美國(guó)大學(xué)物理學(xué)分層次教學(xué)研究

1、美國(guó)大學(xué)物理學(xué)分層次教學(xué)研究張立彬1，張功2，楊祖念3（1.南開大學(xué)外國(guó)教材中心，天津，300071；2.南開大學(xué)泰達(dá)應(yīng)用物理學(xué)院，天津，300071；3. 四川教育學(xué)院物理與電子技術(shù)系，成都，610041）摘要：以麻省理工學(xué)院、耶魯大學(xué)、斯坦福大學(xué)為例，詳細(xì)介紹了美國(guó)一流大學(xué)物理學(xué)入門課程和物理專業(yè)分層次教學(xué)及其課程設(shè)置，內(nèi)容詳實(shí)，讀者可以通過(guò)此文深入了解美國(guó)大學(xué)物理教育情況，也能夠?yàn)閲?guó)內(nèi)大學(xué)物理教學(xué)改革提供一些好的范例，起到一定的借鑒作用.關(guān)鍵詞：美國(guó)大學(xué)；物理學(xué)入門課程；物理專業(yè)；分層次教學(xué)；課程設(shè)置；集中的培養(yǎng)方案；靈活的培養(yǎng)方案中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 文章編號(hào)： 近年來(lái)，我國(guó)對(duì)高

2、等教育改革的呼聲越來(lái)越高，然而高等教育改革不可空喊口號(hào)、空唱高調(diào)，要有具體的、實(shí)質(zhì)性的、細(xì)節(jié)的、可操作的方案.那么這些方案從何而來(lái)？國(guó)外一流大學(xué)的教學(xué)模式和課程設(shè)置顯然是非常值得借鑒的.基于這樣一個(gè)目的，我們?cè)敿?xì)地研究了美國(guó)一流大學(xué)物理分層次教學(xué)，并以麻省理工學(xué)院、耶魯大學(xué)和斯坦福大學(xué)為例進(jìn)行分析和研究，希望能夠?qū)?guó)內(nèi)大學(xué)物理教育的改革起到一點(diǎn)借鑒作用.我們?cè)趯?duì)麻省理工學(xué)院、耶魯大學(xué)和斯坦福大學(xué)物理分層次教學(xué)進(jìn)行詳細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)，這三所大學(xué)并沒(méi)有單獨(dú)為物理專業(yè)學(xué)生開設(shè)物理學(xué)入門課程（Introductory Physics），即國(guó)內(nèi)大學(xué)的普通物理課程（主要內(nèi)容為力熱電光），而是面向所有學(xué)科的學(xué)生

3、（包括物理專業(yè)學(xué)生）或者所有自然科學(xué)專業(yè)大一大二學(xué)生（MIT）開設(shè)不同層次的物理學(xué)入門課程，不同專業(yè)學(xué)生可以根據(jù)自己的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)，以及所學(xué)專業(yè)對(duì)物理知識(shí)的需求選擇適合自己那一個(gè)層次的物理學(xué)入門課程.同一專業(yè)的學(xué)生也可以根據(jù)自己的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)選擇適合自己那一個(gè)層次的物理學(xué)入門課程.對(duì)于物理專業(yè)的學(xué)生，各大學(xué)物理系會(huì)根據(jù)學(xué)生的職業(yè)目標(biāo)和成績(jī)水平為他們制定兩套以上的課程計(jì)劃，選擇不同的課程計(jì)劃要完成不同程度的物理學(xué)專業(yè)高級(jí)課程，不管學(xué)生執(zhí)行哪一個(gè)課程計(jì)劃，完成規(guī)定的課程，學(xué)生都將獲得物理學(xué)理學(xué)學(xué)士學(xué)位. 美國(guó)大學(xué)本科生物理教學(xué)注重多樣性，不光在物理學(xué)入門課程中實(shí)行分層次教學(xué)，還根據(jù)職業(yè)發(fā)展方向的區(qū)

4、別為物理專業(yè)學(xué)生設(shè)計(jì)不同的培養(yǎng)方案.因?yàn)槊绹?guó)大學(xué)都知道即便是物理專業(yè)的學(xué)生將來(lái)也不一定從事物理學(xué)領(lǐng)域的工作，他們也許會(huì)從事工程、醫(yī)學(xué)，甚至法律、管理、商業(yè)等領(lǐng)域的職業(yè)，但是物理專業(yè)的學(xué)習(xí)能夠培養(yǎng)他們出色的解決問(wèn)題能力，良好的物理學(xué)背景顯然會(huì)促進(jìn)他們?cè)谄渌I(lǐng)域取得成功.以麻省理工學(xué)院為例，“集中的培養(yǎng)方案”（The focused option）主要面向那些將在物理學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域攻讀研究生的學(xué)生，該培養(yǎng)方案為學(xué)生制定了更加深入的物理學(xué)高級(jí)課程計(jì)劃，還有物理學(xué)領(lǐng)域的研究計(jì)劃和物理學(xué)專業(yè)學(xué)術(shù)論文的要求.“靈活的培養(yǎng)方案”（The flexible option）主要面向那些希望在其他領(lǐng)域發(fā)展的學(xué)生，諸

