大學(xué)物理課程和中學(xué)物理課程近代物理部分的銜接研究＊

鄭海務(wù) 康 緲 任鳳竹 尹國盛

（河南大學(xué)物理與電子學(xué)院，河南 開封 475004）

大學(xué)物理課程和中學(xué)物理課程近代物理部分的銜接研究＊

鄭海務(wù) 康 緲 任鳳竹 尹國盛

（河南大學(xué)物理與電子學(xué)院，河南 開封 475004）

21世紀(jì)，我國高等教育呈現(xiàn)大眾化，人才競爭也日益激烈.在新的時期，大學(xué)物理課程與中學(xué)物理課程銜接問題的研究與探索，成為全面提高大學(xué)理工科人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要課題之一.本文緊扣教育部《理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》和《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》，結(jié)合高中和大學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)方式的不同特點，就大學(xué)物理課程中的近代物理部分與中學(xué)物理課程脫節(jié)的表現(xiàn)進(jìn)行了分析，提出了加強教學(xué)銜接的對策，希望為順利實現(xiàn)從中學(xué)向大學(xué)的過渡提供參考.

大學(xué)物理；中學(xué)物理；近代物理；教學(xué)改革；銜接

物理學(xué)是研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、基本運動形式、相互作用及其轉(zhuǎn)化規(guī)律的自然科學(xué).它的基本理論滲透在自然科學(xué)的各個領(lǐng)域，應(yīng)用于生產(chǎn)技術(shù)的許多部門，是其他自然科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ).D.F.Holeomb等人在研究論文《基礎(chǔ)物理學(xué)的新模式》中指出：基礎(chǔ)物理學(xué)教程改革方案要明確地反映近代的內(nèi)容和物理學(xué)科的特點，還應(yīng)該考慮是否影響中學(xué)物理教程的問題，以便能有效地使中學(xué)和大學(xué)物理相結(jié)合.

大學(xué)教育與中學(xué)教育的對象分屬不同成長階段的青少年，不但培養(yǎng)目標(biāo)不盡相同，而且教與學(xué)的內(nèi)容和方式也有較大區(qū)別.新入校的大學(xué)生們?nèi)匀辉诤艽蟪潭壬媳Ａ糁袑W(xué)時代的習(xí)慣和意識，從而在學(xué)習(xí)上造成許多缺憾.中學(xué)物理課程與大學(xué)物理課程在教材上有著一定程度的重復(fù)，更有著深度、廣度與難度的提高和拓展.但由于中學(xué)與大學(xué)在培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)方法和考核方式等方面的不同，不可避免地決定了大學(xué)物理與中學(xué)物理存在著內(nèi)容和環(huán)節(jié)上的脫節(jié).因此，找到大學(xué)物理教材和中學(xué)物理教材的內(nèi)容上的銜接點，抓住銜接點從教學(xué)方法和考核方式等方面順利實現(xiàn)從中學(xué)向大學(xué)的過渡，不僅可以提高大學(xué)物理的教學(xué)質(zhì)量，增強學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理的興趣，而且還有助于大學(xué)后繼課程的教學(xué)，有利于學(xué)生綜合素質(zhì)的提高.為此，本文以2007年4月第2版的人民教育出版社出版的《物理》［1，2］（普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書，以下簡稱高中物理教材）和2010年8月第1版的機械工業(yè)出版社出版的《大學(xué)物理》［3，4］教材（以下簡稱大學(xué)物理教材）為例，對中學(xué)物理教材與大學(xué)物理教材中的近代物理部分內(nèi)容（狹義相對論、量子物理）之間的銜接知識點進(jìn)行了探討和分析.

教育部2011年頒發(fā)的《理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求（2010版）》［5］（以下簡稱《要求》）中有狹義相對論力學(xué)基礎(chǔ)和量子物理基礎(chǔ).高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)［6］（以下簡稱《新課標(biāo)》）中與此相關(guān)的內(nèi)容有選修3－4（四）相對論，選修3－5（二）原子結(jié)構(gòu)、（三）原子核、（四）波粒二象性.高中物理教材與近代物理相關(guān)的內(nèi)容主要體現(xiàn)在選修3－4和3－5，而大學(xué)物理教材與近代物理相關(guān)的內(nèi)容主要體現(xiàn)在第8章、第21、22、23、24和第25章.下面，我們具體比較《新課標(biāo)》和《要求》以及高中物理教材和大學(xué)物理教材的共同之處和差異，在此基礎(chǔ)上分析和探討加強中學(xué)物理課程和大學(xué)物理課程中近代物理部分銜接的措施.

