摘 要

在美国物理教师协会（AAPT）2014 年 11 月发布的《AAPT 本科物理实验课程建议报告》（以下简称 AAPT 建议报告）中，强调了通过物理实验课程，培养学生具备“像物理学家一样思考（Thinking like a physicist）”的能力，并提出了本科物理实验的学习目标（Learning outcomes），以期为本科阶段物理实验课程的建设提供指导性建议，推进OBE（Outcomes-Based Education）理念在实验教学领域的应用^[1]。

1 学习目标

AAPT 建议报告提出的本科物理实验课程学习目标如图 1 所示，包括六个方面：① 构建知识：观察物理世界并获得客观真实的数据，通过数据分析解释物理现象，从而形成物理世界观；② 建模：用抽象模型表示实验室研究的真实系统，了解其局限性和不确定性，并使用模型进行预测；③ 设计实验：在成本、时间、安全性和可用设备等限制条件下，开发、设计并完成实验，以测试模型和验证假设；④ 提升实验技能：在一系列规范的实验测量中熟练使用常用测试设备，同时认识到设备的局限性；⑤ 数据分析和可视化：使用统计方法分析和展示数据，并批判性地解释这些数据的有效性和局限性及其不确定度；⑥ 学术交流：基于实验结果得出科学论据，通过书面和口头方式呈现客观真实的结果和想法。

在上述学习目标中，“构建知识”和“像物理学家一样思考”，体现了本科物理实验的总体目标，应渗透到所有学习目标和实验教学目标中，因为物理的使命是构建新的知识；物理学不仅仅是一门学科，更是一种探求科学发现的方式，这需要人为的观察和开展物理实验。要想在这项工作中取得成功，就必须综合运用各种知识和技能，包括数学、计算、实验和实践技能，并养成理性思维和逻辑论证的习惯，也就是“像物理学家一样思考”的思维习惯^①（① 引用自清华大学朱邦芬教授在 2021 年全国高等学校物理基础课程教育学术研讨会上的报告“物理学教育对于培育一流创新人才的重要性——从没有一流物理学科就没有一流大学谈起”。）。培养非物理专业的学生像物理学家一样思考，并了解物理学的技术和方法，将为他们提供可转移到自己学科的技能和思维过程，因此“物理学是技术社会的通识教育（liberal arts education）”^[2]。

学习目标的另外五个方面，其主要作用则体现在：培养物理和其他自然科学专业的学生像物理学家一样思考，并能够在开展科学实验、参加研究生阶段学习，或者进入工业领域或参与其他与 STEM 关联的工作中，达到相应的实验研究水平；为未来的教师培养必要的实验技能，使之可以利用这些技能为学生开发丰富的理论和实验课程；引导非物理专业学生以物理的视角开展实验研究，增加对科学的跨学科性质的认同感，并为参与 21 世纪高技术工作打下扎实基础。关于这五个方面的具体建议，在 AAPT 建议报告中以基本要求（Introductory Level）和高阶要求（Advanced Level）分类给出，但两类要求是相对的，基本要求还是高阶要求与学校、专业和生源等有关，所以下文的介绍中没有加以明确区分。

1.1 构建知识

通过实验课程，让学生建立从事科学研究工作的自信。能够作为负责任的科学工作者，通过自己对物理世界的观察，以规范的方式获取、分析和解释实验数据，并从中得出结论。实验课程应该帮助学生开始像物理学家一样思考，并不依赖于外部权威而自主构建知识^[3]。

能提出想探究的科学问题，判断哪些问题可以通过开展适当的实验来回答，并理解实验的局限性。当提出的问题不恰当或实验设计不能实施时，应能对其进行修正。在大学四年的课程中，应该给学生多次机会，去感受从提出问题到基于实验结果得出结论的整个过程。在得不到确定性的结果时，学生应有机会修正问题或改进实验设计。

应能设计出可证伪的模型或假设来解释自然现象。可以给学生提供一些实例，让他们练习如何做出实质性的、明确的、从而容易证伪的陈述。能清楚、准确、简洁地描述实验观察结果，并能找出实验中最重要的物理概念。能根据受控实验的观察结果构建论点并识别趋势，能够综合所有得到的信息，包括实验结果和不确定度，得出有说服力的、数据驱动的结论。