5、如工程、醫(yī)學(xué)、法律、商業(yè)、管理等領(lǐng)域.靈活的培養(yǎng)方案是一種更加靈活的課程計(jì)劃，該方案中的物理學(xué)高級(jí)課程沒(méi)有“集中的培養(yǎng)方案”深入，但更加廣泛，學(xué)生可以選修其它學(xué)科的集中課程，比如天文學(xué)、生物、計(jì)算物理、納米技術(shù)、科學(xué)史、科技政策、哲學(xué)、科學(xué)教育、管理學(xué)、醫(yī)學(xué)、法律等學(xué)科的課程，也可以選擇其它學(xué)科的實(shí)驗(yàn)課程和研究項(xiàng)目以及學(xué)術(shù)論文.靈活的培養(yǎng)方案讓學(xué)生有更多的選擇空間來(lái)學(xué)習(xí)他們感興趣的領(lǐng)域，但是一定量的物理學(xué)高級(jí)課程是必須的，因?yàn)楫吘顾麄円@得的是物理學(xué)理學(xué)學(xué)士學(xué)位.1 麻省理工學(xué)院麻省理工學(xué)院物理系為本科生制定兩個(gè)層面的課程計(jì)劃， 它能夠讓學(xué)生按照個(gè)人未來(lái)的職業(yè)目標(biāo)來(lái)安排自己的物理學(xué)習(xí).The

6、focused option是為那些有志于將物理學(xué)作為自己一生的職業(yè)并將繼續(xù)在物理或相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)一步深造的學(xué)生量身打造的一個(gè)出色的培養(yǎng)方案.The flexible option將為那些有志于在其他領(lǐng)域發(fā)展的學(xué)生提供一個(gè)優(yōu)秀的物理學(xué)背景，促進(jìn)他們?cè)谄渌I(lǐng)域，比如工程學(xué)、管理學(xué)、商業(yè)、法律或者醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的工作更加出色.不管選擇哪一個(gè)課程計(jì)劃，都將使學(xué)生們深入理解基礎(chǔ)物理學(xué)的概念，并有相當(dāng)多的時(shí)間去選修其他課程以獲得更廣泛的知識(shí).兩種課程選擇同樣獲得物理學(xué)理學(xué)學(xué)士學(xué)位.第一學(xué)年，物理系本科生無(wú)論選擇執(zhí)行哪一個(gè)課程計(jì)劃，他們都要學(xué)習(xí)“物理學(xué) I”、“物理學(xué) II”和“微積分I”、“微積分II”,以及化

7、學(xué)、生物和HSAA課程（人文、藝術(shù)、社會(huì)課程）.這些課程都屬于校級(jí)必修課（General Institute Requirements）.其中“物理學(xué) I”、“物理學(xué) II”由物理系開設(shè)，供物理系學(xué)生和全校理工科學(xué)生選擇.“物理學(xué) I”的內(nèi)容是經(jīng)典力學(xué)，包括：時(shí)間和空間、運(yùn)動(dòng)學(xué)、牛頓力學(xué)、質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)、碰撞和守恒定律、功和能、外有引力、剛體、平衡、轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué).分為四個(gè)層次，課程代號(hào)分別為：8.01，8.011，8.012，8.01L.物理學(xué) II 的內(nèi)容是靜電學(xué)和電磁學(xué)，包括：電荷、庫(kù)倫定律、物質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)、導(dǎo)體和電介質(zhì)、靜電場(chǎng)和電勢(shì)、靜電能、電流、磁場(chǎng)和安培定律、磁性材料、時(shí)變電場(chǎng)和法拉第感應(yīng)定

8、律、基本電路、電磁波和麥克斯韋方程.“物理學(xué) II”需要有“物理學(xué) I”和“微積分I”作為基礎(chǔ)，分三個(gè)層次，課程代號(hào)分別為： 8.02，8.021，8.022.以下分別解釋不同層次課程代碼的實(shí)際含義：8.01 表示“物理學(xué) I”秋季授課，主要采用TEAL(Technology-Enabled Active Learning)形式授課，它的特點(diǎn)是學(xué)生以三人組成一個(gè)小組進(jìn)行學(xué)習(xí)，討論概念，解決問(wèn)題，并在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和分析的輔助下進(jìn)行桌面實(shí)驗(yàn).8.011表示“物理學(xué) I”春季授課，該課程以小的章節(jié)為單元授課， 一周三次，包括周五的一次測(cè)驗(yàn).學(xué)生第一次選課時(shí)不能選擇該課程，只有那些沒(méi)有通過(guò)或者無(wú)法適

9、應(yīng)8.01和8.012課程的學(xué)生才能選擇這個(gè)課程.選擇該課程需要經(jīng)指導(dǎo)教師的允許，并且有人數(shù)上的限制.8.012表示“物理學(xué) I ”秋季授課，比8.01 更加深入和理論化、數(shù)學(xué)化，大量使用微積分，主要面向數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)很好的學(xué)生.推薦學(xué)生同時(shí)選擇比18.01 更高級(jí)的數(shù)學(xué)課程.為了鞏固理論，學(xué)生要完成一些自己設(shè)計(jì)的小實(shí)驗(yàn).這個(gè)課是限制人數(shù)的，只有在物理分班考試中的數(shù)學(xué)測(cè)驗(yàn)成績(jī)較好的學(xué)生才能注冊(cè)這門課.8.01L表示“物理學(xué) I” 秋季授課， 其授課時(shí)間比8.01 長(zhǎng)，從秋季直到下學(xué)期第二年1月份，這是允許那些基礎(chǔ)不好的學(xué)生有更多的時(shí)間培養(yǎng)解題能力.它也部分采用TEAL(Technology-E

10、nabled Active Learning)的授課形式，強(qiáng)調(diào)復(fù)習(xí)和加強(qiáng)必要的數(shù)學(xué)工具和基本的物理概念和解題能力.內(nèi)容、深度和難度與8.01 相同.8.02表示“物理學(xué) II” 秋季和春季上課，使用TEAL (Technology Enabled Active Learning)形式教學(xué)，它利用現(xiàn)代技術(shù)和小組討論來(lái)幫助學(xué)生形成物理現(xiàn)象的直覺(jué)和概念模型.8.021 表示“物理學(xué) II” 秋季授課，該課程以小的章節(jié)為單元授課， 一周三次，包括周五的一次測(cè)驗(yàn).同8.011一樣，學(xué)生第一次選課時(shí)不能選擇該課程，只有那些沒(méi)有通過(guò)或者無(wú)法適應(yīng)8.01和8.012課程的學(xué)生才能選擇這個(gè)課程.選擇該課程需要經(jīng)

