哈佛大学物理实验室考察与我国物理实验教学的思考
第30卷第7期实验室研究与探索
Vol．30No．7哈佛大学物理实验室考察与我国物理实验教学的思考
韩
忠，黄佳木，何光宏
（重庆大学，重庆400044）
摘
要：为了贯彻高等教育质量工程，提高实验教学质量，推动实验室建设，2010年3月，教育部国家级
实验教学示范中心负责人参观考察了美国哈佛大学物理实验室，就其管理体制、运行机制、实验设施、人员配备、物理基础及专业实验课程设置、实验课程的考核方式等问题进行了调研，与哈佛大学相关实验室的管理人员、实验课教师进行了交流。针对我国大学物理实验现状，在实验室运行、教学模式等方面提出了改进意见，以深化实验教学改革，提高实验课程质量。关键词：哈佛大学；物理实验室；实验教学；考察与思考中图分类号：G 642．0
文献标志码：A
文章编号：1006－7167（2011）07－0361－04
Study of Physical Laboratory of Harvard University and Thinking
of Physical Experimental Teaching in China
HAN Zhong ，HUANG Jia-Mu ，HE Guang-hong （Chongqing university ，Chongqing 400044，China ）
Abstract ：In order to implement the higher education quality project ，improve the quality of experimental teaching ，impel the laboratory construction ，in March of 2010，the masters of national experimental centers of the education ministry toured Harvard university physics laboratory．Researched its management structure and operation mechanism and the facilities and staff with expertise and basic physics and the curriculum and the examination mode ，they had a communication with the Harvard related personnel and the teachers．Referring to China ’s physical laboratory instruction ，etc ，some improvement comments were given ，in order to deepen the experimental teaching reform and improve the quality of courses．
Key words ：Harvard University ；physical laboratory ；experimental teaching ；investigation and thinking
收稿日期：2010－03－28作者简介：韩
忠（1969－），男，重庆人，硕士，副教授，副院长。
Tel．：023-*******，158********；E-mail ：hanzh@cqu．edu．cn
0引言
实验教学是本科教学的重要环节，是高等教育整
个教学内容和课程体系中不可分割的组成部分［1］
。2010年3月，教育部国家级实验教学示范中心考察团物理组访问了哈佛大学工程及应用物理学院（Harvard School of Engineering and Applied Sciences ）的两个物理实验室。
1物理实验教学概况
1．1近代物理实验室（Experiments for junior students ）
根据哈佛大学近代物理实验室负责人Peters．
Pershan 教授介绍，其近代物理实验分两个层次开设：基础实验Ⅰ（相对简单）和挑战性实验Ⅱ（难度较大），共5大类19个实验项目，如表1所示。每个实验1或2套设备，均是实验课教师和实验技术人员自行搭建，实验线路和仪器设备的内部结构均可清楚看到，绝大部分实验与获得过诺贝尔奖的物理问题有关。
近代物理实验由1名专任教授（讲课、指导）和2名实验技术人员共同负责，每学年承担约60人的实验教学任务。每次实验课18名学生，2 4名学生一组合作完成实验。近代物理实验共48h ，学生在一学期中的8周内完成。每个学生选做4个实验，每个实验每周做2次，每次3h ，完成一个实验需2周，共需做4次（12h ）。
实验室研究与探索第30卷
学生认知活动具有不同层次，实验教学应该遵从认知规律［2］。在哈佛大学学生实验的过程中，如果理论课程的基础知识没有学好，实验指导教师会仔细地从基本概念开始，不厌其烦地给学生进行讲解。实验课的考核方式是每完成一个实验，要求学生作一次口头演讲，写一篇关于该实验的小论文。教师会对演讲和论文的写作给予详细的指导和点评，直至学生论文得到教师的认可，通过后才能继续下一个实验。为配合学生的论文写作，还从写作学院（writing department）聘请教师开设如何写作的课程。哈佛的实验教学体现了对学生的全面考虑，贯穿着以人为本的人性化管理原则［3］。
表1哈佛大学近代物理实验项目Classification Experiments
Atomic and
Molecular
Physics；Interaction of Electromagnetic Radoation and Matter Shot and
Thermal
NoiseⅠ
Optical
Pumping
and
Magnetic
Resonance
Ⅱ
Compton
EffectⅠ
Inversion
Spectrum of
AmmoniaⅠ
Light
Scattering；
Quasi-
Elastic
Rayleight
Scattering
Spectroscopy
Optical
Spectroscop；
Raman
Scattering
in Hydrogen
Ⅱ
Nonlinear
Optics；
Fraday
Rotation
and“Slow
