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教學的平臺探索的基地求知的樂園——實驗物理教學的追求

2014-12-02 02:51:58葛惟昆
物理與工程 2014年3期
關鍵詞:實驗教學物理實驗

葛惟昆

(清華大學物理系,北京100084)

1 作為實驗科學的物理學的實驗教學

“清華大學實驗物理教學中心”,之所以如此命名,而不是沿襲一般稱謂“物理實驗教學中心”的稱謂,是有一番思考的,也是蘊含深意的.“物理實驗”和“實驗物理”,看似相同,其實內涵迥異.就比如我們說“物理化學”,它是化學的一個分支,而“化學物理”,則是物理的一個分支.前兩個字是子定義,后兩個字才是主定義.故此,“物理實驗教學”,意為教授實驗,不過是物理的實驗而已;而“實驗物理教學”,旨在教授物理,不過采用實驗手段.細究起來,失之毫厘,差之千里!

從根本上說,這種差別反映在兩個基本概念上.一方面是對作為實驗科學的物理學的認識;另一方面,是對實驗物理教學所賦予的使命的理解.眾所周知,物理學是實驗科學,但在純物理專業(yè)(相對于應用物理而言),大多數學生會選擇做理論物理.從我本人在上世紀50年代進入北京大學學習物理,到目前的在校學生,對理論情有獨鐘成為一慣的傳統(tǒng),也是我們物理教育失敗的重要標志.其實在中國物理教育初始的年月,情形倒未必如此.清華物理系的創(chuàng)始者,也是中國物理教育的奠基人葉企孫先生,在清華大學物理系建系伊始,即開宗明義,指出:“本系自最淺至最深之課程,均為注重于解決問題及實驗工作,力戒現實高調及虛空之弊”“科目之分配,理論與實驗并重,重質而不重量”.他十分重視學生動手能力的訓練,要求物理系學生學習木工、金工和機械制圖等課程,自己動手制造實驗設備,并做畢業(yè)論文.他培養(yǎng)了我國兩彈一星23位元勛中的大多數,而其中多數又是實驗物理學家.在早期中國赴歐美學習物理的人群中,實驗物理學家也占多數.這些事實,都符合物理學家在實際專業(yè)工作上的分配,亦即物理工作的需要;就是說,從事實驗工作的,要多于從事理論工作的.這和學生時代的選擇正相徑庭.因此許多學物理的學生都經歷過從“學理論”到“做實驗”,甚至轉行的痛苦經歷.這顯然是一個非常突出的矛盾.那么是什么原因造成了這種矛盾呢?

當我們說:“實驗物理教學”,旨在教授物理,不過采用實驗手段而已,似乎降低了實驗的身價,把它當成工具而已.這當然是一種錯誤的理解.嚴格來說,理論和實驗都是研究物理的手段,其最終目的,都是尋求物質運動的基本規(guī)律,即物理學的終極目標.同時,無論理論還是實驗,都需要基本訓練,都有自己不斷發(fā)展的技術手段.從這個角度來看,實驗物理教學必然有一項重要的使命,就是訓練扎實的實驗技術和培養(yǎng)嚴謹的實驗作風.進而言之,無論做理論還是從事實驗,從探究自然規(guī)律、發(fā)展物理學的要求來說,創(chuàng)新型思維無疑具有根本的意義,在理論和實驗教學中,都需要注重培養(yǎng)學生的獨立思考和創(chuàng)造精神.有鑒于此,清華大學實驗物理教學中心確立了“傳授知識、啟迪心智、訓練技能、培養(yǎng)作風”的宗旨.

2 以學生為主體的實驗教學

幾年前確立的上述宗旨,現在反過頭來進一步審視,發(fā)現一個基本的問題,就是這4句話都是以教師為主體的.教學的主體是學生還是教師?這是一個根本性的觀念問題.

2012年夏天,由教育部大學物理教學指導委員會主辦,在清華大學舉辦了“中美高層物理教學論壇”,由中美雙方各派幾位教授,探討大學物理教學的模式和發(fā)展.我本人做了關于實驗教學的報告.

