本文选自“清华物理系百年庆专刊”——《物理与工程》2026年第5期
郭旭波，高级工程师，清华大学物理系实验物理教学中心副主任，基础物理实验课程负责人。
郭旭波 王宇航 宋飞 吴珊 刘滢滢 张留碗
（清华大学物理系）
摘要
面对招生制度和教育教学改革对实验教学提出的新要求，清华大学物理系实验物理教学中心以“科教融合”与“积木式平台”为核心建设理念，对面向物理大类学生的基础物理实验系列课程进行了系统性改革。本文详细阐述了课程建设的整体思路与教学实践：在研究型实验项目建设方面，坚持基础性与挑战性相结合的原则，自主开发了同轴光子晶体、旋转光纤干涉仪等一系列特色实验项目；在教学平台搭建方面，采用了通用仪器与自研积木式仪器相结合的开放、透明、低成本、可扩展方案；在教学模式方面，实施了“基础—综合—研究”进阶式教学模式，有效推进了因材施教。教学实践表明，课程激发了学生的学习兴趣，取得了积极的效果。
关键词 基础物理实验；研究型教学；科教融合；积木式平台
DOI 10.27024/j.wlygc.2026.06.30.01
IMPROVEMENT AND TEACHING PRACTICE OF THE FUNDAMENTAL PHYSICS EXPERIMENT SERIES COURSES AT TSINGHUA UNIVERSITY
GUO Xubo WANG Yuhang SONG Fei WU Shan LIU Yingying ZHANG Liuwan
(Department of Physics, Tsinghua University, Beijing 100084)
Abstract The Experimental Physics Teaching Center of the Department of Physics at Tsinghua University has carried out the improvement and teaching practice of a series of fundamental physics experiment courses based on “integration of science and education” and a “modular platform”. This paper elaborates on the overall design philosophy and teaching practices. Efforts have been strengthened in building research-oriented and challenging experiments such as coaxial photonic crystals and rotating fiber-optic interferometers. Open and transparent teaching platforms combining general-purpose instruments with self-developed modular has been adopted. A progressive “foundation-comprehensive-research” teaching model has been implemented to promote personalized teaching. Teaching practice shows that the courses have stimulated students’ interest in learning and achieved positive results.
Key words fundamental physics experiments, research-oriented teaching, integration of science and education, modular platform
1 引言
1.1 课程建设背景
