中外大學(xué)物理教材的對比與分析*①

王軼卓 李磊 仲海洋

(大連海事大學(xué)物理系 遼寧 大連 116026)

在大學(xué)物理的教學(xué)過程中，作為教學(xué)內(nèi)容的文字載體和學(xué)生最主要的參考資料，教材起著至關(guān)重要的作用.優(yōu)秀的教材不僅為學(xué)生提供知識與信息，同時也為學(xué)生打開一道通往物理世界的大門，讓學(xué)生掌握探尋科學(xué)世界的方法，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).不同的文化背景與思維方式導(dǎo)致了中外大學(xué)物理教材在知識的內(nèi)容與結(jié)構(gòu)、表達(dá)方式、信息選擇等諸多方面都存在差別；這些差別同時也為我國的大學(xué)物理教材建設(shè)提供了參考與借鑒.

大學(xué)物理作為理工科的一門基礎(chǔ)課程，旨在幫助學(xué)生建立起物理知識的基礎(chǔ)，讓學(xué)生初步掌握科學(xué)的思維和研究方法，開闊視野，激發(fā)探索興趣與創(chuàng)新精神，提高科學(xué)素質(zhì)，有效地促進(jìn)專業(yè)知識的學(xué)習(xí).這對學(xué)生未來學(xué)習(xí)新的知識與技術(shù)，在實(shí)踐中不斷發(fā)展與創(chuàng)新都將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響.這些培養(yǎng)目標(biāo)對大學(xué)物理教材的建設(shè)也提出了更高的要求.我國傳統(tǒng)的大學(xué)物理教材具有結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、邏輯嚴(yán)密、講解詳盡等優(yōu)點(diǎn)；但同時也存在信息更新緩慢、生動性不強(qiáng)、講解方式單一、配套資源不足等問題.相比之下，國外的很多教材信息更新更快、形式活潑、講解生動、配套資源豐富、更加注重學(xué)生興趣的培養(yǎng).以下將就幾個不同的方面對中外大學(xué)物理教材的異同進(jìn)行對比與分析.

1 知識內(nèi)容與結(jié)構(gòu)

國內(nèi)教材中物理知識的獨(dú)立性相對較強(qiáng)，而國外教材則更加注重不同物理分支中知識的聯(lián)系以及完整知識結(jié)構(gòu)體系的建立.

國內(nèi)大部分的教材是按照力、熱、電磁、光和近代物理幾個部分劃分知識內(nèi)容的；每個部分分別對知識進(jìn)行完整、詳盡地介紹，均可作為獨(dú)立的內(nèi)容來學(xué)習(xí).盡管現(xiàn)在很多教材也開始注重知識內(nèi)在聯(lián)系的介紹，并給出樹形圖幫助學(xué)生梳理知識結(jié)構(gòu)，但大部分學(xué)生在學(xué)習(xí)之后仍然難以建立起各個知識板塊之間或是書本知識與客觀世界之間的聯(lián)系.這就造成了學(xué)生難于建立起良好的知識結(jié)構(gòu)體系，在學(xué)習(xí)之后很快就忘記了具體的知識細(xì)節(jié)，物理知識不能夠在學(xué)生將來的學(xué)習(xí)中起到良好的背景與方法作用.

相比之下，國外的某些教材更注重各個物理學(xué)分支的整合，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對物理概念的理解，讓學(xué)生不僅能夠掌握物理原理與方法的使用技巧，更能夠領(lǐng)會蘊(yùn)于其中的深邃內(nèi)涵與科學(xué)美感.編者的主旨在于將技術(shù)性的知識建立在堅實(shí)的基本概念與原理的基礎(chǔ)之上，而不是建立在諸多公式的基礎(chǔ)之上.物理學(xué)作為自然科學(xué)的基礎(chǔ)，其原理和思想將對學(xué)生以后的學(xué)習(xí)甚至生活都產(chǎn)生重要的影響，因此國外的物理教材特別重視對物理概念的闡述.例如Hugh D. Young和Roger A. Freedman編著的《Sears and Zemansky's University Physics》一書便強(qiáng)調(diào)物理學(xué)不是公式和數(shù)字，而是為我們提供了一種觀察世界的方法，讓我們了解各種事物運(yùn)行的規(guī)律以及其間的相互關(guān)聯(lián).教材努力幫助學(xué)生理解物理概念，培養(yǎng)學(xué)生對物理世界的洞察力[1].