在實驗教學方面,中美存在巨大的差異.我國的實驗中心,以及相伴隨的示范中心等都是中國特色.從我自己在海外20多年的物理教學經驗來看,最大的區(qū)別在于:在海外,實驗教學是每個教師的職責,大家輪流從事理論和實驗教學,而沒有一批教師長年累月、乃至畢生,從事實驗教學.一個年輕人,如果一輩子囿于實驗教學的環(huán)境,沒有機會接觸和實際參與物理學的前沿研究工作,那么不但他(她)本人的發(fā)展受到極大的局限,更重要的是實驗教學很難注入新鮮因素,反過來嚴重阻礙了教學的發(fā)展和提高.目前清華大學采取的辦法是,大量吸引科研一線教師參與實驗教學,逐步減少專事實驗教學的人員.現在,實驗物理教學教師隊伍的絕大多數,已經是科研與教學兼顧的年輕人.

但是在中美高層論壇上,美方介紹的主要經驗是如何調動學生在教學過程中的積極性.哈佛大學Eric Mazur教授發(fā)明的“結組教學”模式(Peer Instruction,PI)風靡西方.他曾在美國主要的物理教學期刊《美國物理雜志》上撰文總結“結組教學”法[1],他說:“我們在這里報告‘結組(PI)’教學法10年來用于非物理專業(yè)、微積分基礎上的物理教學的結果.我們的結果表明,PI模式提高了學生對概念推理以及定量解題的掌握.”他還談到了PI教學法的不斷改進:“我們課堂上的提問,換成在課前要求學生給出這些問題的書面答案;引入一本以研究為基礎的力學教科書作為課程的一部分;在討論和授課時都開展互動式學習.這些改進,旨在幫助學生在課前有更充分的準備,加強學生在討論環(huán)節(jié)的主動性,從而改進他們對課程內容的深入理解.”

結組(PI)教學的方式,是把2~3個學生結為一組,在課堂上和討論課中,小組內充分醞釀,然后由代表發(fā)言.水平不一的學生在一個小組內展開交流,了解彼此對問題理解的異同,顯然會加深正確的理解,糾正錯誤的理解.某個小組達成的共識也未必正確,這樣在全班的討論中還會有爭論、探討.這樣的學習方式,既生動活潑,又加強理解和記憶,確實值得借鑒.而我們在傳統(tǒng)的實驗教學中,一般是個體操作,目的是鍛煉獨立工作的能力.但是增加這樣的結組討論環(huán)節(jié),或許會明顯提高學生的興趣和學習的效果.

清華近代物理實驗教學,現在試行由學生做課前引導報告.近代物理實驗室往往在同一實驗室中安排6個左右不同的實驗,每個學生分別做其中一個.我們輪流安排一兩個學生在開始時做預習報告,介紹其本人所做實驗的原理、設備和方法.其他同學雖然做不同的實驗,但也受益匪淺;對教師來說,也更了解學生預習的程度.這種做法活躍了實驗課堂,增進了溝通,使學生對實驗課的印象更加深刻.

學生應當是教學活動的中心,這是我們越來越深切的體會,也是指導我們發(fā)展提高實驗教學的中心思想.我們以一張圖(見圖1)來勾畫實驗中心發(fā)展的構思:一切以學生為中心,教師、技術人員和實驗平臺,都圍繞學生的需要,為學生服務.非常重要的一點是使學生對實驗課產生興趣,使實驗室成為他們求知、探究和研討的樂園.一項相應的措施,是為清華物理學堂班的學生特別建設了一個實驗基地,一方面利用這個基地進行真空、低溫,電子學和光學,以及機械加工的基本訓練;另一方面提供一個自由自主實驗的舞臺,同學們可以用來大膽設計和實施實驗,也可以為實驗競賽準備.這就是本文標題所宣示的追求,讓實驗教學中心成為“教學的平臺和求知的樂園”的主要含義.

圖1 實驗物理教學中心的建設

3 發(fā)展的重點在質而不在量

在“教學的平臺和求知的樂園”之外,為什么我們又提出實驗中心要成為“研究的基地”?因為實驗教學要發(fā)展,要與時俱進.對于一所一流大學來說,教學研究和科學研究同樣重要.要以教學研究來推動實驗教學的科學發(fā)展[2].