近年来，清华大学以实施强基计划为契机，全面推进本科教育教学改革，优化专业主修课程体系，强化因材施教和个性化培养。物理系在本科生培养和基础课建设方面开展了长期的改革与探索[1-2]。从基科班、清华学堂物理班“宽口径、厚基础、强实践”的育人方针，到开设《费曼物理学》基础课推进“因材施教、分类培养”，课程建设和改革逐步延伸到实验教学环节。基础物理实验系列课程面向清华大学物理系、致理书院、工物系等物理大类约200名本科生开设，是大一、大二年级必修基础课，共3学期8学分128学时。选课学生生源构成多元，既有已学习全部普通物理基础课与实验课程的竞赛生，也包括高考统招生，选课学生的数理基础和学习经历有较大差异。在此背景下，课程建设面临三重挑战：一是因材施教需求日益迫切，如何在统一的教学框架下满足不同层次学生的学习需求成为课程设计的核心难题；二是科教融合、本研衔接的需求不断增强，课程原有实验项目以验证性为主，研究型和挑战性项目偏少；三是教学模式亟待转变，受实验室空间和仪器套数等条件限制，原有的分组循环制教学模式不利于实现循序渐进的进阶式教学。
1.2 国内外研究现状
国际方面，20世纪60年代初，美国理工科大学面临基础物理教学与现代科技发展脱节的困境。加州理工学院邀请著名物理学家费曼主讲基础物理课程，其核心理念包括：在基础物理水平上反映现代物理的重大成就（如相对论和量子力学）；按照物理学工作者在前沿研究领域所使用的思维方式介绍物理内容，培养学生的科学思维[3]。加州大学伯克利分校推出的“伯克利物理实验”教程具有以下特点：内容新颖，反映当代物理新水平；注重启发学生创造性；实验安排灵活，采用模块化设计；鼓励“开放实验室”模式，学生根据自己的能力和进度进行实验[4]。这些理念深刻影响了物理基础课和实验课教学改革方向。
国内高校经过长期建设，已基本形成了分层次、多模式、开放式的实验物理教学体系。北京大学基础物理实验教学中心以“科研引领实验教学”理念为指导，开设了“综合物理实验”和“前沿物理实验”研究型课程，形成双通道教学体系[5-6]。中国科学技术大学物理实验教学中心针对拔尖人才培养新要求，在“大学物理综合实验”课程中试点英才实验班教学，面向学有余力学生设置开放性和创新性内容，在个性化教学与创新能力培养方面积累了经验[7]。复旦大学加强虚实结合教学模式，在不削弱实际实验训练强度的基础上，借助仿真软件对复杂问题建模，帮助学生把握关键物理特性[8]。这些工作为实验教学改革提供了有益借鉴。
1.3 本文工作
清华大学物理系实验物理教学中心近十年来对面向物理大类学生的基础物理实验系列课程进行了系统改革。本文将从课程建设理念、实验项目建设、教学平台搭建、教学模式改革等方面系统介绍相关探索与实践。课程改革的重点在于构建一个“项目—平台—模式”协同体系。其中，“研究型挑战性实验项目”是课程建设的核心内容，它决定了课程的深度与挑战性；“积木式教学平台”为课程的持续建设和教学改革提供了开放、透明、可扩展的硬件支撑；“进阶式教学模式”是课程的实施路径，它确保了不同基础的学生都能在统一的课程体系中获得个性化发展。三者相互依存、互为支撑，共同构建了一个完整的课程系统。
2 课程建设与教学实践
2.1 课程建设理念
课程建设的核心目标是构建从基础到前沿的进阶式基础物理实验课程体系。通过引入新颖、前沿，甚至反直觉的实验现象，激发学生的好奇心，让他们深入探讨前沿问题。他们可以从基础原理出发，通过严密的逻辑推导和精巧的实验步骤逐步观察和理解，由此切实提高课程的挑战性与吸引力。我们希望课程在内容上与高年级的近代物理实验、高等物理实验和科研实践课程有机衔接，从而不断加深学生对基础研究和自身学科兴趣的理解，激发他们的学术志趣。
2.2 研究型实验项目建设
研究型和挑战性实验项目的开发是课程建设的核心工作。近年来先后建设了一批高水平自研教学实验，其题目选取遵循以下原则：一是基础性，实验所依托的物理概念须为基础物理学内容，确保不同基础的学生均具备相应的理论储备；二是挑战性，实验现象应具有一定的复杂性、抽象性或反直觉性，以此激发学生的探究欲望；三是理论与实验相符，实验结果应能用低年级本科生所掌握的物理和数学知识加以解释、计算和推导，相较于动手操作能力，学生通常具有更高的理论水平，因此当实验结果与理论预测高度吻合时，学生的收获更为显著；四是经济性与可靠性，鉴于选课学生人数多、实验学时量大，每个实验需建设20套仪器用于教学，实验设备尽量仅使用通用教学仪器和常用材料，且具备高可靠性、低成本、少维护甚至免维护的特点，避免依赖高精尖设备和苛刻实验条件。
