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1、汲引北美高校物理学教学体系与方法，探索实验课教学新模式李发伸 贺德衍 葛世慧 李建功 薛德胜（兰州大学物理科学与技术学院，兰州 730000）摘 要 以中加高等教育合作项目为平台，对北美国家大学物理学教育的课程结构、教学大纲、教学内容、教学方法和教学手段等进行了广泛的调查和深入细致地比较研究。通过有鉴别的学习和引进北美高校物理学教学中先进的教学理念、教学方法和手段，加以消化、吸收并融入到了兰州大学物理学教学中，探索出有利于培养学生创造性的课程体系。特别是在充分调研、仔细研究物理实验课程结构与体系的基础上，建成了一个达到国际水平的大学物理教学实验室，并探索出一套行之有效的实验课教学模式。实践效果
2、良好，不但取得了较大的人才培养效益，而且为高校物理实验课教学改革提供了可借鉴的经验，有力地推动并实现了实验课教学改革的跨越式发展。同时，通过交流互访培养了一批年轻的本科教学骨干教师队伍，翻译出版了一批高质量的教材，引进了一批原版教材和音像资料。关键词 本科教育国际合作；教学实验室建设；实验课教学改革；课程体系建设 由于历史的原因，国内综合型大学物理类专业本科教育教学过程中，过分重视教授学生基础理论知识和强调知识的系统性、严密性。随着现代科技的发展，在注重基础理论知识传授的同时，加强对学生创新意识和创新能力、实际动手能力、提出问题和解决问题能力等综合科学素质的培养，无疑对培养适应21世纪社会、经
3、济和科技发展需要的人才具有十分重要的意义。北美国家高校在培养学生创新意识和创造能力、解决问题能力和实际动手能力方面积累了丰富的经验，因此，在实施教学改革过程中，有比较、有鉴别地汲取北美高校的经验是探索适应我国国情的创造性人才培养模式的有效途径之一。由我国教育部和加拿大国际发展署（CIDA）立项，兰州大学与加拿大Manitoba大学组织实施的中加高教合作项目（CCHEP）“面向21世纪高等教育战略”（实施期间：1997年5月至2002年5月；项目投资：2, 553, 192.22加元，其中CIDA资助1, 600, 000.00加元，兰州大学和Manitoba大学分别自筹160, 和792, 9
4、82.22 加元）为我们提供了一个学习、借鉴北美高校培养创造性人才成功经验的平台。兰州大学每年选派46名教师前往Manitoba大学学习10个月，每年有24名Manitoba大学教师来兰州大学授课34周。利用这些交流，我们对Manitoba大学物理学专业的课程结构、教学大纲、教学内容、教学方法和教学手段等进行了深入细致地比较研究，同时对北美其它高校物理学专业课程体系进行广泛的调查。一、物理学课堂教学之比较比较中加物理学教育发现，首先双方在课堂教学中就存在着较大的差异。在课堂教学中，中方教师往往以自我为中心，注重的是教授学生系统、严密的知识。加方教师上课在课程内容和授课方法上都比较灵活，注重课程
5、内容的趣味性，课程内容与科技发展的相关性，注重在课程中溶入科技新进展，不大注意内容的系统性。特别是他们非常重视与学生的互动共鸣，注重与学生的交流，鼓励学生提问，与授课教师、同学讨论、争辩等。有时也安排学生自己走上讲台，教师则坐在台下认真听讲并做出评论。这些灵活多样、启发式的教学方法显然有利于培养学生的创造力、提高学生提出问题、分析问题、解决问题的能力。兰州大学从加拿大学习归来的教师，大部分工作在教学第一线，他们尝试将学到的经验应用到教学过程中。教学效果调查表明，多数学生反应这些教师能够结合实际，在授课的趣味性、知识性、教学方法的灵活性和先进性等方面表现良好。考虑到学生在基础教育阶段所习惯的课堂
