美国华盛顿大学的物理实验教学——以华盛顿大学“物理学导论”的教学为例

何焰蓝，黎　双，杨　筱，彭　刚，刘一星

(国防科技大学 理学院 物理系，湖南 长沙　410073)



美国华盛顿大学的物理实验教学
——以华盛顿大学“物理学导论”的教学为例

何焰蓝，黎双，杨筱，彭刚，刘一星

(国防科技大学 理学院 物理系，湖南 长沙410073)

既有理论也有实验的美国华盛顿大学“物理学导论”课程，无论是内容还是教学模式都很有特色.实验项目的内容紧扣理论教学环节并尽可能澄清课堂学习的一些问题.实验讲义以物理史实或以身边易于实践的自编故事为引子切入原理并让学生继续展开实验，以物理系和网络上可寻的与实验相关的科技前沿发展背景为延伸，注重学生兴趣导向.对学生采取人员变动式分组方式，注重其建模、预测以及合作能力的培养.文中还介绍了他们如何要求学生撰写实验报告(包括评分点展示)，采取的先进实验仪器技术，进行的实验室管理与学生实验素养培养相结合等方面的一系列行之有效的办法.

物理学导论；物理实验；建模；预测

位于美国圣路易斯的华盛顿大学(以下简称华大)，是美国一所久负盛名的名校.华大于2006年开始采用《Six Ideas that Shaped Physics》[1-6](以下简称《Six Ideas》)为教材，采取以学生为主的教学方式以来，教学质量明显提高，效果显著[7].至2014年秋季学期，华盛顿大学物理系在Howard Hughes Medical Institute提供的资金资助[8]下对原来的物理实验教学(美国高校的基础物理课程包含理论和实验)作了全面的改进，其理念从某种意义上说与《Six Ideas》教材的撰写以及其对应的教学是一致的，并落实于所选的实验设备以及项目中，同时融入新编写的实验讲义.

本文作者于2007年以及2014年两次对华盛顿大学物理系进行了访问，获益匪浅.这里就华大物理实验教学以及教学管理种种，与国内高校物理教学的同仁们一起分享.

1　年轻朝气富于创新的师资

华盛顿大学物理系的实验教学、建设以及管理仅由3名年轻教师以及7名左右的在读博士生TA组成.女博士Hynes负责整个《物理学导论》的TA管理与协调工作，同时还担任该课的理论课教学.充满活力的Hynes，与学生于课堂上的互动异常活跃.“如果任课教师自己在授课时都没精打采，怎能希望学生有兴趣？！”这是她的理念.Hynes每周都要组织TA进行一次实验教学的分析协调会，届时，实验室唯一的专职管理员Flanagan硕士也会出席.会上，TA们会将一周异常的教学情况与Hynes和Daniel进行沟通，以保证教学秩序健康发展.相比理论课TA而言，华大物理系对从事实验教学的TA要求更高，因为小课堂与学生将有更多的面对面交流.Wagoner博士同Hynes一样，也要担任“物理学导论”的理论课教学，他更喜欢在课堂上演示实验.他与Daniel共同圆满地完成了Medical Institute提供的资金资助实验室建设的项目，撰写了相应的实验讲义.Daniel不仅要负责面向每年5～6百名学生的3个实验室的管理工作，更重要的是要负责实验课程的建设以及网页的建设、维护和管理工作，同时也要担任一部分的实验教学工作.

2　“物理学导论”的实验项目以及教学特色

美国高校的物理实验其性质为课程实验，华大也如此.因此其课程实验的主要教学目标正如他们在对学生介绍实验室所描述的一般：“实验室为补充和澄清课堂学习材料，因此进入实验室将帮助了解物理学讲座.”所选的实验项目以及实验时间的安排跟理论课尽可能同步.

2.1实验项目内容及要求

华大物理系的物理实验按春秋季共开设19个实验[9]，其实验项目名称、对应的主要内容以及开课顺序列于表1.

