中外大學(xué)物理優(yōu)秀教材內(nèi)容比較研究

張琦瑋 馬天魁 趙 陽(yáng)

(高等教育出版社 北京 100029)

1 引言

大學(xué)物理是面向低年級(jí)大學(xué)生的公共基礎(chǔ)課，教材作為學(xué)科知識(shí)的載體，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(shí)與信息，同時(shí)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)．為助力教學(xué)，教材的編寫既要合理地安排知識(shí)內(nèi)容，更應(yīng)該適應(yīng)低年級(jí)大學(xué)生的特點(diǎn)，具有較好的可讀性和實(shí)用性.

在我國(guó)高等教育發(fā)展中，教育主管部門對(duì)教材建設(shè)給予了相當(dāng)?shù)闹匾?，大學(xué)物理教材建設(shè)取得了顯著的成果，在講授內(nèi)容的廣度、深度等方面有了較大的改善.

我國(guó)現(xiàn)行大學(xué)物理教材體系仍一定程度上沿襲蘇聯(lián)教材的體系，與歐美采用的大學(xué)物理教材存在較大不同.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(shí)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(shí)也為我國(guó)的大學(xué)物理教材建設(shè)提供了參考與借鑒.

2 國(guó)內(nèi)外大學(xué)物理教材概況

在我國(guó)，物理教材的編寫是圍繞物理課程教學(xué)的基本要求開展的.在教育部高等學(xué)校物理學(xué)與天文學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)編制的《理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》(2010年版)(下文中簡(jiǎn)稱《基本要求》)中，教學(xué)內(nèi)容主要分為力學(xué)、振動(dòng)與波、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、狹義相對(duì)論力學(xué)基礎(chǔ)和量子物理基礎(chǔ)和分子與固體、核物理與粒子物理、天體物理與宇宙學(xué)及其現(xiàn)代科學(xué)與高新技術(shù)的物理基礎(chǔ)專題幾個(gè)方面.可以看出《基本要求》在內(nèi)容方面對(duì)現(xiàn)代物理方面更加重視.

我們選用4套教材作為研究對(duì)象，具體情況如下.

因馬文蔚等主編的《物理學(xué)》(第7版)和張三慧主編的《大學(xué)物理學(xué)》(第4版)為首屆全國(guó)教材建設(shè)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)教材中獲獎(jiǎng)的兩套大學(xué)物理教材，分別出版于2019年和2017年，版次較新，且這兩套教材適用面廣、使用學(xué)生多，所以中文教材選擇這兩套教材作為研究對(duì)象.哈里德等主編的《Principles of Physics》(9th edition)、西爾斯等主編的《University Physics with Modern Physics》(15th edition)均為風(fēng)靡多年的國(guó)外優(yōu)秀大學(xué)物理教材，均于21世紀(jì)初引入國(guó)內(nèi)，在我國(guó)深受也為從事大學(xué)物理教學(xué)的教師所熟知和喜愛，所以外文教材選擇這兩套教材作為研究對(duì)象.

3 教材結(jié)構(gòu)比較

本研究所選國(guó)內(nèi)教材均為上下兩冊(cè)，國(guó)外教材為全一冊(cè).表1所列為所選教材章目錄及附錄內(nèi)容.

表1 各版本教材章目錄

續(xù)表1

3.1 章數(shù)

由表1可知，國(guó)內(nèi)教材章數(shù)相對(duì)較少，馬文蔚版教材共16章，張三慧版教材共30章；國(guó)外教材章數(shù)較多，哈里德版教材和西爾斯版教材均由44章構(gòu)成.造成中外教材章數(shù)差異的可能原因如下：

(1)國(guó)外教材章節(jié)劃分會(huì)更加細(xì)致，譬如馬文蔚教材中，剛體和轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)內(nèi)容為一章，而在哈里德版教材中，分為轉(zhuǎn)動(dòng)、轉(zhuǎn)矩和角動(dòng)量、平衡與彈性、流體等4章來(lái)講授.

