中美“原子核物理”教材比较与反思

金天翔，李 玲，钱 勇，王翀实，吕瑞华

(1.东华理工大学 化学生物材料科学学院，江西 南昌 330013；2.德雷塞尔大学 建筑与环境工程学院，宾尼法尼亚洲 费城 PA19014)

目前我国处于核工业发展的重要战略机遇期。在我国核工业创建60周年之际，习近平总书记明确指出：“全面提升核工业的核心竞争力，续写我国核工业新的辉煌篇章。”[1]

人才培养是核工业高质高效发展的根基，因此提高专业人才培养质量成为我国高校核相关专业发展的关键。“原子核物理”是核相关专业最重要的核心课程之一，其教学质量与核工程人才的能力素质息息相关。根据笔者的教学经验，目前我国“原子核物理”课程在教学实践中存在以下问题：

(1)“原子核物理”课程中知识内容理论性、抽象性较强，造成学生的学习兴趣不高；(2)学生对“核”存在恐惧感，因此在学习中表现出一定的抵触情绪；(3)缺乏科学文化、核安全文化以及工匠精神等意识形态层面的教育内容，难以达到“立德树人”的教育目标。

教材质量的提升是新时代高校教育教学的“新基建”，要解决教学相关问题，首先应从教材入手[2,3]。美国作为核能源大国，其核相关领域的科研及教育水平在国际上是首屈一指的。其高校普遍具有较为完善的教学体系，其中“原子核物理”课程的建设也相对成熟并同时具有相应的高水平教材[4]。本研究结合笔者在中美的教学经验，将国内“原子核物理”教材与美国大学通用“原子核物理”教材进行比较研究，为我国高校教材的编写以及专业建设提供合理化建议。

1 研究对象与研究方法

本研究分别选取原子能出版社出版的《原子核物理(修订版)》[5]以及John Wiley & Sons Ltd出版有限公司出版的《原子核物理：原理与应用》[6]两本具有代表性的教材为研究对象。

本研究采用了文献研究法、观察法和文本分析法。在研究准备初期，笔者通过知网等文献网站查阅了大量与“原子核物理”教材教学、教材建设、比较教育、课程思政等相关资料文献，并进行分析梳理，发现我国在“原子核物理”课程实践上的不足，并与美国教材进行对比研究，同时通过观察中美两国教师在如何使用“原子核物理”课程教材进行教学方面的差异以及学生在课上的表现，并结合笔者在中美的教学经验，从知识内容维度、组织结构维度以及思政教育维度三个方面对两版“原子核物理”课程教材进行比较分析。在对知识内容维度进行分析时，笔者对两版教材设计的知识内容模块进行了分析对比，得出两版教材在编写时对不同知识内容有不同侧重的结论。在比较“α衰变板块”知识时，主要从内容丰富度和内容编排方面对比分析；在对组织结构维度进行分析时，主要对两版教材的章节编排顺序以及逻辑关系进行分析对比；在对课程思政维度进行分析时，笔者通过列举美国版教材中所涉及的思政教学内容，从教材与教学两方面，对两版教材中所含有的思政教学内容的差异以及两国教师在教学过程中是否会引入思政元素进行分析对比。

2 研究结果

2.1 知识内容维度

由图1可知，中国版教材内容包括：原子核物理基本概念、原子结构、原子核不稳定性、核辐射、核力以及原子核反应等传统知识模块。此外，中国版教材还在知识体系中加入了中子物理、原子核裂变与聚变、亚原子物理以及原子天体物理学等原子物理学分支学科中的知识理论。对于美国版教材，其理论知识只有原子核物理基本概念、原子结构、原子核不稳定性以及原子核反应这四个模块，因此其在理论知识广度方面明显不及中国版教材。

图1 两版“原子核物理”课程教材对应的章节序号、标题及章节知识逻辑关系图(实框章节为理论知识，虚框章节为理论知识的实际应用)

中国版教材主要内容为原子核物理相关知识理论(共345页，占比81%)，而应用相关章节偏少(共79页，占比19%)。美国版教材相反，其理论章节所占比例相对较少(共126页，占比39%)，大部分是将基本理论与实际应用相结合的章节。例如，核医学、工业分析以及核探测等(共196页，占比61%)。在将基本理论与实际运用相结合的章节，美版教材从实际出发，将原子核壳结构模型、Bethe-Bloch方程以及β射线能谱等难点知识与射线探测、核电站结构以及放射性疗法等实际问题相结合。这一方式更有利于学生理解“原子核物理”课程中复杂概念及抽象公式的实际物理意义。此外，在课堂教学中，美国教师会根据教材中的具体应用实例来创设情景模拟教学以及问题导向教学，例如，教师通过高分子材料表面改性这一材料科学领域的问题来引出γ射线能相关理论。这一方式有效避免了不必要的理论推导过程，可以充分启发学生的学习兴趣，并强化学生运用理论知识解决实际问题的能力。

