哈佛大学物理教育状况研究.doc

1、1哈佛大学物理教育状况研究张立彬 1，郑先明 2，李广平 2（1.南开大学外国教材中心，天津，300071；2.南开大学应用物理学院，天津，300071）摘要：通过对哈佛大学物理教育理念、专业设置、课程体系、教材选用情况和教学方式的分析与研究，认为本文可为中国大学的物理教育改革提供一些科学的参考和启示。在我国物理学高等教育改革方面，建议应注意崇尚学术自由、营造严谨治学的学术氛围、通识教育与专业教育相结合、注重实践学习、制定独具特色的物理教学模式等。关键词：哈佛大学；物理教育理念；课程体系；物理教材；教学方法；启示中图分类号： ；文献标识码： A ；文章编号：100382 哈佛大学（Harvar

2、d University）成立于 1636 年，是全美最古老的大学之一，先有哈佛，而后有美利坚。如今的哈佛大学是群英荟萃、人才辈出的第一流著名学府，对美国社会的经济、政治、文化、科学和高等教育都产生了重大影响，对世界科学研究做出了突出的贡献，是全球排名第一的综合性大学，其校徽和校训的文字，昭示了哈佛大学立校兴学“求是崇真”的宗旨。1本文试图通过对哈佛大学物理教育理念、专业设置、课程体系、教材选用情况和教学方式的分析研究，探索其培养创新型杰出人才的方式、方法与模式规律，对中国大学的物理教育改革提供一些科学的参考和启示。1、哈佛大学物理教育理念科学的教育理念是一种“远见卓识” ，它能正确地反映教育

3、的本质和时代的特征，科学地指明教育前进的方向。由哈佛学院时代沿用至今的哈佛大学校徽上用拉丁文写着Verities 字样，意为“真理” ，追求真理作为哈佛校训，既是衡量和判断学校教育发展方向的重要尺度，也是哈佛大学的核心教育理念。随着社会的不断发展，哈佛大学也将遇到新的问题，面临新的挑战。2在始终坚持学术性的基础上，哈佛大学不断更新自身的办学理念，使大学不仅适应时代的要求，而且引领社会的发展，从而保持了生机与活力。3独立思想是哈佛大学教育教学的第一原则。严格的学术规范又是独立思想得以科学论证的重要保证。在物理科学领域，只有拥有追求科学的独立学术思想，养成严谨的学风，才算收稿日期：2010-08-

4、06 ；修回日期：2010-08-27 本文系教育部 2009 年度研究项目“中美一流大学物理教育比较研究”的阶段性成果之一。2作者简介张立彬（1964） ，男，河北石家庄人，教育部南开大学外国教材中心副教授，现主要从事信息文化、信息技术与物理学外国教材研究。是具备了做科学研究的基本素质，从而为进一步的深入研究和创造发明奠定坚实的学术基础。哈佛大学的环境不只允许、而且鼓励人们从自己的特立独行中寻求乐趣，相应地，教学也从以知识传授为基础转变为教师指导下的学生自我教育。哈佛教授也自觉地把独立思想原则落实到教学的每一个具体环节，他们创造了平等、轻松和无拘无束的课堂气氛以最大限度地激发学生独立创造和思

5、想探索的积极性。学生花在课堂之外的时间更多的是他们独立探寻未知的事物。学术自由是哈佛大学人才培养和科学研究的重要前提。哈佛大学具有严格的学术规范，同时又为学子提供了一个自由的、丰富的、不拘一格的学术环境。引入学术自由精神的哈佛原校长艾略特曾指出：“（一位哈佛教授）在他的领域内是主人他既可以采用一种纯粹的讲座方法,也可以要求学生翻译、 背诵或回答问题。他既可以严格课堂纪律,他既可以培养学生与社会广泛联系,也可以不讲课堂以外的任何东西。因为他的学生中有不同的观点和背景宗教的、政治的和社会的所以,他将自然而然的给予其他人享受的同样的自由。”学生有选择学习的自由,有拒绝参加礼拜的自由,有平等地竞争学期

6、奖学金的自由,有选择自己朋友的自由。哈佛大学各系的界限并不是俨然不可分的，物理系的学生还可以从事音乐创作与表演，可以参加戏剧团排演等。其实行的选课制和学分制正是基于学术自由的理念。通识教育是哈佛大学的一大教学特色，为培养优秀杰出人才打下了基础。通识教育使学生受到广博的教育，其目的在于使学生学会使用抽象的概念或学过的知识在各种领域理解、解决具体问题，在不同领域给学生某些练习实践的机会，使学生更好地界定和理解他们自己在当今世界的经验。哈佛大学通识教育有着悠久的历史,历经艾略特、洛厄尔、科南特和罗索夫斯基的不断发展,为了与社会、知识、文化发展相协调也在不断改革。历史上哈佛大学物通识教育总共经历的五次

