張琦瑋 馬天魁 趙 陽
(高等教育出版社 北京 100029)
大學(xué)物理是面向低年級大學(xué)生的公共基礎(chǔ)課,教材作為學(xué)科知識的載體,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).為助力教學(xué),教材的編寫既要合理地安排知識內(nèi)容,更應(yīng)該適應(yīng)低年級大學(xué)生的特點(diǎn),具有較好的可讀性和實(shí)用性.
在我國高等教育發(fā)展中,教育主管部門對教材建設(shè)給予了相當(dāng)?shù)闹匾暎髮W(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.
在我國,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)(下文中簡稱《基本要求》)中,教學(xué)內(nèi)容主要分為力學(xué)、振動與波、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、狹義相對論力學(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)專題幾個方面.可以看出《基本要求》在內(nèi)容方面對現(xiàn)代物理方面更加重視.
我們選用4套教材作為研究對象,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)為首屆全國教材建設(shè)獎獲獎教材中獲獎的兩套大學(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)靡多年的國外優(yōu)秀大學(xué)物理教材,均于21世紀(jì)初引入國內(nèi),在我國深受也為從事大學(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象.
本研究所選國內(nèi)教材均為上下兩冊,國外教材為全一冊.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
由表1可知,國內(nèi)教材章數(shù)相對較少,馬文蔚版教材共16章,張三慧版教材共30章;國外教材章數(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)國外教材章節(jié)劃分會更加細(xì)致,譬如馬文蔚教材中,剛體和轉(zhuǎn)動相關(guān)內(nèi)容為一章,而在哈里德版教材中,分為轉(zhuǎn)動、轉(zhuǎn)矩和角動量、平衡與彈性、流體等4章來講授.
(2)對于核心知識點(diǎn)(我國《基本要求》中的A類知識點(diǎn)),國內(nèi)外教材覆蓋面是基本一致的,對于拓展知識點(diǎn)(我國《基本要求》中的B類知識點(diǎn)),國內(nèi)教材通常著墨不多.例如對于等離子體,馬文蔚版教材多在加“*”的選學(xué)部分用小字簡單提及,而張三慧版教材是在“每日物理趣聞”中加以介紹,國外教材對等離子體介紹較多,在習(xí)題中加入了相關(guān)情境題目.在國外教材中對于分子與凝聚態(tài)物質(zhì)、宇宙學(xué)專門設(shè)章闡述,而國內(nèi)教材基本不涉及相關(guān)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,也可以是為計算提供必要支持的數(shù)據(jù)及公式.國內(nèi)教材與國外教材均設(shè)有相應(yīng)的附錄.總體來講,國內(nèi)教材附錄部分較國外教材更為簡略,通常會提供常用物理常量表作為參考,方便學(xué)生做題時隨用隨查.馬文蔚版教材在附錄部分提供了矢量和國際單位制的簡單介紹,便于基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生自學(xué).國外教材附錄內(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.
(1)國內(nèi)教材:言簡意賅,注重邏輯推導(dǎo)、數(shù)學(xué)演繹.
國內(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)閲鴥?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外中學(xué)階段的物理內(nèi)容,所以國內(nèi)教材在內(nèi)容選取上避免了和高中物理知識的重復(fù)性,是在高中物理知識基礎(chǔ)上的螺旋上升式展開,能夠節(jié)省課時,但對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)用和矢量計算.國內(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體系.但國內(nèi)教材在概念論述方式上也存在弊端,如國內(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,不利于學(xué)生思維模型的建立.此外,對于當(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)針對性不強(qiáng).
(2)國外教材:篇幅較長、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)對物理概念和規(guī)律的理解和對物理意義的闡述.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.
國外教材能處處體現(xiàn)物理既來源于生活又應(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,介紹了電吉他工作原理;在講靜電的應(yīng)用時,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,分析了在搖晃香檳酒瓶后打開瓶塞,香檳酒會噴出瓶口的物理原理.這些都會有助于學(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.
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)和近代物理幾個部分劃分知識內(nèi)容的,本研究選用的4套教材皆是如此.本研究中,將振動和波動劃入力學(xué)部分,將相對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數(shù)及所占比例如表2所示.
表2 4套教材中各模塊的頁數(shù)及占比
由表2可知,國外教材比國內(nèi)教材篇幅更長,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內(nèi)教材.造成國內(nèi)教材篇幅短于國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,我國通常采用的是蘇聯(lián)教材的風(fēng)格,重推導(dǎo).國外教材重歸納、重演繹,所以篇幅較長.
(2)國內(nèi)高校大學(xué)物理課程的學(xué)時數(shù)不足,很多高校學(xué)時數(shù)已不足100,無法完成過多教學(xué)內(nèi)容.