在内容深度方面，中国版教材是高于美国版教材的。本研究选取两版教材均涉及的“α衰变板块”作为代表来加以讨论证明。对于“原子核物理”课程来说，内容深度是指内容向更高阶段延伸或阐明核物理本质的程度。此处笔者主要采用链式模型，比较由一个概念点出发的延伸程度。由图2可以看出，我国教材从α衰变概念出发，引出α衰变能的概念及理论，并随后通过经典力学理论解释衰变常量和衰变能之间的相互关系。然而，由经典力学所推导出的结果与实验结果相矛盾，因此作者又采用量子力学中的“隧道效应”对α衰变能与库伦势垒的相互关系做出解释。最后，作者又提出奇奇核的α衰变的实验数据仍无法用当前理论完美解释，因此引入并详细阐述了禁戒因子在α衰变理论中的作用。上述理论环环相扣，逐渐深入，形成严谨的逻辑结构，将学生逐渐带入高深的量子物理学领域。然而，美国版教材所涉及的知识理论明显较浅，并没有继续介绍α衰变现象深层原理。但是，美国版教材通过举例的方法介绍了相关数学计算方法，而中国版教材并没有相关例题讲解具体计算方法，这表明美国版教材对于知识的运用较为重视。

图2 中美教材α衰变板块知识延伸程度示意图

在实际教学过程中，美国学生会在课下花费大量时间用于阅读教材，自主学习教材中的理论知识并在课堂进行讨论。这是因为美国版教材难度较低，因此适合学生自行学习理解。中国版教材知识深度较高，造成学生自学难度较大，且在书中没有加入例题，因此须通过教师课堂讲解才能理解其中的知识内容，这一阶段仍以教师为中心“满堂灌”讲授式教学为主，学生主动学习、探索研究的较少，这种学生处于被动、服从的学习地位，学习的自觉性和主动性没有得到充分发挥的培养模式不利于学生知识的掌握和兴趣的培养，严重影响了教学效果[7]。

2.2 组织结构维度

中国版教材章节编排顺序及逻辑关系，如图1所示。首先介绍原子核的基本性质(第一章)，再学习原子核的稳定性以及放射性(第二章)，进而引出核辐射测量(第三章)，之后介绍核力(第四章)，再结合第二章内容引出α、β衰变以及γ跃迁(第五到七章)。上述章节顺序与美国版教材基本一致，符合核物理理论学习的逻辑顺序。然而，对于原子核结构以及原子核反应相关内容则被分别安排在比较靠后的第八章及第九章学习。原子核结构以及原子核反应是原子核物理的中心问题，是理解原子核不稳定性、放射性及核力的基础，因此这一章节的顺序安排可能导致学生在核物理理论认知方面出现一定的错位，不利于在学习中体会核物理理论的完整性。此外，中国版教材虽然涉及的知识面较广，但组织结构松散，各章节相互关联性不强。例如，中子物理、核天体物理学基本理论以及亚原子物理基本理论与书中其他章节内容知识存在一定的割裂。

美国版教材各章节设计的逻辑关系较为简明，其分为基础知识与应用两个部分(见图1)。教材首先从原子核基本性质(第一章)入手，再学习原子核基本结构(第二章)，进而对原子核结构的不稳定性(第三章)进行研究，而原子核的不稳定性也就使原子核反应(第四章)成为可能。上述四章内容是“原子核物理”最基础也是最关键的理论知识，书中按照各理论从基础到复杂的逻辑顺序进行编排。当学习完上述四章基础知识后，将所学理论带入现实应用中，学习核辐射与物质的相互作用(第五章)，以此为基础学习核探测手段、相关仪器设备(第六章)以及核辐射对生物的影响(第七章)。最后将上述知识进一步应用于工业分析(第八章)、核医学(第九章)及核能源(第十章、第十一章)领域。各章节形成树状网络知识结构，相互关系紧密，有利于学生在学习过程中厘清各种原子核物理知识模块间的逻辑关系，为灵活运用相关知识解决实际问题打下牢固的基础。

2.3 课程思政维度

习近平总书记在全国高校思想政治工作会议中强调，高等学校要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人。因此，教材作为课程的重要载体，不仅要传播理论知识，同时也需要起到立德树人的作用。在美国教育系统中，思政教育也被称为公民教育，受到美国各高校的高度重视[8]。美国的课程教材中不仅包含专业知识内容，也在知识理论中插入思政教育元素，并将两者较为合理自然地融合，从而做到在潜移默化中进行思想教育的目的。以美国版“原子核物理”课程教材中的思政教育内容举例：

(1)克服核恐惧：“谈核色变”的根本原因是对放射性与人体组织相互作用机制不了解，无法正确评估核辐射对人体造成的危害。因此，教材编者在第七章内容中主要阐述了核辐射对人体组织的破坏性、对应的科学评估方法及基本的防护措施。编者通过分析指出，每年暴露在核辐射环境下的工程人员的死亡率其实只有矿业工作人员的五分之一、建筑工人的四分之一，以此说明随着人类对核辐射致癌机制的认知水平的提高以及防护措施逐渐完善，核辐射导致疾病与死亡的概率将会大大降低，帮助学生减少对核辐射的恐惧。

