浅谈美国高校物理实验之特色和可借鉴之处

刘端阳 冯志芳 邵晓红 侯志灵

摘  要：本文根据笔者亲身在美国劳伦斯-伯克利国家实验室访问时对加州伯克利分校等美国高校物理实验课程的调查，结合北京化工大学的物理实验教学情况以及和兄弟院校的交流心得，对中美两国高校在物理实验教学上的异同做了一定的总结，并分析了美国高校的物理实验制度可以借鉴之处。以加州大学伯克利分校为例，本文详细分析了美国在物理实验制度建设上的理念及其各种实现措施，并于本校的实验制度进行了一定的类比，指出了可以借鉴美国制度的若干方面。

关键词：物理实验  中美  制度  借鉴

中图分类号：O4-33 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）07（b）-0138-04

On the Characteristics and Reference of Physics Experiment in American Colleges and Universities

LIU Duanyang*  FENG Zhifang  SHAO Xiaohong  HOU Zhiling

（College of Mathematics and Physics， Beijing University of Chemical Technology， Beijing， 100029  China）

Abstract： Based on the author's personal investigation of physics experiment courses in American universities such as University of California， Berkeley during his visit to Lawrence Berkeley National Laboratory， combined with the physics experiment teaching situation of Beijing University of Chemical Technology and the exchange experience with brother universities， this paper summarizes the similarities and differences in physics experiment teaching between Chinese and American universities， It also analyzes what can be used for reference in the physical experiment system of American colleges and universities. Taking the University of California， Berkeley as an example， this paper analyzes in detail the concept and various implementation measures of the construction of the American physical experiment system， makes a certain analogy with the experimental system of our university， and points out some aspects that can learn from the American system.

Key Words： Physics experiments; China and America; System; Use for reference

在国家留学基金管理委员会的“国家公派高级研究学者、访问学者、博士后项目”的支持下，笔者于2019年在美国劳伦斯-伯克利国家实验室进行了访问交流。由于笔者还参与了北京化工大学物理实验中心的管理工作，因此在访问期间，对加州大学伯克利分校（University of California， Berkeley， 简称UCB）及其他一些學校的物理实验教学进行了较为详尽的了解，也和UCB的一些学生和访问学者对该校的教学管理制度进行过相当程度的交流，也了解了他们对这些制度的看法。回国后，在参与实验室管理工作和与兄弟院校物理实验中心交流后，笔者将国内的物理实验制度和美国的这些制度进行了分析比较，总结之后写下本文。收集资料到成文期间，正值新冠疫情期间[1]，也因此实验教学面临挑战需要改革之时，本文先从UCB等美国院校对物理实验的理念及相关措施方面[2]进行介绍，再对比思考国内院校的现状，思考值得借鉴的地方。

1  重要的理念及相应的措施实现

1.1 极度重视实验安全

UCB等美国高校物理系都非常重视实验室安全教育和安全培训，在课程讲义中专门列章节介绍，需要通过安全培训测试才可以参加实验，像斯坦福近代物理实验室就需要填写安全培训回执单。实验室各种安全设施齐全，不仅仅是消防等安全措施，个人护具也很齐全，例如必要时需要戴安全头盔和护目镜等。

1.2 提倡实验的趣味性

尤其是对低年级学生，美国这些高校十分重视培养学生对实验的兴趣，尽量将物理原理糅合进有趣的实验中，使学生学得很快乐与轻松。例如很多高校的物理实验室都有很多“很大”的看起来像道具一般的“实验仪器”模型，如游标卡尺、千分尺、通电螺线管等，大大激发了学生对实验的兴趣。将平平无奇的物理实验做的富有新奇性和冲击力，使学生更容易接受和学习物理实验。

