大學物理課程與高中物理課程的銜接研究

摘 要:本文首先比較了教育部制訂的《高中物理課程標準》和教育部高等學校物理學與天文學教學指導委員會物理基礎課程教學指導分委員會最新編制的《理工科類大學物理課程教學基本要求》(2010年版)中關于近代物理部分內容的基本要求，然后，以2007年4月第2版的人民教育出版社出版的《物理》和2010年8月第1版的機械工業(yè)出版社出版的《大學物理》為例，分析了高中物理課程標準實驗教材和大學物理教材在近代物理知識編寫上的異同.最后，深入分析了大學物理與中學物理在近代物理內容銜接中的一些具體問題，并提出了相應的教學銜接的建議，希望為順利實現(xiàn)從中學向大學的過渡提供參考.

關鍵詞:大學物理 中學物理 近代物理 教學改革 銜接

中圖分類號:O57文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)03(a)-0126-03

1 引言

近代物理是物理學的近代發(fā)展，從19世紀末和20世紀初開始形成，其中量子力學和相對論是近代物理的主旋律，它們導致物理學在觀念和思想上的變革，并分別滲透到微觀和高能的各個領域且獲得了廣泛的應用和驗證。近代物理學推動了信息技術、新材料技術、新能源技術、航空航天技術、生物技術等的迅速發(fā)展，繼而推動了人類社會的變化[1]，對人類社會產生了深刻的影響。

大學物理課程是所有高等院校理工科非物理類專業(yè)學生的一門重要的通識性必修基礎課，著重講述最基本的物理概念和物理學處理疑難問題的各種理論方法以及它在解決各種不同性質實際問題的作用[2]。大學物理課程在為學生系統(tǒng)地打好必要的物理基礎，培養(yǎng)學生樹立科學的世界觀，增強學生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學生的探索精神和創(chuàng)新意識等方面，具有其他課程不能替代的重要作用[3]。而高中物理課程使學生學習基本的物理知識與技能，旨在進一步提高全體高中學生的科學素養(yǎng)，從知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀等三個方面培養(yǎng)學生，屬于基礎教育范疇。大學物理相比于中學物理，教材內容雖有部分重復，但在深度和廣度上都有加深和拓展，學習目的和培養(yǎng)目標不盡相同。而且大學教育與中學教育的對象分屬不同成長階段的青少年，教學方法和手段以及學生的學習心理和方法也有較大區(qū)別。所以，做好大學物理和中學物理的銜接教學，使學生盡快地從中學物理過渡到大學物理的學習，是大學物理教學迫切需要解決的一個問題，也是近年來教育改革的焦點之一。

為此，本文以2007年4月第2版的人民教育出版社出版的的《物理》(普通高中課程標準實驗教科書，以下簡稱高中物理教材)和2010年8月第1版的機械工業(yè)出版社出版的《大學物理》(以下簡稱大學物理教材)為例，對中學物理與大學物理中近代物理內容的銜接知識點進行探討和分析.從教材的編寫來看，不論是大學物理還是中學物理都比較重視近現(xiàn)代物理的內容.大學物理新增了現(xiàn)代科學與高新技術物理專題章節(jié)，而中學物理的教材編寫也涉及到粒子物理、原子核物理、凝聚態(tài)物理、天體物理、光物理等近現(xiàn)代物理技術，穿插物理學在能源開發(fā)與利用、環(huán)境保護、空間科學和公共健康的應用等“科學、技術、社會”(STS)方面的話題。從物理“層次”上近代物理可分為天體物理、凝聚態(tài)物理(含固體)、原子物理(含分子)、原子核物理、粒子物理，而相對論和量子理論貫穿其中。本文主要討論近代物理中固體物理、核物理、粒子物理及天體物理的內容，狹義相對論和量子物理基礎的銜接研究將發(fā)表在《物理與工程》。