(2)對(duì)于核心知識(shí)點(diǎn)(我國(guó)《基本要求》中的A類知識(shí)點(diǎn))，國(guó)內(nèi)外教材覆蓋面是基本一致的，對(duì)于拓展知識(shí)點(diǎn)(我國(guó)《基本要求》中的B類知識(shí)點(diǎn))，國(guó)內(nèi)教材通常著墨不多.例如對(duì)于等離子體，馬文蔚版教材多在加“*”的選學(xué)部分用小字簡(jiǎn)單提及，而張三慧版教材是在“每日物理趣聞”中加以介紹，國(guó)外教材對(duì)等離子體介紹較多,在習(xí)題中加入了相關(guān)情境題目.在國(guó)外教材中對(duì)于分子與凝聚態(tài)物質(zhì)、宇宙學(xué)專門設(shè)章闡述，而國(guó)內(nèi)教材基本不涉及相關(guān)內(nèi)容.

3.2 附錄內(nèi)容

附錄是教材的重要組成部分，它可以是教材內(nèi)容的補(bǔ)充或延伸，也可以是為計(jì)算提供必要支持的數(shù)據(jù)及公式.國(guó)內(nèi)教材與國(guó)外教材均設(shè)有相應(yīng)的附錄.總體來(lái)講，國(guó)內(nèi)教材附錄部分較國(guó)外教材更為簡(jiǎn)略，通常會(huì)提供常用物理常量表作為參考，方便學(xué)生做題時(shí)隨用隨查.馬文蔚版教材在附錄部分提供了矢量和國(guó)際單位制的簡(jiǎn)單介紹，便于基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生自學(xué).國(guó)外教材附錄內(nèi)容更加豐富，哈里德版教材和西爾斯版教材附錄內(nèi)容大體一致，均包括國(guó)際單位制、常用數(shù)學(xué)公式、希臘字母、元素周期表、單位換算因子、常量表、元素性質(zhì)等.值得一提的是，兩套國(guó)外教材均在附錄部分提供了單位換算因子查詢表，以幫助學(xué)生快速完成英制和公制的轉(zhuǎn)換.

4 教材的物理概念論述風(fēng)格比較

(1)國(guó)內(nèi)教材：言簡(jiǎn)意賅，注重邏輯推導(dǎo)、數(shù)學(xué)演繹.

國(guó)內(nèi)教材內(nèi)容結(jié)構(gòu)體系嚴(yán)謹(jǐn)，邏輯推理嚴(yán)密.因?yàn)閲?guó)內(nèi)學(xué)生在中學(xué)階段所學(xué)習(xí)的物理內(nèi)容在深度和廣度上大于國(guó)外中學(xué)階段的物理內(nèi)容，所以國(guó)內(nèi)教材在內(nèi)容選取上避免了和高中物理知識(shí)的重復(fù)性，是在高中物理知識(shí)基礎(chǔ)上的螺旋上升式展開，能夠節(jié)省課時(shí)，但對(duì)于部分高中物理基礎(chǔ)較為薄弱的學(xué)生，可能存在與中學(xué)物理教材的銜接問題.國(guó)內(nèi)大學(xué)物理教材體現(xiàn)的思維方式和運(yùn)算方式明顯和高中不同，注重微積分的運(yùn)用和矢量計(jì)算.國(guó)內(nèi)教材較偏重于運(yùn)用邏輯、數(shù)學(xué)演繹及數(shù)學(xué)表達(dá)去揭示物理學(xué)中所蘊(yùn)含的物理規(guī)律、概念的物理意義，能較好地體現(xiàn)理論的嚴(yán)謹(jǐn)性，能幫助學(xué)生按部就班地建立知識(shí)體系.但國(guó)內(nèi)教材在概念論述方式上也存在弊端，如國(guó)內(nèi)教材偏重于運(yùn)用數(shù)學(xué)邏輯演繹方法去闡述問題，比較抽象，容易使學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒.在目前的國(guó)內(nèi)優(yōu)秀大學(xué)物理教材中，作者十分重視理論與實(shí)踐的結(jié)合，學(xué)生很難將所學(xué)的物理定理、定律與實(shí)際生活經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系起來(lái)，不利于學(xué)生思維模型的建立.此外，對(duì)于當(dāng)前以物理學(xué)為基礎(chǔ)的新技術(shù)、新科技應(yīng)用的介紹較少，專業(yè)針對(duì)性不強(qiáng).