11、指導(dǎo)教師的允許，并且有人數(shù)上的限制.8.022 表示“物理學(xué) II” 春季和秋季授課， 比8.02更加數(shù)學(xué)化和理論化，要求一些矢量微積分的知識(shí)，還包括微分和積分形式的麥克斯韋方程，靜電矢勢(shì)和磁矢勢(shì)，電介質(zhì)和磁性材料的性質(zhì).該課程除了理論上的闡述，還需要學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中完成幾個(gè)電學(xué)和磁學(xué)實(shí)驗(yàn).MIT將物理學(xué) I和物理學(xué) II課程分成幾個(gè)層次，分別采用不同的授課方式、不同的難度要求，和不同的學(xué)習(xí)時(shí)間，為不同基礎(chǔ)的學(xué)生提供了具有針對(duì)性的學(xué)習(xí)課程，學(xué)生可以根據(jù)自己的實(shí)際情況來(lái)選擇適合自己的課程.MIT本科生可以在第二年確定他們的培養(yǎng)方案或課程計(jì)劃，也就是說(shuō)學(xué)生可根據(jù)自身情況選擇The focused o

12、ption課程計(jì)劃或The flexible option課程計(jì)劃.The focused option課程計(jì)劃能夠?yàn)閷W(xué)生以后的物理研究生學(xué)習(xí)做充分的準(zhǔn)備，當(dāng)然，它也能夠?yàn)榘ㄌ祗w物理、生物物理、地球物理和許多工程學(xué)科在內(nèi)的相關(guān)領(lǐng)域的職業(yè)工作打下堅(jiān)實(shí)寬厚的基礎(chǔ).選擇The focused option課程計(jì)劃的學(xué)生還需要修3門量子力學(xué)課程、36個(gè)學(xué)分的實(shí)驗(yàn)課程和一篇物理學(xué)學(xué)位論文.第二學(xué)年，執(zhí)行The focused option課程計(jì)劃的學(xué)生應(yīng)完成課程：8.03“物理學(xué)” III、8.033“相對(duì)論”、8.04“量子物理I”、8.044“統(tǒng)計(jì)物理學(xué)I”、8.023“經(jīng)典力學(xué)II”的學(xué)習(xí)，并通

13、過(guò)本科生研究計(jì)劃項(xiàng)目（UROP）來(lái)獲得重要的實(shí)驗(yàn)技能.第三學(xué)年，執(zhí)行The focused option課程計(jì)劃的學(xué)生應(yīng)完成課程：8.13“實(shí)驗(yàn)物理I”、8.14“實(shí)驗(yàn)物理II”、8.05“量子物理II”和8.06“量子物理III”.并開始選修那些限制性選修課，包括一門數(shù)學(xué)類課程和至少兩門物理類課程. 18.04“復(fù)變函數(shù)及其應(yīng)用”、18.075“工程高級(jí)微積分”、和18.06“線性代數(shù)”深受物理系學(xué)生的歡迎.“天體物理學(xué)”、“生物物理學(xué)”、“凝聚態(tài)物質(zhì)”、“等離子體”、“原子核和粒子物理”等選修課為學(xué)生提供現(xiàn)代物理學(xué)最前沿的知識(shí).鼓勵(lì)打算攻讀物理學(xué)研究生的學(xué)生選修理論物理系列課程，包括：8.

14、07“電磁學(xué)II” 8.08“統(tǒng)計(jì)物理學(xué)II”和8.09“經(jīng)典力學(xué)II”，等等.第四學(xué)年，學(xué)生需完成學(xué)位論文并有大量的空余時(shí)間可以用來(lái)深化自己的物理知識(shí)或者拓展其他學(xué)科.學(xué)位論文是The focused option課程計(jì)劃的重要組成部分，該論文需在一名物理系教師的指導(dǎo)下完成，許多論文是學(xué)生在參與本科生研究計(jì)劃項(xiàng)目（UROP）中完成的.學(xué)生應(yīng)該在大三學(xué)年中期開題，在大四的秋季學(xué)期結(jié)束之前提交.見(jiàn)表一.表一：MIT The focused option 典型課程安排第一學(xué)年第二學(xué)年第三學(xué)年第四學(xué)年秋季春季秋季春季秋季春季秋季春季8.01物理學(xué)I8.02物理學(xué)II8.03物理學(xué)III和8.223經(jīng)

15、典力學(xué)II8.04量子物理I8.05量子物理II8.06量子物理III限制性選修課物理類論文化學(xué)生物8.033相對(duì)論8.044統(tǒng)計(jì)物理學(xué)I實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)選修限制性選修課物理類18.01微積分I18.02微積分II18.03微分方程限制性選修課數(shù)學(xué)類選修選修選修選修人文、藝術(shù)、社科人文、藝術(shù)、社科人文、藝術(shù)、社科人文、藝術(shù)、社科人文、藝術(shù)、社科人文、藝術(shù)、社科人文、藝術(shù)、社科人文、藝術(shù)、社科The flexible option課程計(jì)劃為那些不打算在物理學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行研究生學(xué)習(xí)的學(xué)生制定，該課程計(jì)劃提供學(xué)生很好的物理學(xué)基礎(chǔ)，有了這個(gè)基礎(chǔ)，他們也許能夠從事物理學(xué)之外其他的職業(yè).許多學(xué)生已經(jīng)發(fā)現(xiàn)對(duì)物理學(xué)基本概

