大学物理实验教学发展历程中的组织模式

张 锋，廖 飞，蒲利春

（重庆理工大学，重庆 400054）

在人类追求真理、探索未知世界的过程中，物理学展现了一系列科学的世界观和方法论，深刻影响着人类对物质世界的基本认识、人类的思维方式和社会生活，是人类文明的基石，在人才的科学素质培养中具有重要的地位。物理学本质上是一门实验科学。物理实验是科学实验的先驱，体现了大多数科学实验的共性，在实验思想、实验方法以及实验手段等方面是各学科科学实验的基础［1］。正是基于这一点，物理实验被确定为各高校理工类专业的必修基础课，其教学组织模式多种多样。但基于办学条件的限制和教学效率的考虑，绝大教学单位多采用班组集体上课的模式。这种教学组织模式尽管在教学效率、教学管理方面具有明显的优势，但也存在严重的问题，如学生旷课、抄袭、敷衍了事、上课老师指导不到位等现象普遍存在，严重影响了教学质量和学生能力的培养。可以见单一的班组集体上课模式已经不能完全适应当前教育质量和人才培养的要求

物理实验教学可以追溯到人类生活的早期。当时生产力水平极为低下，人们在生产劳动中把生产、生活经验和技术知识不断地积累，并一代一代地传承下来。这个过程不自觉地就进行着各种实验（自然也包括物理实验）的教学活动。但真正意义上的物理实验教学是起源于西方大学诞生之后。尤其到16、17世纪，随着自然哲学的发展，人们开始对自然科学越来越感兴趣，并进行了大量的物理实验，如伽利略单摆实验、盖里克的真空实验、牛顿三棱镜实验、惠更斯的光折射反射实验等等，一系列经典、系统的物理实验，促使了物理学的快速发展，但仍然没有现在真正意义上的物理实验课程教学。到第一次工业革命后期，一些欧洲主要资本主义国家的大学中开始有专门的物理实验教育，这时由于学生规模小，物理实验多以“师徒”形式开展。随着第二次工业革命的到来，社会对科技人才需求的剧增，教育规模不断扩大，物理实验教学已经开始以“班组”集体上课的形式进行［2］。这种方式持续了近100年，为各个国家所借鉴和效仿。二战结束以后，科学技术在国民经济发展中的重要性日益凸显，如何培养出具有独立思维和探索精神的高素质科技人才，成为世界各国尤其是欧美、日本等各发达国家教育改革的目标。经过教育改革者的积极探索和实践，加上教学设备和环境等硬件设备的不断改善，“开放式”的教学组织模式逐渐引入，并受到学生的广泛欢迎。纵观物理实验教学的组织模式，可以归纳为“师徒式”、“班组式”和“开放式”三种基本模式。本文试图从物理实验教学发展历程的角度，分析这三种基本教学组织模式的特点和内涵，针对当前物理实验教学中存在的一些问题，从教学组织模式的角度，提出了教学改革思路。

1 师徒式组织模式

师徒式教学组织模式是物理实验教学的最早组织模式。在人类生活的早期阶段，由于生产力水平的限制，没有专门的教育，所谓的教育都是生活、生产经验的直接传授。教育者与被教育者之间的关系一般为师徒关系。通常都是师父在实践过程边示范边教，而学生（徒弟）则在一旁边观察边学。那时师徒关系即为师生关系［3］。其显著特点表现为言传身教。这种教育组织形式的最终效果是：学生可以得到老师的“真传”，个性鲜明，但同时受老师个人因素（如知识、能力、品行等）影响较大，限制了学生知识面和视野。

在漫长的封建社会，学校教育一直是重古文经史，轻自然科学，先进的科技发明被视为“奇技淫巧”，这就严重地阻碍了学校开设自然科学课程，使学校物理等自然学科的教育难以发展，到16世纪以后，与西方相比，我国在自然科学和技术等各个方面的差距越拉越大。但是物理学和物理实验教育从没有终止过，是一种普遍的社会活动，师徒式的教学组织模式一直持续到近代。但教学规模很小，社会化程度低，没有受到重视。尽管如此，我国古代也出现过诸如墨子（公元前468－前376年）、王充（公元27－约97年）、张衡（公元78－139年）、沈括（1031－1095年）、赵友钦（1279－1368年）、王夫之（1619－1692年）等一批伟大的科学家。