以下是近年来开发的代表性自研实验项目。（1）同轴光子晶体实验[9]，利用同轴电缆构造一维光子晶体，将抽象的能带理论、正常和反常色散特性以及群速度超光速概念变得直观可见。该实验获第十一届全国高等学校物理实验教学研讨会仪器评比一等奖和国家发明专利授权。学生反馈该实验让他们“直接看到了不可思议的群速度超光速现象”，并认识到“前沿实验未必需要特别高级的实验材料，寻常材料中也可以蕴含深奥的物理规律”。对于学有余力的拔尖学生，我们引导四名大二学生进一步探究信息速度能否超光速问题，荣获第八届全国大学生物理实验竞赛二等奖。（2）旋转光纤环形干涉仪测斐索效应实验，采用可旋转的千米长光纤盘，将相对论微小时间差转化为宏观可测的干涉光强变化。该实验荣获第十二届全国高等学校物理实验教学研讨会仪器评比一等奖，已由仪器公司进行成果转化和推广。（3）磁耦合共振式无线电能传输实验与耦合谐振诱导透明实验，均由科研文献转化而来，并都获得国家发明专利授权。（4）基于全自动光纤光谱仪的黑体辐射实验[10]，设计的实验方案优化了黑体辐射实验教学效果，并与科研实际需求相衔接。
此外，我们还将近年来国际物理奥赛的优秀实验原题引入课堂，包括摩擦系数和电磁感应实验（2012年亚洲物理奥赛原题）、粘弹性实验（2018年国际物理奥赛原题）、晶体学实验（2020年国际物理奥赛原题）。这些实验项目完全符合我们对实验题目的筛选原则，特别是“理论与实验相符”这一条。低年级本科生的理论水平往往高于动手能力，当他们在实验中亲手操作并观察到与理论预测高度吻合的结果时，他们会获得强烈的正向反馈，这极大地增强了其自信心并激发了其对物理学的热爱。这也是我们优先选择那些物理图像清晰、数学模型简洁的现象作为实验项目的原因。目前，三个学期共开设约24个实验题目，每个题目约20套实验仪器，涵盖力学、电磁学、光学、量子物理、热学等内容。
2.3 积木式实验教学平台
在实验建设基础上，我们建设了力学、电磁学、光学实验教学平台。实验平台采用积木式设计，由通用教学仪器和常用材料构成。绝大多数实验由实验中心教师和技术人员自行设计、搭建。积木式平台的核心构想是：以示波器、信号发生器、直流电源、数字万用表等通用仪器为“骨架”，以自研的功能模块和元件材料为“插件”，学生可以根据实验需要自由组合开展探究。所有模块均采用开放式设计，学生可以直接看到内部电路和结构，便于理解物理原理。例如，电磁学平台以通用教学设备为核心，配合自研的电容、电感、面包板、同轴电缆等元件，可以完成从基础的电磁感应到前沿的光子晶体等一系列实验。
这种设计带来了三方面优势：一是降低成本，通用仪器可重复用于多个实验，自研模块的材料成本较低，使得规模建设（每题目20套仪器）和持续改进更容易实现；二是便于维护；三是提供具有归属感的实验环境，借鉴科研实验室的运行模式——研究生以实验室为家，依托科研平台开展丰富课题研究。本课程力图通过基础物理实验平台的建设，使学生在三学期内始终使用熟悉的实验平台和通用仪器，探究不同的物理内容，从而为其提供一个具有归属感的学习环境。
2.4 实验讲义编写
实验讲义参照国际物理奥赛试题的模式进行编写。近年来的国际物理奥赛实验题通常取材于科研前沿课题（如巨磁阻效应、光子晶体等），通过精心设计的实验步骤和由浅入深、循序渐进的讲义，物理基础扎实且具备一定实验经验的学生无需教师讲解和指导即可独立完成，并能理解其中所涉及的前沿问题的原理。这种设计既减轻了教师的重复性指导负担，也为学生的自主学习留下了探究空间。
2.5 进阶式教学模式