1.3 十分重视演示实验

UCB等美国高校的物理实验，对演示实验的重视可谓是到了极致。在物理理论的课堂上，教授们都会指定需要演示的实验内容，由实验技术人员负责实验并在课堂上完成演示。在UCB的多功能讲课大教室，为了演示实验的准备和展示，特意设计成了“旋转舞台式” 讲台。而斯坦福大学的物理实验走廊则远近闻名，因为他们在走廊里放置了很多演示实验仪器供学生随意动手操作，这些实验都很有趣味性。实际上，上述对演示实验的重视，不仅仅提高了学生对物理实验和相关知识的感性认识，同时也大大提高了学生对实验的兴趣。

1.4 实验教学环节重视学生的动手能力，重视交流讨论，避免教授学生机械操作

在物理实验教学环节中，笔者考察的这些美国高校几乎清一色地都十分重视学生的动手能力，并为此制定了很多配合的措施，这里仅列其中较为重要的几点，其他的一些措施会在其他思想的讨论中涉及到。

首先，他们把基础性质、测量性质的实验放在十分重要的位置[2-4]，在各高校的基础物理实验中，其都占有相当的比重，让学生熟悉测量的基本操作和基本原理，为学生自行理解操作其他实验奠定基础。

其次，各实验室的仪器中，除了通用仪器，如示波器、信号源及基础测量工具都是购买的大公司品牌外，专用仪器中直接购买的比例却比较小，很大一部分的专用仪器都是自制的，可以组合，便于拆装。所有这些仪器透明度几乎都很高，基本不采用“黑匣子”式的集成化仪器，这些都是为了让学生在实验过程中自行摸索，提高对实验的感性认知。为了做到这一点，几乎所有物理实验室都有自己的金工车间，并且设备齐全，工人素质很高，学生不仅可以定制需要的仪器，甚至可以自己动手做，这不仅提高了学生的动手能力，实质上也大大提高了学生的实验兴趣。

然后，在实际的教学过程中，教师或助教讲授的都很少，例如在UCB的基础物理实验，每次实验过程差不多要2个学时，而助教只介绍5min左右，剩下的时间都是学生操作。在这里，鼓励学生与学生之间、学生与教师之间的交流讨论，期望通过交流讨论和教师的点拨来完成实验，而不是让学生按照教师要求的指令来完成实验，尽量避免了学生只是机械操作，真正锻炼了学生的实验动手能力。

1.5 基础物理实验重过程，轻考核，以提高学生对实验的兴趣和动手能力为根本出发点

UCB的基礎物理实验没有单独设置课程，但是物理实验的考核都是相应物理课程（类似国内大学物理）成绩的一部分，占比10%，且若少上一次实验课，会降低一档物理课成绩。其他一些高校，如斯坦福和UCB也类似。也有一些高校单独设立基础物理实验课程的，但是他们对实验的考核方式都和国内大相径庭。

美国高校的基础物理实验，并不强调写预习报告，也不强调课后的数据处理报告，甚至对实验结果是否精确也没有太严格的要求。很多实验课程，学生基本都只需要在课程网站[5]上下载打印讲义，事先预习做一些相应的pre-lab的练习，然后在课上完成in-lab activity的部分，在2h的课堂上当堂处理一些简单的数据即可当堂提交实验报告。由于对实验数据精确度和数据处理的要求都不高，只要学生做一定的准备，认真操作，基本都可以在课上完成实验，从而在期末拿到相应的实验学分。这样的制度，可以说是把重过程，轻考核做到了极致，学生不必受到分数的高压，能够更多地投入到对实验过程、实验操作的学习和体会中去，看似放松，实则更好地锻炼了学生的实验能力。

1.6 教学楼及实验室空间宽敞，设计符合实验教学需求且人性化

UCB等美国高校在实验室的布局设计上，就致力于让学生在一种轻松便捷的环境自主完成实验（见图1）。实验教室空间都特别大，楼层也很高，所有管道和电缆都在上方，这样做的好处是可以根据实际情况随时调整实验室布局。另外，每间实验教室都有大量各类导线悬挂在墙上，供学生选择，其他设备也都标识清楚，便于学生取用，十分人性化。UCB等几所高校更是将实验室的实验台布局成类似餐厅的形式，尽量降低给学生的压迫感。实际上，这样的设计，单堂实验课，教师或助教面对的学生数量很少，往往只有十几二十个，教师可以兼顾到几乎所有学生的实验情况，大大提高了教学效果，在此条件下，为学生提供更大的实验自由度。

