中美“原子核物理”教材比較與反思

金天翔，李 玲，錢 勇，王翀實，呂瑞華

(1.東華理工大學(xué) 化學(xué)生物材料科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013；2.德雷塞爾大學(xué) 建筑與環(huán)境工程學(xué)院，賓尼法尼亞洲 費城 PA19014)

目前我國處于核工業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略機遇期。在我國核工業(yè)創(chuàng)建60周年之際，習(xí)近平總書記明確指出：“全面提升核工業(yè)的核心競爭力，續(xù)寫我國核工業(yè)新的輝煌篇章。”[1]

人才培養(yǎng)是核工業(yè)高質(zhì)高效發(fā)展的根基，因此提高專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量成為我國高校核相關(guān)專業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵?！霸雍宋锢怼笔呛讼嚓P(guān)專業(yè)最重要的核心課程之一，其教學(xué)質(zhì)量與核工程人才的能力素質(zhì)息息相關(guān)。根據(jù)筆者的教學(xué)經(jīng)驗，目前我國“原子核物理”課程在教學(xué)實踐中存在以下問題：

(1)“原子核物理”課程中知識內(nèi)容理論性、抽象性較強，造成學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不高；(2)學(xué)生對“核”存在恐懼感，因此在學(xué)習(xí)中表現(xiàn)出一定的抵觸情緒；(3)缺乏科學(xué)文化、核安全文化以及工匠精神等意識形態(tài)層面的教育內(nèi)容，難以達到“立德樹人”的教育目標(biāo)。

教材質(zhì)量的提升是新時代高校教育教學(xué)的“新基建”，要解決教學(xué)相關(guān)問題，首先應(yīng)從教材入手[2,3]。美國作為核能源大國，其核相關(guān)領(lǐng)域的科研及教育水平在國際上是首屈一指的。其高校普遍具有較為完善的教學(xué)體系，其中“原子核物理”課程的建設(shè)也相對成熟并同時具有相應(yīng)的高水平教材[4]。本研究結(jié)合筆者在中美的教學(xué)經(jīng)驗，將國內(nèi)“原子核物理”教材與美國大學(xué)通用“原子核物理”教材進行比較研究，為我國高校教材的編寫以及專業(yè)建設(shè)提供合理化建議。

1 研究對象與研究方法

本研究分別選取原子能出版社出版的《原子核物理(修訂版)》[5]以及John Wiley & Sons Ltd出版有限公司出版的《原子核物理：原理與應(yīng)用》[6]兩本具有代表性的教材為研究對象。

本研究采用了文獻研究法、觀察法和文本分析法。在研究準(zhǔn)備初期，筆者通過知網(wǎng)等文獻網(wǎng)站查閱了大量與“原子核物理”教材教學(xué)、教材建設(shè)、比較教育、課程思政等相關(guān)資料文獻，并進行分析梳理，發(fā)現(xiàn)我國在“原子核物理”課程實踐上的不足，并與美國教材進行對比研究，同時通過觀察中美兩國教師在如何使用“原子核物理”課程教材進行教學(xué)方面的差異以及學(xué)生在課上的表現(xiàn)，并結(jié)合筆者在中美的教學(xué)經(jīng)驗，從知識內(nèi)容維度、組織結(jié)構(gòu)維度以及思政教育維度三個方面對兩版“原子核物理”課程教材進行比較分析。在對知識內(nèi)容維度進行分析時，筆者對兩版教材設(shè)計的知識內(nèi)容模塊進行了分析對比，得出兩版教材在編寫時對不同知識內(nèi)容有不同側(cè)重的結(jié)論。在比較“α衰變板塊”知識時，主要從內(nèi)容豐富度和內(nèi)容編排方面對比分析；在對組織結(jié)構(gòu)維度進行分析時，主要對兩版教材的章節(jié)編排順序以及邏輯關(guān)系進行分析對比；在對課程思政維度進行分析時，筆者通過列舉美國版教材中所涉及的思政教學(xué)內(nèi)容，從教材與教學(xué)兩方面，對兩版教材中所含有的思政教學(xué)內(nèi)容的差異以及兩國教師在教學(xué)過程中是否會引入思政元素進行分析對比。

