《物理學(xué)的概念與文化素養(yǎng)》一書(shū)的特色與分析

PAGEPAGE8《物理學(xué)的概念與文化素養(yǎng)》一書(shū)的特色與分析張立彬1，王娟萍1，張強(qiáng)2，張亮亮2（1.南開(kāi)大學(xué)外國(guó)教材中心，天津300071；2.南開(kāi)大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院，天津300071）摘要：《物理學(xué)的概念與文化素養(yǎng)》堪稱經(jīng)典的美國(guó)文科物理教材，本文簡(jiǎn)要介紹了該書(shū)的主要內(nèi)容，并對(duì)其特色進(jìn)行了詳細(xì)分析，希望在提高我國(guó)文科物理教材建設(shè)方面提供很好的參考。關(guān)鍵詞：文科物理；物理學(xué)；科學(xué)方法；哲學(xué)；文化中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文章編號(hào)：《物理學(xué)的概念與文化素養(yǎng)（第四版）（翻譯版）》是Physics：Concepts&Connections(第四版)的中文翻譯版。作為一本大學(xué)文科專業(yè)的物理教材，原英文版在美國(guó)非常受歡迎。作者阿特·霍布森教授三十多年來(lái)懷著提高公眾科學(xué)素養(yǎng)的強(qiáng)烈使命感，孜孜以求地致力于對(duì)文科生的科學(xué)素養(yǎng)教育。由于本書(shū)的成功以及他提倡講授與科學(xué)有關(guān)的社會(huì)論題，阿特·霍布森于2006年獲得美國(guó)物理教師協(xié)會(huì)頒發(fā)的密立根獎(jiǎng)。在美國(guó)，130所以上的大學(xué)都采用這本書(shū)作為文科物理教材。該書(shū)的影響之大可想而知，因此這本書(shū)對(duì)于我國(guó)文科物理教學(xué)具有一定參考價(jià)值。1該書(shū)的主要內(nèi)容該書(shū)按照物理學(xué)的發(fā)展史進(jìn)行介紹，分為四個(gè)部分，共計(jì)18個(gè)章節(jié)。第一篇為序幕：星星和原子。由第一章（科學(xué)的方法：經(jīng)驗(yàn)和理性）、第二章（原子：事物的本性）組成。講述了對(duì)科學(xué)的正確理解及科學(xué)的正確方法，然后通過(guò)宇觀的星星和微觀的原子來(lái)講解物理學(xué)的研究歷史和研究范圍，這種人文科學(xué)與自然科學(xué)交錯(cuò)的行文方式，更容易引起學(xué)生對(duì)自然科學(xué)的強(qiáng)烈興趣。第二篇為牛頓式宇宙：一個(gè)像鐘表一樣運(yùn)轉(zhuǎn)的王國(guó)。由第三章（物體怎樣運(yùn)動(dòng)：伽利略的問(wèn)題提得恰當(dāng)）、第四章（物體為什么這樣運(yùn)動(dòng)）、第五章（牛頓心目中的宇宙）組成。介紹了經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展，同時(shí)通過(guò)生活中的事例重點(diǎn)介紹了牛頓三大定律。第三篇為向新物理學(xué)過(guò)渡。由第六章（能量守恒：你不能超支）、第七章（熱力學(xué)第二定律：連不盈不虧也不行）、第八章（光與電磁）、第九章（電磁輻射與全球氣候變化）組成。該篇介紹了牛頓力學(xué)到相對(duì)論和量子力學(xué)之間物理學(xué)的發(fā)展，包含了電磁學(xué)和熱力學(xué)的完整體收稿日期：修回日期：基金項(xiàng)目：教育部2012年研究項(xiàng)目《比較中外著名大學(xué)“四大力學(xué)”本科課程與主流教材，探索物理學(xué)國(guó)際化創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式》（2012-28）資助.