16、念的理解和解決物理問(wèn)題的方法也有助于解決商業(yè)、法律、醫(yī)學(xué)和工程等領(lǐng)域的問(wèn)題，這顯然幫助他們?cè)谶@些領(lǐng)域取得成就.鑒于如今非傳統(tǒng)、技術(shù)相關(guān)的職業(yè)逐漸增多，The flexible option課程計(jì)劃是很有吸引力的.執(zhí)行該課程計(jì)劃的學(xué)生要完成課程：8.03“物理學(xué) III”、8.04“量子物理I”、8.044“統(tǒng)計(jì)物理學(xué)II”、8.21“能量物理”或者8.223“經(jīng)典力學(xué)II”；如果學(xué)分不夠，還可以修8.05“量子物理II”或者8.033“相對(duì)論”（或8.20“狹義相對(duì)論導(dǎo)論”）.當(dāng)然也有實(shí)驗(yàn)課的要求：8.13“實(shí)驗(yàn)物理I”，經(jīng)過(guò)物理系的允許，外系類似強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)課，一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究計(jì)劃或者論文，實(shí)驗(yàn)導(dǎo)

17、向的暑期校外實(shí)習(xí)都可以滿足The flexible option課程計(jì)劃中實(shí)驗(yàn)課學(xué)分的要求.執(zhí)行The flexible option課程計(jì)劃的學(xué)生必須完成一個(gè)集中課程同一學(xué)科內(nèi)相互關(guān)聯(lián)的三門課，不一定是物理類課程，但要經(jīng)過(guò)物理系的允許.學(xué)生們通常選擇天文學(xué)、生物、計(jì)算物理、納米技術(shù)、科學(xué)史、科技政策、哲學(xué)、科學(xué)教育、管理學(xué)、醫(yī)學(xué)、法律等學(xué)科的課程.學(xué)生也可以選擇他們所修的集中課程學(xué)科內(nèi)的實(shí)驗(yàn)和探究課程來(lái)滿足該課程計(jì)劃的實(shí)驗(yàn)和探究課程學(xué)分要求，當(dāng)然也可以選擇其他的學(xué)科領(lǐng)域.學(xué)生能夠在集中課程中學(xué)習(xí)自己感興趣的課程和知識(shí)，并有志于從事學(xué)科領(lǐng)域的相關(guān)工作.見(jiàn)表二.表二：MIT The flexib

18、le option典型課程安排第一學(xué)年第二學(xué)年第三學(xué)年第四學(xué)年秋季春季秋季春季秋季春季秋季春季物理學(xué)I物理學(xué)II物理學(xué)III和8.223經(jīng)典物理學(xué)II（可替換）量子物理I量子物理II（可替換）選修限制性選修課物理類選修化學(xué)生物選修統(tǒng)計(jì)物理學(xué)I實(shí)驗(yàn)（可替換）選修選修選修微積分I微積分II微分方程選修集中課程集中課程集中課程選修人文、藝術(shù)、社科人文、藝術(shù)、社科人文、藝術(shù)、社科人文、藝術(shù)、社科人文、藝術(shù)、社科人文、藝術(shù)、社科人文、藝術(shù)、社科人文、藝術(shù)、社科與表一對(duì)照可以看出The focused option 計(jì)劃僅有5門自由選修課，而The flexible option計(jì)劃除了三門某一學(xué)科的集中

19、課程外，還有8門自由選修課.前者課程面窄但是深入，目標(biāo)明確：培養(yǎng)從事物理學(xué)的精英人才；后者課程面廣，既能夠提供學(xué)生很好的物理學(xué)背景，又能使學(xué)生涉獵自己感興趣的將來(lái)有志于從事的學(xué)科知識(shí)，其目標(biāo)是培養(yǎng)具有良好物理學(xué)基礎(chǔ)，但將來(lái)從事其它領(lǐng)域的人才.12 耶魯大學(xué)耶魯大學(xué)物理系根據(jù)學(xué)生不同的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)和專業(yè)學(xué)習(xí)的不同要求，提供了由低到高5個(gè)層次的大學(xué)物理學(xué)入門課程和兩個(gè)層次的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程.并且像MIT一樣，根據(jù)學(xué)生職業(yè)生涯的目標(biāo)，為物理學(xué)專業(yè)提供了兩個(gè)層次的物理學(xué)專業(yè)課程.下文分別予以介紹. 25個(gè)層次的大學(xué)物理學(xué)入門課程如下：一是PHYS  110“現(xiàn)代物理學(xué)進(jìn)展”：不要求

20、物理和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，面向不打算學(xué)習(xí)自然科學(xué)專業(yè)的學(xué)生.二是PHYS  170“面向生命科學(xué)的大學(xué)物理”：幾乎不要求物理基礎(chǔ)，只要求高中數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，面向打算學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)或生物專業(yè)的學(xué)生.但要求同時(shí)修MATH  112a“單變量微積分I”和MATH  115b“單變量微積分II”.三是PHYS  180“大學(xué)物理”：要求一定的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)，要求具有MATH 112a“單變量微積分I”級(jí)別的微積分水平，面向打算學(xué)習(xí)自然科學(xué)專業(yè)的學(xué)生，要求同時(shí)修MATH 115a“單變量微積分II”和MATH 120b“多變量微積分”.四是PHY

21、S  201“物理學(xué)原理”:要求物理和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)很好，面向打算學(xué)習(xí)自然科學(xué)專業(yè)的學(xué)生.要求具有MATH 115a“單變量微積分II”的微積分水平，要求同時(shí)修MATH 120b“多變量微積分”.建議同時(shí)修MATH 222b“線性代數(shù)及其應(yīng)用”或者M(jìn)ATH 225b“線性代數(shù)及矩陣?yán)碚摗?五是PHYS  260“強(qiáng)化的物理學(xué)導(dǎo)論”:面向那些有非常出色的數(shù)學(xué)方法和定量分析能力的學(xué)生，并且要求堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ).要求同時(shí)修MATH 230a“矢量微積分與線性代數(shù)I”和MATH 231b “矢量微積分與線性代數(shù)II”.可見(jiàn)，前兩個(gè)層次的課程不要求微積分基礎(chǔ)，后三個(gè)層次的

