1.实验内容的更新与设备和技术的更新的矛盾
实验内容的更新是改革的新趋势，实验类型也要求多样性，都必不可少地需要新设备和新技术。长期以来机械设计实验室都是以传统设备为主，更新设备经费的落实不可不想。
“211”工程、“985”计划、示范基地建设帮助一些国家重点大学解决了一部分问题，但是大多数学校的设备经费还远远满足不了需要，成为教学模式改革中一个突出的矛盾。
2.实验室开放与引发运行成本的矛盾
实验教学的组织从定时、定点开设到学生自预定，实验室开放，是今后实验室运行的趋势。对实验室而言，增大了工作难度和工作量，运行成本随即增加，实验室的管理如何适应这种变化？问题不可回避。我们知道，对于机械专业和近机专业拥有十几个班甚至二三十个班的实验安排，其重复性的劳动也是规模化的。一旦开放，没有一个配套科学的管理制度和人事制度，很难达到开放的实际效果。如何应对实验室开放带来人员运行成本和设备运行成本，同样是矛盾的焦点。
3.实验教学质量的评价体系的建立
教学质量的提高最终要反映在学生的能力是否提高了，以传播知识为目标的教学模式中，理论教学考核的重点是学生的接受能力，其评价体系一般是以考试和平时作业进行综合；而实验教学不同于理论教学考核的重点在于实验的过程中表现的综合应用和设计能力，考试方式不完全适合实验教学，而考核方式的中间过程不易掌握，可操作性不规范，影响成绩的公正性。基于能力的考核的实验教学评价体系的建立迫在眉睫。
面对教育质量工程对人才能力培养的要求，实验教学要适应新的教学模式的改革，不仅需要从观念上更新，实验室在管理模式和运行方式方面都要有突破性的改革，否则将影响教学质量。重新定位实验教学，无论是理论课中的实验项目，还是独立实验课形式，核心任务是在教学实施过程中实质性地提高学生的工程实践能力。
一本面向21世纪工科物理课程的教材—— 《大学基础物理学》的特色与试用
唐莹
（北京交通大学理学院，100044）
摘要：简要介绍改革教材《大学基础物理学》的特色，及在北京交通大学教改试点班中试用的情况。
关键词：大学物理 教学改革 近代物理
吴柳等主编的《大学基础物理学》是教育部面向21世纪物理教学改革课题的成果，被确定为面向21世纪工科物理课程的教材。该教材彻底突破了传统教材的知识体系，力求完整、系统地体现物理理论尤其是近代物理基础的全貌。在内容处理上近代物理内容进入大学物理教学的主干并用近代物理观点审视经典内容，实现了教学内容现代化。其主要特点是“深理博物”，适应面向21世纪工科物理教学的要求。该教材已在北京交通大学试用了3届，即将由高教出版社出版，将更名为《大学物理学》。
本文就该教材的特色及试用中的情况作简要介绍。
1内容及特色
1.1与传统教材不同，知识体系作了较大的改变教材分为6篇。
第一篇 物理学与科学技术。全面介绍物质世界的层次结构、物理学的对象内容、研究方法及物理学在科学技术社会经济等各方面的应用。
第二篇 时间、空间与运动。讨论运动的描述和时间空间的相对性，在相对论的基础上讨论时间空间与运动的基本概念。
第三篇 守恒定律。突出讲述动量、角动量、机械能三大守恒定律，介绍守恒定律与对称性的关系，以及相对论能量的动力学关系。另外，介绍了能量和角动量的量子化，玻尔的氢原子理论，康普顿散射及光压等问题，使物理量的基本概念得到了深化。还运用势能、相图等方法简要介绍了经典力学系统对初始条件的敏感性，及混沌和分岔等非线性现象。
第四篇 场与相互作用。包括静电场、恒定电场、恒定磁场、变化的电磁场、引力场、粒子场等。全面介绍各种基本的相互作用。
第五篇 物质与波。包括振动、机械波、光波、粒子物理。在粒子物理部分，不仅给出了粒子力学的基本理论框架，也讨论了原子、分子、团簇及宏观量子理论等应用对象。
第六篇 熵与不可逆过程。介绍热力学的基本概念，多粒子体系的统计分布，宏观过程的方向性。着重从微观角度讨论了熵的概念及其广泛应用。1.2内容处理方法的改革使近代物理的内容进入教学内容的主干，并从近代物理的高度上选取和改造经典物理教学内容，深化物理概念。
