美国大学物理学分层次教学研究.docx
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美国大学物理学分层次教学研究
美国大学物理学分层次教学研究
张立彬1,张功2,杨祖念3
(1.南开大学外国教材中心,天津,300071;2.南开大学泰达应用物理学院,天津,300071;
3.四川教育学院物理与电子技术系,成都,610041)
摘要:
以麻省理工学院、耶鲁大学、斯坦福大学为例,详细介绍了美国一流大学物理学入门课程和物理专业分层次教学及其课程设置,内容详实,读者可以通过此文深入了解美国大学物理教育情况,也能够为国内大学物理教学改革提供一些好的范例,起到一定的借鉴作用.
关键词:
美国大学;物理学入门课程;物理专业;分层次教学;课程设置;集中的培养方案;灵活的培养方案
中图分类号:
文献标识码:
文章编号:
近年来,我国对高等教育改革的呼声越来越高,然而高等教育改革不可空喊口号、空唱高调,要有具体的、实质性的、细节的、可操作的方案.那么这些方案从何而来?
国外一流大学的教学模式和课程设置显然是非常值得借鉴的.基于这样一个目的,我们详细地研究了美国一流大学物理分层次教学,并以麻省理工学院、耶鲁大学和斯坦福大学为例进行分析和研究,希望能够对国内大学物理教育的改革起到一点借鉴作用.
我们在对麻省理工学院、耶鲁大学和斯坦福大学物理分层次教学进行详细分析后发现,这三所大学并没有单独为物理专业学生开设物理学入门课程(IntroductoryPhysics),即国内大学的普通物理课程(主要内容为力热电光),而是面向所有学科的学生(包括物理专业学生)或者所有自然科学专业大一大二学生(MIT)开设不同层次的物理学入门课程,不同专业学生可以根据自己的数学物理基础,以及所学专业对物理知识的需求选择适合自己那一个层次的物理学入门课程.同一专业的学生也可以根据自己的数学物理基础选择适合自己那一个层次的物理学入门课程.对于物理专业的学生,各大学物理系会根据学生的职业目标和成绩水平为他们制定两套以上的课程计划,选择不同的课程计划要完成不同程度的物理学专业高级课程,不管学生执行哪一个课程计划,完成规定的课程,学生都将获得物理学理学学士学位.
美国大学本科生物理教学注重多样性,不光在物理学入门课程中实行分层次教学,还根据职业发展方向的区别为物理专业学生设计不同的培养方案.因为美国大学都知道即便是物理专业的学生将来也不一定从事物理学领域的工作,他们也许会从事工程、医学,甚至法律、管理、商业等领域的职业,但是物理专业的学习能够培养他们出色的解决问题能力,良好的物理学背景显然会促进他们在其他领域取得成功.以麻省理工学院为例,“集中的培养方案”(Thefocusedoption)主要面向那些将在物理学及相关领域攻读研究生的学生,该培养方案为学生制定了更加深入的物理学高级课程计划,还有物理学领域的研究计划和物理学专业学术论文的要求.“灵活的培养方案”(Theflexibleoption)主要面向那些希望在其他领域发展的学生,诸如工程、医学、法律、商业、管理等领域.灵活的培养方案是一种更加灵活的课程计划,该方案中的物理学高级课程没有“集中的培养方案”深入,但更加广泛,学生可以选修其它学科的集中课程,比如天文学、生物、计算物理、纳米技术、科学史、科技政策、哲学、科学教育、管理学、医学、法律等学科的课程,也可以选择其它学科的实验课程和研究项目以及学术论文.灵活的培养方案让学生有更多的选择空间来学习他们感兴趣的领域,但是一定量的物理学高级课程是必须的,因为毕竟他们要获得的是物理学理学学士学位.
1麻省理工学院
麻省理工学院物理系为本科生制定两个层面的课程计划,它能够让学生按照个人未来的职业目标来安排自己的物理学习.Thefocusedoption是为那些有志于将物理学作为自己一生的职业并将继续在物理或相关领域进一步深造的学生量身打造的一个出色的培养方案.Theflexibleoption将为那些有志于在其他领域发展的学生提供一个优秀的物理学背景,促进他们在其他领域,比如工程学、管理学、商业、法律或者医学等领域的工作更加出色.不管选择哪一个课程计划,都将使学生们深入理解基础物理学的概念,并有相当多的时间去选修其他课程以获得更广泛的知识.两种课程选择同样获得物理学理学学士学位.
第一学年,物理系本科生无论选择执行哪一个课程计划,他们都要学习“物理学I”、“物理学II”和“微积分I”、“微积分II”,以及化学、生物和HSAA课程(人文、艺术、社会课程).这些课程都属于校级必修课(GeneralInstituteRequirements).