1 狹義相對論力學(xué)基礎(chǔ)

20世紀(jì)初建立起來的相對論是近代物理學(xué)的偉大成就之一.該理論主要是關(guān)于時空的理論，它使人們對時間、空間的認(rèn)識有了巨大的飛躍，樹立了新的相對論時空觀.相對論分為狹義相對論和廣義相對論，通常把限于慣性參考系的理論稱為狹義相對論.

1.1 《新課標(biāo)》和《要求》的異同點

在狹義相對論力學(xué)基礎(chǔ)這部分，《新課標(biāo)》和《要求》的共同點是：都要求知道狹義相對論的實驗基礎(chǔ)、基本原理、時空觀和質(zhì)能關(guān)系式.這些共同點在《新課標(biāo)》中都是選修內(nèi)容，了解就足夠了；在《要求》中除實驗基礎(chǔ)為擴展內(nèi)容外，都是核心內(nèi)容.《新課標(biāo)》和《要求》的不同點是：《新課標(biāo)》中要求知道相對論速度疊加規(guī)律，而《要求》中有洛倫茲坐標(biāo)變換和速度變換，明顯有了深度與廣度的提高和拓展；《要求》中的知識點“能量和動量的關(guān)系”和“電磁場的相對性”在《新課標(biāo)》中沒有；《新課標(biāo)》中的知識點“關(guān)注宇宙學(xué)研究的新進(jìn)展”在《要求》中未見提及.

1.2 高中物理教材和大學(xué)物理教材的異同點

高中物理教材選修3－4中的第十五章（相對論）的開頭指出牛頓物理學(xué)在人類活動的“正常”范圍內(nèi)是非常準(zhǔn)確的，所謂正常“范圍”指的是：速度遠(yuǎn)小于光速，尺寸遠(yuǎn)大于分子但又不比銀河系大很多倍，引力也不比地球引力大很多倍.超出此范圍，牛頓物理學(xué)的結(jié)論就與觀測結(jié)果不一致了，為解決這些問題，愛因斯坦等人提出了相對論.該章的前三節(jié)分別講述相對論的誕生、時間和空間的相對性以及狹義相對論的一些結(jié)論，涉及的知識點有狹義相對論的實驗基礎(chǔ)，基本原理，同時的相對性、長度的相對性、時間間隔的相對性以及速度疊加原理和質(zhì)能關(guān)系.而大學(xué)物理教材第8章（狹義相對論力學(xué)基礎(chǔ)）的引言部分主要描述相對論的建立時間、涉及物理學(xué)的領(lǐng)域、相對論的作用，接下來分為六節(jié)介紹本章的內(nèi)容，分別是：邁克耳孫－莫雷實驗、狹義相對論的基本原理、洛倫茲變換、狹義相對論的時空觀、狹義相對論的動力學(xué)基礎(chǔ)以及動量和能量的關(guān)系.《要求》中的知識點除了“電磁場的相對性”沒有在大學(xué)物理教材中體現(xiàn)外，其他的知識點都在大學(xué)物理教材中有明確的體現(xiàn).而《新課標(biāo)》中的知識點除了“關(guān)注宇宙學(xué)研究的新進(jìn)展”沒有在高中物理教材中顯示外，其他的知識點也都在高中物理教材中有明確的體現(xiàn).

從以上分析可以看出，大學(xué)物理教材與高中物理教材存在一定程度的重復(fù)，如都涉及狹義相對論的基本原理，同時的相對性、長度的相對性、時間間隔的相對性以及質(zhì)能關(guān)系.但是更主要的是兩者之間的差異：如在引言部分，高中物理教材與大學(xué)物理教材有所不同；對于狹義相對論的實驗基礎(chǔ)，高中物理對邁克耳孫－莫雷實驗講解得比較籠統(tǒng)、簡單，而大學(xué)物理教材則講解得細(xì)致，這也符合不同培養(yǎng)階段的特點和要求；大學(xué)物理教材中有洛倫茲變換以及能量和動量的關(guān)系，高中物理教材中則只有速度疊加規(guī)律.