2 研究結(jié)果

2.1 知識內(nèi)容維度

由圖1可知，中國版教材內(nèi)容包括：原子核物理基本概念、原子結(jié)構(gòu)、原子核不穩(wěn)定性、核輻射、核力以及原子核反應(yīng)等傳統(tǒng)知識模塊。此外，中國版教材還在知識體系中加入了中子物理、原子核裂變與聚變、亞原子物理以及原子天體物理學(xué)等原子物理學(xué)分支學(xué)科中的知識理論。對于美國版教材，其理論知識只有原子核物理基本概念、原子結(jié)構(gòu)、原子核不穩(wěn)定性以及原子核反應(yīng)這四個模塊，因此其在理論知識廣度方面明顯不及中國版教材。

圖1 兩版“原子核物理”課程教材對應(yīng)的章節(jié)序號、標(biāo)題及章節(jié)知識邏輯關(guān)系圖(實框章節(jié)為理論知識，虛框章節(jié)為理論知識的實際應(yīng)用)

中國版教材主要內(nèi)容為原子核物理相關(guān)知識理論(共345頁，占比81%)，而應(yīng)用相關(guān)章節(jié)偏少(共79頁，占比19%)。美國版教材相反，其理論章節(jié)所占比例相對較少(共126頁，占比39%)，大部分是將基本理論與實際應(yīng)用相結(jié)合的章節(jié)。例如，核醫(yī)學(xué)、工業(yè)分析以及核探測等(共196頁，占比61%)。在將基本理論與實際運用相結(jié)合的章節(jié)，美版教材從實際出發(fā)，將原子核殼結(jié)構(gòu)模型、Bethe-Bloch方程以及β射線能譜等難點知識與射線探測、核電站結(jié)構(gòu)以及放射性療法等實際問題相結(jié)合。這一方式更有利于學(xué)生理解“原子核物理”課程中復(fù)雜概念及抽象公式的實際物理意義。此外，在課堂教學(xué)中，美國教師會根據(jù)教材中的具體應(yīng)用實例來創(chuàng)設(shè)情景模擬教學(xué)以及問題導(dǎo)向教學(xué)，例如，教師通過高分子材料表面改性這一材料科學(xué)領(lǐng)域的問題來引出γ射線能相關(guān)理論。這一方式有效避免了不必要的理論推導(dǎo)過程，可以充分啟發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并強化學(xué)生運用理論知識解決實際問題的能力。

在內(nèi)容深度方面，中國版教材是高于美國版教材的。本研究選取兩版教材均涉及的“α衰變板塊”作為代表來加以討論證明。對于“原子核物理”課程來說，內(nèi)容深度是指內(nèi)容向更高階段延伸或闡明核物理本質(zhì)的程度。此處筆者主要采用鏈?zhǔn)侥Ｐ停容^由一個概念點出發(fā)的延伸程度。由圖2可以看出，我國教材從α衰變概念出發(fā)，引出α衰變能的概念及理論，并隨后通過經(jīng)典力學(xué)理論解釋衰變常量和衰變能之間的相互關(guān)系。然而，由經(jīng)典力學(xué)所推導(dǎo)出的結(jié)果與實驗結(jié)果相矛盾，因此作者又采用量子力學(xué)中的“隧道效應(yīng)”對α衰變能與庫倫勢壘的相互關(guān)系做出解釋。最后，作者又提出奇奇核的α衰變的實驗數(shù)據(jù)仍無法用當(dāng)前理論完美解釋，因此引入并詳細闡述了禁戒因子在α衰變理論中的作用。上述理論環(huán)環(huán)相扣，逐漸深入，形成嚴謹?shù)倪壿嫿Y(jié)構(gòu)，將學(xué)生逐漸帶入高深的量子物理學(xué)領(lǐng)域。然而，美國版教材所涉及的知識理論明顯較淺，并沒有繼續(xù)介紹α衰變現(xiàn)象深層原理。但是，美國版教材通過舉例的方法介紹了相關(guān)數(shù)學(xué)計算方法，而中國版教材并沒有相關(guān)例題講解具體計算方法，這表明美國版教材對于知識的運用較為重視。