其中“物理学I”、“物理学II”由物理系开设,供物理系学生和全校理工科学生选择.“物理学I”的内容是经典力学,包括:
时间和空间、运动学、牛顿力学、质点动力学、碰撞和守恒定律、功和能、外有引力、刚体、平衡、转动力学.分为四个层次,课程代号分别为:
8.01,8.011,8.012,8.01L.物理学II的内容是静电学和电磁学,包括:
电荷、库伦定律、物质的电子结构、导体和电介质、静电场和电势、静电能、电流、磁场和安培定律、磁性材料、时变电场和法拉第感应定律、基本电路、电磁波和麦克斯韦方程.“物理学II”需要有“物理学I”和“微积分I”作为基础,分三个层次,课程代号分别为:
8.02,8.021,8.022.以下分别解释不同层次课程代码的实际含义:
8.01表示“物理学I”秋季授课,主要采用TEAL(Technology-EnabledActiveLearning)形式授课,它的特点是学生以三人组成一个小组进行学习,讨论概念,解决问题,并在计算机数据采集和分析的辅助下进行桌面实验.
8.011表示“物理学I”春季授课,该课程以小的章节为单元授课,一周三次,包括周五的一次测验.学生第一次选课时不能选择该课程,只有那些没有通过或者无法适应8.01和8.012课程的学生才能选择这个课程.选择该课程需要经指导教师的允许,并且有人数上的限制.
8.012表示“物理学I”秋季授课,比8.01更加深入和理论化、数学化,大量使用微积分,主要面向数学和物理基础很好的学生.推荐学生同时选择比18.01更高级的数学课程.为了巩固理论,学生要完成一些自己设计的小实验.这个课是限制人数的,只有在物理分班考试中的数学测验成绩较好的学生才能注册这门课.
8.01L表示“物理学I”秋季授课,其授课时间比8.01长,从秋季直到下学期第二年1月份,这是允许那些基础不好的学生有更多的时间培养解题能力.它也部分采用TEAL(Technology-EnabledActiveLearning)的授课形式,强调复习和加强必要的数学工具和基本的物理概念和解题能力.内容、深度和难度与8.01相同.
8.02表示“物理学II”秋季和春季上课,使用TEAL(TechnologyEnabledActiveLearning)形式教学,它利用现代技术和小组讨论来帮助学生形成物理现象的直觉和概念模型.
8.021表示“物理学II”秋季授课,该课程以小的章节为单元授课,一周三次,包括周五的一次测验.同8.011一样,学生第一次选课时不能选择该课程,只有那些没有通过或者无法适应8.01和8.012课程的学生才能选择这个课程.选择该课程需要经指导教师的允许,并且有人数上的限制.
8.022表示“物理学II”春季和秋季授课,比8.02更加数学化和理论化,要求一些矢量微积分的知识,还包括微分和积分形式的麦克斯韦方程,静电矢势和磁矢势,电介质和磁性材料的性质.该课程除了理论上的阐述,还需要学生在实验室中完成几个电学和磁学实验.
MIT将物理学I和物理学II课程分成几个层次,分别采用不同的授课方式、不同的难度要求,和不同的学习时间,为不同基础的学生提供了具有针对性的学习课程,学生可以根据自己的实际情况来选择适合自己的课程.
MIT本科生可以在第二年确定他们的培养方案或课程计划,也就是说学生可根据自身情况选择Thefocusedoption课程计划或Theflexibleoption课程计划.
Thefocusedoption课程计划能够为学生以后的物理研究生学习做充分的准备,当然,它也能够为包括天体物理、生物物理、地球物理和许多工程学科在内的相关领域的职业工作打下坚实宽厚的基础.选择Thefocusedoption课程计划的学生还需要修3门量子力学课程、36个学分的实验课程和一篇物理学学位论文.
第二学年,执行Thefocusedoption课程计划的学生应完成课程:
8.03“物理学”III、8.033“相对论”、8.04“量子物理I”、8.044“统计物理学I”、8.023“经典力学II”的学习,并通过本科生研究计划项目(UROP)来获得重要的实验技能.
第三学年,执行Thefocusedoption课程计划的学生应完成课程:
8.13“实验物理I”、8.14“实验物理II”、8.05“量子物理II”和8.06“量子物理III”.并开始选修那些限制性选修课,包括一门数学类课程和至少两门物理类课程.18.04“复变函数及其应用”、18.075“工程高级微积分”、和18.06“线性代数”深受物理系学生的欢迎.“天体物理学”、“生物物理学”、“凝聚态物质”、“等离子体”、“原子核和粒子物理”等选修课为学生提供现代物理学最前沿的知识.鼓励打算攻读物理学研究生的学生选修理论物理系列课程,包括:
8.07“电磁学II”8.08“统计物理学II”和8.09“经典力学II”,等等.