7、改革，最近一次改革在 2007 年 5 月，是对哈佛 30 多年来本科通识教育第一次彻底的修正。4学生必须学会质疑,学会反思,学会批判地、分析地思考,学会有效处理不同的历史瞬间和文化形式是此次改革的根本目标。一流的师资力量是人才培养、科研进步的保证。哈佛大学非常重视教师质量，其师资3队伍可以说是世界上最好的。5以学术为导向的聘用制度，始终保证哈佛大学教授的一流水平。本科教学全部由教授承担，要求有成就的资深教授、诺贝尔奖金获得者及优秀青年教授讲授核心课与专业课。哈佛大学原校长科南特就曾提出过“大学者，大师荟萃之地也。如果学校终身教授是世界上最著名的，那么这所大学必然是最优秀的大学。 ”以人为本的

8、教育教学宗旨。在很早的时候，哈佛大学就制定了以人为本的教育教学宗旨，建立了平等的师生关系，以社会发展需要和追求个人特性为依据确定培养目标。在物理学中强调学术和科研工作重要性的同时，重视多样化的优秀教学和个性思维的发展，培养学生思考问题、分析问题、解决问题的能力，鼓励且支持学生将自己独特的科研思想与见解研究发展下去，走出一条自己科学研究的道路。2、哈佛大学物理研究机构和物理专业情况哈佛大学物理系是哈佛比较大的一个系，有十八个专业方向共 96 门课程。出现过 10位诺贝尔奖得主。6他们是 Percy W.Bridgman（珀西 布里奇曼，1946，发明高压产生仪及其对高压物理领域的贡献） 、Edw

9、ard Mills Purcell（爱德华米尔斯珀塞尔，1952，对核磁场精密测量的研究） 、Julian Schwinger（朱利安施温格，1965，在量子电动力学基础研究做出杰出贡献） 、John Hasbrouck van Vleck（约翰凡弗莱克，1977，对磁性和无序系统电子结构基础理论研究做出贡献） 、Sheldon L.Glashow and Steven Weinberg（谢尔登格拉肖和史蒂芬温伯格，1979，对基本粒子间统一弱电磁相互作用理论研究的贡献） 、Nicolaas Bloembergen（尼古拉斯 布洛姆伯根，1981，对激光光谱学发展的贡献） 、Carlo Rub

10、bia（卡洛鲁比亚，1984，对 W 和 Z 玻色子的发现做出决定性的贡献） 、Norman F. Ramsey（诺曼拉姆齐楼，1989，发明分离振荡方法及其在氢脉泽和其他原子钟的应用） 、Roy J. Glauber（罗伊格劳伯，2005，对光学相干的量子理论的贡献）。哈佛大学建立了多个物理研究中心，具体有：超冷原子研究中心（CUA）7；纳米材料研究中心（CNS）8；哈佛大学史密森天体物理中心（CFA）9；原子、分子和光学物理理论研究所（ITAMP）10；粒子物理和宇宙学实验室（LPPC）11；材料科学与工程研究中心（MRSEC）12；纳米科学与工程研究中心（NSEC）13；罗兰研究所 14

11、。哈佛大学十八个专业方向分别为天体物理学和天文学；原子、分子和光学物理实验；原子、分子和光学物理理论；生物物理学实验；生物物理学理论；计算物理学；凝聚态物理学实验；凝聚态物理学理论；环境建模和风险评估；高能物理实验；高能物理学理论；超弦理论；高压物理实验；物理学历史；低压物理实验；数学物理学；介观物理学实验；4介观物理学理论；核物理学。纳米科学、粒子物理学以及天体物理学是哈佛物理学中的强势学科，在校内建立了多个相关的物理实验室和研究中心。其中宇宙学和粒子物理最为突出。哈佛大学的宇宙学和粒子物理实验室引领前沿的粒子物理和宇宙学观测实验研究，并为研究生和本科生提供教育研究，以及为博士后提供的 AT