作者簡(jiǎn)介：張立彬（1964—），男，河北石家莊人，教育部南開(kāi)大學(xué)外國(guó)教材中心副教授，主要從事中外高等教育教材評(píng)介與比較研究工作.系。而對(duì)于部分內(nèi)容作者重在理清原理，符合文科生學(xué)習(xí)物理的特點(diǎn)。第四篇為后牛頓宇宙觀：觀察者的闖入。由第十章（狹義相對(duì)論）、第十一章（廣義相對(duì)論和新宇宙學(xué)）、第十二章（探尋地外智能）、第十三章（量子概念）、第十四章（量子論的宇宙組成）該篇主要介紹了近代物理學(xué)的兩個(gè)偉大理論：相對(duì)論和量子力學(xué)。帶領(lǐng)學(xué)生觀察高速世界和微觀世界的奇妙物理景象。第五篇為原子的內(nèi)部：原子核之火、太陽(yáng)之火。由第十五章（原子核和放射性：一種新力）、第十六章（聚變和裂變：一種新能量）、第十七章（能量的挑戰(zhàn)）、第十八章（量子場(chǎng)：相對(duì)論和量子聯(lián)姻）組成。該部分是近代物理的延伸，通過(guò)核聚變與核裂變的介紹引出了當(dāng)前世界的一個(gè)熱門話題——能源問(wèn)題。最后通過(guò)介紹量子場(chǎng)，說(shuō)明了當(dāng)代物理學(xué)理論的發(fā)展，同時(shí)對(duì)未來(lái)物理學(xué)發(fā)展做出了展望。[1]2該書(shū)的主要特色與傳統(tǒng)的物理學(xué)教材相比，《物理學(xué)的概念與文化素養(yǎng)（第四版）（翻譯版）》別出心裁，沒(méi)有拘泥于傳統(tǒng)教材寫(xiě)作形式，而是有其獨(dú)特之處。這體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：2.1教材主線清晰，條理分明本書(shū)闡述了大量的物理概念和原理以及相應(yīng)的物理常識(shí)和背景。但是該書(shū)不是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的物理概念和物理事例的堆積。本書(shū)有一張清晰的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，在書(shū)的開(kāi)頭附錄中配有內(nèi)容流程圖，學(xué)生通過(guò)內(nèi)容流程圖可以對(duì)該書(shū)的寫(xiě)作順序和寫(xiě)作主干一目了然。概括地說(shuō)，作者用能量概念統(tǒng)一了全部物理學(xué)，以牛頓核心理論、現(xiàn)代論題和哲學(xué)論題、社會(huì)性論題這三條線貫穿了本書(shū)的內(nèi)容，這三條線之間相互聯(lián)系，統(tǒng)一了主題。這種思路設(shè)計(jì)，將科學(xué)精神和人文理念貫穿全書(shū)，在學(xué)習(xí)物理概念和原理的同時(shí)，通過(guò)物理實(shí)例激發(fā)學(xué)生更加關(guān)注當(dāng)前的社會(huì)問(wèn)題，同時(shí)也衍生一種理念，教給學(xué)生科學(xué)方法，提高科學(xué)素養(yǎng)。2.2行文方式生動(dòng)活潑，充滿哲學(xué)和藝術(shù)氣息霍布森教授的朋友、北京大學(xué)物理系的趙凱華教授為《物理學(xué)的概念與文化素養(yǎng)（第四版）（翻譯版）》作序。據(jù)他介紹，霍布森教授是個(gè)極有個(gè)人魅力的人，曾于北德州大學(xué)獲得音樂(lè)學(xué)士學(xué)位，后來(lái)又從堪薩斯大學(xué)獲得理論物理學(xué)的哲學(xué)博士學(xué)位。