22、課程則都要求不同程度的微積分基礎(chǔ).與大學(xué)物理課程相配套，耶魯大學(xué)也開設(shè)了兩個(gè)層次的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程.一是PHYS  165L“普通大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”：主要面向沒(méi)有較強(qiáng)的高中物理實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的學(xué)生，與此相配套的大學(xué)物理課程是PHYS 170“面向生命科學(xué)的大學(xué)物理”以及PHYS 180“大學(xué)物理”.二是PHYS  205L“現(xiàn)代物理測(cè)量”：面向打算學(xué)習(xí)物理專業(yè)的學(xué)生，配套的課程是PHYS 180“大學(xué)物理”，PHYS  201“物理學(xué)原理”，PHYS  260 “強(qiáng)化的物理學(xué)導(dǎo)論”.物理系還提供

23、一些高級(jí)選修課，它們面向已經(jīng)完成基于微積分的物理學(xué)入門課程的所有專業(yè)的學(xué)生.這些課程有：“地球和環(huán)境物理導(dǎo)論”，“引力、天體物理及宇宙學(xué)”，“量子和納米尺度物理學(xué)”.兩個(gè)層次的物理專業(yè)課程分別為：物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)專業(yè)（B.S. degree）與物理學(xué)強(qiáng)化專業(yè)（the B.S. with an intensive major），兩個(gè)專業(yè)的學(xué)生都要學(xué)習(xí)物理學(xué)、數(shù)學(xué)和相關(guān)領(lǐng)域的高級(jí)課程.物理學(xué)強(qiáng)化專業(yè)的課程比物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)專業(yè)更高級(jí)，主要目標(biāo)是培養(yǎng)將要在研究生階段繼續(xù)研究物理學(xué)的學(xué)生.這個(gè)強(qiáng)化課程主要包含深入的物理學(xué)高級(jí)課程和一項(xiàng)研究計(jì)劃.物理系的本科生學(xué)業(yè)指導(dǎo)教師可以幫助計(jì)劃攻讀物理學(xué)專業(yè)研究生學(xué)位的學(xué)生推

24、薦合適的選修課以補(bǔ)充高級(jí)核心課程.兩個(gè)專業(yè)都要求學(xué)生在第一學(xué)年和第二學(xué)年中期先修有微積分基礎(chǔ)的物理學(xué)入門課程和配套的實(shí)驗(yàn)課程，同時(shí)要修相應(yīng)的數(shù)學(xué)課程.對(duì)于物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)專業(yè)，除先修課程之外，要求必修8門課程，以及大四的一個(gè)研究項(xiàng)目.學(xué)生必須修一門至少與PHYS 301a“數(shù)學(xué)物理方法導(dǎo)論”同水平的數(shù)學(xué)課程.學(xué)生還必須按順序完成三門高級(jí)的物理學(xué)核心課程：兩門經(jīng)典物理課程PHYS 401a“高級(jí)經(jīng)典力學(xué)：從牛頓到愛(ài)因斯坦I”，PHYS 402b“高級(jí)經(jīng)典力學(xué)：從牛頓到愛(ài)因斯坦II”（主要內(nèi)容為力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理和熱力學(xué)、電磁學(xué)）；一門量子力學(xué)課程PHY 439a“量子力學(xué)基礎(chǔ)或者PHYS 440b量子力學(xué)

25、與自然現(xiàn)象I”.三門高級(jí)選修課：一門PHY340系列課程PHYS 342a“地球與環(huán)境物理學(xué)導(dǎo)論”或PHYS 343b“引力、天體物理和宇宙學(xué)”，或PHYS 344b“量子與納米尺度物理學(xué)”；一門高級(jí)實(shí)驗(yàn)課程PHYS 382Lb“近代物理實(shí)驗(yàn)”（原子、光學(xué)、核物理和凝聚態(tài)物理方面的高級(jí)實(shí)驗(yàn)課程，主要關(guān)注現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)方法，并伴隨理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的討論）；一門PHY400系列課程（包括經(jīng)典力學(xué)、統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)、電磁場(chǎng)與光學(xué)、固體物理、原子核與基本粒子物理導(dǎo)論、光學(xué)原理及其應(yīng)用、物理學(xué)中的數(shù)學(xué)方法等）.學(xué)生也可以選擇其它理科專業(yè)、工程專業(yè)和數(shù)學(xué)專業(yè)的高級(jí)課程，如果要用其它專業(yè)的課程來(lái)滿足必修課的要求，必須經(jīng)過(guò)

26、指導(dǎo)教師的允許.通常學(xué)生為了在某一領(lǐng)域更深入地學(xué)習(xí)，他們總是選擇更多的課程.在第四學(xué)年，學(xué)生還要完成一個(gè)一學(xué)期的研究項(xiàng)目.對(duì)于物理學(xué)強(qiáng)化專業(yè)，除先修課程外，要求必修10門課程，以及大四的一個(gè)研究項(xiàng)目.它們是：一門至少與PHYS 301a“數(shù)學(xué)物理方法導(dǎo)論”同水平的數(shù)學(xué)課程；按順序完成五門高級(jí)的物理學(xué)核心課程：三門經(jīng)典物理課程PHYS 410a“經(jīng)典力學(xué)”，PHYS 420a“熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理”，PHYS 430b“電磁場(chǎng)與光學(xué)”，兩門量子力學(xué)課程PHYS 440b“量子力學(xué)與自然現(xiàn)象I”和PHYS 441a“量子力學(xué)與自然現(xiàn)象II”；一門高級(jí)實(shí)驗(yàn)課程PHYS 382Lb“近代物理實(shí)驗(yàn)”；至少兩