能在不同的实验环境中传递知识，找出不同概念之间的联系，并通过归纳推理给出结论。例如学生在某个实验中学习了示波器的使用，就应能在其他实验中正确使用示波器。能以符合学术规范的、专业的方式开展实验、分析实验结果并传播，努力成为一名合格的科学工作者。可通过案例研究或学术伦理培训，让学生了解如何开展负责任的、符合学术规范的科学实践。学生不应有捏造、伪造或剽窃等行为^[4]。

1.2 建模

建模需要对实验中使用的真实系统进行抽象表示。模型提供了理论和实验之间，以及系统的定性和定量表达之间的关系。物理模型往往是数学表达式或算式性质的。学生应能建立模型来表达物理系统，包括所用的测量设备；能够合理使用计算机进行模拟仿真，并用模型来预测和解释实验室结果。此外，还应能够认识到模型的局限性，包括测量中的不确定度和测量设备的局限性。

1）物理概念和理论框架

能为需要建模的物理场景选择合适的物理概念和理论框架。如用牛顿定律和能量守恒来描述物体在斜坡上的滑动，用量子力学原理解释单光子实验及实验结果。

应能对不同表示模型进行变换，包括口头和书面表示、数学模型、计算模型、物理模型和图示模型等；能将多种表示模型应用于给定的研究，如在非线性动力学实验中建立理论模型和仿真计算模型。

2）假设与简化

应理解模型中使用的假设、限定和简化，以及由此可能引入的误差。如在不考虑摩擦力的情况下对物体的运动进行建模，应能确知摩擦力被忽略将导致的结果。

应能对实验设备进行标定，或者确认设备已经标定。如采用视频测量技术时用像素做长度定标，此时参照物若在动作平面之前或之后，则需额外定标。应了解实验仪器以及系统误差或偏差，如设备的带宽，所测交流电压是否为“真有效值”等。

3）单位和估算

应能使用恰当的量级单位，由模型或实验体系估计输入量和输出量。应了解所测物理量的物理含义并有数量级的概念，以判断所建模的系统中某一物理量数值是否合理。可以对实验预期结果给出粗略的推算或数量级估计，并在进行细粒度测量之前对数据进行初步分析，以了解结果是否合理。例如用硅光电二极管测量小型激光器输出光强时，可以估计其电流量级是否合理。

1.3 设计实验

能够提出科学问题，并在考虑到各种限制条件（如测量精度、成本、时间、可用设备和安全问题等）下，开发和设计实验来验证模型和假设。能够以解决问题为导向，依据逻辑顺序有条不紊地来排除故障。设计实验系统、动手搭建实验装置、亲手排除系统故障，使学生能够通过实验课程获得的宝贵经验。

1）设计实验

通过设计实验过程来测试模型、验证假设或测量某个未知量，并说明得到可重复的准确结果所需的数据类型、数量、范围和精度。可以给学生一些开放性的问题，比如：“这是一瓶矿物油，通过实验可以得到的油密度的最精确值是多少？”或“考虑到振动源和弦的特性，用什么办法能使波在弦上传播得更快或更慢？”。

应指导学生通过阅读文献精炼问题或改进实验设计，以进一步提升实验设计能力。在进行实验设计前，可以要求学生写出文献综述和简短的设计方案。通过文献阅读和调研，学生应能确定项目的研究范围，提炼问题，使之在现有条件下能够得到具有确定性的回答，或对存在的问题进行限定。

2）设备搭建及测试

学生应有机会亲自动手搭建或装配一个装置，然后使用该装置进行测量并获得数据，以测试模型或假设。如果有条件，还可以让学生在限定条件（时间、成本、可用材料等）下设计制作一个装置并进行实验研究。例如学生们可以在实验室里设计并制作一个简单的电路，用不同颜色的 LED 来测定普朗克常数。