在國家的層面上,科學發(fā)展日益深入人心,發(fā)展已不再簡單地理解為純粹“增長”的概念,發(fā)展方式和經濟結構的轉變成為最迫切的課題.這是科學發(fā)展的內在要求,是改革開放的邏輯延伸,也是歷史的必然趨勢.

具體到實驗教學的改革和發(fā)展,似乎也面臨改革的實現方式.曾經一談到發(fā)展,就是增題目、增設備.但是盲目擴展實驗范圍,又真的對教學有用嗎?

發(fā)展,不僅在量,更重要的是質,對于教育這種非生產性的事業(yè)來說,尤其如此.在實驗教學中,“質”又落實在什么地方呢?我想,應當在以下幾個方面:

3.1 教學理念的提升

教學相長,是傳統(tǒng)的中國教育思想.《禮記·學記》提出:“是故學然后知不足,教然后知困.知不足然后能自反也,知困然后能自強也.故曰教學相長也.”華中科技大學物理實驗教學中心主任熊永紅教授曾經專門撰文探討“實驗教學的教與學”,她認為在實驗教學中,教師與學生面對面,更有利于互動式的教學[3].熊老師他們提出“以問題為導向,以興趣為驅動,形成課內課外有機結合的研究性教學模式.”把教學簡單地理解為傳授知識,顯然是片面的,沒有揭示教學的本質.“教”是形式,“學”才是本質.一切教學的終極目的,是使學生掌握知識,增長能力.在這個過程中,學生的主動和自主往往被忽略.在清華,我們也在不斷推動開放,建設開放性和研究性實驗,建立為學生自主創(chuàng)新創(chuàng)造條件的平臺,允許他們天馬行空地設計和實施實驗.

3.2 教學態(tài)度和方法的改進

啟發(fā)式而不是灌輸式的教學,是我們追求的目標.在實驗教學中,我們特別反對和避諱所謂“黑匣子”而不是“積木式”的教學實驗設備.要讓學生首先理解實驗的理論基礎,實驗的設備原理,然后自己動手搭建實驗流程.

從預習到操作和采集數據,再到數據處理和撰寫報告,每個環(huán)節(jié)都有各自的要求和訓練的目的,都是著眼于為未來科研和實際工作奠定基礎.

我們在實踐中,發(fā)現助教(博士生)所帶的實驗,往往可能會結束得早,似乎進行得更順利.仔細了解,發(fā)現主要原因是助教們樂意手把手地“幫”同學做實驗,幫他們解決問題、調整裝置、找出信號,等等.實驗完成得快,助教們也輕松.這就類似于在硬件方面的“黑匣子”式實驗裝置,只要按下電鈕、啟動開關,數據就出來了,甚至曲線就畫好了.這樣做的實驗,看起來漂亮,但是遠遠達不到應有的效果,學生得不到應有的訓練、掌握不了相應的知識和技能,也不可能留下深刻的印象.這樣做實驗,就是應付差事,完成學分,很快就會被學生忘得一干二凈.只有在實驗中克服了許多困難、經歷過“掙扎”的痛苦的同學,才印象深刻、確有所獲,這是我們從畢業(yè)生對各種課程的評價感言中深深體會到的.

助教的工作是不可或缺的,這也是實驗教學發(fā)展的趨勢.但是助教必須在教師(包括有經驗的實驗技術人員)指導下工作,必須經過培訓,必須有監(jiān)督、考核和獎懲.這也是國外普遍的經驗.

在教學中采用新的手段,例如適當的影視、仿真軟件等等,也是提高教學效果的有效措施.清華實驗物理教學中心正在努力推廣諾貝爾物理學獎獲得者威曼 (Carl E Weiman)發(fā)明和倡導的PhET仿真軟件教學[4],通過《物理》雜志廣為宣傳,并到中學普及推廣.仿真教學由于不受具體設施的限制、沒有任何在實際實驗中可能出現的危險,所以更具有靈活性和探索性,與學生在實驗室上課的方式非常不同.在實驗課上,他們很少能做真正的實驗研究.在典型的實驗課中,學生知道實驗結果是設計好的,所以他們的目標是盡快找到實驗結果.而如何真正從事實際的實驗研究并不是他們心之所往.這并不是學生的錯——它是實驗課的講授和做實驗的設計方式的直接后果以及自然的反饋.

