《物理學(xué)的概念與文化素養(yǎng)》一書的特色與分析

PAGEPAGE8《物理學(xué)的概念與文化素養(yǎng)》一書的特色與分析張立彬1，王娟萍1，張強2，張亮亮2（1.南開大學(xué)外國教材中心，天津300071；2.南開大學(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)典的美國文科物理教材，本文簡要介紹了該書的主要內(nèi)容，并對其特色進行了詳細分析，希望在提高我國文科物理教材建設(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：文獻標識碼：文章編號：《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，原英文版在美國非常受歡迎。作者阿特·霍布森教授三十多年來懷著提高公眾科學(xué)素養(yǎng)的強烈使命感，孜孜以求地致力于對文科生的科學(xué)素養(yǎng)教育。由于本書的成功以及他提倡講授與科學(xué)有關(guān)的社會論題，阿特·霍布森于2006年獲得美國物理教師協(xié)會頒發(fā)的密立根獎。在美國，130所以上的大學(xué)都采用這本書作為文科物理教材。該書的影響之大可想而知，因此這本書對于我國文科物理教學(xué)具有一定參考價值。1該書的主要內(nèi)容該書按照物理學(xué)的發(fā)展史進行介紹，分為四個部分，共計18個章節(jié)。第一篇為序幕：星星和原子。由第一章（科學(xué)的方法：經(jīng)驗和理性）、第二章（原子：事物的本性）組成。講述了對科學(xué)的正確理解及科學(xué)的正確方法，然后通過宇觀的星星和微觀的原子來講解物理學(xué)的研究歷史和研究范圍，這種人文科學(xué)與自然科學(xué)交錯的行文方式，更容易引起學(xué)生對自然科學(xué)的強烈興趣。第二篇為牛頓式宇宙：一個像鐘表一樣運轉(zhuǎn)的王國。由第三章（物體怎樣運動：伽利略的問題提得恰當）、第四章（物體為什么這樣運動）、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，同時通過生活中的事例重點介紹了牛頓三大定律。第三篇為向新物理學(xué)過渡。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：基金項目：教育部2012年研究項目《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)國際化創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式》（2012-28）資助.作者簡介：張立彬（1964—），男，河北石家莊人，教育部南開大學(xué)外國教材中心副教授，主要從事中外高等教育教材評介與比較研究工作.系。而對于部分內(nèi)容作者重在理清原理，符合文科生學(xué)習物理的特點。第四篇為后牛頓宇宙觀：觀察者的闖入。由第十章（狹義相對論）、第十一章（廣義相對論和新宇宙學(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)的兩個偉大理論：相對論和量子力學(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：相對論和量子聯(lián)姻）組成。該部分是近代物理的延伸，通過核聚變與核裂變的介紹引出了當前世界的一個熱門話題——能源問題。最后通過介紹量子場，說明了當代物理學(xué)理論的發(fā)展，同時對未來物理學(xué)發(fā)展做出了展望。[1]2該書的主要特色與傳統(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，沒有拘泥于傳統(tǒng)教材寫作形式，而是有其獨特之處。這體現(xiàn)在以下幾個方面：2.1教材主線清晰，條理分明本書闡述了大量的物理概念和原理以及相應(yīng)的物理常識和背景。但是該書不是簡簡單單的物理概念和物理事例的堆積。本書有一張清晰的知識網(wǎng)絡(luò)，在書的開頭附錄中配有內(nèi)容流程圖，學(xué)生通過內(nèi)容流程圖可以對該書的寫作順序和寫作主干一目了然。概括地說，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、社會性論題這三條線貫穿了本書的內(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，將科學(xué)精神和人文理念貫穿全書，在學(xué)習物理概念和原理的同時，通過物理實例激發(fā)學(xué)生更加關(guān)注當前的社會問題，同時也衍生一種理念，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，霍布森教授是個極有個人魅力的人，曾于北德州大學(xué)獲得音樂學(xué)士學(xué)位，后來又從堪薩斯大學(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，這本書就洋溢著濃厚的藝術(shù)氣息，跳動著睿智的美妙音符。該書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的語言來闡述物理。