3）评估设计和改进

学生应有机会进行一些基本的故障排除，例如气轨调平，天平、传感器的调零等。还可以进行一些较为复杂的调节，依据逻辑顺序有条理地排除故障，优化测量方案和实验设计。如排除电路故障，完成光路的等高共轴调节，或者检测并排除真空泄漏等。

应了解实验设计的局限性，包括潜在的误差源。如在做弹丸运动实验时，应该意识到空气阻力是误差的来源；弹簧发射器垂直发射时弹丸的初速与水平发射时的初速不同。还应对系统误差有所了解，如光探测器的转换效率与波长相关，在测量光谱时应考虑此因素。

能合理评价实验结果，综合考虑实验设计（仪器、数据测量方法等）可能对结果产生的影响，提出改进设计的方法。即使没有时间在实验室里重新设计和再次完成实验，也应该让学生思考并提出可能的改进方法。当然能够有机会改进设计并再次实验会更有帮助。

4）合作

以小组方式设计并完成实验。可以是小组成员在每一环节的合作，提升实验设计和搭建实验系统的效率；也可以将一个项目分成几个子项目进行协作，但组内每个学生应观察和理解每个子项目的设计和实验过程。

5）项目管理

应能规划和指导复杂的技术项目，包括从开始构想到搭建、测试以及完成项目和提交报告的全过程。例如一个从事切伦科夫辐射测量的项目团队，可以设定各个关键技术环节，确定资源需求，估算时间节点，进行任务分工，记录项目进展，并在项目遇到新的挑战时调整和优化工作进程。

1.4 提升实验技能

学生应受到系统的实验测量训练。应学会使用基本设备进行测量并正确记录实验结果，应了解设备的局限性并选择恰当的实验设备进行测量；应能使用计算机采集数据，并在整个本科阶段得到多种实验技能的培养。学生应在搭建和完成实验的过程中，获得安全使用专用工具、材料和设备的经验。

1）测量仪器和设备

应能在理解测量仪器和设备工作原理的基础上，按教学内容要求进行测量，如对时间、距离、质量、温度、电位差、电流等基本物理量的测量。应能理解设备的局限性并选择合适的设备进行测量。如在长度测量时，应能选择恰当的工具，如直尺、卡尺或千分尺等；在光强测量时能根据波长来选择最适合的光学传感器，如 InGaAs 光电二极管、硅光电二极管、PMT、NaI 晶体等。

应能使用多种模拟和数字设备进行测量并计算不确定度。例如学生可以通过使用手册或线上资源，查找万用表在不同档位下读数的不确定度。如果有可能，学生还应该开展多种不同类型的实验测量，包括光子、粒子的计数、 使用锁相放大器测量弱信号、原子或核磁共振实验、时序谱测量、高精度精密测量等。

2）实践技能

应掌握一些实用的实验技能。例如搭建和分析简单的电路，仪器的调平或光路的等高共轴调节，根据重量或应力分布放置合适的夹具或支架等，并考虑这些选择可能对测量产生的影响。应能运用常用的数据采集工具提取物理数据，如使用视频运动跟踪软件评估运动员跳高的模型；应能使用计算机连接实验设备，如使用商业软件和数据采集工具连接测量设备并采集数据。应能对实验现象、数据和结果进行记录并合理编排，为撰写实验记录作好准备。初学者可以描绘实验设备、记录测量过程和实验数据，并进行数据处理；有经验的学生则应采用实验记录本，在条目形式、差错处理等方面比初学阶段更细致可信。

应有机会在实验室接触到将物理与实际应用相联系的案例，包括消费设备、生物医学系统和工业设备等。学生们可以研究这些系统的物理原理，如咖啡冷却过程中的热能传递，电路中灯泡的特性，人体跳跃时的运动形式和力，望远镜、显微镜或矫正镜片的光学原理等，还可以接触到更为复杂系统的物理知识，比如面包机中的热能传递，或者在凝胶电泳中使用电荷和电场来分析生物样品等。

1.5 数据分析和可视化

数据分析是实验过程的关键环节，因为“观察结果在得到解释之前是无用的”^[1]。学生应能使用统计方法分析数据，并解释数据的有效性和局限性；应能用图示法来展示数据，能对曲线进行拟合并从中提取物理量；应能通过计算进行不确定度评定和不确定度传递，应能将实验结果与数学模型、计算模型或仿真结果进行比较。

