4美国高校本科生和研究生课程的特点与启示.docx

1、4美国高校本科生和研究生课程的特点与启示美国高校本科生和研究生课程的特点与启示张立彬（南开大学外国教材中心，天津 300071）陈贵阳（南开大学物理科学学院，天津 300071）摘要：通过对MIT本科生和研究生学位课程的深入研究，详细探讨了MIT物理学课程的设置与特色，初步明确了MIT物理学教育的成功经验.在此基础上，对我国研究型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；学位课程；专业设置；课程体系1 MIT物理概况麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，M

2、IT）是美国一所综合性私立学校，有“世界理工大学之最”的美名，位于马萨诸塞州的剑桥市.建校于1861年，校训是“手脑并用创新世界”（Mind and Hand），创立至今在自然和工程领域迅速发展，享有世界美誉，培养了众多对世界产生巨大影响的人物，有78位诺贝尔奖得主在此工作过，是全球高科技和高等研究的先驱领导大学.麻省理工之名蜚声海外，是世界各地莘莘学子心向神往的科学殿堂.MIT自建校以来，在培养人才方面，经过一百多年的努力实践，形成了自己独具特色的优势专业、优势学科.MIT的物理学在全美乃至世界久负盛誉.从20世纪初开始，MIT物理系就一直是重要的国家资源.在探索物质与能量的本质和宇宙动力学

3、方面，麻省理工始终站在革命浪潮的中心.物理系教师中有3位是诺贝尔奖获得者，21位是美国国家科学院院士，物理学的几乎每个领域的带头人都有麻省理工的教师.科学与工程学界很多世界级的领军人物包括10位诺贝尔奖得主，都曾经在MIT的物理学课堂和实验室中学习过.MIT物理系是美国最大的物理系之一，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.MIT 的学生，无论是本科生还是研究生，都有机会在几乎任何领域从事尖端研究.MIT物理系的毕业生也遍布世界主要大学和学院、联邦研究实验室以及各种工业实验室.麻省理工的本科毕业生受到工业界和全国

4、最具竞争力的研究生院的青睐.博士毕业生更是极受欢迎，无论是在博士后和教职工岗位上，还是在工业界都是如此1.值得一提的是，和国内的高校不同，MIT的物理系设置的专业十分丰富.这其中不仅包括传统的物理学相关专业：天文系；生物物理；纳米技术和计算物理，还为有志于其他领域的学生设置了管理学，科学哲学，科学史和科学教育等在国内的高校物理系罕见的专业.这不仅丰富了物理系的专业方向，更有助于学生的理性与人文情操的综合培养，有利于拓宽学生的求学思路和兴趣.2 本科预科课程针对准备想踏入MIT的学生，MIT设计了预科课程让学生充分的了解在MIT的学习、科研、生活情况，并通过课程发掘那些有天分的学生.物理系也是在

5、该课程中展现当代物理的发展，让学生在生动具体的实验和科研中了解物理、喜欢物理，并最终选择物理.2.1MIT暑期研究课程MIT暑期研究课程旨在通过多种机构努力，提高在工程和科学研究方面有天分的学生的录取率，尤其是那些来自少数人种和未曾出现过大学生家庭的学生.该课程目的是从全国寻找出那些有天分的本科生，他们将在MIT度过一个获益匪浅的暑假，包括在有经验的科学家和工程师MIT的所有员工、博士后及研究生的指导下在实验室进行研究工作2.参加该课程的学生一般将更好的准备，并且更有动力去攻读博士学位，从而缩短从事相关科学研究的必要准备.暑期研究课程有以下特色：、由MIT员工、博士后及高年级研究生管理；、每周

6、有MIT教员的研究报告；、每周学术讨论会，涉及到具体、专业、个人的项目进展；、社交活动（包括室外烧烤、游览船、参观波士顿等）；、准备一份简要的参加学校目的的描述，并在课程最后公开演讲；、独立的考察学术领域；、反馈将来本科课程及额外的实验技能的需求；、提供和研究人员共同发表文章的机会；、展示MIT各个学院的艺术气息及超过60个跨学科中心；、亲自动手训练，真实的实验研究.2.2 物理桥课程MIT物理桥课程是一个在MIT的一到两年的学士后课程，以促进学生更好地从本科生到研究生的过渡.该课程是公开的，对象是那些完成了学士学位并参加过MIT暑期研究课程的物理学学生3.物理桥课程的目的在于增加获得物理学博

