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11月下旬,教育部世行贷款办组织项目学校组成高校物理实验教学与管理考察团赴美国进行考察。考察团由北大、北师大、兰大、南大、南开、武大等10所高校的实验中心主任组成,历时14天,参观访问了美国加州大学洛杉矶分校、加州大学伯克利分校、斯坦福大学、哈佛大学、麻省理工学院和哥伦比亚大学等六所世界一流大学的物理实验室。
访问期间,考察团成员就物理实验的课程设置、学生创新精神和综合能力的培养、实验课的教学模式、实验课考核、实验室管理、实验室及仪器的使用率、实验室环境、实验经费的来源与运转等多个方面与美方大学的相关人员进行了广泛的交谈和讨论。
考察期间,大家对美国大学热情周到的接待深为感动。斯坦福大学物理系主任、诺贝尔奖获得者douglas Osheroff教授从早上到下午整整一天时间,不厌其烦地解答考察团成员提出的问题。哈佛物理系主任专门组织全系所有教授设宴招待考察团。加州大学的伯克利分校,哥伦比亚大学等组织和安排了详细的参观节目单,翻印了详尽的资料。
以下是这次考察的具体情况和体会。
一、考察情况介绍
这次考察的6所美国高校在实验课程设置上大框架基本相同,有几个部分:课堂教学中的演示实验,Lower Division的物理实验,Upper Division的物理实验,以及科研性课题实验。关于演示实验部分,伯克利分校和哥大带实验演示讲台的多媒体教室可容纳500人,演示条件非常完备,桌面上的实验演示,通过摄像头摄像,由投影机投射到黑板上方的大屏幕上,所有学生都能看到桌面上的实验演示。通常一堂课要做两三个实验演示。在实验内容和要求上,针对物理和工程学科学生的以及针对生物和医学学科学生是有差别的。关于对三、四年级学生的Upper Division的物理实验课,各校都是独立设课,单独给成绩。
6校在物理实验课教学内容上基本是相同的。一、二年级学生的实验项目比国内综合性(含师范)大学的普通物理实验要少得多,麻省理工学院甚至已取消这部分实验内容,哈佛则将这部分实验中的一些实验项目作为学生带回家做的实验。三、四年级学生的实验内容每个学校各有特色,这与各校的科研方向密切相关,这一部分的实验内容比国内高校的近代物理实验内容要深,有不少反映学科前沿的实验。
6校在物理实验课教学模式和安排上各有特点。他们给学生安排了充分的讨论时间,每个实验,他们都是先讨论,再实验,再讨论。一、二年级学生的实验,学时数约2―3,对实验报告要求也比较简单,主要是实验数据和结果。三、四年级学生的实验,有些名称与国内高校的实验项目相同,但完成实验的时间则很长,有的要十几个小时,带有研究性质,如麻省理工的高级实验课程中的实验项目,学生要做2~3周,每周6小时,实验报告的要求也很高。斯坦福大学三年级学生做的光学实验,学生按发表论文的格式写报告。实验教学注重学生对物理原理、方法和过程的认识,所见到的大多数实验项目使用的实验仪器、实验技术和原理是透明的,各仪器之间的关系通过学生的实际操作可得到了解。在教学实验中已大量使用计算机采集处理数据,但只须拨动几个开关像“黑匣子”那样的集成式教学仪器却未见到。
6校的物理实验课均不进行考试,而是通过学生做实验的情况、课堂讨论、实验报告以及口头报告等方面由助教来综合评定学生实验成绩。
在考察中未见一所学校有出版社正式出版的教材。一、二年级学生实验课教材有较详细的实验仪器、计算机软件的使用介绍。三、四年级学生的实验课,实验室配有许多文献和参考资料,学生做实验要依托理论课教材、自己查找的资料和实验室提供的参考资料。
6所美国高校的教师和技术人员岗位是按课程和学生人数来定的,一个教授带领6到7个研究生助教,一个助教辅导16到20个学生,伯克利分校还允许教授聘请高年级学生做“reader”,负责按教授提供的蓝本,批阅学生的作业或实验报告。教授负责课堂教学、实验教学和指导助教,助教负责组织学生讨论、辅导学生实验和批阅学生的作业或实验报告。这样的岗位配置能保证以讨论、交流为教学主体的教学方式得以进行。实验技术人员由学校选聘,一旦选聘就相对稳定。实验技术人员负责按教授的要求准备实验,设计配置新实验项目和实验室的管理,他们有很好的理论基础,丰富的实践经验,学校对他们的岗位定位也很明确,他们真正做的是高技术的工作。实验仪器维修、实验装置的设计加工由技术人员和学校设置的各种小车间,如machine shop、electronic shop、glass shop等共同完成。
对教师的考核主要看科研水平和学生对其所讲授的课程的评分。课程由教授负责,教授选用系里选聘来的研究生助教,研究生助教每学期选聘一次。
实验课运行经费来源,在几个学校都是由校方直接拨给。
二、收获和体会
在近两周的考察中,得到了不少启示,学到了不少经验。归纳起来有下面几点:
1�物理实验受到充分重视 我们考察的几所大学都把物理实验放在十分重要的位置,他们为物理系本科生开设了必修的实验课。即使学生专攻理论物理,实验课也不可缺少。实验课教学大量采用精心准备的示范实验,平均每次上课要做2―3个演示实验。斯坦福大学物理系主任、诺贝尔奖获得者Douglas Osheroff教授就给我们演示了一个他亲自设计的有关偏振光的示范实验。他本人还亲自负责高年级本科生的“项目设计”实验。
2�物理实验课目的明确 在斯坦福大学当我们讨论到开设物理实验课的作用时,道格拉斯教授就特意在黑板上写下一行字“GAOL:Learn how to do Physics,not Specific technique”。也就是说要求通过物理实验使学生懂得如何去研究物理问题,而不是局限在知识的传授和技能的训练。参观时发现他们的学生基本技能都相当好,他们之所以这样强调,是把着眼点放在培养学生如何用实验方法去解决问题。
3�实验课程设置各有特色 这几所著名大学物理实验课程设置没有一个固定、统一的模式也给我们留下深刻印象。”有的学校将基础物理实验与上课结合在一起,上完部分章节后做几个实验;有的则分不同层次单独设实验课;有的学校干脆将部分实验由学生带回家去做。他们发给学生一个实验箱,里面有各类工具,万用电表及简单的各种实验部件,如电阻、电感、电容、米尺、激光笔,CD盘上附有实验指导,学生可在家中完成实验。对高年级学生更是灵活,有的组织“课题性”实验或“设计性”实验课程,有的组织学生暑期到实验室工作等。在高年级的近代物理实验中要求学生做实验的数目不多,采用少而精和触类旁通的方式。对学生的实验报告要求也按年级和不同学生有不同要求。有的只要求学生在实验中完成一个简单的报告,有的要求一周后交上一份实验报告。在哈佛和麻省理工对学生写实验报告还规定了格式,即要按发表科研文章的格式去写报告。对高年级的学生则要求每人做口头报告。这样的课程设置完全体现以学生为本的原则。
4�注重科研能力的培养 这几所大学为高年级本科生开设的实验课能够注重提供足够条件,使学生置身于一种富有探索和创造性的学习环境中,积极主动地思考、分析问题,使他们受到一种类似于专业科研人员搞科研的那种训练。这类实验教学的特点是:学生通过阅读相关的文献资料,由学生自己或由学生与教师商讨选择实验的题目,实验方案的拟订,实验设备的配置,主要部件的制作以及在实验中排除故障和问题完全由学生自己完成,教师只是在必要时加以适当的指点和引导。实验的时间和最终结果不作硬性的规定,学生可以根据他的时间、能力及兴趣来安排。这种注重学生科研能力培养的方法,极有远见。
5�将科研成果转化为新实验 在访问过程中,我们发现他们近代物理实验的内容新颖,实验题目分布在不同领域,而且各有特色,既有广度,又有深度。主要因为他们及时将一些前沿科研成果转化成新的物理实验。如麻省理工学院的“量子信息处理”实验和“光镊子”实验,斯坦福大学的“超流”实验,哥伦比亚大学的“混沌实验”和UCLA的一系列核物理实验,哈佛大学有关物质表面的实时观察实验项目等等都使我们大开眼界。
6�因材施教培养优秀学生 斯坦福大学有一门“项目设计”实验课。参加此实验课的学生人数不多,只有12人,2个学生一组,分成6个项目实验。除了负责项目实验的教授以外,每2个组就有一个助教,还有一个工程技术人提供帮助。由于学生是主动来选这个实验课的,加上题目又是科学前沿,在教授的指导下从事创造性的实验工作,从而极大地激发了学生对实验工作的热忱。给我们介绍的情况的Kam Moler教授就讲到,在半夜后还有学生从实验室打电话给她,讨论问题。实验中教授与学生的交流十分密切,对每个来实验室工作学生的兴趣及特长了如指掌,因而能够因材施教,充分发挥学生的主动性和积极性,来培养优秀的实验物理人才。
7�要有高水平稳定的实验工作人员队伍 美国这几所大学的物理实验室中都有一支人数不多的实验工程技术人员的专职队伍。这些人员不仅负责平时教学实验的管理,还负责按教授对实验的设想来组建新实验,前面提到的这些新实验都由他们完成。他们的动手能力强,知识面广,能担任起实验室建设的重任。而目前我们实验室工作人员队伍建设非常薄弱,与实验室的发展极不相配,因此要重视和建立一支责任心强,业务水平高的专职实验工作人员队伍。
编后:随着我校创建世界高水平大学工作的不断深入,我校的对外学术交流日趋频繁,各种考察也应运而生。考察也是学习,学有所得,能使我们重新审视已经习惯的做法或思维模式,能对工作有所促进,也不枉一番鞍马劳顿和一应花销。物理实验教学与管理考察报告也许只对物理系有用,但其中的如诺贝尔奖获得者亲自负责本科生实验教学,课程设置以学生为本的原则,以及有关实验技术人员的介绍等等,相信都能有所启示,举一反三。这也是校报刊登的初衷。我们希望全校外出考察有所得的同志,不吝赐稿,将曾经触动你们好的东西通过校报,也触动大家一把。
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