12、SAS 实验研究。实验室下又分出好几个领域的研究小组，如 ATSAS Group、Dark Energy Group、CDF Group、Dark Matter Group、Neutrino Group等等。3、哈佛大学物理课程设置情况哈佛大学全日制本科生的培养任务由哈佛学院（拉德克利夫学院于 1999 年 10 月开始由本科教学机构改为研究机构）承担，共设有 46 个专业领域。哈佛学院通常要求本科生在一年级结束时选择专业。选专业时学院指定一位教员进行指导。学生也可以将两个专业的课整合为一个联合培养的专业，或自我设计自己的专业提请教授委员会批准。哈佛大学的课程按“全课程” （full-cour

13、ses,从秋季学期持续至春季学期的课程）或“半课程”（half-courses，即秋季或春季学期课程）来计算的。不同专业的学生人数差别很大，大的专业有五六百人，小的专业只有十几个学生；不同专业要求学生学习的课程数量也不同，一般来说，本科生必须修满 16 门“全课程” （相当于 32 门学期课程）并至少取得及格成绩才能毕业。15在课程设置的内容上，主要表现出“宽基础、综合化、重实践”的特征，通识教育与专业教育相平衡。本科生所修的全部课程（约 32 门学期课程）中，一般的课程（16 门左右的学期课程）为专业课，1 门（学期）课程是大一新生必修的“说明文写作”(Expository Writing)

14、课，8 门课程为必修的“核心课程”(Core Curriculum)16，要求学生从八个学科领域中的每个领域选择一个用字母表示成绩等级(one letter-graded)的半课程。其余约 8 门的课程可以根据自己的学术兴趣任意选修。哈佛大学物理系本科生的主修课程包括：力学导论和狭义相对论；电磁学导论；波动现象；力学；电磁学；力学与狭义相对论；现代科技中的凝聚态物理；探索物理实验；量子电子学和现代光学；统计力学和热力学；现代实验；固体物理导论；当代研究课题等等。必修学分 11 至 16 half courses。选择主修是非常重要的决定，需询问及搜集各项资料，方能做出适合自己的判断。所以学校顾

15、问(Advisers)扮演相当重要的角色，提供多元的协助，帮助学生做出决定。每个学生在第一年下学期必须与顾问作深入讨论，且此讨论须留下书面资料。顾问计划办公室(Advising Programs Office)也会为新生举办认识各个主修5领域的各项活动，以协助同学了解。当同学确定主修后，须与主修单位的课程代表讨论主修习期计划，此学习计划须在大二上学期 12 月第一个星期一前缴交，此方能完成选择主修程序。完成选择主修程序并缴交学习计划后，仍可填写变更主修申请单(Change of Field of Concentration form)进行更动。哈佛亦提供不同形式的学位（multipletrac

16、ks） ，如同学可以选择进阶的荣誉资格学位（Honors-eligible programs） ，不同于基础学位，必须撰写论文或修习进阶课程。4、哈佛大学物理专业教材选用情况哈佛大学物理教学一般是选择经典的物理教科书作为教材。大多数教科书都是出自世界一流大学或知名出版社，如哈佛大学出版社、剑桥出版社、普林斯顿大学出版社和Springer 出版社等等。表 1 列出了哈佛大学部分物理课程、课程代码、教材及参考书选用情况。17表 1：哈佛大学部分物理课程、课程代码、教材及参考书选用情况课程名称课程代号教科书 参考书流体力学与扩散学 6053 科学与工程物理学(第四版)向量和运动 ；运动与动量 ；力与

17、动量 ；能量 ；粘性运动与布朗运动入门力学和狭义相对论1984 经典力学导论 David Morin.大学物理11 版 Young& Freedman； 经典力学导论（疑难解答）波动学 8676物理现象中的振动与波第三版或更高物理中的振动与波第四版或更高；波动学 ；振动与波 ；波动物理6力学 2068 经典力学T. Kibble.经典力学中的理论方法V.Arnold； 力学原理 G.Gallavotti； 经典力学H. Goldstein, C. Poole, and J. Safko；经典力学R.Douglas Gregory；力学科学E.Mach；力学导论D. Morin, 等等当代科技与

18、凝聚态物理 4654固体物理N. Ashcroft and D. Mermin. 固体物理学N. Ashcroft and D. Mermin；纳电子学与信息科学R. Waser. 粒子物理学 5431粒子物理, Abraham Seiden, Pearson 出版社, 2005；粒子物理中的测量理论, 第三版第二卷, I. J. R. Aitchison and A. J. G. Hey, Taylor and Francis, 2003/2004；夸克与轻子, F. Halzen and A. D. Martin, Wiley 出版社 1984；弱相互作用中的测量理论, 第二版 W. Gr

