资格[3],对其教学内容的对比研究也成为可能.本文将以法国教育部2021年发布的《大学校预科物理教学基本要求》[4,5]和我国教育部发布的《理工科类大学物理理论、实验课程教学基本要求(2010年版)》[6]为准对其中的光学教学要求部分进行对比研究,以期得到对国内的大学物理光学教学改革的一些启示.

1 法国工程师预科物理简介

法国高等教育实行双轨制,即综合性大学Université)实施大众教育和大学校(Grande école)实施精英教育.综合性大学和国内大学基本无异,为3～4年本科学制,其中前期为基础通识教育,随后进入专业教育,最终进行毕业设计等.因其大众教育的属性,法国高中生通过高中毕业会考取得高中文凭后,即可递交申请材料进入大学学习.而教学效果凸显的精英教育,则需要在高中毕业后进行为期两年的预科教育进行数理强化学习,随后通过竞争极为激烈的大学校入学考试(竞争激烈程度和选拔性类似我国的高考)才能进入诸如高等工程师大学校和高等师范大学校等进行深造.

大学校的教学质量是受到法国教育部直接管理和监控的,鉴于其良好的教学效果和表现,本文将使用法国教育部发布的《大学校预科物理教学基本要求》作为和我国大学物理课程的对比标准进行研究.大学校预科的两年教学又分为不同的序列(Filière),如第一年分为数学物理工业科学(MPSI)、物理化学工业科学(PCSI)、物理技术工业科学(PTSI)、技术物理化学(TPC) 等等.在第一年的基础上学生可以进入到第二年的序列学习,专业性更强一些,如数学物理(MP),物理化学(PC)、物理工业科学(PSI)等等.从中可以看出,法国大学校预科体系的课程具有通识性,其物理教育类似于我国的对理工科进行的大学物理教育.由于不同序列的教学要求不尽相同,更进一步地,本文中使用第一年为MPSI和第二年为MP的教学要求进行对比研究.

光学作为一门古老的学科,历久弥新.其学科体系完整且有着诸多应用,同时,作为物理教学内容来说,光学部分有着天然地可与自然现象相联系的特征,且可进行的物理实验众多.因此,该部分内容在基础物理教育中有着重要的地位,不论中国还是法国都将其作为重点进行了教学上的要求.因此,本文也将主要考查中法两国在大学物理中的光学教学上的异同,包括教学目标、教学内容、教学手段和教学安排等.

2 法国大学校预科物理的光学教学基本要求

国内教育部颁布的《理工科类大学物理理论、实验课程教学基本要求(2010年版)》国内同行已较为熟知,其中光学主题A级教学条目共14条,建议学时数大于18学时,B级教学条目9条,内容涉及几何光学(1—5条)、波动光学或称物理光学(6—17条)以及偏振等其他现象(18—23条),其具体分级和要求建议等本文不再赘述.下文将主要介绍法国大学校预科物理的光学教学的基本要求.

2.1 教学目标和基本教学要求

大学校预科物理的教学目标是以物理知识的传播为手段,最终进行科学能力素养的训练.使得学生能够以高中物理的水平为基础,通过MPSI和MP两年的学习,达到大学校的入学标准,最终使得学生能够成为工程师,科研工作者或者高校教师.教学目标强调了主要为了夯实学生的科学范式和能力,即观察和适应能力、分析与建模、实现和验证,交流并且讨论结果等.由于物理是所有其他自然科学的基础,其直面自然的特性,能够让学生感兴趣,保持创新性,并训练批判性思维.

物理是一门实验科学,实验是物理教学的重中之重.不论是理论课的讲授还是实验课的操作,实验都应是重点内容.实验能够让学生直面真实的现象,真正的将理论与实际相联系.这才是日后学生从事相关职业需要训练的能力.

同时,在教学中注意多媒体数字化信息技术的应用,尤其是各种实验现象的模拟.新技术的变革对教学产生了深远而重大的影响,这使得以往受限于手算无法达到的模型,在新技术的加持下可以得以建立和实现.举例来说,非线性现象的建模,如果模型希望建立的和实际更为贴合则需要大量算力,否则只能化简而得到较为粗浅的模型.

教学过程中应着重注意建立物理模型的过程和方法.物理学的发展过程是一个天然的物理模型建立方法的教科书.学生需要不断地在客观世界、实验事实以及模型和理论间进行切换.在培养学生建模能力的同时,教师应该努力在这些相互互补的教学方法中找到平衡：比如思想性实验和真实实验、抽象和具象、理论和应用、归纳和演绎、定量和定性等.建模对于数学要求很高,物理学奠基人伽利略曾说过,数学是描述这个世界的语言,因此也需要格外重视数学能力的培养.