27、學(xué)期的獨(dú)立研究項(xiàng)目.高級(jí)選修課只要求一門：PHY340系列課程（PHYS 342a“地球與環(huán)境物理學(xué)導(dǎo)論”，PHYS 343b“引力、天體物理和宇宙學(xué)”，PHYS 344b“量子與納米尺度物理學(xué)”）或PHY400系列課程（包括經(jīng)典力學(xué)、統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)、電磁場(chǎng)與光學(xué)、固體物理、原子核與基本粒子物理導(dǎo)論、光學(xué)原理及其應(yīng)用、物理學(xué)中的數(shù)學(xué)方法等）或研究生課程.在第四學(xué)年，學(xué)生還要完成一個(gè)兩學(xué)期的研究項(xiàng)目.見(jiàn)表三.表三：耶魯大學(xué)物理系兩個(gè)專業(yè)的課程設(shè)置比較一、二學(xué)年二、三學(xué)年四學(xué)年物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)專業(yè)基于微積分的物理學(xué)入門課程現(xiàn)代物理測(cè)量數(shù)學(xué)現(xiàn)代物理測(cè)量PHYS 301a數(shù)學(xué)物理方法導(dǎo)論P(yáng)HYS 401a高級(jí)經(jīng)

28、典力學(xué)：從牛頓到愛(ài)因斯坦IPHYS 402b高級(jí)經(jīng)典力學(xué)：從牛頓到愛(ài)因斯坦II選修課1-PHYS 382Lb近代物理實(shí)驗(yàn)PHY 439a量子力學(xué)基礎(chǔ)或者PHYS 440b量子力學(xué)與自然現(xiàn)象I一學(xué)期的研究項(xiàng)目選修課2-PHY340系列選修課3-PHY400系列物理學(xué)強(qiáng)化專業(yè)基于微積分的物理學(xué)入門課程現(xiàn)代物理測(cè)量數(shù)學(xué)現(xiàn)代物理測(cè)量PHYS 301a數(shù)學(xué)物理方法導(dǎo)論P(yáng)HYS 410a經(jīng)典力學(xué)PHYS 440b量子力學(xué)與自然現(xiàn)象IPHYS 382Lb近代物理實(shí)驗(yàn)PHYS 441a量子力學(xué)與自然現(xiàn)象IIPHYS 420a熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理PHYS 430b電磁場(chǎng)與光學(xué)兩學(xué)期的研究項(xiàng)目選修13 斯坦福大學(xué)斯坦

29、福大學(xué)將本科物理教學(xué)的對(duì)象分為三類，分別是：將物理作為通識(shí)教育的學(xué)生；有志于從事對(duì)物理知識(shí)有一定要求的那些專業(yè)領(lǐng)域工作的學(xué)生，諸如醫(yī)學(xué)、工程等；有志于在物理及相關(guān)領(lǐng)域從事教學(xué)或者研究工作的學(xué)生.課程號(hào)低于100的物理課程適合這三類學(xué)生，課程號(hào)高于100的物理課程主要滿足第三類學(xué)生.針對(duì)各類學(xué)生的基礎(chǔ)和對(duì)物理的要求，斯坦福大學(xué)提供三個(gè)層次的物理學(xué)入門系列課程物理學(xué)20, 物理學(xué)40, 和物理學(xué)60系列課程，他們的主要內(nèi)容如表四所示.物理學(xué)20系列不需要微積分基礎(chǔ)，主要面向生物專業(yè)的學(xué)生.對(duì)于那些擁有AP（advanced placement-美國(guó)高中的大學(xué)先修課程）學(xué)分的學(xué)生，特別是將來(lái)想從事生

30、物研究的學(xué)生，也許要考慮修20系列或40系列課程，而不是用AP學(xué)分折抵大學(xué)學(xué)分，跳過(guò)這些課程.這些物理學(xué)入門課程非常重視問(wèn)題的解決能力，這對(duì)生物學(xué)研究是非常有價(jià)值的，因?yàn)槿缃竦纳飳W(xué)研究涉及了大量的基于物理學(xué)的技術(shù).物理學(xué)40系列主要面向工程、地球科學(xué)、數(shù)學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)專業(yè)的學(xué)生.物理學(xué)60系列主要面向那些已經(jīng)修過(guò)與40系列同級(jí)別的物理學(xué)課程的學(xué)生，或者至少有很強(qiáng)的力學(xué)和微積分基礎(chǔ)，較強(qiáng)的電學(xué)和磁學(xué)基礎(chǔ)的學(xué)生.它要求AP物理C考試的學(xué)分必須達(dá)到4或5分.見(jiàn)表四.表四：斯坦福大學(xué)物理學(xué)入門系列課程內(nèi)容物理學(xué)20物理學(xué)40物理學(xué)60是否要求微積分基礎(chǔ)不要求要求要求秋季21-力學(xué)和熱22-力熱實(shí)驗(yàn)

31、45-光和熱46-光熱實(shí)驗(yàn)61-力學(xué)和狹義相對(duì)論62-經(jīng)典力學(xué)實(shí)驗(yàn)冬季23-電學(xué)和光學(xué)24-實(shí)驗(yàn)41-力學(xué)42-經(jīng)典力學(xué)實(shí)驗(yàn)41N-力學(xué)研討課63-電磁學(xué)和波64-實(shí)驗(yàn)春季25-近代物理26-實(shí)驗(yàn)43-電和磁44-實(shí)驗(yàn)43N-電磁現(xiàn)象研討課65-熱力學(xué)和近代物理67-實(shí)驗(yàn)物理學(xué)40系列從冬季授課力學(xué)課程開始，然后是春季的電學(xué)和磁學(xué)，最后是秋季的光和熱.大部分學(xué)生需從力學(xué)開始學(xué)習(xí).當(dāng)然對(duì)于那些高中物理基礎(chǔ)較好的學(xué)生（至少AP物理C考試4分），可以不學(xué)力學(xué)和電磁，直接從秋季授課的光和熱開始學(xué)習(xí).要獲得物理學(xué)理學(xué)學(xué)士學(xué)位，首先要修一系列基于微積分的入門課程：物理61、62、63、64、65、67系列

