孫華銳

(哈爾濱工業(yè)大學(深圳)理學院，廣東 深圳 518055)

對比中國和美國兩種體系的教育，我們普遍的共識是中國的基礎教育更嚴格，中國學生的數(shù)理功底更扎實，而美國的教育中更注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)造力和批判思維。筆者幾年前在美國密歇根大學(安娜堡分校)讀碩士和博士研究生期間，發(fā)現(xiàn)一起上課或者從事科研工作的美國同學們的物理基礎并不遜于中國學生，更多時候的情況是，美國學生的物理思維相比更為全面，對于實際生活中涉及的物理知識和圖景掌握得更為靈活，動手能力更強。研究生階段，他們在科研工作尤其是實驗操作(例如搭建實驗所需的測量電路，操作電子儀器設備等)的水平更是比中國同行們要高出一截，這其中一部分要歸功于他們從小在自己家地下室或者車庫動手實踐的經歷和環(huán)境，還有一部分跟他們所受的物理基礎教育密不可分?；貒蠊P者有幸在大學從事大學物理的教學工作，始終帶著上面的思考并留意對比中國和美國物理教學的差別。

雖然各類教學論文中不乏中美大學物理教育的對比，但多為概括性的教材總體特點對比[1,2]或具體例題對比[3]，抑或美國物理教育模式的介紹[4,5]。本文以大學物理中的電磁學部分為樣本，從章節(jié)內容以及前后聯(lián)系的角度出發(fā)，詳細分析美國大學物理教學內容對學生掌握物理知識并運用知識的優(yōu)勢，總結對于國內大學物理課程的教學改革、教材更新的啟示。

1 美國大學物理電磁學的章節(jié)內容

在內容對比中，我們選用了美國最常用的大學物理優(yōu)秀教材之一《Physics for Scientists and Engineeers with Modern Physics》(Douglas C.Giancoli原著，3rdedition)的國內改編版(滕小瑛改編，高等教育出版社)[6]。改編版的好處是已經剔除了所占篇幅較大的國內中學物理涵蓋的內容，便于直接對比大學的進階部分。下表就列出了電磁學部分的具體章節(jié)，表格的右半部分列出國內經典教材馬文蔚等編著的《物理學》[7]電磁學部分的章節(jié)，以便直觀對比。

表1 美國與中國大學物理教學中的電磁學章節(jié)內容對比

續(xù)表

續(xù)表

需要說明的是，表中不同字體部分標注了兩本教材中的主要差異，其中黑體部分是本教材中單獨詳細介紹而對比教材中僅簡短介紹的內容，而楷體部分是本教材包含而對比教材中(在電磁學部分)沒有包含的內容。

2 美國大學物理電磁學章節(jié)的特點

(1) 總的來說，美國教材涵蓋的知識點更多更廣，而中國教材則更強調知識的深度。從表2可以總結出兩者的差異，例如，中國教材中會用一整章用物理模型描述靜電場中的導體和電介質，而美國教材僅僅在電場與導體和電介質兩個小節(jié)中做很簡單的定性介紹。美國大學物理的電磁學會涵蓋與電磁學相關的常用現(xiàn)象、模型等，如高斯定理和庫侖定律的實驗基礎、點電荷系的靜電場電勢能、電子的發(fā)現(xiàn)與電子性質等，但中國教材中對這些分散零碎但有趣又有用的知識點省略的較多。

(2) 在新概念或章節(jié)引入時，通常會先舉例，擺現(xiàn)象，再介紹理論、概括模型，最后給出實際生活中的應用或物理學中的經典案例(較為復雜的模型)。以磁學一章(25章)為例，25-1節(jié)從磁鐵、磁極等生活中的實例出發(fā)，引出鐵磁、磁場、磁感線等概念；25-2節(jié)又是給出電流產生磁場的事實，以及判斷磁場方向的右手螺旋定則；25-3節(jié)先介紹磁場中通電導線的受力，并由此定義磁感應強度；25-6節(jié)結合圖片舉例說明磁的應用：檢流計，電動機，擴音器等。

