大学物理课程和中学物理课程近代物理部分的衔接研究＊

郑海务 康 缈 任凤竹 尹国盛

（河南大学物理与电子学院，河南 开封 475004）

大学物理课程和中学物理课程近代物理部分的衔接研究＊

郑海务 康 缈 任凤竹 尹国盛

（河南大学物理与电子学院，河南 开封 475004）

21世纪，我国高等教育呈现大众化，人才竞争也日益激烈.在新的时期，大学物理课程与中学物理课程衔接问题的研究与探索，成为全面提高大学理工科人才培养质量的重要课题之一.本文紧扣教育部《理工科类大学物理课程教学基本要求》和《高中物理课程标准》，结合高中和大学培养目标和教学方式的不同特点，就大学物理课程中的近代物理部分与中学物理课程脱节的表现进行了分析，提出了加强教学衔接的对策，希望为顺利实现从中学向大学的过渡提供参考.

大学物理；中学物理；近代物理；教学改革；衔接

物理学是研究物质的基本结构、基本运动形式、相互作用及其转化规律的自然科学.它的基本理论渗透在自然科学的各个领域，应用于生产技术的许多部门，是其他自然科学和工程技术的基础.D.F.Holeomb等人在研究论文《基础物理学的新模式》中指出：基础物理学教程改革方案要明确地反映近代的内容和物理学科的特点，还应该考虑是否影响中学物理教程的问题，以便能有效地使中学和大学物理相结合.

大学教育与中学教育的对象分属不同成长阶段的青少年，不但培养目标不尽相同，而且教与学的内容和方式也有较大区别.新入校的大学生们仍然在很大程度上保留着中学时代的习惯和意识，从而在学习上造成许多缺憾.中学物理课程与大学物理课程在教材上有着一定程度的重复，更有着深度、广度与难度的提高和拓展.但由于中学与大学在培养目标、教学方法和考核方式等方面的不同，不可避免地决定了大学物理与中学物理存在着内容和环节上的脱节.因此，找到大学物理教材和中学物理教材的内容上的衔接点，抓住衔接点从教学方法和考核方式等方面顺利实现从中学向大学的过渡，不仅可以提高大学物理的教学质量，增强学生学习大学物理的兴趣，而且还有助于大学后继课程的教学，有利于学生综合素质的提高.为此，本文以2007年4月第2版的人民教育出版社出版的《物理》［1，2］（普通高中课程标准实验教科书，以下简称高中物理教材）和2010年8月第1版的机械工业出版社出版的《大学物理》［3，4］教材（以下简称大学物理教材）为例，对中学物理教材与大学物理教材中的近代物理部分内容（狭义相对论、量子物理）之间的衔接知识点进行了探讨和分析.

教育部2011年颁发的《理工科类大学物理课程教学基本要求（2010版）》［5］（以下简称《要求》）中有狭义相对论力学基础和量子物理基础.高中物理课程标准［6］（以下简称《新课标》）中与此相关的内容有选修3－4（四）相对论，选修3－5（二）原子结构、（三）原子核、（四）波粒二象性.高中物理教材与近代物理相关的内容主要体现在选修3－4和3－5，而大学物理教材与近代物理相关的内容主要体现在第8章、第21、22、23、24和第25章.下面，我们具体比较《新课标》和《要求》以及高中物理教材和大学物理教材的共同之处和差异，在此基础上分析和探讨加强中学物理课程和大学物理课程中近代物理部分衔接的措施.

1 狭义相对论力学基础

20世纪初建立起来的相对论是近代物理学的伟大成就之一.该理论主要是关于时空的理论，它使人们对时间、空间的认识有了巨大的飞跃，树立了新的相对论时空观.相对论分为狭义相对论和广义相对论，通常把限于惯性参考系的理论称为狭义相对论.

1.1 《新课标》和《要求》的异同点

在狭义相对论力学基础这部分，《新课标》和《要求》的共同点是：都要求知道狭义相对论的实验基础、基本原理、时空观和质能关系式.这些共同点在《新课标》中都是选修内容，了解就足够了；在《要求》中除实验基础为扩展内容外，都是核心内容.《新课标》和《要求》的不同点是：《新课标》中要求知道相对论速度叠加规律，而《要求》中有洛伦兹坐标变换和速度变换，明显有了深度与广度的提高和拓展；《要求》中的知识点“能量和动量的关系”和“电磁场的相对性”在《新课标》中没有；《新课标》中的知识点“关注宇宙学研究的新进展”在《要求》中未见提及.