表1　实验项目一览表

续表

在华大改革后的物理学导论课中，没有关于几何光学的内容.实验中几何光学和物理光学实验在一定程度上弥补了这段空白.

2.2实验教学仪器

华大的实验项目如同美国其他高校一样采用Vernier公司的多种传感器+接口+计算机，通过强大的数据处理软件对采集所得数据进行分析和处理，得出相应的结论或物理规律.这一类仪器与国内一些高校所采用的美国PASCO公司的仪器非常类似.这种类型的设备非常适于开发新实验项目.2014年秋季学期开始，华大在物理实验室的每一个实验位上又配备了专门用于学生进行数据处理、作图乃至撰写实验报告等用的平板电脑.学生在实验时间内必须完成实验报告并上传于TA处.

2.3实验教学特色

2.3.1教学过程严谨

学生2人一组，由TA不定期划分组合.十分注重学生物理实验的预习，规定必须在进入该实验室做实验之前将有关预习问题的回答交给TA，否则预习这项分数将为零，且补做无效.电学实验学生必须画出线路草图，等待TA检查合格后，方可通电继续实验.2014年春季学期没有使用平板电脑当堂完成实验报告.学生完成实验后，需经TA检查数据并且检查仪器是否归位、整洁，然后TA会在实验报告纸上盖一个章(图1)后，学生方可离开.这个章既是对学生操作过程的一个规范，同时也是TA对学生实验报告批改后登记成绩的地方.

图1　实验报告签章

2015年春季学期华大实验室全部采用新进平板电脑以及其中软件撰写实验报告，一个小组只需交一份实验报告，合作人在报告的文档命名中体现.由于平板电脑的便利，他们在页面中设置了一个“Cleaning”的链接，里面有一个PDF文档，文档中有关于该实验项目所有相关仪器以及元器件的规范摆放的图片，学生必须按图示整理桌面，并将有关仪器的开关置于正确状态，如图2所示，最后经TA的检查验收后才能离开实验室.这个配有图文的管理举措既可以很好地培养学生的良好实验习惯，又是方便管理的聪明之举，值得学习.

图2　规放整理标准图

对于因故不能准时参加实验的学生补做实验有明确的规定，仅当实验时间与其他科目的考试相冲突或者是宗教节日，并给出相应证明时.允许补做实验的同学必须提前一周预约，否则一律不让补做.

2.3.2实验报告评判标准

实验报告的评判标准分为3个主要部分，其中完整性占40%，正确性占40%，清晰程度占20%.正确性的分数不能超过完整性的分数，如果遗失重要信息，完整性将要被扣分.计算错误、缺失的单位或与物理规律陈述相矛盾也要扣除正确性的相应分数.令人困惑的语句，不合逻辑的位置的信息或者数据量不足也导致清晰程度减分.学生最终的实验成绩将被作为整个物理学导论课程成绩的一部分.此外，理论考试中将会有1～2个涉及实验概念的问题(无论它们是否包含于课堂讲座).

3　“物理学导论”的实验讲义特色以及理念

3.1以历史和故事作为牵引增加学生兴趣

在每一个讲义的预习部分总是由与该实验项目相关的历史或者编一个与身边的物理相关且易于实践的故事作为引子.这点也与他们所用的物理学导论教材《Six Ideas》的编写风格有异曲同工之处：以历史史实为出发点，关注身边的物理.一方面提升学生的兴趣，让学生知道物理与日常生活息息相关，所学的知识无处不在.另一方面，也非常符合教育理论：从学生身边的物理这一最近发展区生长知识.

例如在“Radiation Playhouse”这个实验讲义的开始就是以贝克勒尔怎样发现放射性的历史故事为引子介绍放射性的发现以及意义.而“Physica Optics”实验的讲义却以学生为主角，从如何向他的祖父母澄清DVD、CD乃至老式胶盘唱片记录和存储歌曲信息的方式引入物理光学的基本现象，并用实验解释；而对弟弟这个非常喜欢3D的年轻人以兴趣为诱惑，讲解了偏振光的道理.这种形式有趣也很有效.