7、士学位的少数人种的数目.参加者接受一个为期12个月的奖学金，和提供给MIT研究生的一样，并且提供医疗保险和免学费.他们参加课程，加入一个研究小组，并接受如何申请MIT或其他学校研究生院的指导.对于那些感兴趣的高年级本科生，可以先参加MIT暑期研究课程，并根据物理学院的相关指导申请.3本科正式课程物理系为MIT的本科学生提供多种课程.作为一门基础学科，所有的MIT本科生都要上两学期的物理课程.物理系引以为傲的是，能够提供形式多样的物理I和物理II课程来适应MIT学生多样的学习方式.为了保证教学质量，MIT物理系都是聘用最好的老师来教那些非主修物理的学生.对于那些非常喜欢物理的学生，在完成学院要求

8、的基础课程之外，物理系还能提供两种不同的课程来拿到物理学学士学位4.麻省理工学院物理系为全校理工科学生（包括物理系）开设物理学入门课程“物理学I”、“物理学II”，前者主要内容为经典力学，分四个层次，后者主要内容为电磁学，分3个层次.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.其次，麻省理工学院物理系为物理专业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.“集中式培养方案”（The focused op

9、tion）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，见表2.“灵活式培养方案”（The flexible option）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，学生可以选修其它学科的集中课程，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，也可以选择其它学科的实验课程和研究项目以及学术论文，见表3.灵活的培养方案为那些有志于在其他领域发展的学生提供一个

10、良好的物理学背景，同时让学生有更多的选择空间来学习他们感兴趣的学科.两种课程计划都将使学生们深入理解基础物理学的概念，都留给了学生以充裕的时间去尝试，试听，从而最终做出合适的选择.这样能使学生根据自身条件因地制宜地各尽其能.两种学习模式的最终学位结果没有差别，都是物理学理学学士学位.表1：MIT 物理学I和物理学II课程设置物理学I8.018.0118.0128.01L秋季授课，主要采用TEAL(Technology-Enabled Active Learning)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.春季授课，该

11、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，一周三次，包括周五的一次测验.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.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.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

12、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.物理学II8.028.0218.022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.秋季授课，同8.011一样，该课程结构更加紧凑，内容比8.02少，但课时量更多，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.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.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

13、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.注：“物理学 II”需要有“物理学 I”和“微积分I”作为基础.注：8.01，8.011，8.012，8.01L分别为“物理学 I”课程代号. 8.02，8.021，8.022 分别为“物理学 II”课程代号.表2：MIT The focused option 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I8.02物理学II8.03物理学III和8.223经典力学II8.04量子物理I8.05量子物理II8.06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

14、计物理学I8.13实验物理I8.14实验物理II选修限制性选修课物理类18.01微积分I18.02微积分II18.03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、社科第一学年，物理系本科生无论将来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）.MIT本科生可以在第二年确定他们的培养方案.The focused option课程计划能够为学生以后的物理专业研究生学习做充分的准备.选择The focused option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

15、理学学位论文.为培养专业的物理人才而设计的集中式的学习模式包括三个学期的量子力学，36节实验体验课和一门毕业论文课.在第一学年修完基础通识课之后，学生会在第二学年必修8.03物理III，8.033相对论，8.04量子力学I，8.044统计物理和8.233经典力学II.学生们会在学校专门为本科生设计的本科生研究机遇项目工程中掌握物理学重要的实验技能.在第三学年，会开设实验课8.13和物理I，II的配套实验课8.14，以及量子力学II，III的配套实验课8.05，8.06.在本学年，学校会让学生开始学习严苛的选修课程：一门数学和至少两门物理选修课.数学课18.04复变函数及其应用，18.075高等

16、工程计算和18.06线性代数在物理专业中较受欢迎.在天体物理学，生物物理学，凝聚态，等离子体，粒子与核物理等专业允许学生增修一门现代物理学前言评估课.有志于将来攻读研究生的学生会被鼓励学习理论物理课8.07电磁学II，8.08统计物理II和8.09经典力学II.第二学年，执行The focused option课程计划的学生应完成课程：“物理学III”、“相对论”、“量子物理I”、“统计物理学I”、“经典力学II”，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The focused option课程计划的学生应完成课程：“实验物理I”、“实验物理II”、“量子物理I

17、I”和“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.“复变函数及其应用”、“工程高级微积分”和“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：“电磁学II”，“统计物理学II”和“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The focused option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