(2)环境保护：美版教材的出版信息中用粗体字写明：“本书所用纸张是来源于可再生森林，该森林中每因为造纸砍伐一棵树，就会对应栽种两棵树。”在第十章第七节中，编者还详细描述了核废料对人类环境的潜在危害，并阐述了几种可能的解决核废料污染的技术原理，鼓励读者为解决上述环境问题做出贡献。

(3)工匠精神： 第八章第七节中，讨论了在分析测试中测定辐射信号微弱的问题。编者指出：辐射强度是一种危险而又关键的指标。作为合格的专业测试分析人员，即使是测定不到信号也不可以认为测试对象没有核辐射，因为任何测试都会存在不确定性，所以在测试过程中测试人员需发扬工匠精神，坚持重复测量或过一段时间继续测量，如此才能保证数据的准确性。

(4)人文关怀：第九章核医学中，编者认为作为核医学的研究者不能只注重疗效，还应考虑患者的治疗体验，例如通过放射性钇来替代传统的放射性碘来治疗癌症是一种更好的治疗方式。其主要原因是放射性钇可以做到有选择性地聚集在肿瘤区域内进行治疗，从而对患者健康组织造成较低的伤害。此外，放射性钇治疗并不需要住院，患者可以得到相对较好的治疗体验。

由上述内容可知，相比于中国版教材，美国版教材在传播知识的同时，更注重对学生的心理及思想进行教育。教材内容更有温度和人情味而不只是冷冰冰的科学原理，其更像一个知识丰富的导师在教导学生，容易拉近知识与学生的距离，让学生爱上学习。

但是在课堂教学方面，我国高校课堂更加重视课程思政，在教学过程中教师会更注重融入思政元素。美国课堂教学并不要求思政元素的引入，教师在课堂讲授过程中会有选择性地忽略教材中的德育内容及其他与知识内容无关的部分。对于思政教育来说，课程与教材二者是密不可分的。课程思政要贯穿课程教学全过程，是课内与课外相结合的“全员、全程、全方位”教育模式， 并形成“同向、同步、同行”的教学效果[9]。因此在课堂教学中，应充分发挥教师的主导作用，向学生输入思政理念；在课后，教师通过布置教材中相关内容的学习任务及作业等方式，让学生主动接受思政元素的熏陶，最终做到在潜移默化中进行思政教育，构成教材与课堂协同育人的基本格局。

3 总结与反思

综合上述内容，本研究总结出中美两版“原子核物理”课程教材各自的特点。中国版教材：(1)内容广度及深度较大；(2)内容偏向理论研究；(3)章节编排结构较为松散；(4)缺乏思政教育元素。美国版教材：(1)内容涉及知识面较窄，缺乏理论深度；(2)内容偏向实际应用研究；(3)章节编排简明合理；(4)将知识内容与思政元素紧密结合。

我国核物理教学起步较晚，目前取得了一些成功的经验，但是也存在着一定的不足。上述中美两版教材的比较可以为我国教材及课程改革提供借鉴：

(1)教材编写应以学生为中心。大力营造以学习者为中心的新型教育教学生态，以学生的学习和发展为中心，是教材改革的依据与核心[10]。根据维果斯基提出的“最近发展区”理念，教学应走在学生发展的前面。反映到具体的教学实践活动中，就是教学要充分考虑到学生已有的发展水平和知识经验，同时也要结合学生的“最近发展区”，给学生提出更高的发展要求。因此教材内容与章节编排应与本科生认知水平相适应。过于简略的知识内容会降低本科生的培养质量，而过多过难的理论知识也会降低学生的学习兴趣与学习主动性。因此，在教材内容深度及广度方面应与我国本科生的数学及物理水平相结合来进行设计。章节编排应从基础到复杂，尽量符合逻辑规律及学生认知发展规律。

(2)教材内容应将理论与实际应用相结合。将难于理解的理论原理应用于解决实际问题的过程中，让学生更容易理解这些知识原理所具有的实际意义，同时再结合以问题为导向的教学模式，进而做到有效提高学生的学习兴趣，培养学生运用所学知识分析问题、解决问题的能力。

(3)将思政元素与专业知识进行融合并引入教材。高校是人才培养的主要阵地，必须担负起工匠精神人才的培养[11]。德育元素的引入可以提高学生的学习兴趣并取得立德树人的教学效果。教材中的德育元素与课堂思政教育是不可割裂的，将教材中思政元素与课堂思政相结合，帮助学生树立正确的人生观、价值观和世界观，引导学生欣赏、学习科学家、物理学家的科研精神，培养学生养成求真务实、严谨认真的科学态度，真正做到五育并举，构建全方位育人的教学格局。