圖2 中美教材α衰變板塊知識延伸程度示意圖

在實際教學(xué)過程中，美國學(xué)生會在課下花費大量時間用于閱讀教材，自主學(xué)習(xí)教材中的理論知識并在課堂進行討論。這是因為美國版教材難度較低，因此適合學(xué)生自行學(xué)習(xí)理解。中國版教材知識深度較高，造成學(xué)生自學(xué)難度較大，且在書中沒有加入例題，因此須通過教師課堂講解才能理解其中的知識內(nèi)容，這一階段仍以教師為中心“滿堂灌”講授式教學(xué)為主，學(xué)生主動學(xué)習(xí)、探索研究的較少，這種學(xué)生處于被動、服從的學(xué)習(xí)地位，學(xué)習(xí)的自覺性和主動性沒有得到充分發(fā)揮的培養(yǎng)模式不利于學(xué)生知識的掌握和興趣的培養(yǎng)，嚴重影響了教學(xué)效果[7]。

2.2 組織結(jié)構(gòu)維度

中國版教材章節(jié)編排順序及邏輯關(guān)系，如圖1所示。首先介紹原子核的基本性質(zhì)(第一章)，再學(xué)習(xí)原子核的穩(wěn)定性以及放射性(第二章)，進而引出核輻射測量(第三章)，之后介紹核力(第四章)，再結(jié)合第二章內(nèi)容引出α、β衰變以及γ躍遷(第五到七章)。上述章節(jié)順序與美國版教材基本一致，符合核物理理論學(xué)習(xí)的邏輯順序。然而，對于原子核結(jié)構(gòu)以及原子核反應(yīng)相關(guān)內(nèi)容則被分別安排在比較靠后的第八章及第九章學(xué)習(xí)。原子核結(jié)構(gòu)以及原子核反應(yīng)是原子核物理的中心問題，是理解原子核不穩(wěn)定性、放射性及核力的基礎(chǔ)，因此這一章節(jié)的順序安排可能導(dǎo)致學(xué)生在核物理理論認知方面出現(xiàn)一定的錯位，不利于在學(xué)習(xí)中體會核物理理論的完整性。此外，中國版教材雖然涉及的知識面較廣，但組織結(jié)構(gòu)松散，各章節(jié)相互關(guān)聯(lián)性不強。例如，中子物理、核天體物理學(xué)基本理論以及亞原子物理基本理論與書中其他章節(jié)內(nèi)容知識存在一定的割裂。

美國版教材各章節(jié)設(shè)計的邏輯關(guān)系較為簡明，其分為基礎(chǔ)知識與應(yīng)用兩個部分(見圖1)。教材首先從原子核基本性質(zhì)(第一章)入手，再學(xué)習(xí)原子核基本結(jié)構(gòu)(第二章)，進而對原子核結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性(第三章)進行研究，而原子核的不穩(wěn)定性也就使原子核反應(yīng)(第四章)成為可能。上述四章內(nèi)容是“原子核物理”最基礎(chǔ)也是最關(guān)鍵的理論知識，書中按照各理論從基礎(chǔ)到復(fù)雜的邏輯順序進行編排。當(dāng)學(xué)習(xí)完上述四章基礎(chǔ)知識后，將所學(xué)理論帶入現(xiàn)實應(yīng)用中，學(xué)習(xí)核輻射與物質(zhì)的相互作用(第五章)，以此為基礎(chǔ)學(xué)習(xí)核探測手段、相關(guān)儀器設(shè)備(第六章)以及核輻射對生物的影響(第七章)。最后將上述知識進一步應(yīng)用于工業(yè)分析(第八章)、核醫(yī)學(xué)(第九章)及核能源(第十章、第十一章)領(lǐng)域。各章節(jié)形成樹狀網(wǎng)絡(luò)知識結(jié)構(gòu)，相互關(guān)系緊密，有利于學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中厘清各種原子核物理知識模塊間的邏輯關(guān)系，為靈活運用相關(guān)知識解決實際問題打下牢固的基礎(chǔ)。

