對一種新的大學物理課程體系的探索

1、對一種新的大學物理課程體系的探索摘要 為更好地培養(yǎng)21世紀所需的創(chuàng)新型人才，本文試圖突破傳統(tǒng)的力、熱、電磁、光、原這種按現象分類組織的順序結構，依據物理學一些內在的規(guī)律特點，探討了一種新的大學物理教材體系結構。關鍵詞 大學物理；知識結構；課程改革；教材 分類號 O443 或 G423.3對大學物理教學內容體系的探討 為適應現代科學技術的飛速發(fā)展，滿足經濟體制和經濟增長方式兩大根本性轉變的需要，為科教興國和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略服務，21世紀的人才不僅需要豐富的知識，還應該有較強的能力，具備較高的素質。物理教材與教學改革不僅要符合這一要求，更應該以自己獨具的學科特點和優(yōu)勢，扮演重要的角色，發(fā)揮更重要的作

2、用。首先，物理學作為一門成熟自然科學基礎學科，不僅是現代科學技術大廈的基石，而且其知識方法已經廣泛應用到生產、生活各個方面，并不斷向更多的新領域滲透，她可以“培養(yǎng)和提高學生科學素質、科學思維方法和科學研究能力”，1對于廣大人民群眾破除迷信、揭穿偽科學，樹立辯證唯物主義世界觀和方法論也起著很重要的作用。因此，物理學不僅是一般意義上的專業(yè)基礎課，而且也是一門文化素質課，其基本常識、規(guī)律和思想方法對未來社會的各類人才都有啟發(fā)和借鑒作用。所以，要教給學生內容體系相對比較完整的大學物理知識。我們還知道，從亞里士多德時代起的物理和哲學就密不可分。牛頓三定律和萬有引力定律，把天上的運動和地上的運動統(tǒng)一起來，

3、破除了宗教關于宇宙的神秘。牛頓提出這些定律，構筑經典物理學大廈基本框架的論著干脆就叫自然哲學的數學原理；能量轉化和守恒定律是辯證唯物主義誕生的重要基礎之一；麥氏方程組從一個新角度揭示了物質世界的普遍聯(lián)系和發(fā)展變化的規(guī)律；愛因斯坦的相對論更是從根本上改變了人們的時空觀；物質波假設的提出可謂就是德布洛意憑借其哲學思維的創(chuàng)造；海森堡的“測不準關系”所蘊含的哲學思想已遠遠超過了其物理意義本身的確，許多物理知識中都包含著深刻的哲理，一部物理學發(fā)展史，也是一部哲學發(fā)展史，方法論發(fā)展史，科學思想發(fā)展史。我們不能輕易地浪費這些寶貴的素質教育資源，而要充分挖掘、引申和升華：適時適量引入物理學史知識，介紹一些物理

4、概念、規(guī)律的發(fā)現發(fā)展過程，描繪物理規(guī)律中所蘊涵的哲理和美。這不僅可使學生學到科學家正確的思維方法、工作方法和先進的思想觀念，還可使學生受到科學家們追求真理、勇于探索、辛勤奉獻、對社會和人類的責任感等科學精神的熏陶；這些生動有趣、充滿思辯美的知識和對科學家們所取得的偉大成就和崇高品格的仰慕與崇拜又可成為激發(fā)學生學習興趣，提高學習主動性的發(fā)動機和催化劑。同時還應該認識到，未來社會不能期望通過幾年的大學教育就把學生培養(yǎng)成為某個領域的專家，更不可能也不必要使教育在人的青年時代就一次完成 2 。而應培養(yǎng)終身教育的觀念和習慣，在一生中隨時根據需要和興趣，不斷學習新知識，調整優(yōu)化知識結構。為此，大學物理的知

5、識體系不能是封閉的、僵死的，而應是以最基本的“骨架”為基礎的活化的開放系統(tǒng)；一個具有較強遷移能力，能不斷吸納同化新知識，包括其他學科領域知識，具有旺盛生命力的知識結構。所以，要充分利用學生已有的基本知識結構作為出發(fā)點，充分考慮學生的認知心理，循序漸進地把大學物理知識作為已有知識的擴展和加深介紹給學生，建立新舊知識之間的內在聯(lián)系，點明兩者之間的異同，指出新知識的增長點，作為學生后繼學習的“最近發(fā)展區(qū)”3；同時，在合適的地方也引入一些比較活躍的近、現代物理知識及其應用成果，為學生開設一些“小窗口”，4讓他們呼吸一下當代物理學和現代科學技術的新鮮空氣；最好也在適當位置多保留若干“擴展槽”，注介紹一些

