中美大学物理教材比较与教学改革思考

曹海霞

(苏州大学东吴学院，江苏 苏州 215006)

“新工科”是基于国家战略发展新需求、国际竞争新形势、立德树人新要求而提出的我国工程教育改革方向.[1]“新工科”人才培养的目标是培养多样化、创新型卓越工程科技人才.而作为综合院校理工科非物理专业学生的公共基础课的大学物理课程，承载着传授知识、培养创新能力、提高科学素养的重任.同时，大学物理课程改革中核心部分是教学内容的改革，而教材是教学内容的载体，在培养学生的创新能力方面扮演着重要的角色.“新工科”的人才培养目标对理工科大学物理教材建设也提出了新的要求. 因此，在“新工科”背景下，如何更好地进行大学物理课程建设乃是大学物理教师目前迫切需要思考的问题.[2,3]

笔者近年来一直从事理工科非物理专业《普通物理》和电气工程及其自动化中外合作专业(与美国爱达荷大学合作)《General Physics》全英文课程的教学.笔者选取本校所用的《基础物理学》(文中简称中文教材)和美国英文版《Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics》(文中简称英文教材)，[4,5]对两套教材的教材内容和结构、插图运用、例题和习题编排等方面的差异性做了较深入的分析；借鉴国内外先进的教学资源与教学经验，对大学物理教学提出了一些思考，以期对我国大学物理课程的改革有所启示和借鉴.

1 中美大学物理教材的比较

1.1 教材内容和结构

由于中美两国不同的文化背景与思维方式，中美大学物理教材在知识结构、表达方式、信息选择等方面都存在着较大的差异.中文教材包括力学、电磁学、光学、热学和近代物理基础五大板块.教材具有内容结构体系严谨，叙述条理清晰，逻辑推理严密，内容具有一定深度的优点.[6]中文教材在内容选取上避免了和高中物理知识的重复性，是在高中物理知识基础上的螺旋上升式展开，较好地处理了与中学物理教材的衔接问题.其体现的思维方式和运算方式明显和高中不同，注重微积分的运用和矢量计算.中文教材较偏重于运用逻辑、数学演绎及数学表达去揭示物理学中所蕴含的物理规律、概念的物理意义.虽然能较好地体现理论的严谨性，但如若偏重于运用数学逻辑演绎方法去阐述问题，比较抽象，容易使学生产生畏难情绪，难以与学生达到共鸣.中文教材未能足够重视理论与实践的紧密结合，学生很难将所学的物理定理、定律与实际生活经验联系起来，不利于学生思维模型的建立.此外，对于当前以物理学为基础的新技术、新科技应用的介绍较少，专业针对性不强.

英文教材内容包括力学、机械振动和机械波、热学、电磁学、光学和近代物理.与中文教材相比，英文教材信息量更大，涉及的内容更丰富，特别是近代物理部分，包括了核物理及其应用、粒子物理与宇宙学等8章内容.英文教材的设计是学习起点低，知识面广，总难度大.这与中美两国高中学生的物理基础不同有很大关系.美国大部分的高中生没有微积分基础，高中所学物理知识也比较浅，大学物理教材要适用于未参加过“大学先修课程”(Advanced Placement Program，简称“AP”课程)的学生.英文教材不过多依赖数学推导、逻辑演绎过程，注重从日常生活实例或前沿科技出发，以归纳的逻辑方式引入物理概念和规律，突出物理过程的推理和分析，强调对物理概念和规律的理解和对物理意义的阐述.并且通过在教材中穿插许多物理学家、物理学史和经典实验的介绍和哲学思想的渗透，注重科学精神和人文精神的融合，注重经典物理学与现代科技的融合.英文教材能处处体现物理既来源于生活又应用于生活的特色.例如，在讲到电磁感应定律的应用时，介绍了电吉他工作原理；在讲静电的应用时，介绍了静电集尘器的工作原理及其在工业上的应用；在学习理想气体状态方程时，分析了在摇晃香槟酒瓶后打开瓶塞，香槟酒会喷出瓶口的物理原理.这些都会有助于学生将所学理论与生产、生活实际紧密相连，学会运用学过的物理理论去探索生活中的奥妙，从而唤起学生学习物理的兴趣.

1.2 插图的运用

中文教材从总体上来看风格比较朴实严谨，使用的插图大多是线条简洁的示意图形，生动形象、与实际联系密切的实物图比较少，感官上的亲和力不够.