3.3 實驗內容的革新

實驗內容要有基礎性、系統(tǒng)性、科學性和開拓性.在前幾年的清華近代物理實驗室,我們致力于豐富和擴展實驗的學科內容,使之涵蓋近代物理的主要分支,反映以量子力學和相對論為核心的近代物理的發(fā)展.近幾年來,無論在普通物理還是近代物理實驗室,都發(fā)展和建設了一批新穎、先進的實驗,彰顯了科研與教學相結合的巨大優(yōu)勢,也適應了突飛猛進的學科發(fā)展和技術進步.

比較有典型代表性的實驗,如近代物理實驗室的量子糾纏實驗[5],通過光子糾纏的實驗演示,證明了量子力學的基本判據,提供了量子通信的基礎原理.普通物理實驗室的耦合擺實驗[6],通過設計和制作耦合擺系統(tǒng),顯示了波動的基本性質,例如正則模式、駐波、色散關系和隱失波等,對于學生形象地認識波動理論有極大的幫助.又如普通物理實驗室的“頻率可調諧光柵反饋式擴展腔二極管激光器的搭建與測試”[7],通過激光器外腔的搭建與調試,使學生對激光原理和光學實驗中的各種元器件、儀器體表,特別是光路等,有了切實的了解和實際的經驗.

由于一些新技術領域的出現,在清華近代物理實驗中,逐步引入諸如巨磁電阻、掃描隧道顯微鏡、拉曼(包括拉曼增強)光譜、高溫超導特性等新實驗,同時也應教學儀器廠商的需要,開辟了半導體少數載流子壽命測量、LED(發(fā)光二極管)結溫測量等新設備、新實驗.

3.4 教學隊伍的成長

長期以來,內地高校一般都形成了專門的實驗教師隊伍,他們辛勤工作在實驗教學的第一線,做出了默默無聞的貢獻.但是他們個人的發(fā)展往往受到限制,同時由于他們逐漸同科研第一線脫節(jié),對前沿知識了解不夠,造成自己在知識層面上的局限,和對新事物缺乏敏感,也反過來影響了實驗教學的質量和進一步的發(fā)展.

反觀先進國家和地區(qū),實驗課程由教授們輪流執(zhí)教.例如MIT由若干教授組成小組,各負責幾年的實驗教學.而實驗室則靠高級實驗技術人員運轉維持.這種模式,既保障了實驗室和實驗教學的穩(wěn)定性,又把科研一線教師的知識、成果,甚至治學風格,都引進實驗教學,使之更接近科研實踐,更富有啟發(fā)性和前瞻性,更有利于學生通過實驗課而得到提高和成長,在獲得扎實訓練的同時,也激發(fā)出他們對研究的興趣和熱情.

通過努力,清華實驗物理教學中心的教師隊伍,已經由科研一線的教師為主,歷史形成的單純教學人員逐漸減少,并且中心鼓勵工作人員積極參與科研實踐,密切與科研團隊的聯系.我們的目標,就是使實驗教學隊伍成為一支流動的、具有高度科研素養(yǎng)的隊伍,使他們既不脫離科研前沿,又勝任愉快地從事實驗教學.

實現這種過渡的一個重要前提,就是要有一支支撐教學實驗室的高水平的實驗技術隊伍,和相對穩(wěn)定的管理人員.清華實驗物理教學中心在這方面具有得天獨厚的條件,但是人員老化的潛在危機也值得警惕.一批年輕而且學歷高的實驗技術人員正適時地補充進來,為實驗教學的穩(wěn)定和發(fā)展提供了保障.對于教學技術隊伍的職稱待遇和業(yè)務提高,也積極呼吁有關部門采取切實的措施.

4 差距、問題與出路

高等學校的實驗物理教學面臨著一系列待解的問題.