6、有待解決的前沿和實際問題，啟發(fā)學生就這些問題展開想象、進行探索，培養(yǎng)學生應用物理知識解決問題的能力和進行知識創(chuàng)新的興趣。這些內容有的可以寫入正文，有的可編成習題，5還有的可出現在前言或后記中，有的也可以閱讀材料的形式作為附錄或正文中相對獨立的一部分。另外，現代科學技術的綜合化、整體化發(fā)展產生了很多有生命力的邊緣學科、交叉學科和橫斷學科，如地球物理、生物物理、控制論等等，他們在現代“科學技術生產貿易”的一體化發(fā)展中發(fā)揮著傳統(tǒng)學科起不到的作用，而這些學科的誕生和應用需要多學科知識及其間的聯(lián)系，因此，基礎物理教學也應該為臨近學科預留“接口”注、架設橋梁，激發(fā)學生的興趣，引導創(chuàng)造思路，指出值得研究的方

7、向和領域。對大學物理教材組織順序的探討根據系統(tǒng)論的有關原理，現代課程論不僅要研究教學內容的選取，更應重視對這些內容組織結構的研究。6因為相同的內容采用不同的次序組織教學，其效果是截然不同的，“課程”中的“程”字本身就有過程、程序之意。傳統(tǒng)的力、熱、電磁、光、原，是按所研究的現象來安排教材順序，而不是依據物理學深層次本質的東西，這種結構用在中學尚可，作為大學物理教材的線索就顯得不合適了。在教學實踐過程中我發(fā)現了以下物理教學內容的分類線索： 其一，從研究對象的物質形態(tài)或屬性角度看，可分為粒子、場和波7，有具體與抽象之分。就其模型和研究方法角度而言，主要有質點（組）、剛體、場、波和熱力學系統(tǒng)、微觀粒

8、子等，就其線度看又有宏觀與微觀之分。他們各自對應著不同的研究方法（包括使用不同的數學工具）和難度。其二，從運動形式方面看，主要有平動、轉動、振動、波動及無規(guī)則隨機運動幾種，其復雜程度和難度也各不相同。其三，就所闡述的物理規(guī)律而言又可分為演繹（因果）規(guī)律和統(tǒng)計（歸納）規(guī)律兩大類。相對來講，學生對前者更容易適應。參見下頁圖表另外，我們都知道物理數學不能分家，物理教學和物理學的發(fā)展一樣離不開數學，尤其是大學物理對高等數學的依賴非常強。我們在安排物理教學內容順序的時候也要考慮各部分物理內容所用到的相應高等數學知識的教學進度及其難易程度。當然，數學作為一種非常重要的研究工具在安排其課程內容和進度的時候也

9、應該適當為物理等課程的教學打好基礎，但這不在本文討論的范圍之內。對大學物理教材內容結構的討論據上述分析，結合物理學史的發(fā)展過程和人類的認知規(guī)律，按照先易后難，從簡單到復雜，由具體到抽象，從特殊到一般再到特殊，先宏觀再微觀，先演繹后歸納的順序，我設計了一套更能為學生掌握物理學的內核與精髓，并能給學生思考和解決問題提供更多方法素材和發(fā)展空間的體系結構：引言：我們所處的物理世界講述物理學的研究對象：從宏觀到微觀和宇觀的物質結構層次及其運動變化，引出物質結構和天體物理的基本常識，介紹一下對宇宙起源研究的動態(tài)（如大爆炸理論等），給學生描述出一個值得探索和研究的廣闊時空范圍的藍圖，激發(fā)他們的好奇心和學習欲

10、望。隨后講述現代科學技術和生產生活中的一些以物理知識為基礎的應用實例，與物理學有關的當代科技前沿情況，讓學生進一步體會學好物理的必要性和重要性。最后向同學們傳授一些有效的學習方法。第一部分：實物粒子以三個守恒定律為核心講解質點(組)和剛體的運動規(guī)律。8通過質點和剛體介紹“理想模型”忽略次要因素的研究方法，結合從勻速到勻變速、先直線再曲線運動、從質點到剛體和質點組等內容教給學生從簡到繁、由不變到變并逐步增加變量個數的研究、解決問題的方法。剛體是特殊的質點組，剛體的平動可視為質點運動，質點的角動量定理和守恒定律是剛體角動量定理和守恒定律的特例，可讓學生學會從更高的層次上把握知識規(guī)律的體系和結構，也

11、是一個從特殊到一般再到特殊的范例。在講述萬有引力時，指出牛頓把天體的運動同地面物體的運動納入到統(tǒng)一的力學理論體系，實現了人類科學認識的一次大綜合，大飛躍，并可用科學家研究過程中那種對統(tǒng)一、對稱、和諧等美感因素的追求來對學生進行感染和熏陶。介紹某些雜技魔術和電影特技的物理學原理，可幫助學生提高對科學與偽科學的分辨能力。通過介紹火箭與我國的航天事業(yè)，來培養(yǎng)同學們的民族自信心、自豪感和愛國主義精神。這一部分所研究的都是具體的宏觀現象，所涉及的運動形式是平動和轉動，所涉及的高等數學知識僅限于向量和簡單的微積分，研究所得到的演繹規(guī)律也是廣大同學們所熟悉的。第二部分：波依次介紹機械振動和機械波、光波。具體