國外的大學(xué)物理基礎(chǔ)教材更加注重引導(dǎo)性而非百科全書式的物理知識介紹，通過淺顯有趣的理論引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入廣闊的物理世界.一些教材甚至不需要微積分作為基礎(chǔ)，不過多依賴數(shù)學(xué)推導(dǎo)，注重物理意義的定性分析與說明，強(qiáng)調(diào)物理學(xué)的核心原則即物理學(xué)內(nèi)在的關(guān)聯(lián)與統(tǒng)一性.例如Paul Peter Urone編著的《College Physics》，通過知識關(guān)聯(lián)(connection box)列出問題所涉及的章節(jié)，通過綜合概念性問題(integrated concept problems)來說明表面上不同的主題之間的內(nèi)在統(tǒng)一性[2].又如Ronald Lane Reese所著的《University Physics》,通過將當(dāng)代物理學(xué)的諸多方面引入綜合性的傳統(tǒng)命題來強(qiáng)調(diào)物理學(xué)各個部分之間的聯(lián)系[3].

2 知識的講授方式

從整體上來說，國內(nèi)教材注重物理原理的演繹，而國外教材則更多地采用歸納法進(jìn)行物理知識的講授.

國內(nèi)大學(xué)物理教材對知識的講授方式往往是首先提出概念或原理，進(jìn)而進(jìn)行解釋、證明與應(yīng)用介紹.這有時會造成一些學(xué)生僅注重對概念、原理或公式內(nèi)容的記憶，而忽略了其提出的目的與證明的方法或是對此印象不深.這將導(dǎo)致學(xué)生所獲得的物理概念是瑣碎與零散的，不利于建立完整的知識體系.

國外的大學(xué)物理教材更加注重知識背景與歷史的介紹，運(yùn)用貼近生活的實(shí)例、物理實(shí)驗(yàn)或是層層深入地設(shè)問引發(fā)學(xué)生的思考，使學(xué)生建立從具體問題到一般規(guī)律的認(rèn)識.教材中更多地采用從整體到部分的論述方式，物理概念的運(yùn)用是為了對實(shí)驗(yàn)證據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確而簡潔的解釋.這些方式更符合物理學(xué)發(fā)展的規(guī)律，易于讓學(xué)生形成深刻的印象和整體的概念.如Serway 和 Jewett編著的《Principles of Physics》，采用“故事線”的方式，將全書內(nèi)容組織到8個實(shí)際的背景中.例如，經(jīng)典力學(xué)部分以“到火星去”為故事線；磁學(xué)以“磁懸浮列車”為故事線；熱學(xué)以“全球變暖”為故事線等等，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時也使其所獲得的知識更加系統(tǒng)化.教材通過Context Introduction， Context Connection 和Context Conclusion幫助學(xué)生建立物理圖景，讓學(xué)生理解物理原理如何與實(shí)際事物、現(xiàn)象和應(yīng)用聯(lián)系在一起[4].翻開大部分的國外大學(xué)物理教材，通過實(shí)例的運(yùn)用、插圖的選擇、例題的選擇和習(xí)題的選材都可以感受到物理學(xué)與自然、生活和科技的密切聯(lián)系，這首先就增強(qiáng)了一本教材的親和力，讓學(xué)生樂于去探索物理學(xué)的繽紛世界.