到16、17世纪，西方自然哲学得到了较好的发展，近代自然科学逐渐形成，并独立于哲学。实验方法的教育价值也逐渐被人们所认识，成为物理学研究的基本手段，实验室成为人们获取物理学新知识的主要场所［2］。物理学在17世纪末进入欧洲主要国家的大学课堂，但是学习和从事物理学及物理学实验研究的人相对很少，没有专门的物理实验场所和物理实验教学，物理实验室和物理实验也仅限于研究之用。当时从事物理实验完全是出于个人对自然哲学问题的思考和对自然现象的好奇与探索，孰不知这正是推动物理学不断发展的不竭动力与源泉。然而由于当时从事物理实验活动多属于个人行为，加上当时受经院哲学思想的影响，人们对物理实验的重要性还没有足够的认识，甚至认为是一种供人消遣的魔术，所以社会效应很小。所谓的实验室通常只是一简陋的房间，甚至没有固定的场所［2］。所以当时没有真正意义上的物理实验教学，更谈不上教学组织模式。

直到19世纪30年代，在欧洲的一些大学里终于出现了专门针对学生的实验物理训练［2］。但物理实验室多是私人实验室。科学家经常把自己的住所一部分或大学里闲置的房间改造、装备成实验场所，然后接受那些热衷于实验研究活动的学生进入他们的实验室学习和工作。德国柏林大学的 H.G.马格努斯（1802－1870年）就把自己寓所中的几个房间装备成物理实验室，接受并指导学生做实验，学生人数一般为三四人，包括留学生。在这样的实验室学生通常可以接受到良好的、全面的物理实验技能和知识的训练。在马格努斯的实验室里接受过训练的学生中就有后来成为著名科学家的亥姆霍兹（1821－1894年）和丁铎尔（1820－1893年）。

类似于这样的师傅带徒弟式的实验物理训练在19世纪前期和中期的欧洲大学里较为普遍。这种师徒式教育的突出特点是：教师与学生的交往非常密切，他对每一个来实验室工作的学生的兴趣和特长了如指掌，因而能够因材施教，充分发挥学生的主动性和积极性，在教师的言传身教之下进行创造性的实验研究。与当今的导师制非常类似，但在教学内容和教学方法明显不同，即，前者是先通过系统性的实践来获得物理知识，属于任务性的学习，而后者则是先通过系统的学习理论知识然后通过再用于实践，属于验证性的学习，在培养学生主观能动性方面后者明显要稍逊一筹。从教学组织形式的角度看，这种师徒式的教育是典型的个别传授制。这与当时教育规模小，理工科学生数量少的状况是相适应的。同时，它也反映了当时自然科学实验活动的特点：科学实验活动已成为一种与生产相分离的、独立的社会活动，但其社会化程度还是较低。

2 班组式组织模式

随着第一次工业革命的推进和第二次工业革命的开始，科学技术对生产力和生活的影响日益显著，欧美各主要资本主义国家的教育规模急剧扩大，学生人数激增，师徒式实验教育模式已经难以满足社会对科学技术人才的巨大需求。其中美国作为新兴的资本主义国家，表现的尤为突出。到第一次工业革命后期，科技人才显得严重缺乏，尤其在工业增长比其他地区更为迅速的美国东北部各州更是如此。为适应这种需要，美国一方面创办新型大学，如麻省理工学院（1861年）、康奈尔大学（1865年）等［4］，另一方面也更加强烈地认识到物理实验方法的教育价值，开始考虑教学组织模式的改革。麻省理工学院首任院长、物理学教授罗杰斯（1804－1882年）就强烈倡导对本科生大班级开设正规的实验课程的思想［2］。当时主持物理系工作的教授皮克林（1946－1919年）实现了罗杰斯教授的这一想法，并在1870年创办了麻省理工学院针对本科学生的物理实验室，开创了大面积开设物理实验课程的教学组织模式，并使实验课程成为学生为得到学位而必修的一门有计划的、系统的课程。这种组织模式的主要特点体现在以下几方面：（1）实验设备成建制配备，配备专门实验人员；（2）每次上课时间、实验人数固定；（3）教学内容和教学方法相对固定；（4）教师每次上课指导的人数较多。为此，皮克林当时还编写了一本实验教科书。在世界教育史上，这本书是最早出版和最有影响的学生物理实验指导书。