例如第一章的1.1節(jié)“星星的微塵：邀請你訪問科學(xué)……我們來自星星。的確，我們是由原子構(gòu)成的，而這些原子由遠古的星球產(chǎn)生，并通過星球爆炸進入空間。這一事實只是聯(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@種擬人化的語言，使學(xué)生感覺十分親切且不失幽默，告訴學(xué)生為什么要學(xué)習物理、學(xué)習科學(xué)，有助于引起學(xué)生對于物理的興趣。例如1.2節(jié)“觀察星空……置身于樹木之間，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，也就難以對科學(xué)和技術(shù)得到一個正確的看法。本書最重要的主題是研究科學(xué)自身的本性?？茖W(xué)怎樣運轉(zhuǎn)？它的價值是什么？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，而更是一條途徑，一種學(xué)習方法?！币詷淠竞蜕值年P(guān)系來說明對科學(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)生對科學(xué)有一個正確的看法的重要性。2.3書中大量引用了詩人、藝術(shù)家、哲學(xué)家和科學(xué)家的名言該書章節(jié)前引用名人名言，加深整體理解。在每一章的開頭，作者都會引用一名物理學(xué)家的名言，以點明該章節(jié)所闡述的主題。這樣既能使讀者對該章節(jié)教學(xué)內(nèi)容的理解有所幫助，同時也讓讀者知道物理學(xué)家對世界的理解，引起讀者對物理世界的哲學(xué)思考。以第一章為例，作者開篇引用物理學(xué)家波恩的名言“我相信絕對必然、絕對準確和終極真理這些想法都是空想虛構(gòu)，任何一個科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)都不應(yīng)采納?！谖铱磥磉@種對思想的松綁是現(xiàn)代科學(xué)給予我們的最大幸事。這是因為相信獨一無二的真理，相信自己是其擁有者，這些都是這個世界的萬惡之源?！睂τ谖目粕?，更習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)驗和理性”所傳達的主要信息，作者通過物理學(xué)家的角度來詮釋，這樣更能使文科生了解物理學(xué)家的思考模式和對物理世界的認識，同時也使該書充滿了濃厚的哲學(xué)氣息。每章節(jié)中引入名人名言，文理交匯，既生動幽默又發(fā)人深省。在教授重要物理知識的過程中，閱讀與自然科學(xué)有關(guān)的相關(guān)名言會有助于學(xué)生加深對物理知識的理解，有助于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。如在第106頁中，闡述牛頓世界觀時，不但引用了物理學(xué)家開爾文勛爵的的名言“只有在我對一樣?xùn)|西建立起一個力學(xué)模型之后，我才會對自己感到滿意。如果我能夠建立起一個力學(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?！眮肀磉_牛頓世界觀對物理學(xué)家的影響，同時也引用的英國詩人布萊克的詩句“我看到一幅四重的圖像，它使我感到四重的最高的歡樂，三重的圖像也給我?guī)須g樂，使我歡樂的圖像至少也有二重；上帝將保佑我們遠離牛頓那簡單劃一的圖像，那機械的夢?！币瞄_爾文勛爵的話強調(diào)了牛頓世界觀的影響深遠，更能使學(xué)生信服。同時引用布萊克的詩句也暗示牛頓是世界觀并不是我們對物理世界的最真實的理解，也為接下來的小節(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)和美之間沒有絕對的界限，藝術(shù)的直覺往往對科學(xué)有所啟發(fā)。2.4習題設(shè)置層次合理該書每一章的小節(jié)中都會配有相應(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天體都是這樣？a)是b)否”。這類思考題可以使學(xué)生及時地檢查自己是否掌握所學(xué)知識，同時也可以通過思考鍛煉學(xué)生理性思考的能力。在每一章后面同時配有相應(yīng)小節(jié)的復(fù)習題、思考題和習題。復(fù)習題是對所學(xué)的概念性和原理性的知識進行加強理解和記憶。例如在第一章中學(xué)習了哥白尼理論后，配有相應(yīng)的復(fù)習題“10.‘哥白尼拒絕托勒密理論是由于它與觀測數(shù)據(jù)不符，他提出了一個的確與觀測數(shù)據(jù)相符的新日心說理論?！@個說法對不對？請說明?！贝祟悘?fù)習題問題多是考察學(xué)生學(xué)生對書本知識是否完全理解掌握，且一般都可以在書中找到相應(yīng)答案，便于學(xué)生及時鞏固所學(xué)物理學(xué)的基本概念和原理。思考題重于考察學(xué)生對所學(xué)物理知識的理解和應(yīng)用。例如在第七章中學(xué)習了熱機這節(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)水的分子無序程度比冰高。那么，結(jié)冰過程是熵增加定律的例外嗎？