图1

英文教材中插图的使用率比国内教材高得多.英文教材运用大量的形象、直观和生动的彩色插图对物理概念、物理原理进行阐述.这些实物实景图片能给学生以生动活泼的感官刺激，增强了一本教材的亲和力，让学生乐于去探索物理学的奇妙世界.更重要的是加深了学生对物理概念、物理规律的理解.通过实例的介绍、图片的运用，学生都能感受到物理学与自然、生活和现代科技的密切联系.实物实景的彩图，从日常生活到现代高科技术，从实验技术到自然现象，从微观基本粒子到浩瀚的宇宙星际，图片内容极其丰富多彩. 教材中每一章的第1页都有一幅与日常生活或者与技术应用密切相关的彩色图片，由该图片引出本章的主要知识.例如：“磁场的来源”一章前的图片是心脏导管介入术手术室的照片(图1)，介绍了心房纤颤病人躺在手术台上，两侧圆柱体为强磁场，医生通过操纵杆或其他控制器件将磁性敏感的心脏导管的探测头通过血管插入到患者心房，计算机显示器上可以显示出导管插入的实时动态情况.通过这个案例的介绍，学生了解到磁场与我们的生活息息相关，引导学生关爱生命，建立健康第一的观念.

1.3 例题和习题的编排

中文教材中的例题和习题，重点是高等数学知识在物理中的应用计算.数学的推导难度无形增加了学生对物理事实的理解难度.在力学部分研究对象常为“一个质点”、“一个物体”等抽象模型，很难让学生将研究对象与生活中的实际现象联系起来，因此不利于学生通过例题、习题的解答来深刻体会物理原理的内涵.[7]

英文教材编题意图明确、涉及面较广，每章之后提供了大量的习题.英文教材中采用了很多和实际生活相关的例子，如力学部分研究对象有“曲棍球(hockey)”、“棒球棒(baseball bat)”、“保龄球(bowling ball)”等.例题、习题的安排具有层次性，适合学生循序渐进地掌握每章的知识，并且能满足不同层次、不同专业学生的需求.例题的解答过程阐述非常详细，包括概念的理解(Conceptualize)，定理、定律的适用条件 (Categorize)，分析物理过程(Analyze)，问题的延伸讨论(What if)，即假设在与讨论问题的条件相反时，会出现的情况.这样的例题有助于学生深刻理解、掌握所学的物理定理、定律，能够将知识迁移，灵活运用.有些章节里提供了一些有助于对概念、定理、定律理解的小问题(Quick Quiz).问题解决策略(Problem-Solving Strategy)告诉学生在解决本章问题时的技巧.章后习题类型包括客观题(Objective Questions), 概念性问题(Conceptual Questions)，一般难度的习题(Problems)，附加习题(Additional Problems) 和挑战性习题(Challenge Problems).内容注重应用性，包括生活中的物理、体育中的物理、生命中的物理；注重定性和半定量的计算.贴近实际的物理习题的练习，让学生能够由浅入深地体会其中所蕴含的深刻物理思想，提高学生解决实际问题的能力.大量习题配有实物图片，与生产、生活实际紧密联系.学生在解决问题中可以感受到从物理的视角观察五彩缤纷的客观世界，意识到学以致用，从而培养学生应对未知的能力.

2 对我国大学物理教学改革的思考

2.1 优化课程结构，科学安排教学内容，强化专业对接

在“新工科”背景下，强化大学物理教学内容与不同专业之间的衔接，对理工科创新型人才培养具有现实意义.[8]因此，在课程结构设计过程中，要根据各专业实际情况，对教学内容进行科学调整.针对不同的专业需求，实行分类分层次培养.每一部分教学内容的教学形式、教学深度和广度应该进行必要的区分.对于与专业密切相关的内容应当进行重点讲授.教学过程中注重引导学生如何将物理知识应用于后续专业课程的学习中去.[8]例如：对于机械类、机电类专业，要加强质点系、刚体部分内容的教学，为他们后续工程力学的学习打好基础；对于电子、通信类专业，要侧重电磁学部分的教学，为他们的专业必修课电路、电磁场理论打下扎实的基础；对于化学和材料类专业，应侧重热力学、近代物理基础等内容的讲授.根据美国爱达荷大学的课程设置，《General Physics》课程分3部分：物理Ⅰ主要讲授力学，物理Ⅱ讲授电磁学；物理Ⅲ讲授振动和机械波、光学、热学和近代物理.笔者所教授的电气工程及其自动化中外合作专业只需要讲授物理Ⅰ、物理Ⅱ模块.教学中要注重物理与专业的融合，突出物理的专业应用性，做到普及性和针对性协调发展，真正体现物理在科技发展中的引领和支撑作用.这就要求物理教师不仅要关注自身学科的新动向、新发展，还要主动地、有意识地关注所教专业的新技术的发展，这是“新工科”建设给我们大学物理教师提出的新要求.