皮克林开创了的班组集体教学模式，制取代了此前的师徒式个别传授模式，是物理实验教学史上的一次重大变革和进步［2］。它不仅体现了工业化和教育大发展对实验教学的客观要求，同时也是19世纪后期科学实验活动规模不断扩大、社会化程度不断提高在实验教学上的反映。因此，它出现不久就被美国的一些大学所效仿，同时也促成了欧洲许多大学物理实验教学的变革。J.W.S.瑞利（1842－1919年）在1874年继任剑桥大学卡文迪许实验室教授职位后设置了学生实验室教学，即采取了皮克林创设的方法。当时在卡文迪许实验室参与这项工作的格莱兹布鲁克认为，在19世纪末叶，英国及美国的大多数实验物理学家都是在麻省理工学院实验教学体制下培养出来的。麻省理工学院首创的班组集体物理实验教学模式标志着现代实验教学制度的确立［2］。直至二战前后，尽管物理实验的内容与设备在不断充实和更新，但实验教学的指导与管理方法基本上是在沿袭皮克林时代的模式。这是由生产力水平和经济发展程度等各方面社会因素所决定的。

在创办班组集体式物理实验教学模式之初，皮克林教授本人很重视培养学生的独立思考能力和探索创新精神，鼓励学生运用实验实现他可能想到的任何想法，并尽可能亲手设计和制作所需要的器具，向着独创性的研究方向努力。这无疑是极有见地和教育价值的。但由于受仪器设备、实验场所、师资力量及教学管理等诸方面条件的制约，设计性、探索性实验在大班级教学中难以实施，学生实验基本是根据实验指导书描述的程式按部就班进行的。使得这一组织模式后来在实际操作过程中的教学效果打了折扣。现在看来，这一教学组织模式非常适用于基础验证性实验项目的教学，适合大规模传授学生知识的教学活动，而不太适合设计研究性实验项目的教学，不利于培养学生创新能力。在后来的班组式教学模式中，教师往往成为课堂的主角，学生成为听众，学习比较被动，对所学知识不能灵活运用，不能充分发挥学生主观能动性。

3 开放式教学组织模式

第二次世界大战结束后，世界政治格局发生变化，各国在经济和科技方面竞争明显加剧，对高等教育培养出来的人才提出了越来越高的要求，传统致力于传授知识的教育模式已经显得捉襟见肘，迫切需要改革。尤其是现代科学技术的发展更需要具有开拓精神和创新能力的高素质人才，要求知识与能力并重。实验教学由于在培养人才中独特的功能而受到了人们更多的关注。在物理实验教学方面，以美国为例，先后推出了诸如PSSC方案（美国物理学会为美国高等院校制订的方案）、伯克利方案、伦塞来尔方案和麻省理工学院方案等多种改革计划［2］。这些方案虽各有特色，但有一点是共同的：注重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、主动地观察、思考，受到类似于专业研究人员进行创造性实验研究时的那种训练。其教学要点是：由学生自己或学生与教师商讨选择实验题目，实验方案的拟定、仪器的配置、测量和操作，以至实验中出现的故障的排除等皆由学生自己完成，教师只在必要时给以指点，实验时数乃至最终要求也不作硬性规定，由学生根据自己的时间、能力及兴趣来安排。这种教学模式我们现在称之为“开放式”教学模式。麻省理工学院物理实验教学的改革方案最初由密立根教学奖获得者J.G.金教授等主持，从1964年开始在150名一年级本科生中试行，取得良好效果［2］。此后就在教学计划中规定新生入学后前两年必修12个学分的设计性实验。1966年，J.G.金撰文向外界介绍了经验。从60年代后期开始，国外很多大学开始了类似于麻省理工学院的实验教学改革。

“开放式”实验教学模式要求上课时间形式、实验内容、教学和管理方式都是“开放”的［5］。实行这种教学模式可以有效地解决实验资源与公共时间的矛盾，学生可以根据自己的能力、专业、兴趣和学习风格等特点来选择实验内容和时间，体现以学生为中心、以学生发展为本、教育的人性化和学习的个性化的新的教育教学理念。但是可以想像，对于数量庞大的学生群体，这种“开放式”教学模式在管理上压力较大。当今随着网络技术的发展，开发基于校园网的实验教学管理系统，为“开放式”实验教学的全面铺开创造了条件。

可以看出，开放式教学模式最大的特点就是：学生可以根据自己的兴趣爱好选择实验内容，可以自由安排自己的时间，学生成为课程和课堂的主体。这样有利于调动学生主观能动性，培养学生独立思考的能力和创新意识，但是需要一定已经设备和管理体制支撑。