1.2 高中物理教材和大学物理教材的异同点

高中物理教材选修3－4中的第十五章（相对论）的开头指出牛顿物理学在人类活动的“正常”范围内是非常准确的，所谓正常“范围”指的是：速度远小于光速，尺寸远大于分子但又不比银河系大很多倍，引力也不比地球引力大很多倍.超出此范围，牛顿物理学的结论就与观测结果不一致了，为解决这些问题，爱因斯坦等人提出了相对论.该章的前三节分别讲述相对论的诞生、时间和空间的相对性以及狭义相对论的一些结论，涉及的知识点有狭义相对论的实验基础，基本原理，同时的相对性、长度的相对性、时间间隔的相对性以及速度叠加原理和质能关系.而大学物理教材第8章（狭义相对论力学基础）的引言部分主要描述相对论的建立时间、涉及物理学的领域、相对论的作用，接下来分为六节介绍本章的内容，分别是：迈克耳孙－莫雷实验、狭义相对论的基本原理、洛伦兹变换、狭义相对论的时空观、狭义相对论的动力学基础以及动量和能量的关系.《要求》中的知识点除了“电磁场的相对性”没有在大学物理教材中体现外，其他的知识点都在大学物理教材中有明确的体现.而《新课标》中的知识点除了“关注宇宙学研究的新进展”没有在高中物理教材中显示外，其他的知识点也都在高中物理教材中有明确的体现.

从以上分析可以看出，大学物理教材与高中物理教材存在一定程度的重复，如都涉及狭义相对论的基本原理，同时的相对性、长度的相对性、时间间隔的相对性以及质能关系.但是更主要的是两者之间的差异：如在引言部分，高中物理教材与大学物理教材有所不同；对于狭义相对论的实验基础，高中物理对迈克耳孙－莫雷实验讲解得比较笼统、简单，而大学物理教材则讲解得细致，这也符合不同培养阶段的特点和要求；大学物理教材中有洛伦兹变换以及能量和动量的关系，高中物理教材中则只有速度叠加规律.

1.3 衔接措施

我们认为高中物理教材的引言更容易让学生接受，为做好衔接，在讲授大学物理课程中狭义相对论力学基础时，不妨先讲授高中物理相对论一章的引言，接着再讲授大学物理中该章的引言，让学生既容易理解接受，又能提纲挈领地把握内容，从时空观发展的角度引导学生实现从经典力学到相对论的顺利、平稳过渡.此外，在讲授两者之间重复的知识点内容时，简单复习高中阶段的知识要点，更重要的是按照大学物理的要求，强调基本概念和逻辑推理，尽量让学生既要知其然还要知其所以然，通过与绝对时空观的比较，帮助学生了解并建立狭义相对论的时空观，即在高速世界里，时间和空间不再是绝对的，是与物质的运动相联系的，具有同时的相对性、运动的时钟变慢、长度收缩等效应.同时也要让他们明白相对论并没有全盘否定经典物理学，经典物理学作为相对论在低速运动时的特例，在其适用范围内还将继续发挥作用.在讲授大学“能量和动量的关系”时，强调这是大学有而高中没有的内容，增强学生的新鲜感和学习动力.此外，为激发学生学习兴趣和理论联系实际的能力，以“相对论的建立对人类世界的影响”为主题，让学生查阅图书资料以及网络上的相关知识，写出调研报告，加深对狭义相对论的理解.让学生明白他们学习的知识不是纯粹的理论，不是枯燥乏味的，而是可以应用到实际生活、生产中［7］.

2 量子物理基础

大学物理教材的第21章（物质的本性）和第22章（量子物理基础）都是关于量子物理的，而与此相关的内容出现在高中物理教材的选修3－5中的第十七章（波粒二象性）和第十八章（原子结构）中.