第四学年,学生需完成学位论文并有大量的空余时间可以用来深化自己的物理知识或者拓展其他学科.学位论文是Thefocusedoption课程计划的重要组成部分,该论文需在一名物理系教师的指导下完成,许多论文是学生在参与本科生研究计划项目(UROP)中完成的.学生应该在大三学年中期开题,在大四的秋季学期结束之前提交.见表一.
表一:
MITThefocusedoption典型课程安排
第一学年
第二学年
第三学年
第四学年
秋季
春季
秋季
春季
秋季
春季
秋季
春季
8.01物理学I
8.02物理学II
8.03物理学III和8.223经典力学II
8.04量子物理I
8.05量子物理II
8.06量子物理III
限制性选修课—物理类
论文
化学
生物
8.033相对论
8.044统计物理学I
实验
实验
选修
限制性选修课—物理类
18.01微积分I
18.02微积分II
18.03微分方程
限制性选修课—数学类
选修
选修
选修
选修
人文、艺术、社科
人文、艺术、社科
人文、艺术、社科
人文、艺术、社科
人文、艺术、社科
人文、艺术、社科
人文、艺术、社科
人文、艺术、社科
Theflexibleoption课程计划为那些不打算在物理学领域进行研究生学习的学生制定,该课程计划提供学生很好的物理学基础,有了这个基础,他们也许能够从事物理学之外其他的职业.许多学生已经发现对物理学基本概念的理解和解决物理问题的方法也有助于解决商业、法律、医学和工程等领域的问题,这显然帮助他们在这些领域取得成就.鉴于如今非传统、技术相关的职业逐渐增多,Theflexibleoption课程计划是很有吸引力的.
执行该课程计划的学生要完成课程:
8.03“物理学III”、8.04“量子物理I”、8.044“统计物理学II”、8.21“能量物理”或者8.223“经典力学II”;如果学分不够,还可以修8.05“量子物理II”或者8.033“相对论”(或8.20“狭义相对论导论”).当然也有实验课的要求:
8.13“实验物理I”,经过物理系的允许,外系类似强度的实验课,一项实验研究计划或者论文,实验导向的暑期校外实习都可以满足Theflexibleoption课程计划中实验课学分的要求.
执行Theflexibleoption课程计划的学生必须完成一个集中课程——同一学科内相互关联的三门课,不一定是物理类课程,但要经过物理系的允许.学生们通常选择天文学、生物、计算物理、纳米技术、科学史、科技政策、哲学、科学教育、管理学、医学、法律等学科的课程.学生也可以选择他们所修的集中课程学科内的实验和探究课程来满足该课程计划的实验和探究课程学分要求,当然也可以选择其他的学科领域.学生能够在集中课程中学习自己感兴趣的课程和知识,并有志于从事学科领域的相关工作.见表二.
表二:
MITTheflexibleoption典型课程安排
第一学年
第二学年
第三学年
第四学年
秋季
春季
秋季
春季
秋季
春季
秋季
春季
8.01物理学I
8.02物理学II
8.03物理学III和8.223经典物理学II(可替换)
8.04量子物理I
8.05量子物理II(可替换)
选修
限制性选修课—物理类
选修
化学
生物
选修
8.044统计物理学I
实验(可替换)
选修
选修
选修
18.01微积分I
18.02微积分II
18.03微分方程
选修
集中课程
集中课程
集中课程
选修
人文、艺术、社科
人文、艺术、社科
人文、艺术、社科
人文、艺术、社科
人文、艺术、社科
人文、艺术、社科
人文、艺术、社科
人文、艺术、社科
与表一对照可以看出Thefocusedoption计划仅有5门自由选修课,而Theflexibleoption计划除了三门某一学科的集中课程外,还有8门自由选修课.前者课程面窄但是深入,目标明确:
培养从事物理学的精英人才;后者课程面广,既能够提供学生很好的物理学背景,又能使学生涉猎自己感兴趣的将来有志于从事的学科知识,其目标是培养具有良好物理学基础,但将来从事其它领域的人才.[1]
2耶鲁大学
耶鲁大学物理系根据学生不同的数学物理基础和专业学习的不同要求,提供了由低到高5个层次的大学物理学入门课程和两个层次的大学物理实验课程.并且像MIT一样,根据学生职业生涯的目标,为物理学专业提供了两个层次的物理学专业课程.下文分别予以介绍.[2]
5个层次的大学物理学入门课程如下:
一是PHYS 110“现代物理学进展”:
不要求物理和数学基础,面向不打算学习自然科学专业的学生.