在积木式平台的基础上，实施了循序渐进的进阶式教学模式。每个学期的实验分为三个层次：（1）基础层，完成规定的基础性、验证性内容，掌握基本实验技能和数据处理方法，确保每位同学都满足基本教学要求；（2）提高层，在综合性、设计性实验中，学生需自主制定实验方案，解决实验中遇到的问题，提升分析问题和解决问题的能力；（3）研究层，为学有余力的学生提供深入探究空间。他们可以在完成基本实验后，选择某一方向进行深入研究，如类比或重复前沿科研工作、参加物理实验竞赛等，从而培养探究和创新能力。由于不同类型的生源在实验基础和经验上存在一定差别，因此进阶式教学通过设定不同层次的实验任务，让每个学生都能获得成长。三个层次之间相互衔接、逐层递进，既保证了面上的教学质量，又为拔尖学生提供了个性化发展空间。
3 课程建设成效与反思
3.1 教学效果与学生反馈
经过近十年的建设与实践，本课程取得了积极的教学成效。在教学评估方面，多个学期评教结果进入全校前25%，表明学生对课程的满意度较高。部分学生对实验项目开展了深入探究，从深度和广度两个方面拓展了实验内容，反哺实验教学，实现了教学相长。在学生反馈方面，学生对研究型实验给予了高度评价。在竞赛成果方面，课程支撑了国际物理奥赛国家队的选拔和实验培训，2019年、2021年、2024年三届共15人次全部获得奥赛金牌。在全国大学生物理实验竞赛中，学生也屡获佳绩，如在第十一届全国大学生物理实验竞赛（教学）中获得2项一等奖。
3.2 教师发展与成果转化
课程建设也促进了教师队伍的发展。自研实验项目的开发过程，本身就是教师将科研成果转化为教学资源的过程，这不仅丰富了教学内容，也提升了教师的教研能力。近年来，实验中心教师在国内外教学期刊上发表多篇教学研究论文，多项自研仪器获国家发明专利授权，部分仪器已由企业进行成果转化和推广。
3.3 反思与展望
一方面，高质量实验项目数量仍需增加。目前三个学期共约24个实验题目，虽然覆盖面较广，但仍有不少有价值的课题尚未转化为教学实验。另一方面，还需进一步完善电磁学和光学实验平台，使其更具系统性和开放性，进而探索将更多前沿物理（如量子计算、拓扑物理）引入本科实验的可能性。未来将继续加大自研实验的开发力度，力争每个学年都有新的实验项目投入教学。
4 结论
清华大学物理系实验物理教学中心围绕“科教融合”与“积木式平台”理念，对面向物理大类学生的基础物理实验课程进行了系统改革。本文总结了课程建设的整体思路：以研究型实验项目为内容核心，以积木式教学平台为硬件支撑，以进阶式教学模式为实施路径，三者协同构建了一个从基础到前沿的完整课程系统。
在实验项目建设方面，坚持基础性与挑战性相结合，自主开发了同轴光子晶体、旋转光纤干涉仪、无线电能传输、黑体辐射等一系列研究型实验项目，多项成果获全国仪器评比一等奖及国家发明专利授权。在平台建设方面，采用“通用仪器+自研积木式模块”的开放、透明、低成本、可扩展方案，为学生提供了具有归属感的学习环境。在教学模式方面，实施“基础—综合—研究”进阶式教学，推进了因材施教。
近十年的实践表明，这一改革有效激发了学生的学术志趣，培养了从基础知识出发理解科研前沿问题的能力，为拔尖人才的早期培养探索了可行路径。未来将继续深化这一探索，为我国基础物理实验教学的发展贡献力量。
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基金项目： 2025年清华大学本科教育教学改革项目（批准号：100-043）资助课题。
通信作者： 郭旭波，guoxb@tsinghua.edu.cn。
引文格式： 郭旭波，王宇航，宋飞，等. 清华大学基础物理实验系列课程建设与教学实践[J]. 物理与工程，2026，46（5）：92-96.
Cite this article: GUO X B, WANG Y H, SONG F, et al. Improvement and teaching practice of the fundamental physics experiment series courses at Tsinghua University[J]. Physics and Engineering, 2026， 46（5）： 92-96. (in Chinese)
专刊目次浏览：百年树人，物理为基——清华大学物理系百年华诞专刊
王青｜第一篇：AI对教育根本逻辑的重构——知识传授功能的颠覆性变革
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