12、形象的機械波主要用以介紹周期、頻率、相位、波長、波速等基本概念，作為閱讀材料在這部分可講解一些聲學知識；在光波部分可分別介紹激光與全息、光纖通訊等當代前沿的基礎知識 9 。在這一部分中，機械波恰好承接前面力學主干，最后由光波是電磁波的一種，電磁波是由電磁振蕩產生的引出對電磁場的探討，自然過度到下一部分。第三部分：場先分別講解靜電場、穩(wěn)恒磁場和電磁感應，進一步引出電磁場和電磁波，并把光波納入統(tǒng)一的電磁波譜之中，分析波與場的關系，再講解狹義相對論的基本常識。最后簡述引力場、四種相互作用和大統(tǒng)一理論，很自然地把這一部分與第一部分聯(lián)系了起來。傳統(tǒng)的講法是把這部分放在波動之前，事實上，由于有機械波做過渡

13、，光波雖也較抽象，但要容易得多。而對場來說，其研究對象和運動形式都比波動難理解。這兩部分的研究方法還是演繹推理，可是場需要用到的空間解析幾何、多元函數微積分等數學工具比波所用到的常微分方程要難些。第四部分：熱力學系統(tǒng)傳統(tǒng)的物理教材都是把這部分內容放在力學之后作為第二部分，我認為非常不妥，因為剛體是大量質點的固定結合，質點組是有限個質點的隨機組合，波可視為大量質點有規(guī)律運動的宏觀表現，而本部分研究的孤立系統(tǒng)包含著無數多個質點，而且都在作隨機運動，所用的數學工具也是與微積分的的思路和方法截然不同的概率統(tǒng)計，與前幾部分所研究的內容相比，對其方法和結論，學生一時都難以適應，具有相當的難度和復雜程度；從

14、物理學史角度看，這部分規(guī)律的發(fā)現也比前述內容晚10。另外，在講完熱力學后的分子物理部分闡述自然界存在的另一種與因果（演繹）規(guī)律不同的的客觀規(guī)律統(tǒng)計（歸納）規(guī)律和另一種研究方法歸納法，也為隨后講述微觀粒子做好了鋪墊，準備了臺階。在這里可以介紹“熵”這個概念在信息論等其他領域的廣泛應用及其含義、聯(lián)系。第五部分:微觀粒子從光的本性談起，借助類比推理引導學生進行微觀粒子具有波粒二象性的聯(lián)想，引出物質波的概念，講述量子力學的初步知識，進一步強化歸納、統(tǒng)計的觀念和方法。在這里還可以通過愛因斯坦與哥本哈根學派的論爭來展現偉大科學家的人格魅力以及他們對真理的嚴肅態(tài)度和追求精神。楊振寧博士在比較自己在西南聯(lián)大與

15、美國所受教育的區(qū)別時曾指出，中國的傳統(tǒng)的教學注重演繹推理，培養(yǎng)的學生基礎扎實，認真嚴謹，但缺少創(chuàng)新的意識和能力；這與美國重視是歸納、分析與綜合形成明顯的差別。其實，歸納與類比是重要的創(chuàng)造性思維方式，所以，在這套結構體系中力圖使兩者并重，各取其長，其中把第四、五部分調整為前后相接就是為了集中訓練學生的創(chuàng)造思維和方法，培養(yǎng)其創(chuàng)新意識，彌補薄弱環(huán)節(jié)。后記：我們已邁進物理學的大門對物理學的知識結構進行小結，補充一些前面框架難以有機融合的重要內容，特別是介紹近代物理及相關的現代科技知識，特別是那些當前比較活躍的研究領域及其主要方向、進展和存在的難題；介紹與鄰近學科的聯(lián)系以及由此產生和可能產生的新學科，為

16、學生后續(xù)學習與探究方向的選擇提供參考。一點說明這套結構體系盡管是在筆者多年從事工科大專物理教學的的基礎上又經三年修改后才成現在的樣子，但由于受本人學術水平和資料情況所限，肯定存在不足之處，在此向各位專家請教并希望在有關專家和同仁的指導配合下寫出一本更新的理工科大學物理教材。參考文獻1 趙凱華，對高等院校物理課程體系和內容改革之我見。青島：在理科各教學指導委員會主任聯(lián)系會上的書面發(fā)言。19942 陳祖福，迎接時代挑戰(zhàn) 更新教育思想和觀念教學與教材研究1997，3：113 李文奎，王立功外國教育名著述評濟南，山東教育出版社，1989.2752764 羅蔚茵，趙凱華。在普物力學中開一個通往廣義相對論

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