18、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.The flexible option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.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.鉴于如今基于多学科知识的职业逐渐增多，The flexible option课程计划是很有吸引力的，见表3.表3：MIT The flexible option典型课程安排第一学年第二学年第三学年第四学

19、年秋季春季秋季春季秋季春季秋季春季8.01物理学I8.02物理学II8.03物理学III和8.223经典力学II（可替换）8.04量子物理I8.05量子物理II（非必修，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I8.13实验物理I（可替换）选修选修选修18.01微积分I18.02微积分II18.03微分方程选修集中课程集中课程集中课程选修人文、艺术、社科与表2对照可以看出The focused option计划仅有5门自由选修课，而The flexible option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.The focused option计划有学位

20、论文的要求，还要必修“物理学III”“经典力学II”“统计物理I”“相对论”“量子物理I、II、III”“实验物理I、II”.相比之下，The flexible option计划没有学位论文的要求，不修“相对论”“量子物理III”“实验物理II”，且“经典力学II”可由“能量物理”替换，“量子物理II”是非必修的，也可由其他课程替换，“实验物理I”可由其他专业类似强度的实验课，一项实验研究计划或者论文或者实验导向的暑期校外实习来代替.这充分体现了The flexible option计划的灵活性.执行The flexible option课程计划的学生必须完成一系列集中课程同一学科内相互关联的

21、三门课.学生们通常选择天文学、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.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，也许他们将来会从事该学科领域的相关工作.可见，The focused option计划课程面窄但是深入，目标明确：培养从事物理学的精英人才；The flexible option计划课程面广，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，将来从事其它领域的人才.

22、3.1 基础物理课程物理系提供多样的选择让学生完成学院大学物理要求的物理I和物理II.这两门课程都需要用到微积分.表4基础物理必修课课程课程内容相关课程及描述物理I时空，运动学，牛顿定律，动力学，碰撞，守恒律，功能，引力，刚体，平衡8.01教授基本的知识内容，在手册中是以绿色标出8.012教授更深的知识内容，针对那些有较强物理和数学背景的学生8.01L是8.01一个延长的版本，在秋季开始，持续到来年1月，该课程是针对那些数学和物理基础较差的学生开设的8.011在春季，主要是以讲座的形式开设，每周3次，包括每周五的随堂测试物理II电荷，库伦定律，物质的电结构，导体，绝缘体，电场，电势，电流，磁场

23、，安培定律，交变电场，法拉第定律，电路，电磁波，麦克斯韦方程8.02教授基本的知识内容，在手册中是以绿色标出8.021秋季开学，以讲座形式开设，每周3次，包括每周五的随堂测试.该课程只针对选修过8.02和8.022的学生8.022以更深的数学方式教授，要求学生有较好的数学和物理背景免修：物理I和物理II是本科生都要上的两门课程.有些学生在进入MIT时已经具有足够好的物理背景，他们就可以选免修课程.选该课程的学生要求先参加免修考试.免修考试要求如下：考试时间3个小时，闭卷，包含经典力学和电磁学.内容深度与微积分形式的大学物理导论相当，参考书有：大学物理（Yong，Freedman），物理（Hal

24、iday，Resnick，Krane），科学家与工程师物理（Serway），科学家与工程师物理（Fishbane，Gasiorowiz，Thorton）.3.2必修课程必修课程的设计是给物理学的学生提供最好的知识准备.许多学生发现这些很好的、知识面很广的课程给将来的深入研究（如天文学、生物物理、几何物理、工程学）做了充分准备.必修课程通常包含在基础课程中，有多达6门课程可以自由选择来达到本科学位的最低学分要求5.可以选择的必修课程如下：表5 MIT物理系必修课程8.03物理III（振动和波）8.044统计物理I18.03或18.04微分方程8.05量子力学II8.033相对论8.06 CI-M

25、*量子力学III8.223（IAP）经典力学II8.13 CI-M*实验物理I8.04量子力学I8.14实验物理II8.THU毕业论文备注：18.03和18.04由数学系讲授3.3选修课程选修课程是为了让学生能更好的发展基础，并且为他们将来的科学研究做准备，即使将来可能和物理没关系的研究方向.过去，学生已经有了物理的基本概念和方法，同时也体会了物理学家是如何在商业、法律、医药、工程等其他领域解决问题的.这些选修课在今天这个多元化的社会更加有吸引力，因为交叉领域方兴未艾.选修课程不排除将来继续在物理学读研深造的可能性.选修这些课程的学生应该和学院的指导员商讨，以便他们能够有足够的时间来进行这些课