請說明?！毕翊祟愃伎碱}，多考察學(xué)生的邏輯思維能力。作者運用復(fù)習題考察學(xué)生對物理概念的記憶和理解，并且讓學(xué)生用所學(xué)物理概念和原理來解釋實際中的問題，從而提高學(xué)生的理性思維能力。習題多是以計算題為主，考察學(xué)生對公式原理的理解掌握情況。例如在第四章中學(xué)習了牛頓運動定律之后，配有相應(yīng)的練習題“1.你在水平路面上用250N的力推動質(zhì)量為2噸（2000kg）的車輛。求車輛的加速度?！毕襁@類習題，可以通常只需要簡單的演算，使得文科學(xué)生掌握初步的數(shù)學(xué)計算，使學(xué)生知道物理學(xué)畢竟是一門定量的科學(xué)。2.5“我們怎么知道”小節(jié)的特色設(shè)置本書中每一個章節(jié)都設(shè)計了“我們怎么知道”的小節(jié)。如15頁中“我們怎么知道地球和別的星球繞太陽公轉(zhuǎn)”；如204頁中“我們怎么知道公元1000年以來地球的溫度”；如第365頁中“我們怎么知道放射性年代測定是可靠的”。這種“我們怎么知道”的設(shè)計，更加注重格物致知和探索精神，這些問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“我們怎么知道”的教材設(shè)計模式更能使學(xué)生懂得如何運用所學(xué)的物理概念和原理來解決實際問題的能力，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)知識本書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)，同時避免使用過多的數(shù)學(xué)公式，而是注重概念的闡釋和原理的運用。例如：書中介紹了量子力學(xué)的非局域性、大統(tǒng)一、弦假說、超對稱、希格斯場等物理學(xué)最新的概念，霍布森教授沒有用數(shù)學(xué)概念式的教學(xué)。除了E=mc2外全書沒有出現(xiàn)數(shù)學(xué)公式，不提波粒二象性的觀念而以量子場為基礎(chǔ)，這都是別的同類教材中所沒有的。同時在本書中，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)生對物理學(xué)的概念和原理形成感性的認識，再通過提問式的教學(xué)方式使感性認識上升到理性認識的高度。幫助學(xué)生掌握相應(yīng)的物理學(xué)概念和原理。如在第117頁用兩幅人搬運書本的卡通圖片來闡述功的定義；如在248頁到250頁，用連續(xù)四組人在電梯中升降的插圖來講解廣義相對論中的等效原理（如下圖1-4）；如在356頁用速率—距離坐標系形象地表現(xiàn)了物理學(xué)中量子理論、狹義相對論、廣義相對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動的火箭內(nèi)釋放一塊石頭，你會看到這塊石頭“落”向地板，就像你在地球上感覺到重力的效應(yīng)一樣。圖3.如果你在一部在外層空間做加速運動的火箭內(nèi)水平扔出一塊石頭，你會看到這塊石頭落向地板的方式，就像你是在地球上并感覺到重力的效應(yīng)一樣。圖4.如果你在一部正在外層空間做加速運動的火箭內(nèi)打開一個閃光燈，光束相對于你將會彎曲。圖5.牛頓物理學(xué)、相對論物理學(xué)和量子物理學(xué)各自的領(lǐng)域。2.7側(cè)重物理學(xué)與社會科學(xué)的聯(lián)系，突出社會問題該書的一個重要主題便是物理學(xué)的社會聯(lián)系。書中列舉了當代社會的一些重大問題。如第七章所介紹的資源使用和指數(shù)增長；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能源選擇與利用。這些均是與社會息息相關(guān)的問題，霍布森教授旨在告訴學(xué)生這些社會問題關(guān)系到每一位公眾的切身利益，開展對公眾的教育勢在必行，科學(xué)的巨大威力要求我們每一個人承擔巨大的責任。2.8突出介紹物理學(xué)變革對哲學(xué)、文化領(lǐng)域的沖擊和影響霍布森教授在書中提到了哥白尼天文觀之于中世紀宗教觀，牛頓世界觀之于平等觀、運動哲學(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，熵的運動之于信息論、博弈論等等?？梢钥闯鑫锢韺W(xué)對哲學(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，而是一個提出、檢驗和精煉一些想法的過程?；舨忌淌谠诘谝徽轮兄攸c強調(diào)了科學(xué)的方法及其重要性，值得一提的是還對偽科學(xué)提出了正確的判斷方法：“如果一個理論不能接受觀察的檢驗，它就不能告訴我們有關(guān)這個可觀察的宇宙的任何東西，那么它根本不是一個科學(xué)理論，科學(xué)理論必須由觀察結(jié)果檢驗，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)認知過程：“科學(xué)基于經(jīng)驗（實驗和觀察結(jié)果）與理性（整理經(jīng)驗使之相互關(guān)聯(lián)的理論和假說）之間的互動。這一植根于經(jīng)驗與理性的基