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1 # 媽咪說MommyTalk
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2 # 物理思維
物理學是重要的基礎學科,中美在物理學本科教育方面應無本質差別,畢竟學的是一個物理學,但在細節上還是有一些差別的。
大陸物理教學大致分兩類,一類是物理類專業學的,要求會深一些,學的會更系統一些。另一類是非物理類,其他理工科專業學的,涉及的面和物理類專業大致相同,但課時會少一些,深度會淺一些。大陸文科各專業據我所知物理並非是必修課程。
國外不像國內那麼強調專業,上大學後轉換專業相對容易,所以他們開設的物理課層次會相對多一些,選擇的餘地也比較大。相應地,其教科書的層次也會多一些。舉例而言,學習量子力學,國外也許會有一個引論性課程,在此基礎上會有量子力學I,然後還會有量子力學II,這個層次就比國內多一層。
相對而言,國外的大學課程要求會比較嚴格,尤其是比較好的大學,淘汰率很高,而中國由於國情及歷史原因,大學裡面的淘汰率是很低的。比如在國外,老師會定期組織測驗,考試作弊等不端行為是絕對禁止的,除期末測驗外,平時的測驗也會佔相當比例,甚至是絕大部分比例,作為學生學習起來的壓力就會比較大,而且是持續的壓力,很多學生在學了一段時間後,見勢不妙,也會早早把課程退掉,改選較低難度的課程。
還有一個重要區別是,在國外是比較淡化本科生的專業的,這意味著在國外專門學物理的學生其實是比較少的,大部分學生學的是工程科學,但這部分學生學習的物理課程,及其要求普遍要比國內學工科的學生要多而且高。甚至與國內的物理類專業相比沒有本質區別。
不僅僅是物理,國外工科對學生的數學、甚至化學的要求也很高,可見未來工程創新的基礎還在基礎科學。
我挖個坑吧,這應該屬於物理教育範疇,我僅從中美本科物理學教材的對比上談一談區別。
美國大學物理學課程教材主要有兩類,一類是較高難度的教材,主要是“TheFeynmanLecturesonPhysics”(費曼物理學講義)、“BerkleyPhysicsCourse”(伯克利物理教程);另一類是難度不大的教材,“HallidayPhysics”(哈里德物理)以及“UniversityPhysics”和西爾斯物理。其中,“Universityphysics”(RonailLR)是美國高校大學物理學課程使用比較廣泛的教材。
中國教材《大學物理學》,由於我學的是(張三慧,清華大學出版社)這個,我就用這個吧,和“Universityphysics”這兩本教材加以比較分析。
一、教材內容結構的比較
《UniversityPhysics》和《大學物理學》內容結構大體一致,均包括力學、熱學、電磁學、光學、量子物理5個方面。
由表1可見,“UniversityPhysics”的內容結構與《大學物理學》相比較,“UniversityPhysics”的力學內容在章數、節數、頁數明顯高於《大學物理學》,說明美國大學物理教學更重視力學知識的學習。
二、思考題與習題的比較
“UniversityPhysics”的思考題與習題之比86.5%,《大學物理學》的思考題與習題之比49.1%,表2體現了兩本教材力、熱、電、光、量子物理5方面內容的思考題及習題所佔比重情況。
由表2可見,思考題在兩種教材中均佔有一定的比重,表明了思考題在物理學習中的重要作用和意義。“UniversityPhysics”的思考題與《大學物理學》相比較,不僅數量多,且所佔的比例更高,從一個側面反映出美國教學更加註重思考問題能力的訓練。
三、教材特點的比較
1.“UniversityPhysics”教材特點
第一,教材內容豐富,圖片精美,用生動通俗的方式講解物理學的基本原理,並涉及大量在生活、工程技術中的應用和物理學領域的最新成果。
第二,教材對基本物理概念與原理闡述清晰,如機械能守恆定律和熱力學第一定律的含義和關係。並將現代物理的概念適時引入到經典基本理論之中,如波動部分,就引述了不確定關係公式;經典比熱部分介紹了量子效應等。
第三,教材的每章都列出了大量習題,和其他教材相比習題的陳述和設計都更加清楚。有的習題直接研究正文未講過的內容,例如第753頁第40題,取一個長方形紙條,長為d、寬為e,捻住紙帶一端使這一端繞長軸旋轉180°後與它的另一端粘牢,這種表面被稱為莫比烏斯帶,如果你沿紙帶畫線做標記,你會發現,該標記會回到你開始的位置,且紙帶的任何一方都有標記線。因此可以認為這樣的帶有一個面,如果設想將這樣一個莫比烏斯帶放在勻強電場E0中,問透過它表面的電通量?這一題目題幹陳述得比較詳細,使讀者能比較直觀地理解題目的含義,甚至有興趣親自去做一個這樣的紙帶,去嘗試題中所說,從而加深對題目的認識。
第四,教材的每章末都提出了一些小論文的研究課題和參考材料等,這些能幫助學生提高自己的學習能力。如第16章(第766頁)要求學生寫篇小論文,比較和對比引力和電力,比較和對照引力場和電場,從而加深學生對靜電場性質和規律的認識和理解。第五,教材的插圖數量多,且大多來自於實際物理現象,清晰美觀,有助於學生理解物理內容。如插圖中展示光線透過一個參與主虹形成的雨滴時的路徑,展示了光透過大量雨滴形成彩虹的光路,展示了形成副虹(即霓)的光路。直觀明瞭,展現了光的反射、折射情況,成功地解釋了彩虹的形成。
第六,教材還有“解決問題策略的小結”和“調查的計劃”,這是該教材的突出特點。“解決問題策略的小結”主要是指導學生如何閱讀教材、如何解答習題等。“調查的計劃”是以教學中的主要物理原理、定律等基本理論、基本知識為指導,調查生活實踐中涉及物理理論的實際問題。例如第17章末介紹了凝膠電泳是一種分離蛋白質、氨基酸、DNA的方法,指出這種方法利用了電場,它是生物學中的一種普遍應用的技術。要求學生調查這種技術及其對靜電學原理的應用,拜訪一位生物系應用這種技術的人員,討論、設計並完成一個應用這種技術的實驗,要注意寫明實驗報告中的物理過程。這是典型的理論與實際聯絡的問題,有效地加強了物理學作為自然科學和工程技術基礎學科的意識和作用。
2.《大學物理學》教材特點
第一,教材起點較高,凡是中學教學大綱已列內容,一般不再做簡單的重複。
第二,教材著重加強了講述的系統性。保證基本經典內容的基礎上,大力使內容現代化,特闢了兩類特殊內容:“今日物理趣聞”和“物理學與現代技術”。前者介紹當今物理學前沿的發展,例如粒子理論、廣義相對論、超導、等離子體、大爆炸、耗散結構理論等。後者介紹物理學的某些現代應用,如同步衛星的發射、等離子體發電、熱泵、隧穿掃描顯微鏡等。二者作為選講或選讀內容,以擴大學生的現代知識領域,基本內容簡明扼要,選讀部分通俗易懂。
第三,教材簡要地介紹了重要的物理學家的生平與貢獻。這樣做,一方面是為了向學生提供必要的物理學史知識,另一方面也希望學生能從這些科學家的開創精神、治學態度以及思想境界方面獲得教益。
綜上所述,兩種教材各成體系,特色鮮明,在中美大學物理課程教學中發揮著重要的作用。兩種教材具有大體相同的內容結構,均注重學生能力的培養和提高,各自的內容又具有不同的呈現方式。