19、einer and B. Mller, Springer,出版，1996；轻子与夸克的弱相互作用, E. 7测量理论与现代物理导论 E. Leader and E. Predazzi, 剑桥大学出版社, 1996.Commins and P. Buchsbaum, 剑桥大学出版社,1983；强弱电磁交互作用理论, C. Quigg, Westview出版,1983.粒子场论 I 8050量子场论导论,M. Peskin and D. Schroeder, Addison-Wesley 出版社, 1995.量子场理论S.Weinberg ；量子场理论, M. Srednecki,剑桥大学出版社,

20、2007；量子场势阱, Clarendon, 1986.统计物理学 1157统计力学 ，R. K. Parthria，Elsevier 出版社.统计物理 E. M. Lifshitz and L. P. Pitaevskii,培格曼出版社；粒子统计物理 Mehran Kardar, 剑桥大学出版社弦理论导论 2012弦理论 ，Joseph Polchinski, 剑桥大学出版社，1998； 超弦理论 第一卷 M. B. Green, J.H. Schwarz and E. Witten，剑桥大学出版社，1987.弦理论与 M 理论，Katrin Becker, Melanie Becker,

21、and John Schwarz, 剑桥大8学出版社，2007)；坚硬外壳内的弦理论,Elias Kiritsis, 普林斯顿大学出版社， 2007；弦理论中的第一课程Barton Zwiebach,剑桥大学出版社，2004. 注表 1：上述数据资料主要根据哈佛大学校园网上的资料收集整理而成。物理专业类教科书通常具有内容全面、重点突出，清晰的物理插图说明、图表众多，数学计算与推导过程详细，紧密联系最新科研进展，详细的参考文献等特点。非物理专业理工科类教科书通常具有内容广泛丰富，语言生动易懂，用通俗的方式讲解基本物理原理，由浅入深等特点。5、哈佛独特的物理教学方式哈佛大学的物理教育经过不断的探索

22、研究与教学改革，建立了属于自己的独特的教学方式。5.1 案例教学。妙在引发思索，集思广益，考虑的方法不同，得出的结论也不一样。如一个经典的物理案例“雨中行走，如何使淋雨量最少？” 。通过建立模型分析，不同的模型得出的结果也可能不同。 “答案不是唯一的”这是案例教学的最大特点。该案例哈佛大学至今已有 5-6 种不同模型的分析方法，考虑了风向、雨速、人体形状（面积）等众多因素，得出的结论不尽相同。通常来说，若你发现雨是从你前方打来的，那么跑得越快越好；若雨是从后方或侧后方打来的，且速度较小，那么奔跑时也是越快越好；若雨是从后方或侧后方打来的，且速度较大，以致人站在雨中时，后背淋到的雨比身体其它部分

23、还要多，那么奔跑时应使后背恰好不淋雨为最好。案例教学也可以看做是一种趣味教学，能够有效的调动学生思考积极性，引发学生的创新意识，广泛应用于各种教学领域。95.2 运用互动讨论法教学。大胆为学生创造参与实践的机会，尽可能地将所有课程的教学以互动的形式展开，使学生有机会与授课的教师以及同学就所学的东西展开讨论，且教学内容和方法紧密联系实际（Closeness to Practice）。哈佛大学著名物理教授 Eric Mazur（埃里克马祖尔）发明了可以实现大班互动教学的方法（peer Introduction），其实际操作步骤也非常简单。18他曾经在大班课堂上提过这样一个问题，“给带孔的金属板加热

24、后，请问孔的直径变大还是变小？”然后让每个学生通过手中的反馈器（一种小型教学互动仪器，上面有 ABCD 等各种选择按钮）选择答案并记录下来。第一步，让每个学生独立思考并选择答案，结果约有 31%的学生选对；第二步，让相邻同学相互讨论后选择答案，选对率为 42%；第三步，Mazur 教授亲自对问题进行讲解并和同学们相互讨论。学生就在这种讲述和相互讨论中进一步加深对问题的理解，课堂氛围非常活跃。这种教学方法不仅要求学生具有深厚的背景知识和扎实的功底之外，还必须有敏锐的反应和洞察能力。哈佛教师为学生设计课程，开设讲座，组织研讨，就学生的研究题目提出建议，为学生的实验方案或研究论文提供咨询，引导学生开