(2)國(guó)外教材：篇幅較長(zhǎng)、鋪墊較多，多從日常生活實(shí)例或前沿科技出發(fā)，以歸納、類比的邏輯方式引入物理概念和規(guī)律.

國(guó)外教材不過多依賴數(shù)學(xué)推導(dǎo)、邏輯演繹過程，注重從日常生活實(shí)例或前沿科技出發(fā)，以歸納或類比的方式引入物理概念和規(guī)律，突出物理過程的推理和分析，強(qiáng)調(diào)對(duì)物理概念和規(guī)律的理解和對(duì)物理意義的闡述.在哈里德版教材中多次用類比法闡明不同物理規(guī)律和物理概念間的相互關(guān)系, 從而加深學(xué)生對(duì)物理本質(zhì)的理解. 例如,將彈簧振子與LC電路類比,將聲學(xué)共振腔與電磁共振腔類比.

國(guó)外教材能處處體現(xiàn)物理既來(lái)源于生活又應(yīng)用于生活的特色.例如，在西爾斯版教材中，講到電磁感應(yīng)定律的應(yīng)用時(shí)，介紹了電吉他工作原理；在講靜電的應(yīng)用時(shí)，介紹了靜電集塵器的工作原理及其在工業(yè)上的應(yīng)用；在學(xué)習(xí)理想氣體狀態(tài)方程時(shí)，分析了在搖晃香檳酒瓶后打開瓶塞，香檳酒會(huì)噴出瓶口的物理原理.這些都會(huì)有助于學(xué)生將所學(xué)理論與生產(chǎn)、生活實(shí)際緊密相連，學(xué)會(huì)運(yùn)用學(xué)過的物理理論去探索生活中的奧妙，從而喚起學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣.

5 教材內(nèi)容比較

5.1 各部分所占篇幅

篇幅一定程度上可以說明教材闡述的細(xì)致程度及內(nèi)容的豐富程度，從而體現(xiàn)相關(guān)知識(shí)的重要程度.大部分大學(xué)物理教材內(nèi)容是按照力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)和近代物理幾個(gè)部分劃分知識(shí)內(nèi)容的，本研究選用的4套教材皆是如此.本研究中，將振動(dòng)和波動(dòng)劃入力學(xué)部分，將相對(duì)論劃入近代物理部分，可得4套教材中力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、近代物理各部分的頁(yè)數(shù)及所占比例如表2所示.

表2 4套教材中各模塊的頁(yè)數(shù)及占比

由表2可知，國(guó)外教材比國(guó)內(nèi)教材篇幅更長(zhǎng)，尤其是力學(xué)部分內(nèi)容所用的篇幅、所占的比例顯著高于國(guó)內(nèi)教材.造成國(guó)內(nèi)教材篇幅短于國(guó)外教材的因素有很多，包括：

(1)教材的物理概念論述風(fēng)格不同，我國(guó)通常采用的是蘇聯(lián)教材的風(fēng)格，重推導(dǎo).國(guó)外教材重歸納、重演繹，所以篇幅較長(zhǎng).

(2)國(guó)內(nèi)高校大學(xué)物理課程的學(xué)時(shí)數(shù)不足，很多高校學(xué)時(shí)數(shù)已不足100，無(wú)法完成過多教學(xué)內(nèi)容.

(3)國(guó)內(nèi)高中生有一定的物理和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，因此國(guó)內(nèi)教材在講授力學(xué)、電磁學(xué)、幾何光學(xué)相關(guān)知識(shí)時(shí)，起點(diǎn)較高.

上文已提及，國(guó)內(nèi)教材通常根據(jù)《基本要求》編寫，在《基本要求》中規(guī)定了各部分內(nèi)容的建議課時(shí)數(shù)，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表3所示.

表3 各部分內(nèi)容的建議課時(shí)數(shù)

將《基本要求》中規(guī)定的各部分的建議課時(shí)數(shù)與兩套國(guó)內(nèi)教材各部分所占篇幅比例進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)，教材中力學(xué)部分所占比例比《基本要求》中規(guī)定的高，電磁學(xué)部分所占比例比《基本要求》中規(guī)定的低，其他部分所占比例與《基本要求》大致相符.造成以上情況的可能原因?yàn)椋?/p>

(1)因?qū)W生的物理知識(shí)和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)存在差異，在教授力學(xué)部分內(nèi)容時(shí)會(huì)降低對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的要求，以歸納的邏輯方式引入物理概念和規(guī)律.