相比之下，國內這部分內容通常放在恒定磁場這一大章的開頭，在介紹磁場之前，會用一節(jié)先介紹恒定電流，給出電流密度的定義，電流的連續(xù)性方程，恒定電流條件，歐姆定律的微分形式等，這樣處理的原因是靜電場部分沒有任何包含電流的內容，這是為省去的電流背景知識做個補充，為后續(xù)電磁作用的引入做隱性鋪墊。但恒定電流這一節(jié)內容始終與恒定磁場的內容關聯(lián)沒有那么緊密，知識和思維邏輯上銜接的不如美國教材處理得那么自然和流暢，略顯枯燥，不容易引起學習的興趣。

類似地，在電容器和電能存儲部分美國教材會先給出電容器的實例和相關計算，然后再引申到電介質的物理模型。國內教材恰好與此相反，先給出靜電場中的導體和電介質兩個重要模型，然后再介紹電容器的相關物理。

(3) 美國教材對中學物理中已經涉及的概念也會涵蓋，并加深拓寬，并不刻意完全回避中學知識。比如23章電流與電阻和24章直流電路(國內大學物理完全不涉及)，在中學物理的基礎上添加了電流的微觀描述、超導、RC電路等重要內容，并且給出更多與生活緊密聯(lián)系的物理模型和應用實例，不僅鞏固了學生的已有知識并學以致用，而且使得電學和磁學的鏈接更為連貫和通暢，物理圖景和邏輯上更為完整。在實際教學中教師可以依據(jù)學時要求選擇部分講解或讓學生自學。

(4) 美國的大學物理課程內容盡量避免復雜的數(shù)學推導，尤其是涉及微積分的內容，比如高斯定理利用張角的嚴格數(shù)學證明、高斯定理的微分形式、靜電場環(huán)路定理的微分形式、恒定電流條件和電流連續(xù)性方程、電場強度與電勢的梯度關系等，而這些相對抽象的數(shù)學表達在國內的大學物理課堂上通常都是教給學生的。Giancoli教授還編寫過不基于微積分的大學物理教材[8]，涉及的知識面并沒有大幅減少，只是數(shù)學推導上回避了微積分的內容，這種教材可以用于文科、生物、醫(yī)學等專業(yè)學生的物理教學，也可以用于工科大學物理大一第一學期的授課，不受微積分先導課程的限制。

(5) 與復雜的數(shù)學推導和抽象的公式相反，美國大學物理教材中最鮮明的特點之一就是大量實例與理論模型結合，強化知識的運用，引起學生的學習興趣。Giancoli大學物理學中充滿了各類應用實例和生活中的重要電磁學現(xiàn)象或概念(這樣的例子不勝枚舉，如electrostatic copier, dielectric removal, dissolving power of water等)，其中很大一部分穿插在例題(一部分例題直接歸類為conceptual examples)和習題中，讓學生學會用物理模型解決實際電磁相關的問題；而國內教材的例題和習題還是以理想模型為主，在題干里會直接給出“長直導線”“無限均勻帶電平板”等幫助解題的字眼，讓學生快速找到對應的定理和公式，用數(shù)學方法求解。

(6) 對電磁震蕩、電磁波、光的電磁波本質等概念的處理，美國教材的做法跟國內的有很大不同。Giancoli大學物理學在28章自感、互感以及接下來的RLC電路部分很自然地延伸到電磁震蕩，進而介紹電磁場的互相耦合與麥克斯韋方程組，然后再引入電磁波的概念和光的電磁波本質。國內大多數(shù)教材的電磁震蕩部分安排在下冊的振動一章，電磁波部分納入波動一章。從邏輯上看，美國大學物理的處理方式是從物理本質歸類，而國內則是從數(shù)學表達和模型的角度出發(fā)，把物理本質不相同的機械振動(波)和電磁震蕩(波)放在一起。

3 結語和展望

在研讀Giancoli教材電磁學部分的過程中，被書中流暢的語言、豐富的實例以及對重大物理事件的生動敘述所深深吸引。美國大學物理教學在講述每一個電磁學知識模塊時不吝篇幅，先拋出實際問題，再圍繞問題建立模型，最后再拓展到更廣闊的的應用場景，抑或引申到更深入的問題探討。從興趣出發(fā)，用實例建立物理模型，降低數(shù)學門檻，以物理本質為依據(jù)劃分章節(jié)內容，強化基本概念和邏輯銜接，這些都是達到學以致用這一目標所需要考慮的要素。