在KIT交流所了解技巧是零零星星的，但这些新信息暗示了一个需要系统地了解的知识体系。所以回国以来的这一周我花的时间主要是在完善这一知识体系，做到知其然知然所以然。这些知识事实上都是信号处理的课本知识，对设计任何物理实验都很重要。

普通物理实验课的教学目标

我反思了一下，我本科明明是上过普通物理实验的，为什么我没有被要求了解这些基本原则。这是跟现行本科普通物理实验课的所谓“教学目标”有关。因为所谓“教学目标”应该都是人云亦云的套话，随便上网查到的就有足够代表性了：

本课程是四年制物理学类各专业开设的基础实验课，它与普通物理理论课既有紧密联系，又相互独立，是一门独立设置的专业基础课。

本课程的教学目的是：使学生在物理实验的基本知识、基本方法、基本技能等方面受到系统的训练，加深对物理学基本概念和基本规律的理解和掌握，培养良好的科学素质、创新精神和实践能力。

我对现行本科物理实验课的批判要基于所谓“与普通物理理论课既有紧密联系又相互独立”中的“相互独立”。再往下看，所谓“紧密联系”的意思就是“加深对物理学基本概念和基本规律的理解和掌握”，而“相互独立”的意思就是“在物理实验的基本知识、基本方法、基本技能等方面受到系统的训练”。问题在于“物理实验的基本知识、基本方法、基本技能”是什么？它必然不等同于“物理学的基本概念和基本规律”。

从科学范式上讲，实验就是为了印证理论。也就是验证等式的左边等于等式的右边。所以你首先要获得等式的左边和右边才行，这就要通过测量。有时候原式的左边和右边不方便通过测量得到，那就要进行转化，例如移项、微分、求极限等，测量重点也会转化为曲线拟合、测斜率、截距等。其实就是实际测量仪器的设计，也就是数据采集的工作，完了是数据的处理、作图。最终根据某种标准对理论进行证明或证伪。一句话概括，实验的基本知识、方法、技能就是导致一个人可以独立设计完成实验物理学研究的所有东西。

但是按我个人的经历，本科物理实验似乎没有要求学生设计物理实验，此其一。其二，对于测量的误差来源分析，会有一些讲解，也有专门一章在课堂教学是讲误差分析的。但是这些内容跟今天的实验物理学现状相比感觉很过时。诸如从刻度上读数时眼睛要怎么使，估读到第几位；有效数字的加减乘除等等，在计算机时代都用不上了。但是计算机时代带来的新问题，课常上却不讲。因为现代实验室中的测量设备不再是用尺子量位移，用秒表量时间、用弹簧秤量力了，而是全部采用传感器。所以问题不再来自于你眼神儿好不好或者估读没估读了，反倒来自于传感器的工作范围，例如漂移、噪音、线性工作区等。再者，由于计算机的广泛运用，加减乘除、微积分、Fourier变换、线性和非线性拟合等等全都是数值计算。所以首先就有模数转换问题，例如取样带来的误差。最终测量的精确度和敏感度所取决的因素，跟前计算机时代是完全不同的一套。学生在上实验课的时候已经知道过时，因此不认真学；进入实验室，现代仪器给他们的感觉就是“傻瓜操作”，深究不了其中的误差来源，也无从深究。结果真的全成了“傻瓜”。

数据采集的原则

传感器

如果你的实验要从仪器开始设计，你不应该连世界上有传感器这件事都不知道，还去考虑用尺子量位移了。任何测量都从传感器开始，包括力、压强、温度、光学等等都有相应的传感器，时间问题也取决于系统时钟（如晶振）。所以你要了解传感器的选型原则。

信号类型和传输

就算转换成电信号也有很多种，如电压电流电阻等。例如如果你用光敏电阻作为光学传感器那就是电阻信号。完了就是这些信号如何传送到模数转换接口处，例如是有线还是无线，抗干扰问题，能量辐射问题，带宽问题。除了线缆之外还有接口。接口不好也会带来新的误差。