（1）使近代物理的内容进入教学内容的主干。精心选取近代物理理论的一些重要内容，通过数学上简化处理后，纳入教材，使近代物理概念大大深化，前沿物理知识充分扩展，而数学处理又能为学生所接受。这里试举三例。
①在统计物理中，推导费米－狄拉克和玻色－爱因斯坦分布函数的数学过程，对低年级大学生而言，难度很大。因而在以往的工科物理教材中，一般不给出这两种量子统计分布。本书巧妙地设一个量子态被占与未占概率之比，经简单的初等数学推导就得到了两种量子统计分布的函数形式。进一步，对费米子，讨论了金属中的自由电子，计算了费米能级和温度T→0K 时，自由电子对热容量的贡献；对玻色子，应用于光子气体，导出了黑体热辐射的普朗克公式，讨论了玻色－爱因斯坦凝聚和宏观量子现象——超流的产生。
②用粗浅的数学方法计算一些具体问题，例如，Lz 与Lz 可能值的计算，从而把量子力学基本原理浓缩在较短篇幅，使学生对近代物理支柱之一的量子物理，不再局限于了解半经典理论的层次，而是达到使用波动力学的方法理解微观世界。同时也使教师有可能在有限的学时里教授完整的非相对论量子力学基本理论，并介绍了原子、分子、团簇、宏观量子现象等。
③直接给出熵的统计定义玻耳兹曼关系，再由统计熵导出克劳修斯热力学熵的定义，不仅省去了卡诺定理等大段推导，而且突出了熵函数在热力学中的重要意义，并使熵在现代边缘学科中的应用更顺理成章。
（2）各篇物理概念融会贯通、前后呼应，用现代理论总括全书。
①弱化力的概念，强调势和场，强调守恒定律和对称性。守恒定律独成一篇，内容从宏观到微观，物理量由相对论形式给出。既建立了守恒定律作为自然界普遍适用的基本规律的完整观念，又联系上下篇内容。
②场与相互作用独立成篇，从相对论角度，由静止参考系到运动参考系，逐步引入静电场、磁场、电磁场。从较高层次上探讨统一的场概念。
③在一些重要的物理图像或表达式的使用方面注意了前后呼应，从而加深了学生对一些有关物理概念和理论的理解。如驻波，在机械波中介绍了其物理形态后，学生对驻波已有初步认识，再经光学谐振腔的驻波条件、玻尔理论与驻波概念的联系等方面的介绍，学生对满足“驻波”条件才是可能的稳定状态（定态）就感到容易理解了。再进一步，把量子理论应用于固体，介绍“准粒子”——声子概念时，由于一方面有和光子相近的用法，另一方面有熟知的“驻波”物理图像，初学者不仅无生硬感，反而有似曾相识的亲切感，并对物理理论的圆融自洽由衷地认同。再如，用复数描写波函数，从机械波便开始，光波、物质波通篇一致。这种做法较之到薛氏方程才首次采用复数表达式，更为顺畅。类似的处理方法还有多处。
注意介绍高新技术和联系工程实际，也是本教材的主要特点，此处不再赘述。
2试用过程中的主要困难及解决的办法
作为改革性教材，在使用中不可避免地会遇到一些困难。这里介绍在北京交大通控98级试点班出现的一些情况。该班大学物理课程的设置基本参照工科高校大学物理B 的要求，总学时为128学时（每学期64学时）。2.1教学中学生碰到的主要困难（1）对教材的知识体系不习惯。学生已习惯于把物理知识按力、热、光、电等现象分类讨论的处理方法。尤其是许多经典结论的物理观念已根深蒂固地印入脑海，对于改革教材引入的新的知识体系感到生疏，对近代物理的结论感到不可思议。
（2）数学基础不足，对教材的叙事方式不习惯，对一些数学符号感到陌生，从而对内容产生畏惧感。
（3）内容多，进度快，没有时间练很多题，所以心里不踏实，对期末考试感到忧虑。
上述表现应该说是在我们预料之中的。
困难（1）正是通过教学过程要解决的问题，只是需要采用适当的教学方法使学生接受。我们的处理方法是：在每篇（章）的开始，介绍本篇（章）的知识体系、知识点及本章与其他篇章的上下联系；指明各知识点的具体章节；说明本章的难、重点，处理方法及对学生的要求。在进行到各章节时，随时提醒现在内容在整体中的位置。这种做法在帮助学生理解教学内容的同时，也使学生逐步学会整体把握物理思想的学习方法和思考方式。这种做法对解决困难（3）也有帮助，即大信息量通过各个知识体系贯彻了下去。