6、学习方式，借鉴加方的大学课堂教学经验，改革我国现行的高等教育课堂教学内容和方法，找出适合国情的创新性人才培养课堂教育模式还有较长的路程要走。二、物理实验课教学之比较物理学实验是培养学生创新意识和创新能力、提出问题和解决问题能力、合作精神和实际动手能力等综合科学素质的重要手段。比较中加物理学教育发现，两者间的差别不仅仅体现在课堂教学中，在实验课教学中，无论是对实验课重要性的认识，对实验课教学目标的设定，还是在实验课课程结构、课程内容、具体的指导方法、实验报告的要求与评阅等方面都有着很大的不同。（一）物理实验课教学的重要性尽管国内高校的物理学专业也非常重视物理实验课，但与北美高校相比较仍显不足。北
7、美高校的物理学相关专业把实验课放在十分重要的地位，对理论物理专业的学生实验课也是必不可少的必修课，对从事实验物理的学生则要在实验上投入更多的时间，而有些理论课程可以不修。（二）物理实验课教学的目标国内高校物理学专业的物理实验课教学，其目标往往局限在对学生实验技能的训练和对课堂内容的验证与加深。而在北美高校，实验课的目标除了训练学生实验技能、加深理解课堂内容外，更重要的是通过实验课试图使学生懂得如何去研究物理问题，把着眼点放在培养学生如何从实验中发现问题、解决问题，为以后从事科研奠定基础。（三）实验课程设置和教学组织形式国内高校物理学专业开设的实验课传统上分为普物实验和近物实验，普物实验又分为力
8、学、热学、电磁学、光学等，分别有各自的实验课指导教师，而且，多数情况下实验课指导教师与课堂讲授的教师不同。北美高校的物理实验课程设置虽然不尽相同，但多数实验在力、热、电磁和光之间没有严格的界限，而且开设有设计性和课题性实验。要求学生做的实验少而精，以达到触类旁通的效果。教学组织形式多样，但均采取教授负责制，多数由同时承担着课堂教学任务的教授带领几名做助教的研究生共同指导，由实验技术人员组织学生的实验教学。（四）高年级本科生科研能力的培养在为高年级学生开设的物理实验课程中，北美高校的共性是为学生提供足够的条件，以便在实验过程中充分发挥他们的主观能动性，使他们置身于富有探索性和创造性的学习环境中，
9、积极主动地思考问题，达到初步科研训练的目的。指导教师也是在科研、教学一线的教授，他们具有丰富的科学研究经验。显然，注重学生科研能力的培养极有远见。（五）科研成果向本科生实验课内容的转化北美高校的物理实验内容新颖，实验题目分布在物理学的各个领域，而且各有特色，特别是许多实验内容来自物理学研究的新成果。比较发现，要不断更新实验内容，只有将实验教学与学科建设和发展结合起来，将科研成果不断转化为实验课内容，使物理实验课的水平不断提高。三、引进典型实验，建设先进的大学物理教学实验室从加强培养学生创新意识和创新能力、实际动手能力、提出问题和解决问题能力，提高学生物理学综合素养出发，在充分调研、仔细研究实验
10、课程结构与体系的基础上，依靠项目资助我们引进了6个典型实验、近50套仪器建成了一个先进的大学物理教学实验室。这6个实验是：（1） 水波的观察和波速的测量；（2） 磁性圆盘间的弹性碰撞；（3） 磁性圆盘间的势能；（4） 旋转镜面光学（I）；（5） 旋转镜面光学（II）；（6） 转动动力学。这些实验构思巧妙，物理思想丰富。在“水波的观察和波速的测量”实验中，Manitoba大学教授自己研制了一套光电测量波长装置，从而在其中融入了示波器的应用训练。“旋转镜面光学”实验是我校教师在考察Calgary大学物理实验室时发现的，与Manitoba大学教师一起做了一些改进后，加工制造并引进到我校。与我们已有的
11、实验相比较，这些实验突出的特点是具有综合性。由这些实验还可派生出其他实验，例如对“磁性圆盘间的弹性碰撞”实验稍加改造，可以作为“无摩擦斜面上物体的运动”实验，用来测量重力加速度等。实验所用仪器设备先进，同时还编写了中英文对照的实验讲义、录制了专用的实验指导录像带等。在录像中，总结了理解实验所需要的重要理论概念，详细解释了仪器的操作方法和如何进行数据的测量和分析，还向学生展示教师的测量结果。四、物理实验课教学模式的探索、实践及效果实验室建成后，我们探索用新的教学模式为学生开设其中的实验。在每次实验课中，首先让选修这些实验的学生观看实验指导录像，预习实验，这大大提高了指导教师的工作效率，使他们有更