1）分析技能

应能使用计算机进行数据分析，如用统计方法得到平均值和标准偏差；对于较为复杂的数据，应能绘制图表、进行曲线拟合，并进行一些更高层次的统计分析，如泊松统计、相关性、贝叶斯分析、置信区间等。

应能合理使用数据进行绘图并从中提取信息。能选择合理的曲线拟合方法并从拟合参数中提取物理量；能使用与实验相匹配的方法表示数据并从中提取信息，给出实验结果不确定度的定量表示并进行不确定度分析。

2）数据的可视化

能使用常见的数据可视化方法。例如能将红外相机感测到的以假彩色表示的温度与数值联系起来，而不会被看到的视觉外观所迷惑；可以对数字图像数据进行局部滤波，以进行图像平滑或边缘增强；再如使用等高线绘图软件将现场数据与底层模型联系起来，或进行预测，如预测在尖端电极周围出现放电击穿的可能位置。

1.6 学术交流

沟通交流是一个过程，包括向听众、读者、评估者展示结果和想法。实验课程是培养科学交流技能的理想之所，而关于科学伦理的交流则应贯穿课程的全过程。学生应能提出实验结果所支持的合理论点，并用曲线、表格、带有不确定度的数值结果和图表等方式进行表述。此外，总体的表述形式和风格应与本学科的普遍做法相一致，如技术报告、期刊文章、会议口头报告和科学墙报等。实验课程也应通过团队合作，培养人际沟通技能。

1）提出观点和展示结果

应从问题的提出到结果的呈现，以及在结果评价、获得基于数据驱动和结果支撑的结论过程中，提出明确的科学观点。应使用规范的方式来给出科学论据，如使用与实验仪器和物理内容相对应的技术词汇，测量结果和数据分析符合有效数字运算规则并包含不确定度，以表格和图表形式呈现数据，绘制设备或系统的基本框图等。

应能以规范和有效的方式，通过口头或书面的形式进行结果展示和交流，从而为顺利地过渡到正式的科学交流打下基础。学生应学习使用科学写作和科学报告所用的方法，对初学者不要求达到期刊文章和作会议报告的水平，但要求学生不抄袭或故意误导实验结果；对于有经验的学生，应能以适合本学科的形式，以规范和有效的方式发布他们的成果，如为研究小组撰写技术备忘录或技术报告、期刊文章、简短的口头报告和科学墙报等。

2）解释与评价

应能区分论文或报告的观点、理论背景、实验证据以及论据之间的逻辑关联。应理解技术交流的一些基本要求，包括术语、包含不确定度的数值结果、表格、图形和符号等。应能根据给定的标准，评估和修改自己的作品；能对自己的工作进行评价和反思，包括对论据的科学性和整体表现形式的评价，如基于更高的标准或以期刊投稿的要求，评价和修改自己的作品，同时还应能对他人的工作进行评价，并提供建设性的反馈意见，以提高同行评价和作品展示的质量。

应能通过实验笔记以书面形式解释实验中的细节；应能借助实验记录本，组织更复杂的实验研究，并为口头或书面陈述中提及的实验细节提供支撑。

3）合作

作为整个科学研究过程的一部分，学生应能按小组有效地规划和开展实验，并在小组中展开讨论。

2 启示和建议

作为我国教育部发文指示教学指导委员会编写的教学指导性文件，现行的《理工科类本科物理实验课程教学基本要求》（以下简称基本要求）指出:物理实验课程的具体任务是提高学生的科学素养和科学实验基本素质，培养学生的基本科学实验技能，初步掌握实验科学的思想和方法，这与AAPT建议报告的理念非常相似^[5-6]；而基本要求在对课程的教学内容和能力要求上，也与 AAPT 建议报告提出的学习目标有相通之处。当然两者之间也有一些差异。