2.3 課程思政維度

習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會議中強調(diào)，高等學(xué)校要堅持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，實現(xiàn)全程育人、全方位育人。因此，教材作為課程的重要載體，不僅要傳播理論知識，同時也需要起到立德樹人的作用。在美國教育系統(tǒng)中，思政教育也被稱為公民教育，受到美國各高校的高度重視[8]。美國的課程教材中不僅包含專業(yè)知識內(nèi)容，也在知識理論中插入思政教育元素，并將兩者較為合理自然地融合，從而做到在潛移默化中進行思想教育的目的。以美國版“原子核物理”課程教材中的思政教育內(nèi)容舉例：

(1)克服核恐懼：“談核色變”的根本原因是對放射性與人體組織相互作用機制不了解，無法正確評估核輻射對人體造成的危害。因此，教材編者在第七章內(nèi)容中主要闡述了核輻射對人體組織的破壞性、對應(yīng)的科學(xué)評估方法及基本的防護措施。編者通過分析指出，每年暴露在核輻射環(huán)境下的工程人員的死亡率其實只有礦業(yè)工作人員的五分之一、建筑工人的四分之一，以此說明隨著人類對核輻射致癌機制的認知水平的提高以及防護措施逐漸完善，核輻射導(dǎo)致疾病與死亡的概率將會大大降低，幫助學(xué)生減少對核輻射的恐懼。

(2)環(huán)境保護：美版教材的出版信息中用粗體字寫明：“本書所用紙張是來源于可再生森林，該森林中每因為造紙砍伐一棵樹，就會對應(yīng)栽種兩棵樹。”在第十章第七節(jié)中，編者還詳細描述了核廢料對人類環(huán)境的潛在危害，并闡述了幾種可能的解決核廢料污染的技術(shù)原理，鼓勵讀者為解決上述環(huán)境問題做出貢獻。

(3)工匠精神： 第八章第七節(jié)中，討論了在分析測試中測定輻射信號微弱的問題。編者指出：輻射強度是一種危險而又關(guān)鍵的指標(biāo)。作為合格的專業(yè)測試分析人員，即使是測定不到信號也不可以認為測試對象沒有核輻射，因為任何測試都會存在不確定性，所以在測試過程中測試人員需發(fā)揚工匠精神，堅持重復(fù)測量或過一段時間繼續(xù)測量，如此才能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

(4)人文關(guān)懷：第九章核醫(yī)學(xué)中，編者認為作為核醫(yī)學(xué)的研究者不能只注重療效，還應(yīng)考慮患者的治療體驗，例如通過放射性釔來替代傳統(tǒng)的放射性碘來治療癌癥是一種更好的治療方式。其主要原因是放射性釔可以做到有選擇性地聚集在腫瘤區(qū)域內(nèi)進行治療，從而對患者健康組織造成較低的傷害。此外，放射性釔治療并不需要住院，患者可以得到相對較好的治療體驗。

由上述內(nèi)容可知，相比于中國版教材，美國版教材在傳播知識的同時，更注重對學(xué)生的心理及思想進行教育。教材內(nèi)容更有溫度和人情味而不只是冷冰冰的科學(xué)原理，其更像一個知識豐富的導(dǎo)師在教導(dǎo)學(xué)生，容易拉近知識與學(xué)生的距離，讓學(xué)生愛上學(xué)習(xí)。