liglight”
Electromag-
netic
Trapping；
Optical and
Magnetic
Tweezers
Nuclear，
Parti-cle，and Relativistic
Physics Induced
Radioactivity
Ⅰ
Mossbauer
Effect with
Fe57Ⅱ
Angular
Polarization
Correlation
of
Annihilation
RadiationⅡ
Mean Life
of muons in
MatterⅡ
Relativistic
Mass of the
ElectronⅡ
Nuclear Magnetism Pulse NMRⅠ
Condensed Matter Semicon-
ductor
Physics and
the Hall
EffectⅠ
Electron
Spin
Resonance
Ⅱ
Low Temperature Properties
of
Superfluid
HeliumⅡ
Supercondu
-ctivityⅡ
Quantum
Hall
EffectⅡ
1．2基础物理实验室（Experiments for freshmen students）
哈佛大学基础物理实验分物理类专业和非物理类专业两个层次，共开设了39个实验（见表2）。实验室有教授1名，实验技术人员7名，每学期承担约250人的实验教学。学生每学期可从中选做不同类型的8个实验，实验完成后，将实验数据填写在标准的实验报告上，并回答相关问题，不需要自己撰写预习报告和设计实验报告，但要求学生完成选做的每个实验后，撰写一篇实验总结（Summary）。
非物理类专业物理实验室约有15套设备，物理类专业物理实验室有10套设备。设备全部采用计算机数据采集器与多种传感器配合的方式，和国内一些高校采用的美国PASCO、德国Leybold等公司的产品类似。这些设备结合一些自制电路等可以扩展数十个实验，包括力学、热学、电磁学、光学、原子物理等实验。对美国这类学生人数较少（每年约600人）的高校非常合适。2我国物理实验的现状与哈佛的比较思考
（1）以人为本。以人为本的教学理念需要确立。一方面要充分调动实验教师和实验技术人员的积极性，另一方面在教学中要尊重学生，尊重他们提出的问题和疑问，保护他们的好奇心和探索愿望［4］。
（2）加大投入，合理安排。随着社会对人才需求的快速增长，高等学校办学规模不断扩大，学生人数众多成为我国高校的特色。新专业、新实验室不断涌现，与之相适应的经费、用房、教学规划、师资问题日益突出［5］。例如：我校每学年参加大学物理实验的学生就在5000人以上。学生几乎都要按规定得很死的步骤做实验，否则哪里一出差错，就可能完不成实验任务。学生众多使得我们很多工作受到限制。
（3）提高学生综合素质。学生实践能力、创新能力和综合素质大目标的实现需要建立在一个个具体的实验项目目标完成的基础上［6］。哈佛大学要求学生完成的总实验项目数并不多（3或4个），由学生在十
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第7期韩忠，等：哈佛大学物理实验室考察与我国物理实验教学的思考
几个实验中选择，一个实验在一段时间内可以分多次完成，这种实验安排方式给学生很大的自由度。大学是培养创新人才的重要基地［7］，而国内大学物理实验内容大同小异，可供学生选择的实验项目数有限，创新性和研究性实验项目更少，在国内学生人数一次实验达30人或更多的情况下很难达到哈佛的水平。
表2哈佛大学基础物理实验项目
Introductory physics with emphasis on applications to life science
Mechanics and more
Lab．Topic Experimental Emphasis
1Measement and uncertainty Error analysis．Measement and uncertainty
2Conservation of momontum．Gauss gun Video analysis of motion
3Force plate and the vertical jump Video analysis and data acquisition by sensors
4Work and energy．Gauss gun Video analysis and data acquisition by sensors
5Damped harmonic Oscillator Hans-on Measement．Fitting data
6Fluids．Viscous drag Video analysis
7Brownian motion Use of a microscope．Data analysis
Introductory physics with emphasis on applications to life science
Electromagnetism and more
Lab．Topic Experimental Emphasis
1Electric fields and potential Fields plotting．Measuring potential
2Catacitance．Human capacitor Measuring capacitor discharge．Using the body as a circuit element 3Circuits Black-box circuit
4Didital logic Building circuits．Using logic gates．FET
5Sound Computer audio analysis
6Microcopy Fluorescence microcopy
Introductory mechanics intended for studends in engineering and physical science
Lab．Topic Experimental Emphasis
1Accelerated motion Uncertainty and measurement
2Force plate and New’s law Data analysis