首先,從比較中可以顯示差距.中國是一個發(fā)展中國家,我們的高等教育,與世界名校還有著明顯的差距.但是這個差距究竟在什么地方?是不是只在實驗設備的好壞和實驗題目的多寡?實際上近年來國家對高校明顯地加大了投入,許多學校,特別是重點大學的實驗室,已經今非昔比,在硬件建設上大致不遜于美歐國家的大學.硬件建設的問題在于應當對癥下藥,按實際需要安排.應當說,高等教育的差距,主要是在質量上,而質量提高的關鍵在軟件方面.

把實驗課片面地僅僅用于驗證所學的理論知識,會使實驗教學失去它的原創(chuàng)精神,并造成理論先于實驗的錯覺.僅僅按實驗員的標準,訓練學生的實驗技能,又會脫離物理思想的崇高境界,淪為培養(yǎng)照貓畫虎的工匠.在實驗課中,學生的各種品性、作風都一目了然,這樣就使教學實驗室成為培養(yǎng)學生的縝密科學態(tài)度、嚴謹工作作風、虛心合作精神的最好機會和場所.最后,啟發(fā)和激勵學生的自主能力、探索精神,啟迪他們勇于創(chuàng)新的科學作風,而不是僅限于測量數據、囿于實驗結果的獲得,無疑應當是實驗教學努力追求的境界.這些先進的理念,體現在國際一流大學的實驗教學中.

復旦大學物理實驗教學中心的幾位負責人,張新夷、馬世紅和樂永康教授等,到美國和歐洲考察[8,9],獲取了寶貴的經驗,并發(fā)表專文與同行分享.概括起來,他們對歐美物理實驗教學的體會是:

(1)“熱愛”是工作的動力源泉;

(2)實驗教學是團隊作業(yè)(Team work);

(3)提問和討論是實驗教學的重要環(huán)節(jié);

(4)注重科研能力的培養(yǎng)和及時把科研成果轉化為教學實驗;

(5)因材施教培養(yǎng)優(yōu)秀學生;

(6)用評估代替考試.

以提問為例,他們的歐洲考察報告介紹說:歐洲的大學“重視提問,在他們的實驗指導手冊上明確寫著‘The more you talk to your demonstrators,the more you will enjoy the laboratory,and the better you will perform.Keep asking questions.As a student it is your right to ask questions(there is no such thing as a silly question!)’(你與助教交談得越多,你就會越加喜愛實驗室,你的實驗也會做得更好.盡量提出問題!作為學生,提出問題是你的權力(沒有任何問題是愚蠢的))”.而且,“所到之處,都不大聽到‘創(chuàng)造性’和‘創(chuàng)新’這樣的說法,但他們在實實在在地培養(yǎng)學生的動手能力,時時處處在啟發(fā)學生要多加思考.”

在他們的美國考察報告中,也列舉了多達12條特色.比如;“非常重視在課堂講授中的演示實驗教學”,這一點在清華大學也是一個優(yōu)良的傳統(tǒng),有效地保障了大學物理課程的高質量.再比如,“對低年級的學生,主張和提倡實驗內容的趣味性,將深奧的物理原理寓于趣味之中,以便讓學生們學得非??鞓放c輕松.”這一點與我們關于“學習的樂園”的理念不謀而合,但在實際上,恐怕是我們中國高校很難學習到的.最后,“注重科學文化底蘊的傳承,且定期開放實驗室,對社會大眾開展科普教育.”這一點,也反映了中美教育的一個根本差別,就是美國學校強調“通識教育”,而中國學校注重專業(yè)訓練.實際上,高等教育強調通識教育,培養(yǎng)具有深厚文化素養(yǎng)的人才,而不僅是某一個狹窄領域的專才,才有可能出現“大師”,才有可能在一個健康的社會中,有無數受過良好教育、傳承優(yōu)秀文化底蘊的精英,作為整個國家的中流砥柱.通識教育是遠見卓識,專才教育是目光短淺.