32、或者物理41、42、43、44、45、46、70（近代物理學(xué)基礎(chǔ)）系列課程.然后要修一些高級(jí)物理學(xué)和數(shù)學(xué)類課程.3見(jiàn)表五.表五：斯坦福大學(xué)物理學(xué)專業(yè)高級(jí)課程物理類數(shù)學(xué)類推薦課程（非必修）Physics 105電子學(xué)及實(shí)驗(yàn)Physics 107激光實(shí)驗(yàn)Physics 108 工程實(shí)驗(yàn)Physics 110 中級(jí)力學(xué)Physics 120 中級(jí)電磁學(xué)IPhysics 121中級(jí)電磁學(xué)IIPhysics 130 量子力學(xué)IPhysics 131 量子力學(xué)IIPhysics 170 熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)IPhysics 171 熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)IIMath 51 線性代數(shù)/多變量微積分(或51H 多變量數(shù)

33、學(xué))Math 52矢量微積分(或52H 多變量數(shù)學(xué))Math 53 常微分方程(或53H 多變量數(shù)學(xué))Math 131P 偏微分方程(或 173 偏微分方程理論)Math 101以上的課程（或Physics 112 數(shù)學(xué)物理方法或STATS 116 概率論或EE 261 傅里葉變換及其應(yīng)用）Physics 59 當(dāng)今研究熱點(diǎn)Physics 113 計(jì)算物理（或AP 215 物理學(xué)家和工程師使用的數(shù)值方法）Physics 134 高等量子力學(xué)注：將來(lái)想從事技術(shù)工作的學(xué)生推薦選擇113，計(jì)劃攻讀物理學(xué)博士學(xué)位的學(xué)生推薦選擇113和134.斯坦福大學(xué)物理系為不同層次的學(xué)生設(shè)計(jì)了三套教學(xué)計(jì)劃：Vers

34、ion 1: 針對(duì)數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)很好的學(xué)生(AP物理C-力學(xué)和AP-微積分考試在4或5分)，見(jiàn)表六.表六：Version 1課程計(jì)劃第一學(xué)年秋季冬季春季物理45/46光和熱及實(shí)驗(yàn)（或物理61/62力學(xué)和狹義相對(duì)論）數(shù)學(xué)51線性代數(shù)/多變量微積分物理59當(dāng)今研究熱點(diǎn)（非必修）物理41/42力學(xué)及實(shí)驗(yàn)（或物理63/64電磁與波及實(shí)驗(yàn)）數(shù)學(xué)52矢量微積分物理43/44電磁及實(shí)驗(yàn)（或物理65/67熱學(xué)與近代物理及實(shí)驗(yàn)）數(shù)學(xué)53常微分方程第二學(xué)年物理70近代物理基礎(chǔ)物理105電子學(xué)數(shù)學(xué)131P偏微分方程物理120中級(jí)電磁學(xué)I物理112數(shù)學(xué)物理方法或其他相關(guān)高級(jí)課程物理121中級(jí)電磁學(xué)II物理110中級(jí)力學(xué)

35、物理113計(jì)算物理（非必修）第三學(xué)年物理130量子力學(xué)I物理131量子力學(xué)II 物理107激光實(shí)驗(yàn)物理134高等量子力學(xué)（非必修，推薦繼續(xù)攻讀物理學(xué)博士學(xué)位的學(xué)生選擇）物理108工程實(shí)驗(yàn)第四學(xué)年物理170熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)I物理171熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)IIVersion 2: 針對(duì)數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)一般的學(xué)生（物理C-力學(xué)考試低于4分的學(xué)生），見(jiàn)表七.表七：Version 2課程計(jì)劃第一學(xué)年秋季冬季春季物理59當(dāng)今研究熱點(diǎn)（非必修）數(shù)學(xué)51線性代數(shù)/多變量微積分物理41/42力學(xué)及實(shí)驗(yàn)52矢量微積分物理43/44電磁及實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)53常微分方程第二學(xué)年物理45/46光和熱及實(shí)驗(yàn)物理70近代物理基礎(chǔ)數(shù)學(xué)131

36、P偏微分方程（或173偏微分方程理論）物理120中級(jí)電磁學(xué)I物理112數(shù)學(xué)物理方法或其他相關(guān)高級(jí)課程物理121中級(jí)電磁學(xué)II物理110中級(jí)力學(xué)物理113計(jì)算物理（非必修）第三學(xué)年物理130量子力學(xué)I物理105電子學(xué)物理131量子力學(xué)II 物理107激光實(shí)驗(yàn)物理134高等量子力學(xué)（非必修，推薦繼續(xù)攻讀物理學(xué)博士學(xué)位的學(xué)生選擇）物理108工程實(shí)驗(yàn)第四學(xué)年物理170熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)I物理171熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)IIVersion 3: 針對(duì)在第一學(xué)年不能夠完成數(shù)學(xué)50系列和物理40系列課程的學(xué)生，見(jiàn)表八.表八：Version 3課程計(jì)劃第一學(xué)年秋季冬季春季物理59當(dāng)今研究熱點(diǎn)（非必修）數(shù)學(xué)51線性代數(shù)