3.2以科技前沿相关的视频以及文档资料增添学生学习动力

在预习部分，也有一些取自互联网上与该实验相关背景资料需要学生观看并回答问题.如 “效率”实验中，给出美国政府能源部网站网址，让学生观看视频并回答问题.在 “电流研究” 实验网页中有与本实验相关的本系研究进展的链接.如在“辐射”实验栏目里就有关于Wessel教授以及“神经小组”的用“法拉第笼”开展研究的链接等等.这些做法同样与《Six Ideas》教材以及与之相关教学思想非常一致，要让学生感受到所学的基础物理在今天的科学技术发展中发依然挥着重要的作用，增添学生学习的动力.

3.3以建模方式建立测量公式，以预测模式估计结果注重能力培养

华大对实验项目绝不是简单提出一个测量目标，给出相应的测量公式，让学生按步骤得出结论，而是以建模方式来建立测量公式，并且十分注重实验条件对模型的约束以及可能造成的影响.在相应的实验测量公式以及一定的实验条件下，不急于让学生测量，而是留有一定时间让学生事前估计或者预测可能出现的实验现象或者结果.测量完毕后鼓励学生将预测与结果进行比较得出自己的结论.这种模式在理论课中同样倡导，实践证明，这十分有利于学生能力的培养.在 “碰撞” 实验中，首先以一定篇幅介绍物理建模的故事，建模的重要性以及建模的基本原则，同时给出了一些具体实例，并要求根据实验设备建立具体的碰撞模型进行相关测试、预测与比较分析.初看，这个实验与国内的“碰撞研究实验”很相似，但却有本质的区别.

国内的实验很少关注建模和“预测”，多关注测量与计算以及简单分析.华大的要求更注重过程养成，而非结果.他们在实验相应的附录中明确提及：“在这个实验中，你被要求做许多预测，在这之后测试预测.即使预测是错误的也没关系！不要删除不正确的预测.只要你有‘支持预测的一、两个句子’你将得到满分.在另一方面，如果你不解释正确的预测，也可能得到很少的分数甚至零分.测试完预测后，你会被询问是否正确.如果你的预测是正确的、完整的，画一个笑脸.如果预测不正确或不完整的，你必须解释失败的推理.要说清楚，你已经明白什么地方出了错.澄清你的误解是解决这些问题的最佳途径！”

3.4略繁就简介绍不确定度，通过实验明白测量的表达与意义

华大的物理实验中没有专门的时间和篇幅作关于物理实验测量的基本知识介绍，但是不确定度以及测量的意义贯穿在实验“Measurements”中.该实验首先以几个物理学历史上重大事实强调了测量的意义，介绍了一些测量相关的标准器件以及日常物理量的单位.告知学生这一个学期在解决问题时，将被要求做出合理估计.比如让学生用先验知识估计“一杯热咖啡合理的热力学温度是多少？”以及“成人合理的身高是多少米？”等问题，特别强调必须基于事实等的“估计”而非“猜测”.

实验中对于不确定度的描述用最简单的约定或“法则”：将测量仪器最小划分值的一半作为不确定度.例如尺子最小分度值为1 cm，则这把尺子的不确定性是0.5 cm.如果一个要被测量的块规其长度估读值为7.2 cm，就称其为最佳值，而0.5 cm为不确定度.他们在讲义中提示学生：“一个好的物理学家就会将测量值表示为(7.2±0.5) cm”.而另一个同学用同样的尺子测量同一个块规却可能得到(7.3± 0.5) cm.

该实验还要求学生用不同分度值的仪器测量同样的物体，如1 cm、1 mm以及0.01 mm的尺子测量一个大约7.2 cm左右的块规长度；用邮局用的天平和精度更高的数字天平秤块规的质量；用视频拍摄和秒标法同时测量圆球滚动的速度.并由此还需计算块规的密度.对于块规密度的不确定性取决于计算它使用的所有测量的不确定性这一观点明确表述，但华大在物理学导论中的教学理念是不愿花太多时间涉及如此一类较难的公式，他们认为相对宽松的对待不确定性不会让学生成为“坏的物理学家”.相反，它会腾出时间给物理学其他重要的且可能更有趣的方面.