困难（2）随着数学相关课程的学习会得到一些缓解，教学处理上可适当调整课序，把用微积分较多的内容尽量放在后面。有些确实困难的数学过程可以简化甚至略去，只介绍处理方法和结论，强化物理概念的目的仍能达到。如在量子物理中，在严格求解了一维无限深势阱之后，学生已知道此类问题的求解过程就是把具体体系的势函数代入薛氏方程求解。再讨论线性谐振子、势垒、氢原子时，只需列出定态方程，经过简化或省略数学演算给出结果并与实验联系讨论应用。再如关于力学量与算符，我们的处理方法是：直接告知总的原则，给出力学量与算符的一一对应关系，再举一两个求解本征值方程的简单例题，学生对力学量的算符方案就有了整体轮廓的了解。这时让学生自己体验定态薛氏方程原来也是一个算符（哈密顿）的本征值方程，然后引入相关的基本假设作概括总结。本征值问题就完成了。
采用上述方法，我们用二十多学时完成了非相对论量子力学之初值问题和本征值问题两条线的教学。学生的反映是：这部分内容的思路、体系、目标都明确了，学习过程顺畅。在此基础上，对激光、固体、超导、超流等量子物理应用方面的内容学生不仅能接受，而且能理解。
困难（3）事实上是任何低年级大学生都会遇到的问题，而非改革教材所独有，只是由于用了与其他班不同的教材，先入为主地产生了心理压力。这一方面可以介绍多种教材进行比较，另一方面可以通过改进考核方式得到解决。2.2配合新教材的使用，在教学模式上进行改革（1）鼓励动手动脑，使学生充分体会物理知识在生产实践中的应用价值。为此我们组织学生参观了中国科技馆，支持部分学生参加“动手动脑”物理竞赛，学生可以选择“创新”和“制作”两类问题进行研究。通过这些实践，缩短课堂教学与生产实际的距离。
（2）尽量采用现代化教学手段，改变传统教学模式。我们在部分内容的习题课和答疑等环节试用了网上教学方式，并有一半以上内容采用了电子教案。三维动画和多媒体视频演示的物理过程生动形象，既加大了课堂信息量，也活跃了气氛。
（3）注重思想方法的培养，启发思考，鼓励自学，开展讨论。鼓励学生上讲台，改变课堂教学中只是“教师讲、学生听”的被动状态。在光学内容的开始、量子物理中就波粒二象性的理解、薛氏方程的建立过程、粒子的波函数如何描述状态等，启发学生提出问题进行讨论，并请有见解的学生上台讲解。帮助学生跳出具体细节，把握整体思路，全面理解教材的知识体系、物理内涵和处理方法。
（4）改变考核方式。人才观的改变势必体现在考核方式的改革上。学生的知识水平不能完全由计算题来评估，素质更不能由是否“会做题”来定量衡量，这些早已是共识。目前我们一方面从完善试题形式上下手，设计出评估物理思维方式和解决问题能力的考核题，另一方面考试形式多样化，比如，引导学生发现问题、研究问题，撰写小论文等。
3试点的效果和存在的问题
（1）通过本门课的学习，学生在知识和能力两方面得到培养。
①物理知识的习得达到了改革教材预期的目标。表现在学生掌握的经典内容深化、近代内容大大加强，对联系工程实际和前沿学科的内容的理解能力提高。学生既能够解答传统教材的习题（尽管我们认为这种考核方式亟待改进），也达到了从近代物理的高度整体了解物理理论的知识框架的水平。
②初步培养起独立查阅资料进行科学探讨和研究的兴趣与能力。学生能够从一个小专题入手，查找相关资料，写出有自己见解的小论文。这些小论文绝大多数源自资料，但内容所及都在现代物理领域，表明学生对近现代物理产生了浓厚的兴趣。还有少数学生联系了自己的实际，其中校乐团的一位拉大提琴的同学写的题为《我身边的物理学》一文，谈到物理在音乐中的应用问题，受到佘守宪教授的关注，鼓励她继续钻研下去。
③认识到物理作为基础科学的重要地位，激发了学习热情。
（2）主要的问题在于两方面，一是对于现有学时而言，教材的内容很多，计划学时中难以全部完成，教学中需要酌情拣选；二是学生对于新体系不适应，接受困难。由此而来的阻力也是不可低估的。
