范 灼

(湖北科技學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，湖北 咸寧 437100)

案例版教材是大學(xué)非理科類(lèi)專(zhuān)業(yè)物理教學(xué)一大趨勢(shì)，我們知道，在本科自然科學(xué)教學(xué)上，存在蘇聯(lián)模式和美國(guó)模式。蘇聯(lián)模式重視學(xué)科體系，強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性，對(duì)于物理概念和規(guī)律，不僅需要學(xué)生理解和掌握，而且要求在現(xiàn)代數(shù)學(xué)的高度上有所認(rèn)識(shí)。這樣的要求需在學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中，通過(guò)前期的完整的數(shù)學(xué)培訓(xùn)，以及物理學(xué)習(xí)過(guò)程中大量的習(xí)題來(lái)完成。這一點(diǎn)是來(lái)源于蘇聯(lián)本科教育精英的模式。我們國(guó)家的物理教學(xué)曾受該模式影響很深。例如中科院理工科類(lèi)至今要求學(xué)生完成吉米諾維奇習(xí)題集，以此來(lái)培訓(xùn)學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。而與蘇聯(lián)模式不同，美國(guó)的本科教育其思想是立足于公民教育[1]。在公民接受本科教育的過(guò)程中，掌握物理學(xué)的基本規(guī)律主要是通過(guò)生活實(shí)例來(lái)完成，相比較而言，不太重視學(xué)科的體系，同時(shí)對(duì)數(shù)學(xué)要求也很低，基本相當(dāng)于我國(guó)的中學(xué)數(shù)學(xué)水平即可完成大學(xué)非理科物理教學(xué)。

目前，我國(guó)的高考錄取率已突破70%，高等教育早已不是培養(yǎng)社會(huì)精英、科研人才的目的了。但是相應(yīng)的在基礎(chǔ)領(lǐng)域的教學(xué)上目前還處于相對(duì)不同步的階段。例如在非物理專(zhuān)業(yè)的物理教學(xué)，目前還是存在過(guò)多重視知識(shí)體系、結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)形式等方面，而缺乏物理知識(shí)與生活實(shí)踐相結(jié)合。07年科學(xué)出版社組織部分醫(yī)學(xué)類(lèi)院校編寫(xiě)《醫(yī)學(xué)物理學(xué)》(案例版)[2]是對(duì)醫(yī)學(xué)類(lèi)本科生物理教學(xué)的一個(gè)改進(jìn)嘗試。該教材在湖北科技學(xué)院已使用5年，已積累一定的教材使用經(jīng)驗(yàn)。在此之前，醫(yī)學(xué)類(lèi)院校普遍采用人民衛(wèi)生出版社胡新珉等編寫(xiě)的《醫(yī)學(xué)物理學(xué)》教材[3]，部分院校也使用高等教育出版社陳仲本等編寫(xiě)的《醫(yī)用物理學(xué)》[4]。近年來(lái)，原版引入的國(guó)外優(yōu)秀教材越來(lái)越多，相應(yīng)的對(duì)比國(guó)內(nèi)外教材的工作也逐漸引起關(guān)注[5]。作為對(duì)比，我們參考機(jī)械工業(yè)出版社引進(jìn)的美國(guó)Paul Peter Urone的College Physics第二版[6]，該書(shū)推薦給生物、生理和醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)，與國(guó)內(nèi)相應(yīng)教材定位基本一致，可以作為對(duì)比材料。

本文試圖通過(guò)對(duì)比上述基本教材在內(nèi)容選擇、物理概念和規(guī)律的提出方式、數(shù)學(xué)表述形式以及例題和習(xí)題的設(shè)置等幾個(gè)方面，論述醫(yī)學(xué)本科教學(xué)中物理教學(xué)的客觀實(shí)際以及學(xué)生需求，說(shuō)明我國(guó)醫(yī)學(xué)類(lèi)物理教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，以及改進(jìn)的方向。