1.3 銜接措施

我們認(rèn)為高中物理教材的引言更容易讓學(xué)生接受，為做好銜接，在講授大學(xué)物理課程中狹義相對論力學(xué)基礎(chǔ)時，不妨先講授高中物理相對論一章的引言，接著再講授大學(xué)物理中該章的引言，讓學(xué)生既容易理解接受，又能提綱挈領(lǐng)地把握內(nèi)容，從時空觀發(fā)展的角度引導(dǎo)學(xué)生實現(xiàn)從經(jīng)典力學(xué)到相對論的順利、平穩(wěn)過渡.此外，在講授兩者之間重復(fù)的知識點內(nèi)容時，簡單復(fù)習(xí)高中階段的知識要點，更重要的是按照大學(xué)物理的要求，強調(diào)基本概念和邏輯推理，盡量讓學(xué)生既要知其然還要知其所以然，通過與絕對時空觀的比較，幫助學(xué)生了解并建立狹義相對論的時空觀，即在高速世界里，時間和空間不再是絕對的，是與物質(zhì)的運動相聯(lián)系的，具有同時的相對性、運動的時鐘變慢、長度收縮等效應(yīng).同時也要讓他們明白相對論并沒有全盤否定經(jīng)典物理學(xué)，經(jīng)典物理學(xué)作為相對論在低速運動時的特例，在其適用范圍內(nèi)還將繼續(xù)發(fā)揮作用.在講授大學(xué)“能量和動量的關(guān)系”時，強調(diào)這是大學(xué)有而高中沒有的內(nèi)容，增強學(xué)生的新鮮感和學(xué)習(xí)動力.此外，為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和理論聯(lián)系實際的能力，以“相對論的建立對人類世界的影響”為主題，讓學(xué)生查閱圖書資料以及網(wǎng)絡(luò)上的相關(guān)知識，寫出調(diào)研報告，加深對狹義相對論的理解.讓學(xué)生明白他們學(xué)習(xí)的知識不是純粹的理論，不是枯燥乏味的，而是可以應(yīng)用到實際生活、生產(chǎn)中［7］.

2 量子物理基礎(chǔ)

大學(xué)物理教材的第21章（物質(zhì)的本性）和第22章（量子物理基礎(chǔ)）都是關(guān)于量子物理的，而與此相關(guān)的內(nèi)容出現(xiàn)在高中物理教材的選修3－5中的第十七章（波粒二象性）和第十八章（原子結(jié)構(gòu)）中.

2.1 《新課標(biāo)》和《要求》的異同點

從《要求》和《新課標(biāo)》的對比來看，高中物理和大學(xué)物理只有少量的重復(fù)：如光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和不確定關(guān)系，而且這些重復(fù)的內(nèi)容在不同階段的要求也不一樣，高中物理中只是了解，而大學(xué)物理中卻是核心內(nèi)容；《要求》中有薛定諤方程、一維無限深勢阱、一維諧振子、一維勢壘、電子自旋、泡利原理、交換對稱性和激光等，這些內(nèi)容在《新課標(biāo)》中沒有提及；《新課標(biāo)》中的“通過對氫原子光譜的分析，了解原子的能級結(jié)構(gòu)”，在《要求》中沒有提及.

2.2 高中物理教材和大學(xué)物理教材的異同點

從教材的編寫來看，高中物理教材選修3－5中的第十七章從電子是否具有波動性來引出本章的內(nèi)容，接著從黑體與黑體輻射來引導(dǎo)出第1節(jié)的內(nèi)容——由普朗克提出來的能量量子化.第2、3、4和5節(jié)的內(nèi)容分別是：光的粒子性、粒子的波動性、概率波和不確定性關(guān)系.光的粒子性主要是通過光電效應(yīng)實驗得出來的，然后用愛因斯坦光量子理論對光電效應(yīng)進(jìn)行理論解釋，使學(xué)生認(rèn)識光的量子性和光子的概念.康普頓效應(yīng)及其理論解釋，加深了學(xué)生對光的粒子性本質(zhì)的認(rèn)識，進(jìn)而提出光的波粒二象性.玻恩指出光波是一種概率波，加深了學(xué)生對光的波粒二象性的感性認(rèn)識.由光的波粒二象性推廣到諸如電子、質(zhì)子等實物粒子的波粒二象性，引出德布羅意關(guān)于物質(zhì)波的理論解釋和實驗探索，證明微觀粒子的確具有波動性.光的單縫衍射實驗說明微觀粒子位置的不確定量和動量的不確定量，從而引出了不確定性關(guān)系.高中物理教材選修3－5中的第十八章從夜晚城市璀璨的燈光多是來源于通電后的氣體著手，指出為了解其中的奧秘，需要從原子的結(jié)構(gòu)入手.該章內(nèi)容分為四節(jié)，分別是第1節(jié)電子的發(fā)現(xiàn)、第2節(jié)原子的核式結(jié)構(gòu)模型、第3節(jié)氫原子光譜和第4節(jié)玻爾的原子模型.教材從物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索著手，以人類探索原子結(jié)構(gòu)的歷史為線索，介紹了有關(guān)的經(jīng)典實驗（電子的發(fā)現(xiàn)、α粒子散射實驗）和原子結(jié)構(gòu)模型（湯姆孫原子模型、盧瑟福原子模型和玻爾原子模型）的演變.通過了解氫原子的能級結(jié)構(gòu)，建立了基態(tài)、激發(fā)態(tài)等概念，對氫原子光譜的解釋，引出作為一種半經(jīng)典的量子論的玻爾理論的正確性與局限性.