2.1 《新课标》和《要求》的异同点

从《要求》和《新课标》的对比来看，高中物理和大学物理只有少量的重复：如光电效应、康普顿效应和不确定关系，而且这些重复的内容在不同阶段的要求也不一样，高中物理中只是了解，而大学物理中却是核心内容；《要求》中有薛定谔方程、一维无限深势阱、一维谐振子、一维势垒、电子自旋、泡利原理、交换对称性和激光等，这些内容在《新课标》中没有提及；《新课标》中的“通过对氢原子光谱的分析，了解原子的能级结构”，在《要求》中没有提及.

2.2 高中物理教材和大学物理教材的异同点

从教材的编写来看，高中物理教材选修3－5中的第十七章从电子是否具有波动性来引出本章的内容，接着从黑体与黑体辐射来引导出第1节的内容——由普朗克提出来的能量量子化.第2、3、4和5节的内容分别是：光的粒子性、粒子的波动性、概率波和不确定性关系.光的粒子性主要是通过光电效应实验得出来的，然后用爱因斯坦光量子理论对光电效应进行理论解释，使学生认识光的量子性和光子的概念.康普顿效应及其理论解释，加深了学生对光的粒子性本质的认识，进而提出光的波粒二象性.玻恩指出光波是一种概率波，加深了学生对光的波粒二象性的感性认识.由光的波粒二象性推广到诸如电子、质子等实物粒子的波粒二象性，引出德布罗意关于物质波的理论解释和实验探索，证明微观粒子的确具有波动性.光的单缝衍射实验说明微观粒子位置的不确定量和动量的不确定量，从而引出了不确定性关系.高中物理教材选修3－5中的第十八章从夜晚城市璀璨的灯光多是来源于通电后的气体着手，指出为了解其中的奥秘，需要从原子的结构入手.该章内容分为四节，分别是第1节电子的发现、第2节原子的核式结构模型、第3节氢原子光谱和第4节玻尔的原子模型.教材从物质结构的探索着手，以人类探索原子结构的历史为线索，介绍了有关的经典实验（电子的发现、α粒子散射实验）和原子结构模型（汤姆孙原子模型、卢瑟福原子模型和玻尔原子模型）的演变.通过了解氢原子的能级结构，建立了基态、激发态等概念，对氢原子光谱的解释，引出作为一种半经典的量子论的玻尔理论的正确性与局限性.

大学物理教材第21章——物质的本性分为6节，分别是热辐射与黑体、黑体的经典辐射定律、普朗克的能量子假说和黑体辐射公式、光电效应、康普顿散射和物质的本性.对比大学物理教材和中学物理教材，可以看出黑体与黑体辐射在高中物理教材中讲述得比较少，其目的是为了引出能量量子化的概念.而在大学物理教材中有详细的讲解，不但有黑体的定义，还有黑体的经典辐射定律和黑体辐射公式.对于光电效应，高中物理教材和大学物理教材几乎一致；对于康普顿散射，大学物理教材和高中物理教材仅在描述现象方面有部分重复，大学物理增加了高中教材没有的对康普顿散射的理论解释以及光电效应与康普顿散射的关系对比.在物质的本性这节，大学物理与高中物理中的粒子的波动性几乎一致.大学物理教材第22章——量子物理基础分为5节，分别是玻尔的氢原子理论（第1节）、原子中的电子（第2节）、激光（第3节）、薛定谔方程（第4节）以及薛定谔方程的应用举例（第5节），其中第1节至第3节是扩展内容，“要求”中量子物理基础的14个知识点内容均出现在大学物理教材中.对比大学物理教材和中学物理教材，我们发现除了第1节与高中物理教材重复以外，其他4节的内容与高中物理没有任何重复，对于大学生来说是全新的内容.此外，在《要求》中，“电子扫描隧道显微镜”是核心内容，在大学物理教材中介绍的却比较少，可以让学生进行研究性学习，写出调研报告，以加深他们的印象；关于电子自旋的施特恩－盖拉赫实验这一知识点，在《要求》中是核心内容，而大学物理教材中包含此内容的第2节却是扩展内容，说明教材编写还有不妥之处，需要加以完善.