(3)國內(nèi)高中生有一定的物理和數(shù)學(xué)基礎(chǔ),因此國內(nèi)教材在講授力學(xué)、電磁學(xué)、幾何光學(xué)相關(guān)知識時,起點(diǎn)較高.
上文已提及,國內(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)容的建議課時數(shù)
將《基本要求》中規(guī)定的各部分的建議課時數(shù)與兩套國內(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生的物理知識和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)存在差異,在教授力學(xué)部分內(nèi)容時會降低對數(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)兩套國內(nèi)教材都適用于理工科類學(xué)生,對于《基本要求》中力學(xué)部分的拓展知識點(diǎn)講解更為詳細(xì).
(4)國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,所以會詳細(xì)介紹守恒定律 (能量守恒、 動量守恒、 角動量守恒等 )、波動概念、場的概念,相關(guān)章節(jié)篇幅較長.
下面比較國內(nèi)外教材的廣度.因兩套國內(nèi)教材均根據(jù)《基本要求》編寫,體系基本相同,兩套國外教材雖然內(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, 國外教材力學(xué)部分的廣度高于國內(nèi)教材,知識點(diǎn)覆蓋面更大,具體結(jié)論如下:
(1)國外教材對測量、矢量、萬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)動學(xué)、能量、剛體轉(zhuǎn)動、流體等部分,國外教材的敘述更為詳細(xì).
(3)國內(nèi)教材力學(xué)部分的重點(diǎn)是牛頓運(yùn)動定律和3個守恒定律及其成立條件,力學(xué)中除角動量、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,國內(nèi)教材起點(diǎn)更高,從靜電場講起,最終達(dá)到的要求也很高.國外教材起點(diǎn)低,從電荷講起,由簡入深,逐漸深化,最終達(dá)到的要求略低于國內(nèi)教材,部分國內(nèi)教材提及的概念在國外教材中并未涉及,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,通過對力學(xué)、電磁學(xué)部分內(nèi)容的對比分析可知,就教材的廣度而言,國外教材起點(diǎn)低,論述范圍廣.這與中美兩國高中學(xué)生的物理與數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不同有很大關(guān)系.美國大部分的高中生沒有微積分基礎(chǔ),高中所學(xué)物理知識也比較淺,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,國外教材往往從最基礎(chǔ)的測量、單位等開始,逐步過渡到深層次內(nèi)容;而由于國情的差異,對中學(xué)物理介紹得比較多的運(yùn)動學(xué)、電力、磁力、靜電感應(yīng)及電磁感應(yīng)現(xiàn)象等內(nèi)容,編寫時往往強(qiáng)調(diào)與中學(xué)教學(xué)的銜接,精簡內(nèi)容,提高起點(diǎn),減少不必要的重復(fù).
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)行對比研究.
在力學(xué)部分中,國內(nèi)教材中常見的質(zhì)心系、自然坐標(biāo)系等在國外教材中并未涉及.在電磁學(xué)部分中,國內(nèi)教材對于電介質(zhì)、磁介質(zhì)、有磁介質(zhì)存在時的磁場往往專門設(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,國外教材在深度上低于國內(nèi)教材.
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),國內(nèi)外教材各有其優(yōu)勢和不足.
國內(nèi)教材存在以下優(yōu)勢:
(1)在物理概念闡述方面,國內(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),各部分知識內(nèi)在聯(lián)系緊密,論述語言簡練、條理清晰、邏輯嚴(yán)密.
(2)在教材內(nèi)容方面,國內(nèi)大學(xué)物理教材與國內(nèi)高中階段教材銜接良好,起點(diǎn)相對較高,符合大部分我國大學(xué)低年級階段學(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,更符合我國的實(shí)際情況.
國內(nèi)教材存在以下不足:
(1)國內(nèi)教材體系更偏重于定量計算與邏輯推導(dǎo),這在一定程度上會弱化學(xué)生對于物理概念本質(zhì)的關(guān)注.
(2)國內(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,國外教材存在一些值得我們學(xué)習(xí)的優(yōu)勢:
(1)在裝幀設(shè)計方面,國外教材全彩印刷,更加圖文并茂,生動活潑,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,國外教材中所涉及的基礎(chǔ)知識多于國內(nèi)教材,即國外教材的廣度大于國內(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)容在兩本國外教材中都占較大篇幅,講解更為詳細(xì).
(3)國外教材往往簡化數(shù)學(xué)推導(dǎo),更強(qiáng)調(diào)物理概念和物理意義.
(4)國外教材鋪墊較多,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外教材的一些優(yōu)點(diǎn),不斷改進(jìn)和提升我國大學(xué)物理教材的品質(zhì)和內(nèi)涵.