在2012年的第一屆中美物理教學高層論壇上,美國俄亥俄州立大學的包雷教授特別奉獻了他對中美學生在知識掌握和思辯能力兩方面的細致比較研究.包雷教授曾任美國國家物理教育協會國際委員會主任,對物理教育有深入的研究和獨到的見解.鑒于中美兩國的初等教育體制完全不同(例如,在中國,中學教育的出發(fā)點就是為了高考),包雷教授想從推理能力的角度考察這種體制不同所造成的后果[10].他們的研究顯示,中國學生受到數學和自然科學的嚴格訓練,在具體科學內容的檢測中明顯占優(yōu).但是在推理能力方面,中美學生的能力卻不分伯仲,如圖2所示.顯而易見,具體知識的掌握,不是本質性的,也未必終身受益,而思維能力的培養(yǎng)才是成材的根本.當我們的孩子們苦于每天海量的作業(yè)、經常不斷的摸底考試等等,美國孩子在享受著童年的歡樂,和發(fā)展自己喜愛的專長.最后結果,思維能力一點也不比苦海中的中國孩子差.我們的教育是不是出了問題呢?我們的高等教育有沒有類似的問題呢?!天賦稟異的大師會不會就因為啟蒙教育的差異而被發(fā)現,或被扼殺呢?個性的輝煌,或被彰顯、或被掩埋呢?錢學森之問:“為什么沒有大師”,是不是從這里可以又得到一些啟示呢?德國甚至明禁學前教育,認為孩子智力被過度開發(fā)不是好事,必須給孩子的大腦留下想象空間,否則孩子們的大腦就會變成存儲器,不會思考了.

圖2 中美學生知識擁有量和推理能力比較

目前實驗物理教學還碰到一個糾結的問題,就是一些工科院系在減低學生學習壓力時,把壓縮甚至取消物理實驗課作為首選.這樣做,顯然會使工科教學更加狹隘,缺少作為一切工程科學的基礎的物理熏陶.正像一位清華教授所說,現在的工科教育先把好材料都扯成布條,最后怎么能制成西服呢?以生物學為例,清華大學榮獲愛明諾夫獎的施一公教授的杰出成就,很大程度上得益于他堅實的物理基礎,他本人也強調物理學對現代生物學的重要性.而現實中清華生物系已經取消了物理實驗課.為了解決這個矛盾,實驗物理教學中心正在醞釀構建有針對性的工科基礎物理教學平臺,譬如面向生物科學,能源科學,材料科學的平臺等等.

作為結語,我們把“教學的平臺,探索的基地,求知的樂園”當成實驗物理教學的宗旨,希望把實驗物理教學提高到一個新的層次.

本文雖以清華大學實驗物理教學的實踐為基礎,但所論所議,只是個人的思考,不代表本單位.文責自負,歡迎批評指正和討論切磋.

[1] Crouch C H,Mazur E.Peer instruction:Ten years of experience and results[J].American Journal of Physics,2001,69(9):970.

[2] 葛惟昆,張留碗.建設一流實驗物理教學中心的探討[J].實驗技術與管理,2012,29(4):3-7.

[3] 熊永紅.淺談實驗教學的教與學[J].物理與工程,2013,23(4):32-33.

[4] 俞熹,樂永康,冀敏,等.美國大學物理教學和管理考察報告[J].物理實驗,2013,33(4):14-20.

[5] 蘇衛(wèi)鋒,姚紅英,高淵,等.歐洲物理實驗教學考察報告[J].物理,2014,43(4):52-57.

[6] Wieman C E.提高主動性、參與性和學習效果的PhET仿真教學軟件[J].丁小冬譯,葛惟昆校.物理,待發(fā)表.

[7] Liang Changlin,Ke Weiping,Fu Minxue,et al.An undergraduate experiment of wave motion using coupled pendulum chain[J].American Journal of Physics,in press.

[8] 劉瀅瀅,蔣碩,葛惟昆.頻率可調諧光柵反饋式擴展腔二極管激光器的搭建與測試[J].物理實驗,2012,32(12):5-9.

[9] 王合英,孫文博,陳宜寶,等.光量子糾纏態(tài)的制備與測量實驗[J].物理實驗,2009,29(3):1-5.

[10] 孫文博,王合英,陳宜寶,等.分析SPDC光場結構輔助搭建雙光子糾纏源[J].物理實驗,待發(fā)表.

[11] Lei Bao,et al.Learning and Scientific Reasoning[J].Science:2009,323(5914):586-587.

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