一、教學(xué)內(nèi)容的選擇

目前，我們國(guó)內(nèi)的醫(yī)學(xué)物理教材中關(guān)于教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置基本沿用了理工科的大學(xué)物理課程。涵蓋經(jīng)典物理的力學(xué)、熱力學(xué)及統(tǒng)計(jì)物理、光學(xué)、電磁學(xué)，并簡(jiǎn)單涉及原子物理和量子物理。例如高等教育出版社出版《醫(yī)用物理學(xué)》，除第十五章增加一個(gè)磁共振成像，其他十四章內(nèi)容基本與大學(xué)物理無(wú)異。只是在每章最后增加一節(jié)相關(guān)醫(yī)學(xué)與物理結(jié)合內(nèi)容。這一點(diǎn)在人民衛(wèi)生出版社，科學(xué)出版社的出版教材中也是完全一致。這樣造成國(guó)內(nèi)的醫(yī)學(xué)物理教材更像是簡(jiǎn)寫(xiě)版的大學(xué)物理附加了部分醫(yī)學(xué)知識(shí)的合訂本。這種簡(jiǎn)寫(xiě)并不是對(duì)教學(xué)難度的簡(jiǎn)化，而是相對(duì)于普通物理對(duì)內(nèi)容進(jìn)行舍棄，保留力、熱、光、電等分支中的基本概念和規(guī)律。對(duì)于Paul Peter Urone版College Physics教材，其基本框架仍然沒(méi)有脫離大學(xué)物理的基本內(nèi)容，但是主要不同是對(duì)各分支領(lǐng)域作進(jìn)一步的細(xì)化，該教材總共有32章，其涵蓋的內(nèi)容非常廣泛。例如該教材清晰的論述了熱和熱傳導(dǎo)、熵的概念、相對(duì)論時(shí)空觀，以及散見(jiàn)在各章節(jié)中關(guān)于現(xiàn)代物理的介紹，如宇宙學(xué)、量子引力理論、超弦、暗物質(zhì)、混沌、高溫超導(dǎo)。這些內(nèi)容在我們醫(yī)學(xué)物理教材中基本沒(méi)有涉及，其結(jié)果是我們的醫(yī)學(xué)本科物理教學(xué)只是對(duì)中學(xué)物理知識(shí)在高等數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上再認(rèn)識(shí)。

二、物理概念與規(guī)律的提出方式

案例版教材，其定位是要將基礎(chǔ)的物理理論融入在實(shí)際問(wèn)題中，也就是在問(wèn)題中學(xué)習(xí)。我們知道物理科學(xué)是最成熟的自然科學(xué)，發(fā)展歷史悠久，理論化、數(shù)學(xué)化程度相比其他學(xué)科更高。目前的大部分物理教材都是用抽象的方式來(lái)提出物理問(wèn)題，這一點(diǎn)在之前衛(wèi)生出版社出版的胡新珉版的《醫(yī)學(xué)物理學(xué)》中比較突出。而Paul Peter Urone版College Physics，對(duì)物理概念和定律大多是在實(shí)際問(wèn)題中引入，在每一章節(jié)開(kāi)始，通過(guò)設(shè)置多個(gè)實(shí)際問(wèn)題，將物理概念自然引入。例如熱力學(xué)這一內(nèi)容，Paul Peter Urone所著教材中先分析人類(lèi)對(duì)冷熱的感知，地球的溫室效應(yīng)等引入冷熱的主觀感受，然后通過(guò)水銀溫度計(jì)對(duì)溫度的客觀標(biāo)度和熱敏金屬對(duì)溫度的曲率變化來(lái)理解溫度的概念。同時(shí)通過(guò)熱敏電阻在醫(yī)學(xué)儀器中的各種醫(yī)用，更進(jìn)一步的加強(qiáng)學(xué)生的理解。而國(guó)內(nèi)教材對(duì)這些基本概念基本是直接介紹，并且著墨很少，先驗(yàn)的認(rèn)為學(xué)生對(duì)物理概念的理解達(dá)到要求。再比如對(duì)楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，我們的教材是依據(jù)嚴(yán)格的波的疊加原理，采用數(shù)學(xué)推導(dǎo)的方式來(lái)介紹屏幕上形成明暗條紋的規(guī)律。而Paul Peter Urone版教材中對(duì)此沒(méi)有物理推導(dǎo)，而是直接給出形成明暗條紋的結(jié)論，同時(shí)輔助大量的圖像，來(lái)演示該物理過(guò)程，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)該規(guī)律的理解和認(rèn)識(shí)。