2  对比中美物理实验的一些思考

中美教育体制完全不同，UCB等美国高校在物理实验上的优点未必都适合我国，我国相比他们，具备更注重学生基本功练习的优势。不过，从取长补短的角度来说，有些地方还是值得我国学习的[6]。为了对比中美大学物理实验的不同，美国高校中笔者以最熟悉的UCB为例，中国高校就以笔者所在的北京化工大学为例，将两校基础物理实验的一些指标列在表1中以直观比较，以此为基础，说说以下几点笔者认为可以借鉴UCB等美国大学的地方。

2.1 可以将安全教育落在更具有可操作性的地方

无论如何强调实验安全都不为过，实际上本校和其他国内院校也一直很重视安全教育，但是往往是绪论课等理论课上强调的更多，其他方面的努力相对较少。一方面，可以学习UCB等美国高校，用视频教学加考核测试准入制度的方式对学生进行安全教育;另一方面，可以进一步完善个人的安全设备。

2.2 提高演示实验的数量和地位

通过演示实验提高学生对物理知识的理解以及对物理实验的兴趣是很好的办法。制作一些简单易上手，有趣的甚至是富有视觉冲击力的演示实验仪器，惠而不费，对提高学生的学习积极性大有作用;除此之外，斯坦福的实验走廊，也启示我们需要进一步让学生感觉到演示实验离自己很近，随手可得，使得学生不再畏惧物理实验，甚至能够喜欢物理，那将会是所有教师和学生的幸事。

2.3 提高基础、测量实验的地位和比例，减少其他实验的条条框框，给学生更大的自由度

从实验课程的设置角度，可以提高基础、测量实验的比例，并且将其他实验设定成需要完成相应的基础或测量实验才能学习，可以让学生很快地学以致用，减缓学习压力，会对学生的学习兴趣和学习效果都有好处。此外，应该尽量减少教师和助教的讲解，给学生更大的自由度，降低对数据的要求，允许学生以试错的方式进行学习，从而真正锻炼学生动手做实验的能力。

2.4 适当降低对预习报告和实验报告的要求，减少单堂实验课的人数，以提高对学生实验过程的把控能力

这两者必然是要联系在一起的，若只是降低要求，而上课人数不减少，教师把控不住学生的实验情况，在目前的大环境下，很难对实验的教学效果起到积极作用。但是如果配合降低单堂实验课的学生人数，使得教师可以兼顾所有学生的实验实际情况，则可以使得实验教学真正聚焦到物理实验的核心进程——实验操作上来。这样方可真正起到提高学生实验操作能力的目的，同时，学生为了提高自己的操作和学习效果，预习和处理数据的积极性也自然能够调动起来，也不会沦为一个形式过场。

致谢：感谢伯克利-劳伦斯实验室的汪林望教授和张布雨同学的帮助和指导。

参考文献

[1] 乐永康.新冠肺炎疫情下美国物理实验教学及中美情况对比[J].物理与工程，2020，30（2）：11-13.

[2] 祝巍.美国斯坦福大学和加州大学伯克利分校物理实验教学介绍[J].物理实验，2017，37（2）：38-42.

[3] 熊泽本，马世红.美国基础物理实验教科书（讲义）的特点分析[J].大学物理，2017，36（5）：53-61.

[4] 熊泽本，马世红.中美基础物理实验教科书的对比与启示[J].物理与工程，2017，27（3）：10-17.

[5] 冯娟娟，王心华，李训栓，等.UCB近代物理实验网络建设的介绍和启示[J].实验室科学，2017，20（1）：230-237.

[6] 刘云云.大学物理实验教学方法与实践[J].电子技术，2021，50（4）：152-153.

[7] 吴季强.中美科学教科书中物理实验的比较研究[D].杭州：杭州师范大学，2019.