(2)力學(xué)部分與學(xué)生日常生活聯(lián)系更為緊密，教材編寫時(shí)增加了大量日常生活實(shí)例或前沿科技相關(guān)內(nèi)容.

(3)兩套國(guó)內(nèi)教材都適用于理工科類學(xué)生，對(duì)于《基本要求》中力學(xué)部分的拓展知識(shí)點(diǎn)講解更為詳細(xì).

(4)國(guó)外教材的編寫理念是加強(qiáng)物理學(xué)各分支均適用的定律和概念, 借以揭示物理學(xué)的統(tǒng)一性，所以會(huì)詳細(xì)介紹守恒定律 (能量守恒、 動(dòng)量守恒、 角動(dòng)量守恒等 )、波動(dòng)概念、場(chǎng)的概念，相關(guān)章節(jié)篇幅較長(zhǎng).

5.2 教材廣度

下面比較國(guó)內(nèi)外教材的廣度.因兩套國(guó)內(nèi)教材均根據(jù)《基本要求》編寫，體系基本相同，兩套國(guó)外教材雖然內(nèi)容所歸屬章節(jié)不同，但是包含的內(nèi)容基本一致，所以下面以哈里德版教材和馬文蔚版教材為例展開比較研究.因本研究篇幅有限，僅對(duì)力學(xué)和電磁學(xué)部分進(jìn)行研究.

5.2.1 力學(xué)部分廣度研究

兩套教材的力學(xué)部分主要內(nèi)容如表4所示.

表4 馬文蔚版教材和哈里德版教材 力學(xué)部分主要內(nèi)容比較

續(xù)表4

由表4可知， 國(guó)外教材力學(xué)部分的廣度高于國(guó)內(nèi)教材，知識(shí)點(diǎn)覆蓋面更大，具體結(jié)論如下：

(1)國(guó)外教材對(duì)測(cè)量、矢量、萬(wàn)有引力部分做了詳細(xì)介紹，而相應(yīng)部分在馬文蔚版教材中并未在正文中詳細(xì)描述(矢量部分在附錄中有相應(yīng)介紹).

(2)在運(yùn)動(dòng)學(xué)、能量、剛體轉(zhuǎn)動(dòng)、流體等部分，國(guó)外教材的敘述更為詳細(xì).

(3)國(guó)內(nèi)教材力學(xué)部分的重點(diǎn)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律和3個(gè)守恒定律及其成立條件，力學(xué)中除角動(dòng)量、剛體部分外絕大多數(shù)概念學(xué)生在中學(xué)階段已有接觸，因此國(guó)內(nèi)教材中不做贅述，這也是符合《基本要求》的.

5.2.2 電磁學(xué)部分廣度研究

國(guó)內(nèi)外教材電磁學(xué)部分內(nèi)容的比較如表5所示.

由表5可知，國(guó)內(nèi)教材起點(diǎn)更高，從靜電場(chǎng)講起，最終達(dá)到的要求也很高.國(guó)外教材起點(diǎn)低，從電荷講起，由簡(jiǎn)入深，逐漸深化，最終達(dá)到的要求略低于國(guó)內(nèi)教材，部分國(guó)內(nèi)教材提及的概念在國(guó)外教材中并未涉及，譬如哈里德版教材中并未涉及電位移、三相交流電等概念.

綜上所述，通過對(duì)力學(xué)、電磁學(xué)部分內(nèi)容的對(duì)比分析可知，就教材的廣度而言，國(guó)外教材起點(diǎn)低，論述范圍廣.這與中美兩國(guó)高中學(xué)生的物理與數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不同有很大關(guān)系.美國(guó)大部分的高中生沒有微積分基礎(chǔ)，高中所學(xué)物理知識(shí)也比較淺，大學(xué)物理教材要適用于未參加過“大學(xué)先修課程”的學(xué)生，所以，國(guó)外教材往往從最基礎(chǔ)的測(cè)量、單位等開始，逐步過渡到深層次內(nèi)容；而由于國(guó)情的差異，對(duì)中學(xué)物理介紹得比較多的運(yùn)動(dòng)學(xué)、電力、磁力、靜電感應(yīng)及電磁感應(yīng)現(xiàn)象等內(nèi)容，編寫時(shí)往往強(qiáng)調(diào)與中學(xué)教學(xué)的銜接，精簡(jiǎn)內(nèi)容，提高起點(diǎn)，減少不必要的重復(fù).