2.2 注重教学模式的改革与创新，营造有温度的学习氛围

目前传统教学方法与“新工科”背景下对创新型人才培养需求存在不相协调的地方，需要尽快改革、创新大学物理教学模式.我们可以借鉴美国的教学方法，改变传统的教师“满堂灌”的教学模式，采用互动型的问题驱动式的教学方法.教学过程中，学生参与学习过程的表现应受到教师的高度重视.因为学生的学习效果与学习过程中学生是否得到了适时的引导，以及学生是否能够主动地参与学习过程有很大的关系.教师在进行传道授业解惑的同时，适时引入案例教学，组织课堂讨论，鼓励学生大胆地发表自已的观点.引导学生在具体的问题情境中主动发现问题，自行查阅文献资料，独立寻找问题的答案.例如：笔者在给机械工程专业讲授“热力学第二定律”一章时，讲到奥托循环时，指导学生查阅相关文献资料，了解四冲程汽油机的实际工作过程，探讨汽油机的压缩比与汽油标号之间的关系，还建议学生去了解柴油机工作原理与汽油机原理的区别.并让有兴趣的学生做好PPT，请学生在课堂上口头陈述自已的调研结果(presentation环节)，提供学生展示才华的平台.学生对实际问题非常感兴趣，全班学生都能参与进来，课堂气氛活跃，充分调动学生学习物理的积极性.这样既能开阔学生的视野，又能将物理理论与现代技术和生活联系起来.通过营造在学习中探索、在探索中学习的积极氛围，让学生享受物理.然而，这样的教学环节无形之中挤占了不少教学时间，这就要求教师在授课过程中特别注意教学内容的取舍，即有些公式推导课堂上只在关键步骤进行提示，要求学生课后自主学习.特别值得一提的是，今年疫情期间，各高校都依靠优质的中国大学MOOC-爱课程、智慧树在线大学等在线教学资源进行了线上教学，取得了较好的教学效果.在今后的新常态教学过程中，可以拍摄部分重要知识点微课、例题选讲微课等；采用线上线下混合式教学，翻转课堂等多种教学形式；利用QQ、微信等现代通讯手段实现教师的实时答疑.鼓励学生充分利用课外时间进行课前自主研究、课题调研，让学生带着问题进入主课堂，使主课堂真正成为生生互动、师生互动的辩论课堂，从而达到培养“新工科”学生的工程思维、批判性思维.

2.3 侧重过程评价，采用多元化的考核模式，加强学生创新能力培养

目前笔者所在学校大学物理课程考核采用试题库、各专业统一试卷的期中、期末考试形式.学生考试时感觉公式太多记不住.应试模式在大学依然延续，让一些学生在学习大学物理时感到枯燥无味.在“新工科”背景下，对学生学习的评价方式，应采用多角度、全方位、过程化综合评价模式，促进学生在整个课程学习中都要不断努力和积累.[9]考核形式灵活多变，考核内容包括课堂小测验、课堂讨论、口头陈述、课后作业、课外制作、期中和期末考试等.期中、期末考试可以和美国高校一样，提供重要公式，让学生不需要把时间花在机械记忆公式上，而是重点考查学生如何运用这些公式来解决一些实际问题.对学生的考核要强调综合素质和创新能力培养，综合评定学生的课程成绩.在课堂教学中对于思维活跃、积极回答问题的学生，应及时给予表扬和肯定，在平时分中要有所体现，以此来调动学生学习思考的积极性.例如：在今年疫情网课期间，学生在线上课，是否真正参与到课堂中来，屏幕前的教师无法知道.笔者为了调动学生的上课积极性和课堂参与度，在课堂上进行了尝试，适时提出一些小问题，让学生回答，对参与频次高的学生给予奖励.学期末学生反馈意见很好，有学生说：“很喜欢老师的教学风格，网课过程中，限时作答，发送弹幕，语音问答等等都是提高专注度的必要的手段”.在课堂上口头陈述环节，笔者尝试让全班学生对做汇报学生的PPT制作技术、陈述内容、回答问题情况等给出综合打分.并鼓励全班学生进行辩论，如果学生有创新性的见解和突出表现，笔者给予加分.实践表明这个教学环节能很好地提高学生的发现问题、研究问题的能力和参与课堂教学的意识.

3 结束语

本文通过对中美大学物理教材的差异性比较，对我国的大学物理教学如何适应当前“新工科”背景下创新人才的培养提出一些思考，以期对我国的大学物理课程建设有所启示和借鉴.面对当前国际上严峻的科技竞争形势，我们应当借鉴国内外的先进的教学资源与教学经验，基于“新工科”的培养目标，努力将大学物理课程打造成具有高阶性、创新性和挑战度的“金课”，为未来多元化、创新型卓越工程人才的培养承担起责任.