另外，國外教材往往在將基礎(chǔ)知識講解清楚之后，給學(xué)生留下更多的探索、思考和創(chuàng)造的空間，這也體現(xiàn)了中西方在教育理念上的不同.國內(nèi)大學(xué)物理教材對于物理理論的介紹完整、準(zhǔn)確，并較為注重物理學(xué)史的滲透，但對于物理學(xué)在新的科技領(lǐng)域中的應(yīng)用往往涉及較少.而國外教材更熱衷于介紹當(dāng)今的物理學(xué)家們在做些什么，緊跟科技發(fā)展的腳步，這對于熱愛科學(xué)的學(xué)生而言無疑是一個拓寬視野的良好機(jī)會.這一點(diǎn)體現(xiàn)了中外在大學(xué)物理教育出發(fā)點(diǎn)上的差異.例如Ronald Lane Reese所著的《University Physics》,設(shè)計了Investigated Projects，通過Expanded Horizons讓學(xué)生主動地查找相關(guān)的資料來了解相關(guān)領(lǐng)域的歷史與前沿；通過Lab and Field Work讓學(xué)生親自設(shè)計或參與實(shí)驗(yàn)來體會與檢驗(yàn)所學(xué)的知識；通過Communicating Physics讓學(xué)生真正把知識變成自己的工具，通過自己的語言與方式闡明物理概念的內(nèi)涵.這些方式在潛移默化中讓學(xué)生理解了物理知識并學(xué)以致用，既培養(yǎng)了學(xué)生濃厚的科學(xué)興趣,又鍛煉了學(xué)生的動手能力，可謂一舉多得[3].很多類似的教材，例如Serway 和 Faughn的《College Physics》,也通過Group Activities讓學(xué)生親自動手完成有趣并貼近實(shí)際的物理實(shí)驗(yàn)，從而理解物理概念并建立物理圖像，比使用艱澀的術(shù)語和復(fù)雜的公式進(jìn)行單純的講解能夠帶來更好的效果[5].

3 知識的表達(dá)方式

知識的表述語言包括文字、公式和圖表三種，其中公式作為通用的數(shù)學(xué)語言，中外教材的差異極小，而在文字和圖表語言中，則有一定的差異.

國內(nèi)大學(xué)物理教材力求物理概念表達(dá)的嚴(yán)密性與準(zhǔn)確性，同時往往參考經(jīng)典原著中物理規(guī)律的敘述方式，使得很多語言有些晦澀難懂，不易于理解和記憶.相比之下，西方文化更加強(qiáng)調(diào)自由與個性，所用語言也更加直接、生動和有趣，力求用最為簡單平實(shí)的語言將深奧的物理規(guī)律講述清楚，更容易被學(xué)生理解和接受.

國外教材中插圖的使用率比國內(nèi)教材高得多.運(yùn)用大量形象、直觀和生動的插圖對知識進(jìn)行說明和解釋，并且絕大部分教材的插圖制作精美有趣，能夠引起學(xué)生更大的閱讀興趣.事實(shí)上，一幅準(zhǔn)確、生動的插圖的教學(xué)效果往往勝過長篇大論的文字?jǐn)⑹?插圖的運(yùn)用大大提高了教材的可讀性，也更加體現(xiàn)出物理學(xué)本身的特點(diǎn)，展現(xiàn)了物理學(xué)在對精彩紛呈的科學(xué)世界做出解釋的過程中所發(fā)揮的巨大作用.

我國很多大學(xué)物理教材往往采用文字的方式舉例，所使用的插圖也往往是線條簡潔的抽象模型，而非真實(shí)的研究對象，感官上的親和力不強(qiáng)，不容易進(jìn)行形象化思維和聯(lián)想，也就不易給人留下深刻的印象.同樣，我們會發(fā)現(xiàn)閱讀教材中的習(xí)題，其研究對象往往為“一個質(zhì)點(diǎn)”、“一個理想的彈簧”、“一根無限長直導(dǎo)線”等等，很難讓學(xué)生將研究對象與生活中的實(shí)際對象聯(lián)系起來，降低了學(xué)生對習(xí)題進(jìn)行深入探究的興趣，因此不利于讓學(xué)生通過習(xí)題來深刻體會物理原理的含義與應(yīng)用范圍.