最后,大学校预科物理强调学生的自觉和主动性.基本教学要求中建议设置《问题解决式研讨课程》将其作为类似习题课的教学形式开展.在这类课程中训练学生的自觉和主动性.在这类研讨课上,学生需要调用自己的全部物理知识和能力去解决一些实际问题或者达成一个最终目标.在这个过程中没有任何问题解决步骤给到学生,全靠学生自己摸索.

2.2 详细教学要求的组织形式

在MPSI和MP这两年的教学要求文件中,主要分为两大部分.

第一部分为实验教学要求,主要介绍了《测量和不确定度的培养目标》《实验方法的培养目标》和《实验能力的培养目标》 等.上述目标的实现需要具体的问题做指引,问题的来源是第二部分的具体教学内容.实验教学需要教师根据情况编排,以确保一个循序渐进的学习过程和能力不断积累的过程.

第二部分是教学内容.MPSI中提及了四个专题,分别是波动和信号、运动和相互作用、能量：转化和转移、物质的构成和变化.MP中提及了九个专题,分别是力学、信号处理基础、光学、电磁学、热力学、量子物理、统计物理初步、物质的化学变化(热力学角度)以及电化学的动力学和热力学.上述教学内容如表1—表8所示分为两栏进行表述,左栏是概念和教学内容,右栏是需要达到的能力要求.跟实验紧密链接的内容用黑体做了标记,这些内容应该优先进行实验,并让学生在实验时发挥主观能动性.

上述两大部分的最后还包含了三份附录,包括了实验部分需要的实验材料、数学要求附录以及信息技术要求附录,这些内容需要在教学过程结束后学生能够自主地进行调用.例如在MPSI的数学要求中第一学期的物理量均为标量,且只跟时间有关,或者少数情况下和空间变量有关.

上述教学要求和教学目标并不构成一个教学过程的详细要求,教师有自己编排内容和使用教学方法的自由.

2.3 预科物理中光学的详细教学要求

由前述预科物理的教学内容要求编排并不是按照力热声光电的学科体系安排的,尤其是第一年MPSI.因此,关于光学的详细教学要求需要在整个基本教学要求中寻找.

首先,第一年MPSI的主题为波动和信号中有关于成像的教学要求,算作光学的内容,如表1所示.该部分主要讲述如何成像以及用光纤作为例子拓展光波导概念.成像部分是提及物理模型和物理模型的适用范围的极好场合,也是介绍各种科技应用的好场合.有一些实例在教学要求里提到了,另一些则是教师的自由选择(眼镜,显微镜,手机摄像头等).这部分要特别着重实验教学,因为其具有鲜明的实验特性.

表1 成像

第一年MPSI中的实验要求部分中也散落有部分和光学相关的内容,分别是测量长度和角度以及光学部分,分别摘录至表2—表3.

表2 MPSI实验-测量长度和角度

表3 MPSI实验-光学

其次,第二年MP的教学要求是延续了MPSI序列的波动和信号的内容,主要是采用光的波动模型加深了对于光的干涉现象的研究.教学应以实验为主,同时配以理论建模和分析.建模的目的在于能够尽量合乎逻辑地解释什么情况下能够观察到光干涉的现象以及定量的对它能进行解释.MP中的光学主题中分为四个部分,分别是：

1) 光的标量振动模型,其给出了干涉现象描述的必备工具,其教学要求见表4.教学要求中使用强度或者光强来表述所测量的量,但是其实授课过程中也可不加区分地使用光强、辐射强度和照度等,在这个层次不做深究.光强被定义成单位时间通过单位截面的辐射能量.马吕斯定理,就是波面和光线垂直,在这里直接当做已知,不作证明.

2) 光波叠加,如表5所示.该部分中双光束干涉公式(在MPSI的波动教学要求中未证明)被证明.另外,该部分中的多光束干涉部分以定性解释为主,不进行繁杂计算.

3)分波阵面干涉仪的例子：杨氏双孔,如表6所示.该部分可以很好地同时联系理论和实验.杨氏双缝可以涉及,但仅仅是实验部分.分波面干涉的其他实验例子不做要求.