知識(shí)的積累使得霍布森教授博學(xué)睿智，藝術(shù)的熏陶又使他富有激情，這本書(shū)就洋溢著濃厚的藝術(shù)氣息，跳動(dòng)著睿智的美妙音符。該書(shū)作者霍布森教授深知文科學(xué)生與理科學(xué)生思維方式的差別，所以他在行文上更加注重用生動(dòng)的語(yǔ)言來(lái)闡述物理。例如第一章的1.1節(jié)“星星的微塵：邀請(qǐng)你訪問(wèn)科學(xué)……我們來(lái)自星星。的確，我們是由原子構(gòu)成的，而這些原子由遠(yuǎn)古的星球產(chǎn)生，并通過(guò)星球爆炸進(jìn)入空間。這一事實(shí)只是聯(lián)系我們同宇宙其它部分的大網(wǎng)中的一縷?？茖W(xué)——觀察和了解自然界，是通向理清這張網(wǎng)的一條途徑?！边@種擬人化的語(yǔ)言，使學(xué)生感覺(jué)十分親切且不失幽默，告訴學(xué)生為什么要學(xué)習(xí)物理、學(xué)習(xí)科學(xué)，有助于引起學(xué)生對(duì)于物理的興趣。例如1.2節(jié)“觀察星空……置身于樹(shù)木之間，難以看到一片森林。同樣的道理，由于我們的文化是如此之深地沉浸在科學(xué)和技術(shù)之中，也就難以對(duì)科學(xué)和技術(shù)得到一個(gè)正確的看法。本書(shū)最重要的主題是研究科學(xué)自身的本性?？茖W(xué)怎樣運(yùn)轉(zhuǎn)？它的價(jià)值是什么？其結(jié)論的有效性如何？我們將看到，科學(xué)并不是一堆知識(shí)，而更是一條途徑，一種學(xué)習(xí)方法?！币詷?shù)木和森林的關(guān)系來(lái)說(shuō)明對(duì)科學(xué)和技術(shù)正確理解的重要性，從而引出什么是科學(xué)，科學(xué)的價(jià)值以及科學(xué)的本質(zhì)，這種類比的方法富有哲理性和啟發(fā)性，更容易告訴學(xué)生對(duì)科學(xué)有一個(gè)正確的看法的重要性。2.3書(shū)中大量引用了詩(shī)人、藝術(shù)家、哲學(xué)家和科學(xué)家的名言該書(shū)章節(jié)前引用名人名言，加深整體理解。在每一章的開(kāi)頭，作者都會(huì)引用一名物理學(xué)家的名言，以點(diǎn)明該章節(jié)所闡述的主題。這樣既能使讀者對(duì)該章節(jié)教學(xué)內(nèi)容的理解有所幫助，同時(shí)也讓讀者知道物理學(xué)家對(duì)世界的理解，引起讀者對(duì)物理世界的哲學(xué)思考。以第一章為例，作者開(kāi)篇引用物理學(xué)家波恩的名言“我相信絕對(duì)必然、絕對(duì)準(zhǔn)確和終極真理這些想法都是空想虛構(gòu)，任何一個(gè)科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)都不應(yīng)采納?！谖铱磥?lái)這種對(duì)思想的松綁是現(xiàn)代科學(xué)給予我們的最大幸事。這是因?yàn)橄嘈弄?dú)一無(wú)二的真理，相信自己是其擁有者，這些都是這個(gè)世界的萬(wàn)惡之源?！睂?duì)于文科生而言，更習(xí)慣傾向于感性的思維與文字的論證，為了闡述“科學(xué)的方法：經(jīng)驗(yàn)和理性”所傳達(dá)的主要信息，作者通過(guò)物理學(xué)家的角度來(lái)詮釋，這樣更能使文科生了解物理學(xué)家的思考模式和對(duì)物理世界的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也使該書(shū)充滿了濃厚的哲學(xué)氣息。