5.3 教材深度

在此部分，我們?nèi)匀灰择R文蔚版教材和哈里德版教材為例進(jìn)行對(duì)比研究.

在力學(xué)部分中，國(guó)內(nèi)教材中常見的質(zhì)心系、自然坐標(biāo)系等在國(guó)外教材中并未涉及.在電磁學(xué)部分中，國(guó)內(nèi)教材對(duì)于電介質(zhì)、磁介質(zhì)、有磁介質(zhì)存在時(shí)的磁場(chǎng)往往專門設(shè)章節(jié)詳細(xì)講解，而哈里德版教材只是定性解釋了電介質(zhì)極化問題，對(duì)于磁介質(zhì)并未涉及，麥克斯韋方程組也僅給出了真空中的形式.在熱學(xué)、光學(xué)、近代物理學(xué)中，類似情況同樣存在.

綜上可知，國(guó)外教材在深度上低于國(guó)內(nèi)教材.

6 結(jié)論

通過分析馬文蔚版教材、張三慧版教材、哈里德版教材和西爾斯版教材的物理概念闡述風(fēng)格、內(nèi)容等，我們可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外教材各有其優(yōu)勢(shì)和不足.

國(guó)內(nèi)教材存在以下優(yōu)勢(shì)：

(1)在物理概念闡述方面，國(guó)內(nèi)大學(xué)物理教材體系完整，符合《理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》(2010年版)，各部分知識(shí)內(nèi)在聯(lián)系緊密，論述語(yǔ)言簡(jiǎn)練、條理清晰、邏輯嚴(yán)密.

(2)在教材內(nèi)容方面，國(guó)內(nèi)大學(xué)物理教材與國(guó)內(nèi)高中階段教材銜接良好，起點(diǎn)相對(duì)較高，符合大部分我國(guó)大學(xué)低年級(jí)階段學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平和數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)，有效地縮短了篇幅，減少了學(xué)時(shí)，更符合我國(guó)的實(shí)際情況.

國(guó)內(nèi)教材存在以下不足：

(1)國(guó)內(nèi)教材體系更偏重于定量計(jì)算與邏輯推導(dǎo)，這在一定程度上會(huì)弱化學(xué)生對(duì)于物理概念本質(zhì)的關(guān)注.

(2)國(guó)內(nèi)教材與日常生活相關(guān)的應(yīng)用較少，不少教材涉及的應(yīng)用過于集中和雷同.

同樣，國(guó)外教材存在一些值得我們學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)：

(1)在裝幀設(shè)計(jì)方面，國(guó)外教材全彩印刷，更加圖文并茂，生動(dòng)活潑，趣味性強(qiáng)，更能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

(2)在教材內(nèi)容方面，國(guó)外教材中所涉及的基礎(chǔ)知識(shí)多于國(guó)內(nèi)教材，即國(guó)外教材的廣度大于國(guó)內(nèi)教材的廣度，如流體力學(xué)、聲學(xué)、幾何光學(xué)、核物理、宇宙學(xué)等內(nèi)容在兩本國(guó)外教材中都占較大篇幅，講解更為詳細(xì).

(3)國(guó)外教材往往簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)推導(dǎo)，更強(qiáng)調(diào)物理概念和物理意義.

(4)國(guó)外教材鋪墊較多，講解細(xì)致，多從日常生活實(shí)例或前沿科技出發(fā)，以歸納、類比的邏輯方式引入物理概念和規(guī)律，對(duì)于基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生更為友好.

上述的比較，為我們以后的教材建設(shè)提供了一些參考，我們可以著眼于借鑒國(guó)外教材的一些優(yōu)點(diǎn)，不斷改進(jìn)和提升我國(guó)大學(xué)物理教材的品質(zhì)和內(nèi)涵.