二是PHYS 170“面向生命科学的大学物理”:
几乎不要求物理基础,只要求高中数学基础,面向打算学习医学或生物专业的学生.但要求同时修MATH 112a“单变量微积分I”和MATH 115b“单变量微积分II”.
三是PHYS 180“大学物理”:
要求一定的数学和物理基础,要求具有MATH112a“单变量微积分I”级别的微积分水平,面向打算学习自然科学专业的学生,要求同时修MATH115a“单变量微积分II”和MATH120b“多变量微积分”.
四是PHYS 201“物理学原理”:
要求物理和数学基础很好,面向打算学习自然科学专业的学生.要求具有MATH115a“单变量微积分II”的微积分水平,要求同时修MATH120b“多变量微积分”.建议同时修MATH222b“线性代数及其应用”或者MATH225b“线性代数及矩阵理论”.
五是PHYS 260“强化的物理学导论”:
面向那些有非常出色的数学方法和定量分析能力的学生,并且要求坚实的物理基础.要求同时修MATH230a“矢量微积分与线性代数I”和MATH231b“矢量微积分与线性代数II”.
可见,前两个层次的课程不要求微积分基础,后三个层次的课程则都要求不同程度的微积分基础.
与大学物理课程相配套,耶鲁大学也开设了两个层次的大学物理实验课程.
一是PHYS 165L“普通大学物理实验”:
主要面向没有较强的高中物理实验基础的学生,与此相配套的大学物理课程是PHYS 170“面向生命科学的大学物理”以及PHYS 180“大学物理”.
二是PHYS 205L“现代物理测量”:
面向打算学习物理专业的学生,配套的课程是PHYS 180“大学物理”,PHYS 201“物理学原理”,PHYS 260“强化的物理学导论”.
物理系还提供一些高级选修课,它们面向已经完成基于微积分的物理学入门课程的所有专业的学生.这些课程有:
“地球和环境物理导论”,“引力、天体物理及宇宙学”,“量子和纳米尺度物理学”.
两个层次的物理专业课程分别为:
物理学标准专业(B.S.degree)与物理学强化专业(theB.S.withanintensivemajor),两个专业的学生都要学习物理学、数学和相关领域的高级课程.物理学强化专业的课程比物理学标准专业更高级,主要目标是培养将要在研究生阶段继续研究物理学的学生.这个强化课程主要包含深入的物理学高级课程和一项研究计划.物理系的本科生学业指导教师可以帮助计划攻读物理学专业研究生学位的学生推荐合适的选修课以补充高级核心课程.
两个专业都要求学生在第一学年和第二学年中期先修有微积分基础的物理学入门课程和配套的实验课程,同时要修相应的数学课程.
对于物理学标准专业,除先修课程之外,要求必修8门课程,以及大四的一个研究项目.学生必须修一门至少与PHYS301a“数学物理方法导论”同水平的数学课程.学生还必须按顺序完成三门高级的物理学核心课程:
两门经典物理课程——PHYS401a“高级经典力学:
从牛顿到爱因斯坦I”,PHYS402b“高级经典力学:
从牛顿到爱因斯坦II”(主要内容为力学、统计物理和热力学、电磁学);一门量子力学课程——PHY439a“量子力学基础或者PHYS440b量子力学与自然现象I”.三门高级选修课:
一门PHY340系列课程——PHYS342a“地球与环境物理学导论”或PHYS343b“引力、天体物理和宇宙学”,或PHYS344b“量子与纳米尺度物理学”;一门高级实验课程——PHYS382Lb“近代物理实验”(原子、光学、核物理和凝聚态物理方面的高级实验课程,主要关注现代实验方法,并伴随理论和实验技术的讨论);一门PHY400系列课程(包括经典力学、统计热力学、电磁场与光学、固体物理、原子核与基本粒子物理导论、光学原理及其应用、物理学中的数学方法等).学生也可以选择其它理科专业、工程专业和数学专业的高级课程,如果要用其它专业的课程来满足必修课的要求,必须经过指导教师的允许.通常学生为了在某一领域更深入地学习,他们总是选择更多的课程.在第四学年,学生还要完成一个一学期的研究项目.