信号的前期处理

实际电信号往往不直接适合数模转换器的使用范围，例如电压过大或过小之类。这就需要先设计模拟电路对信号进行调整。误差又会来自这一步。

数模转换

数模转换首先是对模拟信号进行取样，因此要选择合适的分辨率和采样率。完了又要考虑信号传输的问题了，这次是要把数字信号传输给电脑，因此就是决定用RS232、USB、PCI还是以太网。例如ARES是用RS232，AR-G2是用以太网的。可能这方面的选择在大多数情况下不重要，但是至少要做到知其然知其所以然。

软件

软件问题首先就是驱动程序问题。有时小厂家的自带的驱动程序会做你所想不到的傻逼动作，造成误差，或者跟操作系统兼容性差，蓝屏什么的。完了就是信号分析软件，例如在做FFT的时候有没有解决谱泄漏，zero-padding完之后有没有加window。还有各种提高信噪比的做法例如滤波器之类。

与理论紧密联系实验课要实现什么教学目标？

以上考虑所需要的知识不是普通物理理论课所能提供的。因此，如果要直接教以上东西，就不可能跟普通物理课“紧密结合”。我觉得应该有两种实验课。一种是与理论相互独立的实验课，它的教学内容和目标大致就是上述的那些。

另一种就是它只为增加学生对基本物理定律的感性认识和情感信任度的物理实验。这很重要。因为我发现很多人到了读研的时候根本没有提出新问题的能力，除了老师叫做啥做啥之外自己啥都想不出来了。没学过物理么？不是。是因为他们学的时候从来没有发自内心地相信过那些东西。课本知识只为应付考试，只知道这个等于那个乘那个再除那个，考试就从题目找到相应的数字代进去算就行了。实验课也乱做。要做到相信，你一定先要理解，完了在生命中的每一分钟拿你放眼望到的任何物体去验证。看到任何风吹草动都可以在脑中做个back-of-the-envelope估算，甚至直接进行实验来验证你所知道的物理定律。一开始你会因为你本人对理论的错误认识而实际形成错误的物理图象，导致你验证的结果跟定律不符合。你就会去查书、问老师，搞清楚到底是你对定律的认识不符还是定律本身错了，还是你的估算漏考虑了什么重要因素导致偏差。在此过程中，你对理论的理解才会越来越准确。但是生活中有条件进行的实验是非常有限的，尤其是要用来验证大学物理而不是牛顿三定律的那种实验。因此说大学物理实验课是不可或缺的。它提供了得以验证什么干衍啊，驻波啊之类这些定律的硬件条件。因为这些实验课其实承担了让学生相信定律的宗教式职责，所以不应该又去扯操作误差之类的事情。不然的话，物理老师就不得不变成一个无赖：总之书上是对的，你测不出来是你有误差，重做，做到对为止！难怪学生对实验课根本提不起兴趣。

建立正确的物理图象是很重要的。我发现很多研究生朋友没办法进行类似“请在分子到超分子尺度分情况描述一种水溶性聚合物溶解于纯水中的过程”这种思考。这是在立论阶段的一个很重要的思维方式。你如果没办法基于已有物理定律去想象新的条件下的可能发生的物理事件，你又怎么想到新的研究课题？你连“会怎样”都没个估计，你怎么决定“测啥”、“验证啥”？怎么设计实验？因此可以说这些研究生朋友根本上缺乏立论能力，用现在的话说就是“自主创新”能力。

这个话题其实我以前已经说过了。那时我总结导致以上问题的原因在于：

• 中国学生从中小学开始就被告知：书上的东西是假的，但要用来考试拿成绩。因此，找一个model来fit现实，对于中国学生来说，没有任何乐趣。因此，真正对物理化学有兴趣的人并不多。多的都是混个学历去考公务员的人，以及想出国拿绿卡的人。
• 中国大学，教学和考卷都没经过同行评议，任课老师的自由度很大，胡来的占大多数。
• 各种入学考试都其实是在专门选拨不适合做科研的年轻人。
• 成年人世界没有做好榜样。

而现在我又添加的的原因就是物理实验课的失败。