這兩種方式各有優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)教材的優(yōu)勢(shì)在于，學(xué)生如果完全掌握波的疊加原理，并且對(duì)推導(dǎo)過(guò)程中所采用的近似處理和數(shù)學(xué)形式理解透徹，那么對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的掌握就比較深刻。而Paul Peter Urone的論述方式是在學(xué)生的認(rèn)知過(guò)程中門(mén)檻很低，對(duì)一個(gè)較為復(fù)雜的現(xiàn)象有足夠的感性認(rèn)識(shí)，有助其形成記憶，在其他學(xué)科中遇到類(lèi)似問(wèn)題時(shí)能快速形成類(lèi)比。

需要指明的是，我國(guó)的醫(yī)學(xué)類(lèi)物理教材在發(fā)展過(guò)程中，也注意到物理概念和規(guī)律與醫(yī)學(xué)、生物等方便的聯(lián)系過(guò)少，在案例版教材中，也嘗試了這種聯(lián)系，例如每一章開(kāi)頭，引入一個(gè)醫(yī)學(xué)或者生物學(xué)的問(wèn)題，介紹完物理知識(shí)后作一個(gè)解答。但是從目前的教材編寫(xiě)效果來(lái)看，這種結(jié)合還是比較生硬，停留在水是水，油是油的階段，其原因在于將實(shí)際問(wèn)題抽象成物理問(wèn)題的過(guò)程中，抽象過(guò)度，完全失去問(wèn)題本身的背景，變成理論模型；而抽象不夠，問(wèn)題本身掩蓋了物理規(guī)律，只能停留在簡(jiǎn)單的分析這一層面之上。

三、物理概念與定律的數(shù)學(xué)描述

在科學(xué)出版社版本的醫(yī)學(xué)物理學(xué)教材中，對(duì)高等數(shù)學(xué)的要求對(duì)于醫(yī)學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生而言還是比較高的，全書(shū)大部分章節(jié)的物理概念的定義方式，物理定律和定理需要用微分來(lái)表達(dá)，而在靜電場(chǎng)，穩(wěn)恒磁場(chǎng)等章節(jié)，對(duì)高斯定理，安培環(huán)路定理以及麥克斯韋方程組等需要環(huán)路積分，多重積分的形式；在力學(xué)，機(jī)械波等章節(jié)，需要二階微分方程，在分子動(dòng)理論等章節(jié)，甚至需要統(tǒng)計(jì)學(xué)的概念和規(guī)律來(lái)理解壓強(qiáng)微觀公式和麥克斯韋速度分布律。這些數(shù)學(xué)知識(shí)對(duì)于同步學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)大一學(xué)生而言，難度比較大，造成學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中理解混亂，甚至有排斥心理。

相比較而言，Paul Peter Urone版College Physics是一本完全不用微積分的大學(xué)物理教材，這樣就面臨一個(gè)問(wèn)題，該教材是如何處理以上相關(guān)物理規(guī)律的。我們發(fā)現(xiàn)，其一，該教材對(duì)涉及高等數(shù)學(xué)的物理內(nèi)容有所取舍，在College Physics中，不講高斯定理，不列出麥克斯韋方程組，不介紹洛侖茲變換等。其二，用于微積分知識(shí)可以在特殊情況下用初等代數(shù)的形式來(lái)描述，所以在涉及一些基本概念、定理的表述上，該教材采用我國(guó)在中學(xué)階段廣泛采用的微元方式，極限的定義，來(lái)替代微分的表示。這樣的做法可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，繞開(kāi)數(shù)學(xué)知識(shí)不夠的障礙，將主要精力集中在物理知識(shí)的學(xué)習(xí)上，值得借鑒。