12、多的时间回答学生提出的各种问题。预习结束后，学生分组结合实验仪器设备进行讨论并准备实验，目的是进一步明确实验内容，明确仪器设备的使用方法等，然后进行实验。教师和作为助教的研究生在实验室内巡视，随时解答学生实验中遇到的问题，帮助学生完成实验测量。实验数据的记录和实验报告的书写在同一个精心设计的实验报告册上，实验报告从格式到内容都按照科技论文的书写要求。同时，鼓励学生提出新的实验方案或改进措施。由于采用了计算机辅助教学手段，提高了学生用先进仪器解决物理问题的能力，以及应用计算机进行实验数据处理和误差分析的能力。我们还邀请加方教师为学生开设实验课，同时使我校实验教师也能直接学习和体会国外教师的教学方
13、法。对首次选修这些实验的物理学专业两个年级的近250名学生进行了详细的问卷调查。调查结果表明，一年级学生喜欢做这些实验的占77%，二年级学生占94%；从这些实验中学到了有用知识的一年级学生占88%，二年级学生占92%；认为实验与学到的课堂知识密切相关的，一年级学生占68%，二年级学生占68%；认为实验指导录像有助于实验的一年级学生占75%，二年级学生占60%；认为实验讲义有帮助的一年级学生占93%，二年级学生占90%。最值得一提的是，认为应该开设更多类似实验的一年级学生占94%（其中有71%的同学认为完全应该），二年级学生占98%（其中有78%的同学认为完全应该）。到目前已有近1500名学生选
14、做了这些实验。实践证明，学生不但能够接受上述模式的实验课教学，而且收到了很好的效果。总结这种模式的实验课教学的要点是：（1）实验内容应体现综合性，在物理学各分支学科之间没有严格的界限有利于培养学生的综合物理学素养。（2）重视实验课预习，充分利用现代教育手段，使学生更好地理解实验所需要的理论概念有利于培养学生提出问题的能力。在目前高校高生师比的现状下，能有效降低指导教师的工作强度。（3）突出学生的自主性，淡化实验过程中指导教师的作用有利于培养学生实际动手能力、解决问题能力和合作精神。（4）对实验数据、实验报告提出严格要求有利于培养学生科学的态度、实事求是的学风以及分析问题的能力。（5）选择科研、
15、课堂教学一线的教师指导实验课，充分发挥研究生助教的作用有利于培养学生科研能力，有利于实验教学与课堂教学的结合。新模式物理实验课教学的成功实践，为实验课教学改革做出了示范，兰州大学大学物理实验教学中心所承担的世行贷款建设任务参照这样的教学模式正在逐步改革完善中。五、翻译出版先进教材在对北美高校物理学专业所用教材和教学参考书进行广泛调研的基础上，我们翻译出版了多部特色鲜明的教材和教学参考书。这些教材多数为世界著名教授撰写，经过多次再版修订，目前被北美高校广泛采用。目前已出版的7部教材和教学参考书是：（1）加拿大高等教育，作者加Glen A. Jones；（2）半导体材料物理基础，作者美Peter
16、Y. Yu；（3）物理学原理与应用，作者美Douglas C. Giancoli；（4）铁磁性理论导论，作者以色列A. Aharoni；（5）铁磁性物理，作者日近角聪信；（6）磁学及磁性材料导论，作者美David Jiles；（7）半导体纳米晶体的光学性质，作者英S. V. Gaponenko。它们已列入我校物理学专业本科生或研究生的教材或教学参考书目。另外，还引进了40盘课堂演示实验录像带以及150余部原版教材供教师和学生参考。六、总结以中加高教合作项目为平台，我们对北美高校物理学专业本科教育的课程结构、教学大纲、教学内容、教学方法和教学手段等进行了广泛的调查和深入细致地比较研究。通过有鉴别的学习和引进北美高校物理学教学中先进的理