（1）AAPT 建议报告强调学生核心思维能力和习惯的培养，即“像物理学家一样思考”，并以此为牵引，指导学生掌握科学的方法和实验技能；强调以“学”为中心，以学生的学习目标为导向，规划课程和确定教学方法，如基于 OBE 理念指导教学过程的设计、教学模式的改革和教学方法的创新；而基本要求则更多体现在“教”的视角，通过对教学内容、能力培养、分层次教学、教学模式和教学方法以及学时等方面提出基本要求，来提升“学”的效果。因此对于课程设计而言，后者看似容易操作，即对标基本要求的各项指标即可，但在能力培养要求的达成度考评方面存在较大难度；而前者则要根据学生的学习目标来规划课程，反向设计需要综合考虑多方面因素，难度很大，但学习目标的考评则较易实施，因此也更能体现课程的效果和质量。复旦大学结合 AAPT 建议报告和教指委的基本要求，探索了以学习目标为导向开展物理实验的分层次教学模式，具有很好的示范作用和推广价值^[7]。

（2）从课程运行的角度来看，AAPT 建议报告的实际指导作用更强。围绕六个方面的学习目标，AAPT 建议报告都有比较详细且可操作的指南，对基于 OBE 理念开展实验课程教学，具有很好的指导作用^[7-8]；而基本要求中对于教学运行层面的建议则更多体现在理念上，需要各高校根据自己的理解并结合自身条件运用到课程实践中；为了避免理解上的偏差，中国科技大学的霍剑青教授专门发文对大学物理实验课程教学基本要求的指导思想和内容进行了解读^[9-10]。大学物理课程教学指导委员会近期开展的物理实验标准化建设，则是期望通过实验项目的方式，为落实基本要求提供范例。

（3）把建模单列入学习目标是 AAPT 建议报告的特色之一。数学工具在物理研究中有广泛的应用，特别是随着信息技术的发展，利用计算机编程来展示、验证模型，预测物理现象已经非常普遍；而在现代工程科技、工业生产中，建模有着非常普遍的应用。因此建模也是培养工程意识和可转移技术能力的重要途径。在物理实验课程中强化建模能力培养，不仅可以加深学生对物理概念的理解，提高实验设计能力，而且对于培养学生理论联系实际能力，系统思维能力具有重要意义，同时还可以有效避免实验课程中存在的师傅教徒弟、照样画葫芦的低阶教学模式。

（4）物理的学术交流包括口头和书面表述。我国高校传统教学模式更强化后者，如对实验报告、科研论文的要求非常严格，在口头表述上却很少关注。而实验过程中对现象、问题和结果的口头表述，表面上看是考察快速判断能力和临场反应能力，实际上是对基本功，对知识的掌握程度和综合运用能力的考查；而口头报告需要在有限时间内准确展示自己的观点，以及实验思想、设计思路、实验方法、结果分析等，考察的不仅仅是表述能力，还有报告者的视野、分析能力和判断能力等，因此口头表述能力的培养也是学习目标的重要内容。另外，AAPT 建议报告中多次提及要获取客观真实的数据，并基于实验数据和现象给出结论和物理解释，这不仅是科学的方法，同时也是学术诚信的要求。

3 结语

目前国内有些高校对基础实验课程的重视程度较低，压缩物理实验课程学时学分现象比较普遍^[11]；而低年级学生对基础物理实验课程的开课模式理解不到位，对课程重要程度认识不足，由此产生的负面评价也在某种程度上导致了这种现象的持续。因此，通过落实基本要求，遏制这种现象非常有必要。从另一方面来讲，大学物理实验课程也应从教学内容、教学模式和手段等方面进行反思。AAPT 建议报告的学习目标和实施建议中的高阶要求，与一流本科课程建设要求中关于坚持知识、能力、素质有机融合，注重提升课程的高阶性，以及秉承学生中心、产出导向的要求相吻合。因此基于基本要求，在 AAPT 建议报告的指导下进行教学改革和实践，推进大学物理实验一流课程建设，是一条值得探索的途径。

感谢复旦大学乐永康教授在本文成稿过程中给予的帮助。

参考文献

作者简介：徐平，男，北京航空航天大学教授，主要从事大学物理实验教学工作，研究方向为传感器，[email protected]。