每章節(jié)中引入名人名言，文理交匯，既生動(dòng)幽默又發(fā)人深省。在教授重要物理知識(shí)的過(guò)程中，閱讀與自然科學(xué)有關(guān)的相關(guān)名言會(huì)有助于學(xué)生加深對(duì)物理知識(shí)的理解，有助于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。如在第106頁(yè)中，闡述牛頓世界觀時(shí)，不但引用了物理學(xué)家開(kāi)爾文勛爵的的名言“只有在我對(duì)一樣?xùn)|西建立起一個(gè)力學(xué)模型之后，我才會(huì)對(duì)自己感到滿意。如果我能夠建立起一個(gè)力學(xué)模型，我就能夠理解它。只要我還未能建立起力學(xué)模型，我就不能理解。”來(lái)表達(dá)牛頓世界觀對(duì)物理學(xué)家的影響，同時(shí)也引用的英國(guó)詩(shī)人布萊克的詩(shī)句“我看到一幅四重的圖像，它使我感到四重的最高的歡樂(lè)，三重的圖像也給我?guī)?lái)歡樂(lè)，使我歡樂(lè)的圖像至少也有二重；上帝將保佑我們遠(yuǎn)離牛頓那簡(jiǎn)單劃一的圖像，那機(jī)械的夢(mèng)?！币瞄_(kāi)爾文勛爵的話強(qiáng)調(diào)了牛頓世界觀的影響深遠(yuǎn)，更能使學(xué)生信服。同時(shí)引用布萊克的詩(shī)句也暗示牛頓是世界觀并不是我們對(duì)物理世界的最真實(shí)的理解，也為接下來(lái)的小節(jié)——超越牛頓：牛頓物理學(xué)的局限性，埋下伏筆。這讓學(xué)生懂得自然科學(xué)與藝術(shù)和美之間沒(méi)有絕對(duì)的界限，藝術(shù)的直覺(jué)往往對(duì)科學(xué)有所啟發(fā)。2.4習(xí)題設(shè)置層次合理該書(shū)每一章的小節(jié)中都會(huì)配有相應(yīng)內(nèi)容的“概念檢查”。例如在第一章1.3節(jié)“古希臘理論：地心宇宙”中的概念檢查2“古希臘人相信星星和其他天體是自己發(fā)光的。他們是否相信能用肉眼看到的每個(gè)天體都是這樣？a)是b)否”。這類思考題可以使學(xué)生及時(shí)地檢查自己是否掌握所學(xué)知識(shí)，同時(shí)也可以通過(guò)思考鍛煉學(xué)生理性思考的能力。在每一章后面同時(shí)配有相應(yīng)小節(jié)的復(fù)習(xí)題、思考題和習(xí)題。復(fù)習(xí)題是對(duì)所學(xué)的概念性和原理性的知識(shí)進(jìn)行加強(qiáng)理解和記憶。例如在第一章中學(xué)習(xí)了哥白尼理論后，配有相應(yīng)的復(fù)習(xí)題“10.‘哥白尼拒絕托勒密理論是由于它與觀測(cè)數(shù)據(jù)不符，他提出了一個(gè)的確與觀測(cè)數(shù)據(jù)相符的新日心說(shuō)理論。’這個(gè)說(shuō)法對(duì)不對(duì)？請(qǐng)說(shuō)明。”此類復(fù)習(xí)題問(wèn)題多是考察學(xué)生學(xué)生對(duì)書(shū)本知識(shí)是否完全理解掌握，且一般都可以在書(shū)中找到相應(yīng)答案，便于學(xué)生及時(shí)鞏固所學(xué)物理學(xué)的基本概念和原理。思考題重于考察學(xué)生對(duì)所學(xué)物理知識(shí)的理解和應(yīng)用。例如在第七章中學(xué)習(xí)了熱機(jī)這節(jié)后，配有相應(yīng)的思考題“22.一盆水在寒冷的天氣放在戶外就要結(jié)冰。液態(tài)水的分子無(wú)序程度比冰高。那么，結(jié)冰過(guò)程是熵增加定律的例外嗎？