但是在課堂教學(xué)方面，我國高校課堂更加重視課程思政，在教學(xué)過程中教師會更注重融入思政元素。美國課堂教學(xué)并不要求思政元素的引入，教師在課堂講授過程中會有選擇性地忽略教材中的德育內(nèi)容及其他與知識內(nèi)容無關(guān)的部分。對于思政教育來說，課程與教材二者是密不可分的。課程思政要貫穿課程教學(xué)全過程，是課內(nèi)與課外相結(jié)合的“全員、全程、全方位”教育模式， 并形成“同向、同步、同行”的教學(xué)效果[9]。因此在課堂教學(xué)中，應(yīng)充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，向?qū)W生輸入思政理念；在課后，教師通過布置教材中相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)任務(wù)及作業(yè)等方式，讓學(xué)生主動接受思政元素的熏陶，最終做到在潛移默化中進行思政教育，構(gòu)成教材與課堂協(xié)同育人的基本格局。

3 總結(jié)與反思

綜合上述內(nèi)容，本研究總結(jié)出中美兩版“原子核物理”課程教材各自的特點。中國版教材：(1)內(nèi)容廣度及深度較大；(2)內(nèi)容偏向理論研究；(3)章節(jié)編排結(jié)構(gòu)較為松散；(4)缺乏思政教育元素。美國版教材：(1)內(nèi)容涉及知識面較窄，缺乏理論深度；(2)內(nèi)容偏向?qū)嶋H應(yīng)用研究；(3)章節(jié)編排簡明合理；(4)將知識內(nèi)容與思政元素緊密結(jié)合。

我國核物理教學(xué)起步較晚，目前取得了一些成功的經(jīng)驗，但是也存在著一定的不足。上述中美兩版教材的比較可以為我國教材及課程改革提供借鑒：

(1)教材編寫應(yīng)以學(xué)生為中心。大力營造以學(xué)習(xí)者為中心的新型教育教學(xué)生態(tài)，以學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展為中心，是教材改革的依據(jù)與核心[10]。根據(jù)維果斯基提出的“最近發(fā)展區(qū)”理念，教學(xué)應(yīng)走在學(xué)生發(fā)展的前面。反映到具體的教學(xué)實踐活動中，就是教學(xué)要充分考慮到學(xué)生已有的發(fā)展水平和知識經(jīng)驗，同時也要結(jié)合學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”，給學(xué)生提出更高的發(fā)展要求。因此教材內(nèi)容與章節(jié)編排應(yīng)與本科生認知水平相適應(yīng)。過于簡略的知識內(nèi)容會降低本科生的培養(yǎng)質(zhì)量，而過多過難的理論知識也會降低學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)主動性。因此，在教材內(nèi)容深度及廣度方面應(yīng)與我國本科生的數(shù)學(xué)及物理水平相結(jié)合來進行設(shè)計。章節(jié)編排應(yīng)從基礎(chǔ)到復(fù)雜，盡量符合邏輯規(guī)律及學(xué)生認知發(fā)展規(guī)律。

(2)教材內(nèi)容應(yīng)將理論與實際應(yīng)用相結(jié)合。將難于理解的理論原理應(yīng)用于解決實際問題的過程中，讓學(xué)生更容易理解這些知識原理所具有的實際意義，同時再結(jié)合以問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式，進而做到有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)知識分析問題、解決問題的能力。

(3)將思政元素與專業(yè)知識進行融合并引入教材。高校是人才培養(yǎng)的主要陣地，必須擔(dān)負起工匠精神人才的培養(yǎng)[11]。德育元素的引入可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并取得立德樹人的教學(xué)效果。教材中的德育元素與課堂思政教育是不可割裂的，將教材中思政元素與課堂思政相結(jié)合，幫助學(xué)生樹立正確的人生觀、價值觀和世界觀，引導(dǎo)學(xué)生欣賞、學(xué)習(xí)科學(xué)家、物理學(xué)家的科研精神，培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成求真務(wù)實、嚴謹認真的科學(xué)態(tài)度，真正做到五育并舉，構(gòu)建全方位育人的教學(xué)格局。