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麻省理工学院物理专业学位课程的特色与思考

张立彬(南开大学外国教材中心,天津300071)

韩志龙(南开大学物理科学学院,天津300071)

内容摘 要:本文以麻省理工学院物理学本科生和研究生的学位课程为研究对象,深入探讨了国外物理学学位课程开设的特色,理清了MIT物理学教育的思路.在此基础上,对我国大学物理学教育的改革提出了建议:构建现代教育观,实行文理兼修,分层教学的通识教育,建立以研究为基础的教育体系.

关 键 词:麻省理工学院,物理学专业,本科学位课程,研究生学位课程,学位课程特点

一、概述

麻省理工学院(MIT)物理系致力于发现新物理的最前沿[1],所以物理系的研究课题很多都是涉及极端物理条件可能存在新物理的方向:从星系群到基本粒子,从整个宇宙到神秘的弦,从大爆炸以来由相对论性原子核碰撞得到的最热物质到使用激光冷却使物质冷却到波函数塌缩从而形成玻色-爱因斯坦凝聚态,从单个原子到非常规的材料,从高温超导体到地球物理学.MIT在不断地检验现有关于物质和能量的结构及行为的理论同时,也在不断地推进对客观物理世界的认识极限.

MIT物理系是美国最好的物理系之一,研究项目包括粒子与核物理的理论与实验,宇宙学与天体物理学,等离子物理学,凝聚态物理的理论与实验,原子物理学和生物物理学.同时为了适应社会发展需求,MIT物理系也针对人文,艺术,社科方向的学生提供相关基础课程.物理系开设本科生,研究生及博士后的相关课程,给他们提供一个非常广泛的专业化选择.本科课程和研究生课程都十分关注于学生对统治物理世界的基础定律的理解,包括空间与时间,物质与能量的所有形式,从亚原子到宇宙,从基本到复杂.

本文以MIT物理系本科及研究生学位课程的设置为研究对象,以不同类型课程要求为切入点,探析其学位课程的设置特点,以其把握其物理学教育的关键,为我国物理学专业教育的改革提供有益的帮助.

二、MIT物理系本科生学位课程[2]

物理专业的本科生教育不仅给物理及相关领域的学习打下了坚实的基础,同时也能为从事天文,生物物理,工程,应用物理,数学物理,管理,法律及医药等其他领域的研究提供专业训练.本科生的课程给学生一个深入了解基本物理概念的机会.学生可以选择以下两种方案来获得学士学位:(1)"集中的培养方案"(Thefocusedoption),该方案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,(2)"灵活的培养方案"(Theflexibleoption),该方案主要面向那些希望在诸如工程,医学,法律,商业,管理等其他领域发展的学生.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,更加灵活,学生可以选修其他学科的集中课程,比如天文学,生物,纳米技术,哲学,科学教育,管理学,医学,法律等学科的课程,也可以选择其他学科的课程和研究项目以及学术论文.两种方案提供的选修课程大致相同,需要的科学训练时间也基本一样,学生根据自身爱好及能力从中选择选择.这两种方案最终都拿到同样的学位——物理学学士学位.

2.1基础物理课程

MIT物理系为新生开设基础物理课程——"物理学Ⅰ","物理学Ⅱ".前者主要内容为经典力学,分4个层次,学生可任选一门,后者主要内容为电磁学,分3个层次,学生可任选一门.它们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课程设计,学生可以根据自己的实际情况来选择适合自己的课程."物理学Ⅰ","物理学Ⅱ"分层情况见表1.

表1基础物理课程课程代码说明

物理学I

8.01秋季授课,主要采用TEAL(Technology-EnabledActiveLearning)形式授课,即学生以3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.

8.012秋季授课,比8.01更加深入,更加理论化,数学化,要求学生熟练使用微积分,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"微积分Ⅰ"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.

8.01L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来培养解题能力.它也部分采用TEAL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

8.011春季授课,课程结构更加紧凑,内容比8.01少,但课时量更多,以小的章节为单元授课,一周3次,包括周五的1次测验.该课程仅面向那些没有通过或者无法适应8.01课程的学生,学生第一次选课时不能选择该课程,选择该课程需要经指导教师的允许,并且有人数上的限制

物理学II8.02秋季和春季上课,使用TEAL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秋季授课,同8.011一样,课程结构更加紧凑,内容比8.02少,但课时量更多,以小的章节为单元授课,一周3次,包括周五的1次测验.只有那些没有通过或者无法适应8.02课程的学生才能选择这个课程.

8.022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.

2.2集中的培养方案

该方案的核心课程包括3个学期的量子力学,36学分的实验室实习和一篇论文,是从事物理研究的理想选择.在学习完第一学年的基础物理课程后,到第二学年,学生学习物理III(8.03),相对论(8.033),量子力学I(8.04),统计力学I(8.044)和经典力学II(8.223),这5门课程是当代物理的基石,是学生从事物理研究的必修科目.

除了以上的理论课程外,物理学中的重要试验技能可以通过参加本科生研究机会计划(UROP)来获得.选择该方案的学生如果想参加UROP课程,需要按照如下要求:1,登陆UROP的官方网站来获取实习机会,实验指导及相关资源,2,一旦选定一个UROP项目,则需要按照UROP的要求来完成该项目,3,在UROP项目申请日期截止前提交打印的UROP申请表.

在第三年,学生一般学习实验