25、展正式或非正式的讨论，把教学的重点通常放在培养学生的独立思考能力和分析问题、解决问题的能力上。5.3 采用教研结合教学体系。哈佛大学物理系一直致利于教研结合，而世界上著名的高等学府，都既是教学中心，又是科研中心。事实表明，教师水平再高，也需不断进修。哈佛的教授们都有科研任务，高年级学生或成绩优异者也在学习的同时，允许从事一定的科研工作。给予学生一种学习的方式和解决问题的方法，把学生看作是处于实习阶段的学者和研究者，和教师一样要主动参与探索未知的事物或者检验现有的假设和解释。学院建立了完善的奖励制度，同时为实践学习大力配备优秀的师资力量及硬件设备，在校内建立了多个实验室和研究中心，给有志于物理科

26、学研究工作的学生一个良好的科研环境和交流平台。5.4 教师独立教学。哈佛大学物理教师通常都是自由选择教材，独立完成整个课堂教学，不考虑其他教师和其他学校的做法。在美国，讲授是不受鼓励的。一个好教师是能在课堂上最好地调动学生积极性、使学生参与学习活动的教师，有时教师故意说错话以便让学生纠正，培养学生的独立思考能力。哈佛教师注重演示和动手操作，倾向于在科学教学中使用归纳推理方法。他们引导学生从观察具体的经验事实开始，逐步逼近概念和理论。在教学过程中，利用日常生活中的实例，发展学生独立思考的能力，并要求学生参加动手操作活动，有些教师甚至引导学生做真正的科学实验研究。通过这种教学，学生对科学过程了解透

27、彻，从而逐步掌握科学方法并形成科学精神。在哈佛，动手操作活动的目的是发10现课本上以及课本外的理论和结果。因此，学生受到鼓励进行不同的实验，用不同的方法和材料，并得出不同的结论。6、对中国大学物理教育的启示哈佛大学物理教育理念和独特的教学方式，对我国大学物理教育大有裨益，其启示主要有以下五点：（一）崇尚学术自由。即物理教学的重点应放在培养学生的独立思考能力、分析能力、批评能力和解决问题的能力上。我国的大学物理教育应该以学生探究活动为主线的研究型教学方法，使教学方式从单一的授受转向师生互动和同伴互学，调动学生的积极主动性，提高学生分析和解决问题的能力。 （二）营造严谨治学的学术氛围。国内大学物理

28、教育应该营造一种严谨治学、积极向上、培养创新型杰出人才的环境和氛围。我国的大学物理教育应鼓励学生对现有知识进行科学的怀疑和理性的批判，勇于提出自己的见解。鼓励教师与学生之间建立平等而密切的关系，使学生在与教师的思想交流和密切交往中发展智力，完善人格，推进学说。 （三）通识教育与专业教育相结合。国内大学物理教育应该做到通识教育与专业教育相结合，知识、能力、素质全面协调发展。综合培养学生的创新意识和自学能力，达到专与博、严与活的高度和谐统一，从而实现通与专的结合。 （四）注重实践学习。我们知道物理学是一门以实验为基础的自然科学，它既是发展最成熟、高度定量化的精密科学，又是具有方法论性质、被人们公认

29、为最重要的基础科学。因此在我国的大学物理教学中应尽可能多地开设有利于培养学生科学思维和创新能力的设计性、研究性和综合性实验，建设一批教学实验中心和校内外教学实习基地，以培养学生实践动手能力，鼓励并支持学生做“自己的实验” 。 （五）制定独具特色的物理教学模式。国内大学的物理教育可根据学校办学定位以及学校的人才培养目标，制定其独具特色的物理教学模式。如今，我们应结合国内大学实际情况，合理借鉴国外大学培养拔尖创新人才的有效教学模式，制定出属于自己的独特的物理教学模式。参考文献：1 哈佛大学主页，哈佛学校简介导读 http:/www.news.harvard.edu/guide/2A Compact

30、 to Enhance Teaching and Leaning at Harvard-Harvard University Faculty of Art and Science. Retrieved April 20,2009,fromhttp:/www.tlataskforce.uconn.edu/docs/resources/HarvardTaskForceOnTeachingAndCareerDevelopment_January2007.pdf3陈利民.办学理念与大学发展：哈佛大学办学理念的历史探析.中国海洋大学出版社,2006:17-18.4Final Legislation for the Program in General Education-Harvard University Faculty of Art and Science. Retrieved April 20,2009,from