2.3 衔接措施

基于高中物理教材和大学物理教材的特点，为做好量子物理基础部分高中课程和大学课程的衔接，我们给出的建议如下：（1）在讲授大学课程和高中课程重复的内容时，可适当简化，避免不必要的重复，着重突出讲授光的波粒二象性的物理思想，着重强调同一知识点在大学的数理知识支撑下，对基本概念更加科学的表述和由定性讨论到定量描述.（2）在讲解光电效应的时候，可由光照射到金属表面后光电子逸出金属表面的外光电效应拓展到光照射到半导体材料表面形成的内光电效应，现在广泛应用的太阳电池和各种光电探测器都是在内光电效应的基础上研制、开发出来的，可以让学生调研太阳电池的基本原理、基本结构.（3）在讲授高中课程没有而在大学课程中出现的内容时，重点介绍量子力学的基本原理，帮助学生建立物质波粒二象性和量子化的概念，这是从经典物理到量子物理过渡的重要阶梯.要让学生明白这些不重复的知识点是在高中相关知识点基础上拓展、延伸得来的，掌握这些新的、不重复的知识点有利于他们对量子物理做更加深入的了解.（4）让学生明白微观物质和宏观物体所遵从的物理规律根本不同的原因在于微观物质具有波粒二象性，帮助学生理解微观物质的描述方式和波函数的统计意义，并通过一维无限深势阱的量子力学描述以及与经典驻波的比照，帮助他们理解并掌握薛定谔方程和波函数.通过几个重要实验和模型，描绘出量子力学这一新理论创立和发展过程的蓝图.通过人们对物质世界认识不断深化的过程，启迪学生的创新思维和探究精神.（5）穿插一些科学史，让学生明白，在波粒二象性和不确定关系的基础上建立起来的量子力学被认为是一件科学的艺术品，它的应用遍及现代社会的每个角落.从电子表到核电站，无不留下量子的足迹.量子力学引领我们迈入了现代社会，让我们享受到丰富多彩的现代生活.科学史可以激发学生的学习热情，从枯燥的公式中解脱出来.［8］

3 结束语

通过高中物理课程和大学物理课程在“狭义相对论力学基础”和“量子物理基础”内容上的对比，我们发现高中物理对这些知识只是作了初步的介绍，使学生对此有个感性的认识，而大学物理是在高中物理已有知识基础上的提高和扩展.然后，通过比较《要求》和《新课标》的共同点和不同点以及大学物理教材和高中物理教材的异同点，发现加强二者之间的衔接是很有必要的.我们寻找和探索了一些加强和改进高中课程和大学课程衔接的措施，希望为实现从中学向大学的顺利过渡提供参考.在大学物理教学中，正确把握大学物理教学内容的深度和广度、避免内容的过度重复和过大的知识梯度，做好衔接点的教学改革，不仅可以让学生乐意接受新知识，还能激发学生学习大学物理的兴趣，有利于他们综合素质的提高.

［1］ 张大昌，彭前程，张维善.物理 （普通高中课程实验教科书第2版，选修3－4）［M］.北京：人民教育出版社，2007

［2］ 张大昌，彭前程，张维善.物理 （普通高中课程实验教科书第2版，选修3－5）［M］.北京：人民教育出版社，2007

［3］ 尹国盛，杨毅.大学物理（上册）［M］.北京：机械工业出版社，2010

［4］ 尹国盛，彭成晓.大学物理（下册）［M］.北京：机械工业出版社，2010

［5］ 教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会物理课程教学指导分委员会.理工科类大学物理课程教学基本要求（2010年版）［M］.北京：高等教育出版社，2011

［6］ 中华人民共和国教育部.全日制普通高中物理课程标准［M］.北京：人民教育出版社，2004

［7］ 杨秀德，吴波.中学与大学物理“热学”内容衔接知识点研究［J］.遵义师范学院学报，2009，11（6）：116～118

［8］ 刘成林.大学物理课程教学改革的探索［J］.林区教学，2009，（3）：7～9

2011－01－14；

2011－04－16）

教育部高等学校物理基础课程教学指导分委员会2010年教改项目（WJZW－2010－43－zn）、河南大学教学改革项目资助（编号：2011－3－66，2011－3－68）.

郑海务（1976年出生），男，汉族，安徽庐江人，博士，副教授，在教学方面主要从事大学物理的教学研究工作.