26、程6.表6MIT物理系专业典型选修课程天文系12.400太阳系8.284现代天文学8.286早期宇宙学12.410J宇宙观测技术生物物理7.03基因学7.05生物化学8.591系统生物学7.02生物学实验导论计算物理6.004算法结构18.330数值分析导论6.042计算机数学8.13实验物理I纳米技术8.231固体物理I6.152J微电子技术6.681J微结构制造在Bell实验室实习科学哲学8.06量子物理III24.111量子物理哲学24.215科学哲学讲座8.13物理实验I科学史8.22520世纪物理学8.286早期宇宙学STS.003现代科学的崛起8.13物理实验I科学教育8.299物

27、理教育11.124数学与科学教学8.13物理实验管理学14.01微观经济学14.02宏观经济学15.501经济与管理学导论8.13实验物理4研究生课程物理学研究生和知识丰富的学科领导人一起活跃在物理研究的前沿.学习过程可以有正式和非正式的形式，包括和高级工程师、博士后、研究人员以及研究生学长的互动学习.在研究生来到MIT时，每个学生选定一个他们感兴趣的方向.当开始研究后，学生可以加深他们关注的某个领域从而进行深入研究，或是转变原来的方向开拓新的研究方向.学院鼓励学生灵活的选取需要的基础课程以最好的进入研究，并且学院会提供丰富的意见和建议7.研究生第一学年的课程通常是涉及基础领域的，如量子力学、

28、统计力学、电动力学等.学院的课程要求相对来说宽了一点，但是学生以后会发现坚实的基础课程对他们以后的科研有巨大帮助.基础课程之后一般都会有更加专业和更加理论的课程，这和其它学院的要求是一样的.4.1研究生开学介绍在开始正式的在MIT的学习和生活之前，MIT为新来的研究生们准备了丰富多彩的欢迎活动，表7仅列出与学术活动相关的内容.可以看出，一方面MIT物理学院在开始几天会全面的介绍学院的基本情况，另一方面又马上开始考察学生的知识情况，特别是对于留学生，他们将要面临学术和语言相关的3门考试.这些考试的成绩都会作为学生将来选课的基本依据，可以让学院能较好的了解学生的情况，从而更好地更有针对性的对学生进

29、行指导8.表72012年研究生开学安排（部分）日期事件时间8月23号物理学院情况介绍会，第一部分12:00-2:008月27号统一测试，第一部分（所有学生）9:30-2:308月28号英语能力测试（所有留学生）9:00-12:008月29号物理学院情况介绍会，第二部分2:00-3:308月30号研究生导师演讲会12:00-3:008月31号统一测试，第二部分9:30-2:309月3号参观图书馆全天4.2学位学术要求在MIT，一般的课程设置都是到物理学博士，在特殊情况下会接受物理学硕士的申请，如在读博士期间未能完成博士学位要求、不想完成所有的博士课程、或是统一考试没有通过等.对博士学位的具体要求

30、见表8.表8 博士学位进程表学年学期要求第一年秋季统一测试，第一部分：要求必须参加春季统一测试，第一部分：如果未通过，可以再参加第二年秋季统一测试，第一部分：最后一次测试春季统一测试，第二部分：第一次机会第三年秋季统一测试，第二部分：最后一次机会春季统一测试，第三部分：第一次机会第四年秋季统一测试，第三部分：最后一次机会；提交博士论文开题报告春季第五年*博士最多可以延期到第8年4.3研究生课程学院对博士学位的课程没有硬性要求，当然对于大多数的学生，他们要从学习研究生量子力学（8.21和8.322），研究生电动力学（8.311），和研究生统计力学（8.333）开始.这些课程已经被证明会开阔学生对于基础物理的视野，同时也是作为统一考试（第二部分）的基础准备.研究生第一学年的学习主要是加深学生在本科高年级的课程内容，如电动力学（8.07）、统计力学（8.08）、经典力学（8.09）.一些学生可能会选择更加专业的方向，如原子与光学（8.421或8.422），固体物理（8.511）、生物系统（8.591J）、等离子体物理（8.613J）、核物理与粒子物理导论（8.701）以及天文学（8.901或8.902）.这些课程将会是他们以后选择专业方向后的主要课程之一.当然，在学习之余，学校还要求每个学生至少做一