請(qǐng)說(shuō)明?！毕翊祟愃伎碱}，多考察學(xué)生的邏輯思維能力。作者運(yùn)用復(fù)習(xí)題考察學(xué)生對(duì)物理概念的記憶和理解，并且讓學(xué)生用所學(xué)物理概念和原理來(lái)解釋實(shí)際中的問(wèn)題，從而提高學(xué)生的理性思維能力。習(xí)題多是以計(jì)算題為主，考察學(xué)生對(duì)公式原理的理解掌握情況。例如在第四章中學(xué)習(xí)了牛頓運(yùn)動(dòng)定律之后，配有相應(yīng)的練習(xí)題“1.你在水平路面上用250N的力推動(dòng)質(zhì)量為2噸（2000kg）的車輛。求車輛的加速度?！毕襁@類習(xí)題，可以通常只需要簡(jiǎn)單的演算，使得文科學(xué)生掌握初步的數(shù)學(xué)計(jì)算，使學(xué)生知道物理學(xué)畢竟是一門定量的科學(xué)。2.5“我們?cè)趺粗馈毙」?jié)的特色設(shè)置本書(shū)中每一個(gè)章節(jié)都設(shè)計(jì)了“我們?cè)趺粗馈钡男」?jié)。如15頁(yè)中“我們?cè)趺粗赖厍蚝蛣e的星球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)”；如204頁(yè)中“我們?cè)趺粗拦?000年以來(lái)地球的溫度”；如第365頁(yè)中“我們?cè)趺粗婪派湫阅甏鷾y(cè)定是可靠的”。這種“我們?cè)趺粗馈钡脑O(shè)計(jì)，更加注重格物致知和探索精神，這些問(wèn)題中的許多往往都是學(xué)生自己能提出的，然而卻不一定得到滿意的答案，傳統(tǒng)的物理學(xué)教材往往注重概念和原理的理解，而忽略的概念和原理的應(yīng)用。而這種“我們?cè)趺粗馈钡慕滩脑O(shè)計(jì)模式更能使學(xué)生懂得如何運(yùn)用所學(xué)的物理概念和原理來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，從而真正做到學(xué)以致用。2.6用盡可能少的數(shù)學(xué)公式給學(xué)生講授最前沿的物理學(xué)知識(shí)本書(shū)的一大特色是霍布森教授力求教給學(xué)生最新的物理學(xué)，同時(shí)避免使用過(guò)多的數(shù)學(xué)公式，而是注重概念的闡釋和原理的運(yùn)用。例如：書(shū)中介紹了量子力學(xué)的非局域性、大統(tǒng)一、弦假說(shuō)、超對(duì)稱、希格斯場(chǎng)等物理學(xué)最新的概念，霍布森教授沒(méi)有用數(shù)學(xué)概念式的教學(xué)。除了E=mc2外全書(shū)沒(méi)有出現(xiàn)數(shù)學(xué)公式，不提波粒二象性的觀念而以量子場(chǎng)為基礎(chǔ)，這都是別的同類教材中所沒(méi)有的。同時(shí)在本書(shū)中，霍布森教授采用了大量的內(nèi)容豐富、形式活潑的圖片，旨在激發(fā)學(xué)生的求知欲，讓學(xué)生對(duì)物理學(xué)的概念和原理形成感性的認(rèn)識(shí)，再通過(guò)提問(wèn)式的教學(xué)方式使感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)的高度。幫助學(xué)生掌握相應(yīng)的物理學(xué)概念和原理。如在第117頁(yè)用兩幅人搬運(yùn)書(shū)本的卡通圖片來(lái)闡述功的定義；如在248頁(yè)到250頁(yè)，用連續(xù)四組人在電梯中升降的插圖來(lái)講解廣義相對(duì)論中的等效原理（如下圖1-4）；如在356頁(yè)用速率—距離坐標(biāo)系形象地表現(xiàn)了物理學(xué)中量子理論、狹義相對(duì)論、廣義相對(duì)論及牛頓理論的適用范圍( 如下圖5)。