表4 光波的标量振动模型

表5 光波的叠加

表6 分波阵面干涉仪的例子：杨氏双孔

4) 分振幅干涉仪的例子：在扩展光源照射下的迈克耳孙干涉仪,如表7所示.迈克耳孙干涉仪形成的平行空气薄膜是很好地理论和实验联系的教学点.迈克耳孙干涉仪形成的空气劈尖仅做实验展示.对于迈克耳孙干涉仪的建模,假设半反半透镜没有厚度.

MP的实验要求部分也给出了一些与光学相关的教学要求,见表8.

表7 分振幅干涉仪的例子：迈克耳孙干涉仪

表8 MP实验-光学

3 中法两国大学物理中光学教学内容的对比分析

3.1 共同之处

首先,中法两国大学物理教学均强调物理学教育的基础重要地位,并指出物理学的知识尤其是课程所教授的科学方法和科学范式是培养未来科学工作者和工程技术人员乃至高校教师所必备的。

其次,科学素养的养成依托于学生观察和适应客观世界、分析问题和解决问题、探索创新能力等等的训练与构建。这使得以实验为基石的物理学在这方面的培养中起到了不可替代的作用。

再次,两国的教学要求中均将学生的独立自主和自觉地主观能动性作为培养的主要目标之一,通过设置相应的教学环节,对学生这一能力进行专项培养。

第四,两国的教学要求中均提到发挥利用多媒体技术和演示实验的重要性。对于光学这一物理领域,上述教学手段的重要性尤为突出。

第五,从光学的教学内容上看,两国的教学要求中均分为几何光学和波动光学的部分,对于光学的理论体系介绍较为完备。

最后,两国的教学要求中均不涉及教学内容的先后安排,保障了教师在教学过程中的灵活度和自由,可在此基础上针对学生学情进行专门的课程改革。

3.2 区别与特色

首先,中法两国光学教学内容的侧重点有着较大的不同。通过对比可知,中方的光学部分教学内容更为全面,而法方的MPSI和MP教学内容中缺少光的衍射这一大部分内容,同时缺少旋光现象和光与物质的相互作用等内容。法方在内容上进行删减的同时,加重了杨氏双孔和迈克耳孙干涉仪的教学比重,并以这两个光学仪器为抓手,深入探讨了光的空间相干性和时间相干性的概念。从这里可以看到法方教学上的取舍和权衡,即如不能做到将一个知识的前后逻辑全部透彻地给出,则干脆删去。同时,这里也可以看到法方对于实验的重视程度,即整个光学教学内容实际上是以学生最终能够清晰明白地完成杨氏双孔和迈克耳孙干涉仪的扩展光源实验而展开的。除此之外,几何光学部分光在球面上的反射和折射在法方的教学要求中有所削弱,其更偏重于薄透镜的直接应用。

其次,法方的几何光学和波动光学分为两年进行授课。由于MPSI和MP的两年有着不同的教学要求和教学内容,虽然教学要求中对教学内容编排不做限制,但由于分属于不同的教学要求的文件,实际上几何光学内容和波动光学内容被分为两年进行授课。因此,在法国的光学课程属于打散授课状态,且由于几何光学所需的数学工具较少,放置于首年授课也未尝不可。如此做的好处是,学生的光学知识和能力可以进行螺旋式上升,而国内通常将几何光学和波动光学合并在一门课中讲授,可以得到更为详尽完备的理论体系。

最后,国内发布的教学要求对于教学过程的基本要求更为具体。其中包括了教学方法,即对习题课和小班习题课的比例要求,探究式学习的多种展开方式的建议等,包括了对于学生考核的要求和说明等等。而法方的基本要求中没有过多的要求,甚至对于教学最低学时也没有明确规定,主要依靠各预科教师自行设定。

4 结论

本文以法国大学校预科物理教学中的光学教学内容为研究对象,结合国内大学物理中的光学教学内容,通过对比的方法,揭示了中法两国大学物理中的光学教学内容的异同。两国的大学物理教育均强调借由具体的物理知识进行科学范式训练和科学素养养成是大学物理的最终目标。在各项重要的科学素养能力中,自觉和主动性具有很高的地位。教学内容的取舍上,中法方有较大的不同,体现在中方更注重学科体系的完整性而法方更关注逻辑链条的完备性。同时,法方将几何光学和波动光学分为两年授课,较中方有较大不同。由于法方教学体系的编排逻辑是按照各项问题专题进行,因此,与光学有关的内容仍有可能散落在其他专题中,若要完全比对清楚,尚需将整个教学要求进行对比。同时,本研究工作仅关注于教学内容,对于能力和素养的具体展开和实施的对比研究有待后续进行。