37、/多變量微積分52矢量微積分?jǐn)?shù)學(xué)53常微分方程第二學(xué)年物理45/46光和熱及實(shí)驗(yàn)（或物理61力學(xué)和狹義相對(duì)論）數(shù)學(xué)51線性代數(shù)/多變量微積分物理41/42力學(xué)及實(shí)驗(yàn)（或物理63/64電磁與波及實(shí)驗(yàn)）數(shù)學(xué)52矢量微積分物理43/44電磁及實(shí)驗(yàn)（或物理65/67熱學(xué)與近代物理及實(shí)驗(yàn)）數(shù)學(xué)53常微分方程第三學(xué)年物理70近代物理基礎(chǔ)數(shù)學(xué)131P偏微分方程（或173偏微分方程理論）物理105電子學(xué)物理120中級(jí)電磁學(xué)I物理112數(shù)學(xué)物理方法或其他相關(guān)高級(jí)課程物理121中級(jí)電磁學(xué)II物理110中級(jí)力學(xué)物理113計(jì)算物理（非必修）第四學(xué)年物理130量子力學(xué)I物理170熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)I物理131量子力學(xué)II

38、 物理107激光實(shí)驗(yàn)物理171熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)II物理134高等量子力學(xué)（非必修，推薦繼續(xù)攻讀物理學(xué)博士學(xué)位的學(xué)生選擇）物理108工程實(shí)驗(yàn)斯坦福大學(xué)還提供一系列物理學(xué)科內(nèi)某一領(lǐng)域的集中課程，主要面向那些想在本科階段專注于物理學(xué)的某一領(lǐng)域或者將要在物理學(xué)的某一領(lǐng)域攻讀研究生的學(xué)生.這些集中課程并不是必修的，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣選擇，但是在畢業(yè)時(shí)，完成集中課程的學(xué)生會(huì)獲得一個(gè)集中課程的認(rèn)證.選擇某一領(lǐng)域集中課程的學(xué)生至少要修四門課或三門課，并加一篇大四的畢業(yè)論文.斯坦福大學(xué)物理專業(yè)的集中課程包括：A 應(yīng)用物理系列： 固體物理PHYSICS 172“固體物理學(xué)”；APPPHYS 270“固體中的磁

39、學(xué)和長(zhǎng)程有序”；MATSCI 195“固體中的波和衍射”.生物物理APPPHYS 192“生物物理學(xué)導(dǎo)論”.激 光EE 231“激光導(dǎo)論”；EE 232“激光動(dòng)力學(xué)”；EE 268“現(xiàn)代光學(xué)導(dǎo)論”.實(shí)驗(yàn)方法APPPHYS 207, 208“模擬與數(shù)字電子學(xué)實(shí)驗(yàn)”；APPPHYS 304“激光實(shí)驗(yàn)”.B 天體物理系列：必修PHYSICS 100“觀測(cè)與實(shí)驗(yàn)天文學(xué)導(dǎo)論”；PHYSICS 160“恒星與銀河系天體物理學(xué)導(dǎo)論”；PHYSICS 161“銀河系外天體物理學(xué)和宇宙學(xué)導(dǎo)論”.選修PHYSICS 211“連續(xù)介質(zhì)力學(xué)”；PHYSICS 260“天體物理和宇宙學(xué)導(dǎo)論”；PHYSICS 262“萬(wàn)

40、有引力導(dǎo)論”；PHYSICS 312“等離子體物理基礎(chǔ)”.C 生物物理系列：APPPHYS 136“系統(tǒng)生物學(xué)”；APPPHYS 192/292“生物物理導(dǎo)論”；BIOC 202“新陳代謝的生物化學(xué)”；BIOPHYS 228“計(jì)算結(jié)構(gòu)生物學(xué)”；BIO 141“生物統(tǒng)計(jì)學(xué)”；BIO 132/232“生物物理高級(jí)成像實(shí)驗(yàn)”；BIO 135/HUMBIO 182“生物時(shí)鐘”；BIO 211“感覺(jué)傳導(dǎo)生物物理學(xué)”；BIO 217“神經(jīng)生物物理學(xué)”；CS 273A“人類基因組的計(jì)算之旅”.D 地球物理系列：必修GEOPHYS 110“危機(jī)中的地球”；GEOPHYS 120“冰、水、火”；GEOPHYS

41、150“地球動(dòng)力學(xué)”； 選修GEOPHYS 130“地震學(xué)導(dǎo)論”；GEOPHYS 140“遙感”；GEOPHYS 170“板塊構(gòu)造論”；GEOPHYS 184“地球中心之旅”；GEOPHYS 190“近表面地球物理學(xué)”；E 理論物理系列：PHYSICS 152A,B“粒子物理導(dǎo)論”；PHYSICS 204“理論物理研討會(huì)”；PHYSICS 212“統(tǒng)計(jì)力學(xué)”；PHYSICS 232“量子力學(xué)”；PHYSICS 260“天體物理與宇宙學(xué)導(dǎo)論”；PHYSICS 262“萬(wàn)有引力導(dǎo)論”；PHYSICS 330,331,332“量子場(chǎng)論”；PHYSICS 351“粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型”；PHYSICS 362“高級(jí)銀河系外天體物理學(xué)和宇宙學(xué)”；PHYSICS 364“高級(jí)引力論”.結(jié)束語(yǔ)除了本文詳細(xì)介紹的三所大學(xué)之外，美國(guó)還有很多學(xué)校（譬如：普林斯頓大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校等）的物理系都有類似的課程設(shè)置.通過(guò)對(duì)美國(guó)大學(xué)物理教學(xué)的研究，我們可以看出：美國(guó)大學(xué)物理系辦學(xué)的成功經(jīng)驗(yàn)之一就是分層次教學(xué).在充分考慮學(xué)生的個(gè)體差異、興趣愛(ài)好的基礎(chǔ)上，制定了具有針對(duì)性的分層次