那么华大关于这门课不确定性期望首先是，他们想让学生明白任何测量或任何读取的值都有不确定性.第二，希望学生能够估计所测量的不确定性.第三，希望学生能考虑一个特定适合特定的测量的仪器.

4　结语

美国华盛顿大学既有理论又包含实验的“物理学导论”的改革不仅在美国高校同类物理学教学中有积极的影响，同时也给我们国内的基础物理教学很好的启迪，值得国内同行借鉴.

[1]Thomas A Moore.Six Ideas That Shaped Physics：Unit C： Conservation Laws Constrain Interactions[M].2nd Ed.McGraw-Hill Press，2003：1-285.

[2]Thomas A Moore.Six Ideas That Shaped Physics：Unit N：The Laws of Physics Are Universal[M].2nd Ed.McGraw-Hill Press，2003：1-264.

[3]Thomas A Moore.Six Ideas That Shaped Physics：Unit R：The Laws of Physics Are Frame-Independent[M].2nd Ed.McGraw-Hill Press，2003：1-213.

[4]Thomas A Moore.Six Ideas That Shaped Physics：Unit E： Electric and Magnetic Fields Are Unified[M].3rd Ed.(Draft)，McGraw-Hill Press，2006：1-325.

[5]Thomas A Moore.Six Ideas That Shaped Physics：Unit Q：Particles Behave Like Waves [M].2nd Ed.McGraw-Hill Press，2003：1-297.

[6]Thomas A Moore.Six Ideas That Shaped Physics：Unit T：Some Processes Are Irreversible[M].2nd Ed.McGraw-Hill Press，2003：1-185.

[7]Rebecca L Trousil.The Introductory Course:Innovations & Implications[D].SPIN-UP Midwest Regional Workshop Marquette University,June 20,2009.

[8]About the Wash U Intro Physics Labs[EB/OL].http://physics.wustl.edu/introphys/Spring/about.html

[9]Wash U Intro Physics Labs[EB/OL].http://physics.wustl.edu/introphys/Fall/index.html.

Physics experiment teaching of Washington university——Taking the teaching of “Introduction to the Physics” as an example

HE Yan-lan,LI Shuang,YANG Xiao,PENG Gang,LIU Yi-xing

(College of Science,National University of Defense Technology,Changsha,Hunan 410073,China)

“Introduction to the Physics” is a course which includes both theoretical and experimental parts in Washington university.It has characteristics in teaching content and mode.The experimental part is closely related to the theoretical one,clarifying the problems.The lecture note begins with the physical facts or little stories and leads to the physical principle and the key points of the course.And it ends with the extended introduction of the experimental backgrounds and the related frontier technology.The great attentions are paid on sparking the students’ interests,developing their abilities on modeling,prediction and cooperation.The essay also introduces their demands for students’ experimental reports (including reveal of the key points to score),the advanced apparatus and technology,the combination of laboratory management and quality training of students,and other effective measures.

introduction to the physics;physics experiments;modeling;predictions

2015-02-23；

2015-07-06

“基于博雅理念和精益思想的《大学物理实验》教学研究”，国防科技大学教育教学研究重点立项课题(U2012003)；“依托国家级虚拟仿真实验教学中心，借鉴翻转课堂教学模式，探索和实践大学物理实验教学新模式”， 国防科技大学教育教学研究重点立项课题( U2014000)；“实验物理教学可持续性发展研究”，国防科技大学训练部：教育训练项目

何焰蓝(1962―)，女，四川南充人，国防科技大学理学院教授，博士，主要从事光学与声学方面研究工作、物理基础课特别是物理实验教学以及研究工作.

教学改革

G 642

A

1000- 0712(2016)01- 0045- 04