大學(xué)物理教材第21章——物質(zhì)的本性分為6節(jié)，分別是熱輻射與黑體、黑體的經(jīng)典輻射定律、普朗克的能量子假說和黑體輻射公式、光電效應(yīng)、康普頓散射和物質(zhì)的本性.對比大學(xué)物理教材和中學(xué)物理教材，可以看出黑體與黑體輻射在高中物理教材中講述得比較少，其目的是為了引出能量量子化的概念.而在大學(xué)物理教材中有詳細(xì)的講解，不但有黑體的定義，還有黑體的經(jīng)典輻射定律和黑體輻射公式.對于光電效應(yīng)，高中物理教材和大學(xué)物理教材幾乎一致；對于康普頓散射，大學(xué)物理教材和高中物理教材僅在描述現(xiàn)象方面有部分重復(fù)，大學(xué)物理增加了高中教材沒有的對康普頓散射的理論解釋以及光電效應(yīng)與康普頓散射的關(guān)系對比.在物質(zhì)的本性這節(jié)，大學(xué)物理與高中物理中的粒子的波動性幾乎一致.大學(xué)物理教材第22章——量子物理基礎(chǔ)分為5節(jié)，分別是玻爾的氫原子理論（第1節(jié)）、原子中的電子（第2節(jié)）、激光（第3節(jié)）、薛定諤方程（第4節(jié)）以及薛定諤方程的應(yīng)用舉例（第5節(jié)），其中第1節(jié)至第3節(jié)是擴展內(nèi)容，“要求”中量子物理基礎(chǔ)的14個知識點內(nèi)容均出現(xiàn)在大學(xué)物理教材中.對比大學(xué)物理教材和中學(xué)物理教材，我們發(fā)現(xiàn)除了第1節(jié)與高中物理教材重復(fù)以外，其他4節(jié)的內(nèi)容與高中物理沒有任何重復(fù)，對于大學(xué)生來說是全新的內(nèi)容.此外，在《要求》中，“電子掃描隧道顯微鏡”是核心內(nèi)容，在大學(xué)物理教材中介紹的卻比較少，可以讓學(xué)生進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)，寫出調(diào)研報告，以加深他們的印象；關(guān)于電子自旋的施特恩－蓋拉赫實驗這一知識點，在《要求》中是核心內(nèi)容，而大學(xué)物理教材中包含此內(nèi)容的第2節(jié)卻是擴展內(nèi)容，說明教材編寫還有不妥之處，需要加以完善.