教育部2010年頒發(fā)的“理工科類大學物理課程教學基本要求”(以下簡稱“要求”) 中有分子與固體、核物理與粒子物理以及天體物理與宇宙學等近代物理內容。高中物理課程標準(以下簡稱“新課標”)中與此相關的部分有選修2-3(二)原子結構與核技術、選修3-3(二)固體、液體與氣體以及選修3-5(三)原子核。高中物理教材與之相關的內容主要體現(xiàn)在選修2-3(第5章，第6章)、3-3(第九章)和3-5(第十九章)，而大學物理教材與近代物理相關的內容主要體現(xiàn)在第23、24和25章.接下來，我們詳細比較“新課標”和“要求”以及高中物理教材和大學物理教材的共同和差異之處，在此基礎上分析和探討加強中學物理課程和大學物理課程中近代物理部分銜接的措施。

2 分子與固體的教學銜接

2.1 “新課標”和“要求”的比較

在分子與固體部分，“新課標”中相關知識出現(xiàn)在選修模塊3-3(二)固體、液體與氣體中。內容標準為:(1)了解固體的微觀結構.會區(qū)別晶體和非晶體，列舉生活中常見的晶體和非晶體;(2)了解材料科學技術的有關知識及應用，體會它們的發(fā)展對人類生活和社會發(fā)展的影響。(例:知道半導體的一些特點，了解半導體技術在生活，生產中的應用;初步了解納米材料的特性，關注納米材料的研究和應用。)[1]

在“要求”中，分子與固體的內容都為擴展內容，教學內容基本要求包括:(1)化學鍵:離子鍵、共價鍵;(2)分子的振動與轉動;(3)自由電子的能量分布與金屬導電的量子解釋;(4)能帶、導體和絕緣體;(5)半導體、pn結、半導體器件[3]。

在關于晶體的介紹方面，“新課標”的重點在于從外形和物理性質方面區(qū)分晶體與非晶體，了解晶體的微觀結構，知道常見的一些晶體和非晶體。“要求”中側重讓學生知道晶體的微觀結構以及不同類型的化學鍵。在“新課標”和“要求”中都要求知道半導體的一些基本特點，但在“要求”中更明確的指出需要知道半導體的基本性質，pn結和一些常用的半導體器件。“新課標”中還讓學生了解納米材料的特性，關注納米材料的研究和應用，這在“要求”中并未提及。“要求”中添加了很多新的知識點，諸如(2)分子的振動與轉動;(3)自由電子的能量分布與金屬導電的量子解釋;(4)能帶、導體和絕緣體。這些在“新課標”中都是沒有的。

2.2 高中物理教材和大學物理教材的比較

大學物理教材的第23章是固體物理簡介，在高中物理教材中與此相關的內容出現(xiàn)在選修3-3第九章的第1節(jié)固體中。本節(jié)的教學重點是晶體與非晶體的區(qū)別，從比較兩組固體物質入手，指出固體可分為晶體與非晶體兩大類，主要從外形和物理性質兩方面比較了晶體與非晶體的不同。在本節(jié)中，晶體的微觀結構是教學難點，教材中也用將近一頁的篇幅和圖例來講述晶體的微觀結構，明確告訴學生晶體的形狀和物理性質之所以與非晶體不同，是因為它們有不同的微觀結構。在本節(jié)最后“科學漫步”中，分別介紹了納米材料的特性和應用以及什么是形狀記憶合金和它的應用[5]。

大學物理教材固體物理簡介一章中，首先更為細致的介紹了晶體的一些特殊的物理性質，接著詳細敘述了晶體的微觀結構，在高中教材的基礎上明確提出了“空間點陣”概念并介紹了促使粒子形成“空間點陣”的共價鍵。接著，給出晶體的內能及結合能的一般表述。在固體中的電子一節(jié)中，主要介紹了金屬中自由電子的能量分布并應用量子統(tǒng)計解釋金屬為什么具有良好的導電性。第4節(jié)通過引入能帶結構告訴學生如何用晶體結構的微觀理論去解釋宏觀上不同的導電特性，例如導體和絕緣體，并簡要介紹了分子的轉動能級和振動能級。最后一節(jié)從半導體的發(fā)展簡史到半導體的性質和能帶理論對半導體進行概述，并介紹了經典的pn結和二極管的伏安特性以及常用的半導體器件[6]。