对于物理学强化专业,除先修课程外,要求必修10门课程,以及大四的一个研究项目.它们是:
一门至少与PHYS301a“数学物理方法导论”同水平的数学课程;按顺序完成五门高级的物理学核心课程:
三门经典物理课程——PHYS410a“经典力学”,PHYS420a“热力学与统计物理”,PHYS430b“电磁场与光学”,两门量子力学课程——PHYS440b“量子力学与自然现象I”和PHYS441a“量子力学与自然现象II”;一门高级实验课程——PHYS382Lb“近代物理实验”;至少两学期的独立研究项目.高级选修课只要求一门:
PHY340系列课程(PHYS342a“地球与环境物理学导论”,PHYS343b“引力、天体物理和宇宙学”,PHYS344b“量子与纳米尺度物理学”)或PHY400系列课程(包括经典力学、统计热力学、电磁场与光学、固体物理、原子核与基本粒子物理导论、光学原理及其应用、物理学中的数学方法等)或研究生课程.在第四学年,学生还要完成一个两学期的研究项目.见表三.
表三:
耶鲁大学物理系两个专业的课程设置比较
一、二学年
二、三学年
四学年
物理学标准专业
基于微积分的物理学入门课程
现代物理测量
数学
现代物理测量
PHYS301a数学物理方法导论
PHYS401a高级经典力学:
从牛顿到爱因斯坦I
PHYS402b高级经典力学:
从牛顿到爱因斯坦II
选修课1-PHYS382Lb近代物理实验
PHY439a量子力学基础或者PHYS440b量子力学与自然现象I
一学期的研究项目
选修课2-PHY340系列
选修课3-PHY400系列
物理学强化专业
基于微积分的物理学入门课程
现代物理测量
数学
现代物理测量
PHYS301a数学物理方法导论
PHYS410a经典力学
PHYS440b量子力学与自然现象I
PHYS382Lb近代物理实验
PHYS441a量子力学与自然现象II
PHYS420a热力学与统计物理
PHYS430b电磁场与光学
两学期的研究项目
选修1
3斯坦福大学
斯坦福大学将本科物理教学的对象分为三类,分别是:
将物理作为通识教育的学生;有志于从事对物理知识有一定要求的那些专业领域工作的学生,诸如医学、工程等;有志于在物理及相关领域从事教学或者研究工作的学生.
课程号低于100的物理课程适合这三类学生,课程号高于100的物理课程主要满足第三类学生.
针对各类学生的基础和对物理的要求,斯坦福大学提供三个层次的物理学入门系列课程—物理学20,物理学40,和物理学60系列课程,他们的主要内容如表四所示.
物理学20系列不需要微积分基础,主要面向生物专业的学生.对于那些拥有AP(advancedplacement-美国高中的大学先修课程)学分的学生,特别是将来想从事生物研究的学生,也许要考虑修20系列或40系列课程,而不是用AP学分折抵大学学分,跳过这些课程.这些物理学入门课程非常重视问题的解决能力,这对生物学研究是非常有价值的,因为如今的生物学研究涉及了大量的基于物理学的技术.
物理学40系列主要面向工程、地球科学、数学、化学和物理学专业的学生.
物理学60系列主要面向那些已经修过与40系列同级别的物理学课程的学生,或者至少有很强的力学和微积分基础,较强的电学和磁学基础的学生.它要求AP物理C考试的学分必须达到4或5分.见表四.
表四:
斯坦福大学物理学入门系列课程内容
物理学20
物理学40
物理学60
是否要求微积分基础
不要求
要求
要求
秋季
21-力学和热
22-力热实验
45-光和热
46-光热实验
61-力学和狭义相对论
62-经典力学实验
冬季
23-电学和光学
24-实验
41-力学
42-经典力学实验
41N-力学研讨课
63-电磁学和波
64-实验
春季
25-近代物理
26-实验
43-电和磁
44-实验
43N-电磁现象研讨课
65-热力学和近代物理
67-实验
物理学40系列从冬季授课力学课程开始,然后是春季的电学和磁学,最后是秋季的光和热.大部分学生需从力学开始学习.当然对于那些高中物理基础较好的学生(至少AP物理C考试4分),可以不学力学和电磁,直接从秋季授课的光和热开始学习.
要获得物理学理学学士学位,首先要修一系列基于微积分的入门课程:
物理61、62、63、64、65、67系列或者物理41、42、43、44、45、46、70(近代物理学基础)系列课程.然后要修一些高级物理学和数学类课程.[3]见表五.
表五:
斯坦福大学物理学专业高级课程
物理类
数学类
推荐课程(非必修)
Physics105电子学及实验
Physics107激光实验
Physics108工程实验
Physics110中级力学
Physics120中级电磁学I
Physics121中级电磁学II
Physics130量子力学I
Physics131量子力学II
Physics170
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