2.3 銜接措施

基于高中物理教材和大學(xué)物理教材的特點，為做好量子物理基礎(chǔ)部分高中課程和大學(xué)課程的銜接，我們給出的建議如下：（1）在講授大學(xué)課程和高中課程重復(fù)的內(nèi)容時，可適當(dāng)簡化，避免不必要的重復(fù)，著重突出講授光的波粒二象性的物理思想，著重強調(diào)同一知識點在大學(xué)的數(shù)理知識支撐下，對基本概念更加科學(xué)的表述和由定性討論到定量描述.（2）在講解光電效應(yīng)的時候，可由光照射到金屬表面后光電子逸出金屬表面的外光電效應(yīng)拓展到光照射到半導(dǎo)體材料表面形成的內(nèi)光電效應(yīng)，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的太陽電池和各種光電探測器都是在內(nèi)光電效應(yīng)的基礎(chǔ)上研制、開發(fā)出來的，可以讓學(xué)生調(diào)研太陽電池的基本原理、基本結(jié)構(gòu).（3）在講授高中課程沒有而在大學(xué)課程中出現(xiàn)的內(nèi)容時，重點介紹量子力學(xué)的基本原理，幫助學(xué)生建立物質(zhì)波粒二象性和量子化的概念，這是從經(jīng)典物理到量子物理過渡的重要階梯.要讓學(xué)生明白這些不重復(fù)的知識點是在高中相關(guān)知識點基礎(chǔ)上拓展、延伸得來的，掌握這些新的、不重復(fù)的知識點有利于他們對量子物理做更加深入的了解.（4）讓學(xué)生明白微觀物質(zhì)和宏觀物體所遵從的物理規(guī)律根本不同的原因在于微觀物質(zhì)具有波粒二象性，幫助學(xué)生理解微觀物質(zhì)的描述方式和波函數(shù)的統(tǒng)計意義，并通過一維無限深勢阱的量子力學(xué)描述以及與經(jīng)典駐波的比照，幫助他們理解并掌握薛定諤方程和波函數(shù).通過幾個重要實驗和模型，描繪出量子力學(xué)這一新理論創(chuàng)立和發(fā)展過程的藍(lán)圖.通過人們對物質(zhì)世界認(rèn)識不斷深化的過程，啟迪學(xué)生的創(chuàng)新思維和探究精神.（5）穿插一些科學(xué)史，讓學(xué)生明白，在波粒二象性和不確定關(guān)系的基礎(chǔ)上建立起來的量子力學(xué)被認(rèn)為是一件科學(xué)的藝術(shù)品，它的應(yīng)用遍及現(xiàn)代社會的每個角落.從電子表到核電站，無不留下量子的足跡.量子力學(xué)引領(lǐng)我們邁入了現(xiàn)代社會，讓我們享受到豐富多彩的現(xiàn)代生活.科學(xué)史可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，從枯燥的公式中解脫出來.［8］

3 結(jié)束語

通過高中物理課程和大學(xué)物理課程在“狹義相對論力學(xué)基礎(chǔ)”和“量子物理基礎(chǔ)”內(nèi)容上的對比，我們發(fā)現(xiàn)高中物理對這些知識只是作了初步的介紹，使學(xué)生對此有個感性的認(rèn)識，而大學(xué)物理是在高中物理已有知識基礎(chǔ)上的提高和擴展.然后，通過比較《要求》和《新課標(biāo)》的共同點和不同點以及大學(xué)物理教材和高中物理教材的異同點，發(fā)現(xiàn)加強二者之間的銜接是很有必要的.我們尋找和探索了一些加強和改進(jìn)高中課程和大學(xué)課程銜接的措施，希望為實現(xiàn)從中學(xué)向大學(xué)的順利過渡提供參考.在大學(xué)物理教學(xué)中，正確把握大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度、避免內(nèi)容的過度重復(fù)和過大的知識梯度，做好銜接點的教學(xué)改革，不僅可以讓學(xué)生樂意接受新知識，還能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理的興趣，有利于他們綜合素質(zhì)的提高.

［1］ 張大昌，彭前程，張維善.物理 （普通高中課程實驗教科書第2版，選修3－4）［M］.北京：人民教育出版社，2007

［2］ 張大昌，彭前程，張維善.物理 （普通高中課程實驗教科書第2版，選修3－5）［M］.北京：人民教育出版社，2007

［3］ 尹國盛，楊毅.大學(xué)物理（上冊）［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010

［4］ 尹國盛，彭成曉.大學(xué)物理（下冊）［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010

［5］ 教育部高等學(xué)校物理學(xué)與天文學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會物理課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會.理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求（2010年版）［M］.北京：高等教育出版社，2011

［6］ 中華人民共和國教育部.全日制普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)［M］.北京：人民教育出版社，2004

［7］ 楊秀德，吳波.中學(xué)與大學(xué)物理“熱學(xué)”內(nèi)容銜接知識點研究［J］.遵義師范學(xué)院學(xué)報，2009，11（6）：116～118

［8］ 劉成林.大學(xué)物理課程教學(xué)改革的探索［J］.林區(qū)教學(xué)，2009，（3）：7～9

2011－01－14；

2011－04－16）

教育部高等學(xué)校物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會2010年教改項目（WJZW－2010－43－zn）、河南大學(xué)教學(xué)改革項目資助（編號：2011－3－66，2011－3－68）.

鄭海務(wù)（1976年出生），男，漢族，安徽廬江人，博士，副教授，在教學(xué)方面主要從事大學(xué)物理的教學(xué)研究工作.