四、例題和習(xí)題的設(shè)置

物理學(xué)的概念和規(guī)律是高度數(shù)學(xué)化的，在認(rèn)知過(guò)程中不能僅停留在定性的層面上，故而需要大量的習(xí)題練習(xí)，強(qiáng)化對(duì)知識(shí)的理解，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在實(shí)際需要中的運(yùn)用。所以通過(guò)例題的講解和習(xí)題練習(xí)是中外物理教學(xué)的不二選擇。但是在例題和習(xí)題的編寫(xiě)上，中外教材仍然存在很大的不同。國(guó)內(nèi)物理教學(xué)，從中學(xué)階段到大學(xué)階段，不論是課堂還是各級(jí)考試，多是模型的演練，即將實(shí)際問(wèn)題抽象成物理模型，學(xué)生面對(duì)的始終都是質(zhì)點(diǎn)、剛體球、理想氣體分子、輕質(zhì)彈簧、均勻帶電球等等之類(lèi)。這種方式當(dāng)然是為了排除實(shí)際問(wèn)題中各種其他因素的影響，將注意力集中在物理規(guī)律的運(yùn)用上，便于學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)快速掌握所學(xué)知識(shí)。但是其弊端是在抽象過(guò)程中，往往失去了問(wèn)題的背景，而過(guò)于模型化。例如在科學(xué)出版社的醫(yī)學(xué)物理學(xué)教材第七章，所采用的例題全部沒(méi)有醫(yī)學(xué)或者生物學(xué)背景，課后習(xí)題十三個(gè)題目，除一個(gè)是談到靜息電位外，其他的全部是簡(jiǎn)化模型的習(xí)題，這些習(xí)題作為普通物理教材的習(xí)題也是完全適用的，而在Paul Peter Urone版College Physics教材中，聲音這一節(jié)，提供91道習(xí)題，而通過(guò)標(biāo)注涉及人體應(yīng)用(Human Application)，醫(yī)學(xué)應(yīng)用(Medical Application)和生物應(yīng)用(Biological Application)有五十個(gè)之多。目前我們國(guó)內(nèi)教材的例題和習(xí)題還是沒(méi)有體現(xiàn)物理學(xué)在醫(yī)學(xué)生物等方面的應(yīng)用，這樣造成學(xué)生即使掌握物理知識(shí)，但是在對(duì)具體問(wèn)題的分析時(shí)往往手足無(wú)措。另外在醫(yī)學(xué)、生物以及生理領(lǐng)域，學(xué)生將來(lái)面對(duì)的實(shí)際問(wèn)題通常較為復(fù)雜，事實(shí)上許多具體問(wèn)題無(wú)法完全抽象化，導(dǎo)致目前的相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)課目中，需要運(yùn)用到物理知識(shí)時(shí)，也是停留在表面，只能是對(duì)現(xiàn)象作出描述，給出一些定性的分析，無(wú)法量化，使得醫(yī)學(xué)、生理生物等學(xué)科與物理的結(jié)合不好。

五、結(jié)論

通過(guò)對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)的醫(yī)學(xué)本科專(zhuān)業(yè)的物理教材建設(shè)依然存在物理規(guī)律和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的結(jié)合不夠，對(duì)醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求過(guò)高，內(nèi)容選擇過(guò)于偏重經(jīng)典物理，而對(duì)現(xiàn)代物理知識(shí)關(guān)注不夠以及例題和習(xí)題的設(shè)置不合理等方面的問(wèn)題，這要求在該領(lǐng)域教材在進(jìn)一步的發(fā)展中，強(qiáng)化對(duì)醫(yī)學(xué)、生物等問(wèn)題的物理化提煉，通過(guò)合適的方式來(lái)展示物理學(xué)的基本概念和規(guī)律，使得醫(yī)學(xué)本科學(xué)生的物理學(xué)基礎(chǔ)能在其今后的專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)中產(chǎn)生更明顯的促進(jìn)作用，為其將來(lái)的工作和科研打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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