而在上述所列舉的各種國外教材中，所列舉的實(shí)例往往采用圖片形式，生動直觀;其內(nèi)容是生活中極其常見的人或事物，很好地避免了教材內(nèi)容的枯燥與生澀感.同樣，在每章節(jié)之后所給出的大量習(xí)題中，其研究對象更是五花八門，同時語言生動幽默，讓做習(xí)題也成了一件有趣的事情.通過大量形式多樣、貼近實(shí)際的物理習(xí)題的練習(xí)，讓學(xué)生能夠由淺入深地體會其中所蘊(yùn)含的深刻物理思想.很多教材甚至針對學(xué)生容易形成誤解的知識點(diǎn)引入漫畫，讓學(xué)生在會心一笑的同時理解了深奧的道理[2～5].

隨著教學(xué)改革的不斷深入，國內(nèi)現(xiàn)在不乏大量優(yōu)秀的大學(xué)物理教材，其中很多凝聚了作者多年寶貴的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和對物理教育事業(yè)深深的熱愛.例如清華大學(xué)的張三慧教授多年來精心編寫的幾套大學(xué)物理教材，在致力于基礎(chǔ)教學(xué)的同時緊跟知識的前沿，提供了大量的科技信息;在借鑒其他教材優(yōu)點(diǎn)的同時不失自己的長處與特色[6～8].張先生在教材的編撰與教學(xué)研究方面投入了大量的精力，為我國近年來引進(jìn)的很多國外教材作了序.又如趙凱華教授所編著的各種版本的物理教材已經(jīng)成為了各學(xué)科的經(jīng)典之作，是很多師生案頭必備的參考書[9～13].

4 產(chǎn)生差異的原因分析

造成中外大學(xué)物理教材差異是源于思維方式和文化的差異，以及教育體制的不同.西方文化強(qiáng)調(diào)個性、創(chuàng)新和學(xué)生動手能力的培養(yǎng);大學(xué)物理教材中也充分體現(xiàn)出了這些教育宗旨.國外的教育體制賦予了大學(xué)教育很大的靈活性和較多的教學(xué)空間，這成就了教材的多樣性，讓學(xué)生和教師都有了更多的選擇.中國的傳統(tǒng)文化雖然推崇嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，但在很多細(xì)節(jié)問題上，國外卻做得更為出色.例如，國外教材在排版設(shè)計、插圖使用、輔助教學(xué)資源的提供，以及教學(xué)網(wǎng)站制作等細(xì)節(jié)上更為用心，充分考慮讀者的需求，同時注重版權(quán)的保護(hù)，大部分資料的原創(chuàng)性極高.他山之石可以攻玉，為了能夠更好地借鑒國外教材的長處，本文更多地列舉了國外教材的優(yōu)點(diǎn)，但同時衷心希望我國能夠有更多的優(yōu)秀教材成為物理教學(xué)的經(jīng)典之作.

參考文獻(xiàn)

1 Hugh D. Young, Roger A. Freedman.Sears and Zemansky's University Physics.China machine press, 2002

2 Paul Peter Urone.College Physics.China machine press, 2008

3 Ronald Lane Reese.University Physics.China machine press, 2003

4 Raymond A. Serway,John W. Jewett.Principle of Physics. Tsinghua university press, 2003

5 Raymond A. Serway,Jerry S. Faughn. College Physics. Tsinghua university press, 2005

6 張三慧.大學(xué)物理學(xué)(力學(xué)、熱學(xué)).北京：清華大學(xué)出版社，2008

7 張三慧.大學(xué)物理學(xué)(電磁學(xué)).北京：清華大學(xué)出版社，2008

8 張三慧.大學(xué)物理學(xué)(光學(xué)、量子物理).北京：清華大學(xué)出版社，2008

9 趙凱華,羅蔚茵.新概念物理教程(力學(xué)).北京：高等教育出版社，2008

10 趙凱華,羅蔚茵.新概念物理教程(熱學(xué)).北京：高等教育出版社，2005

11 趙凱華,陳熙謀.新概念物理教程(電磁學(xué)).北京：高等教育出版社，2006

12 趙凱華.新概念物理教程(光學(xué)).北京：高等教育出版社，2007

13 趙凱華,羅蔚茵.新概念物理教程(量子物理).北京：高等教育出版社，2008