圖1.加速度的效應(yīng)和重力的效應(yīng)完全相似。電梯內(nèi)的觀察者不能分辨它們的差異。圖2.如果你在一部在外層空間做加速運(yùn)動(dòng)的火箭內(nèi)釋放一塊石頭，你會(huì)看到這塊石頭“落”向地板，就像你在地球上感覺(jué)到重力的效應(yīng)一樣。圖3.如果你在一部在外層空間做加速運(yùn)動(dòng)的火箭內(nèi)水平扔出一塊石頭，你會(huì)看到這塊石頭落向地板的方式，就像你是在地球上并感覺(jué)到重力的效應(yīng)一樣。圖4.如果你在一部正在外層空間做加速運(yùn)動(dòng)的火箭內(nèi)打開(kāi)一個(gè)閃光燈，光束相對(duì)于你將會(huì)彎曲。圖5.牛頓物理學(xué)、相對(duì)論物理學(xué)和量子物理學(xué)各自的領(lǐng)域。2.7側(cè)重物理學(xué)與社會(huì)科學(xué)的聯(lián)系，突出社會(huì)問(wèn)題該書(shū)的一個(gè)重要主題便是物理學(xué)的社會(huì)聯(lián)系。書(shū)中列舉了當(dāng)代社會(huì)的一些重大問(wèn)題。如第七章所介紹的資源使用和指數(shù)增長(zhǎng)；第九章所介紹的全球臭氧枯竭及全球變暖；第十二章所介紹的智能生命與發(fā)展技術(shù)；第十五章及第十六章所介紹的核能源的利用和危害；第十七章所介紹的未來(lái)能源選擇與利用。這些均是與社會(huì)息息相關(guān)的問(wèn)題，霍布森教授旨在告訴學(xué)生這些社會(huì)問(wèn)題關(guān)系到每一位公眾的切身利益，開(kāi)展對(duì)公眾的教育勢(shì)在必行，科學(xué)的巨大威力要求我們每一個(gè)人承擔(dān)巨大的責(zé)任。2.8突出介紹物理學(xué)變革對(duì)哲學(xué)、文化領(lǐng)域的沖擊和影響霍布森教授在書(shū)中提到了哥白尼天文觀之于中世紀(jì)宗教觀，牛頓世界觀之于平等觀、運(yùn)動(dòng)哲學(xué)，原子論之于唯物主義哲學(xué)，后牛頓物理觀之于后現(xiàn)代主義思潮，熵的運(yùn)動(dòng)之于信息論、博弈論等等?？梢钥闯鑫锢韺W(xué)對(duì)哲學(xué)和文化的影響和輻射是顯著的，《物理學(xué)的概念與文化素養(yǎng)（第四版）（翻譯版）》充分體現(xiàn)了文理滲透的精神，加強(qiáng)物理學(xué)的人文色彩，并突出物理學(xué)的思想性和哲理性。注重科學(xué)認(rèn)知，教授學(xué)生正確的科學(xué)方法科學(xué)并不僅僅是一堆知識(shí)，而是一個(gè)提出、檢驗(yàn)和精煉一些想法的過(guò)程?；舨忌淌谠诘谝徽轮兄攸c(diǎn)強(qiáng)調(diào)了科學(xué)的方法及其重要性，值得一提的是還對(duì)偽科學(xué)提出了正確的判斷方法：“如果一個(gè)理論不能接受觀察的檢驗(yàn)，它就不能告訴我們有關(guān)這個(gè)可觀察的宇宙的任何東西，那么它根本不是一個(gè)科學(xué)理論，科學(xué)理論必須由觀察結(jié)果檢驗(yàn)，而觀察結(jié)果可以想象是可能和理論抵觸的?！辈⑶颐鞔_了正確的科學(xué)認(rèn)知過(guò)程：“科學(xué)基于經(jīng)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)和觀察結(jié)果）與理性（整理經(jīng)驗(yàn)使之相互關(guān)聯(lián)的理論和假說(shuō)）之間的互動(dòng)。這一植根于經(jīng)驗(yàn)與理性的基