4 我国近代各时期物理实验教学的组织模式

北京大学1913年设立物理学门，标志着我国物理学本科教育从此开始。但直到1917年才建成一套比较完整的课程设置，意味着我国物理实验教学从此拉开序幕。当时学生人数很少，第一届学生只有5个，于1916年毕业。随着我们高等教育的不断发展，先后有南京大学于1920年设立物理系，于1922年建立物理实验中心；四川大学于1926年设立物理系；上海交通大学物理实验室于1906年始建；武汉大学于1928年设立物理系，实验室于1932年创建；浙江大学物理实验室于1933年创建等等。相对西方，我国物理学的高等教育起步相对较晚。

在二战以前，我国物理实验多采用美国教育模式，由于学生人数并不多，教学组织形式多以“班组式”和“师徒式”相结合的方式进行，这种教学模式创造了我国物理学高等教育的辉煌，培养出了诸如邓稼先、杨振宁、李振道、黄昆等一批杰出的物理学家。

新中国成立初期，出于巩固国家政权、发展国民经济、增强国力的迫切需要，我国高等教育几乎照搬照套了苏联模式［6］，一切工作秉承“有计划、有针对性”原则开展，人才培养也不例外。这一时期，大学物理实验是以班组集体式的形式进行，侧重物理知识的传授，便于批量性地培养人才。当时教学只重视知识的传授，以及教学条件的限制，物理实验一般都是理论课程的附属，没有独立设课。这一教学现状持续到了上世纪70年代末。在80年代初，我国已经认识到苏联模式的不足，开始不断尝试改革。首先将物理实验独立于物理理论课教学，单独成为一门课。在教学组织形式上仍然采用班组集体授课的模式。但“班组集体”教学模式的通病很快暴露，表现在实验项目内容单调乏味、师资力量水平不高、教学质量下滑、学生成绩考核单一、教学资源利用效率低等等各个方面。在上世纪80年代末和90年代初，我国各类高校开始着手物理实验的教学改革，逐步将“开放式”教学模式引入实验教学，在教学时间、教学内容上实行开放式教学，受到学生普遍欢迎和支持，人才培养质量也得到用人单位的广泛认可［6－7］。然而在硬件建设、网络管理、实验室管理体制等诸多方面都不能与“开放式”的教学组织模式要求相匹配，所以开放式教学在我国各个高校并没有真正全面实施。

5 启示与结束语

物理实验的教学模式与当时社会发展水平是密切相关的。不同历史阶段，由于社会经济发展水平、教育规模大小的不同，都有与之相适应的教学组织模式，大致可以归纳为师徒式、班组式和开放式三种基本模式。这三种教学组织模式都有其相应的适用范围，各有利弊。针对培养学生规模和培养层次的不同，应灵活地采取不同的教学组织模式。现阶段，单一的教学组织模式已经不适应人才培养的需求。我国综合国力正在不断增强，教学资源在一定程度上已经允许采取多样化的教学组织模式。物理实验作为理工类专业必修的基础课程，在教学规模和教学目标上与专业实验教学均有所不同。物理实验课程更侧重于学生基本知识的掌握、基本科学素养和能力的培养。根据师徒式、班组式、开放式教学组织模式的特点，可以将这三种组织模式有机的结合，灵活地应用于物理实验教学。为了将这三种教学组织模式更好地融合与教学中，相应的实验室管理制度、网络管理方法、师资配置、硬件设备都需要进一步进行优化。只有这样，才能高效率的利用学校教学资源，人性化地为学生提供学习机会，高质量地完成教学目标，为培养高素质的专业人才奠定坚实基础。

［1］教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会，理工科类大学物理课程教学基本要求，理工科类大学物理实验课程教学基本要求（2010年版）［M］.北京：高等教育出版社，2011：15.

［2］史贵全.大学物理实验教学的变革历史及其启示［J］.大学物理，2001，22（2）：27－30.

［3］何了然.我国学校和高等教育的起源［J］.辽宁高等教育研究，1992，61（4）：117－122.

［4］Arthur M.Gohen.美国高等教育通史［M］.李子江译，北京：北京大学出版社，2010：96－106.

［5］容敏丽.大学物理实验课教学的一种新模式［J］.高等教育研究，1991，45（3）：76－78.

［6］黄福涛.苏联高等教育模式形成的历史考察［J］.清华大学教育研究，2002（5）：57－64.

［7］廖艳林.大学物理实验教学中科研思维的培养［J］.大学物理实验，2012（6）：101－103.