3Work and energy．Gauss gun
4Damped oscillation
5Rotational motion
6Capacitance and electrostatics
7Circuits and Ohm’s law
8AC circuits：spark plug Oscilloscope；Transformers
9Optics．Microscope Digital camera．Fluorescence microscope
10Interferometry Aligning Optics．Interpreting fringe patterns
Introductory mechanics for Physics concentrators
Lab．Topic Experimental Emphasis
1Speed and sound Experimental design．Error analysis
2Basketball-tennis ball conservation of momentum Video analysis．Error analysis
3Gauss gun：Potential and kinetic energy Hands-on measurement of force．Data analysis
4Potation Motion
5Damped harmonic Motion Data fitting．Hands-on experience
6Introduction to signals and data acquisition Oscilloscope．Data analysis
7Capacitance and potential Measurement of charge
8Circuits and I-V curves data acquisition and analysis
9Magnetism．Force on currents，induction Using an oscilloscope and Interpreting data
10Alternating currents．Complex impedance Using oscilloscopes and Interpreting data
11Driven damped harmonic oscillator Computer data acquisition and fitting．Data analysis
12Coupled pendula．Chaotic pendyla Oscilloscope．Fourier transform
13Fourier Series．Computer lab．
14Standing waves．Violins Using an oscilloscope．Measuring audio-frequency signals
15Polarization．1/2and1/4wave plates Take-home kit
16Interferometry Aligning optics and interpreting fringe patterns
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实验室研究与探索第30卷
（4）加强师资队伍建设。组建好一支以专职为主、专兼结合的实验教学师资队伍是实施实践教学的保障［8］。哈佛大学近代物理实验课程的开设方式和实验指导教师的敬业精神使我们感触颇深。而由于国内高校在评价体系和激励机制上往往有轻视实验的倾向，所以有些实验教师缺少主动性和积极性，最终以按部就班完成工作量为目的。所以，领导重视、教师负责是实验教学成功的保证［9］。
（5）培养学生团队精神。研讨协作是实验开展的重要方式，教师组织学生讨论，可以加深学生对实验的理解［10］。哈佛大学学生实验是2或3人一组的合作，不是一人一套仪器。这种合作实验的形式对培养学生的团队精神和取长补短是大有裨益的。
（6）分层次实验。实验教学内容应有不同的层次和深度，每一类实验可以有学生必须完成的部分，也应有可以选作的部分，有能力和兴趣的同学可以选作较难部分内容［11］。哈佛的实验内容有一般难度的，也有难度较大的，对较高要求的指导教师会根据学生情况给予知识和方法上的讲解、科学论文写作的辅导，要求学生提交论文，并且达到较高的水平。这同时也要求我们要建立适应新形势发展需要的高校实验技术队伍建设的新机制［12］，重视实验室工作人员的培养才能适应教学内容的升华。
（7）教学科研结合。促进科研与教学结合。在本科实验中，将先进的科研成果部分地转化成教学实验项目，充分依靠学科特点，想方设法多开综合性、设计性和创新性实验［13］。
（8）理论与实验相结合。依据人才培养方案的总体要求和专业培养目标，编制实验教学大纲［14］。哈佛的基础物理实验课与理论课紧密结合，所做实验涉及的理论知识均已在理论课上学习过。教师在讲授实验课时，总是首先用实物演示基本的物理现象，然后提出问题，最后通过实验来回答。实验室技术人员自制了很多可以演示的模型或动画，都是与所作实验项目有关的物理现象的凝练。这种从直观→抽象→实验→分析→总结的教学方式，可以激发学生对物理实验的兴趣和好奇心，有助于学生更好地理解和掌握基本物理概念，达到很好的教学效果，这对我国的实验教学皆有借鉴和指导意义。
（9）建立和完善实验教师发展机制。将外部激励与内在动力结合起来，通过恰当的外部激励机制，比如物质的或非物质的奖励、职称的晋升、社会声望的提高等激发教师追求发展的内在热情［15］，把一些优秀的教师吸引到实验教学中来，以改变重理论、轻实验的现状。
3结语
虽然我们同哈佛大学在物理实验教学方面存在一定的差距，但是，随着我国国力的日益强大，我们的硬件设施也在逐步完善，同时，如果我们在实验教学方法、教学理念、评价体系和激励机制方面进行改革和完善，真正把教师的积极性，学生的主动性调动起来，促进他们在对实验中意外现象的处理中，学习独立与创造；在实验的失败与成功中，感受沉重、坚持、自觉、自信，从中增进对于生活的理解与尊重［16］，学生们的创新潜能就会得到最大的激发，就会取得最大的收获，我们培养新世纪人才的目标也能最终实现。
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