從以上分析可以看出，“新課標”和“要求”中的知識點在高中物理和大學物理教材中都有明確的體現(xiàn)。對于固體物理，從中學物理中一節(jié)的內容擴展到大學物理一章的內容。中學物理僅僅是簡單的概念性的介紹，讓學生了解固體的基本性質和相關材料科學的發(fā)展，而大學物理中固體物理實際是對固體物理學科中重要知識點的提煉、總結。大學物理教材與高中物理教材僅有少量的重復，且都集中在第23章第1節(jié)晶體的基本特性和微觀結構中。大學物理中固體物理的大部分內容對于大一新生來說是全新的，很多固體物理的專業(yè)術語對于學生來說甚至是艱澀難懂的。

2.3 銜接措施

固體物理學是研究固體物質的物理性質、微觀結構、構成物質的各種粒子的運動形態(tài)，及其相互關系的科學，是基礎理論和眾多高科技應用學科(如:金屬物理、半導體物理、磁學、低溫物理、電介質物理、表面物理、非晶體態(tài)物理、材料科學)等之間的橋梁。固體物理教學內容有較多的專業(yè)術語、涉及一些空間圖形變換、復雜的數學演算，是學生認為較為難學的章節(jié)之一。所以，做好大學物理中固體物理的教學銜接工作，使學生盡快地從中學物理過渡到大學物理的學習尤其重要。為做好課程的銜接，我們給出下面幾點建議:(1)重視引入教學，良好的開端是成功的一半。在引言中使學生了解固體物理的傳統(tǒng)內容，發(fā)展歷程，以及和其他眾多高新技術學科之間的聯(lián)系，對以后學習有一個縱觀的了解，這樣可以激發(fā)學生的學習興趣，從開始學習就做到心中有數。(2)在固體物理的教學中貫徹一條主線:固體物理是研究固體的結構及其組成粒子(原子、離子、電子等)之間相互作用與運動規(guī)律以闡明其性能與用途的學科，是從微觀的角度來揭示固體的宏觀物理現(xiàn)象。由于固體物理內容在大學物理中屬于擴展內容，課時有限，教學中必須簡化公式的推導、方程的求解等環(huán)節(jié)，教學中貫徹了這樣一條主線，能使學生的物理概念、物理模型清晰，有利于對基礎知識的掌握。(3)物理知識具有系統(tǒng)性和連貫性，大學物理的部分知識是在中學物理基礎上的提高，在講授兩者之間重復的知識點內容時，首先簡要復習中學物理知識，隨后指出中學物理知識的局限性或特殊性，從而比較自然地引入課題。在講述第1節(jié)晶體時，不妨先復習一下高中物理固體一節(jié)的內容，相對來講，高中教材講述的晶體和非晶體更生動，容易接受，但同時指出高中物理教材的不足，例如只是泛泛的說明晶體具有特殊的微觀結構，并沒有告訴我們是怎樣的結構以及相應的特點。接著具體講授晶體的微觀結構，引入“空間點陣”的概念，讓學生了解基元、晶格、晶胞等基本概念，進而介紹七大晶系和14種布喇菲格子。(4)固體物理和當今最活躍的納米科學技術、凝聚態(tài)物理和超導物理等現(xiàn)代科技知識緊密相連，在高中物理教材的“科學漫步”中已簡單介紹了納米材料的特性，在大學物理的教學中可將第26章現(xiàn)代科學與高新技術物理專題的部分內容諸如凝聚態(tài)物理、納米科技、超導科技等知識引入固體物理的教學過程。這將有助于提高學生對該部分內容學習的積極性，極大的拓展學生的視野，同時也給課堂教學增添活力。

3 核物理與粒子物理以及天體物理與宇宙學的教學銜接

3.1 “新課標”和“要求”的異同點

“新課標”的核物理與粒子物理知識在選修模塊2-3(二)和選修模塊3-5(三)中，天體物理與宇宙學知識在3-5(三)的內容標準的第7條中體現(xiàn)，具體內容標準見表1。新課標2-3(二)原子結構與核技術和3-5(三)原子核的很多知識點是重復的，不過相同的知識點在3-5中要求更深一些。例如2-3(二)中的內容標準(1)中提到會用半衰期表示衰變的速度。而在3-5(三)(1)中就要求會用半衰期描述衰變速度，知道半衰期的統(tǒng)計意義。再如，2-3(二)中的(3)為初步了解放射性同位素概念以及應用，這在3-5(三)的(2)中變?yōu)榱私夥派湫缘膽谩Ａ硗猓?-5(三)還增加了部分知識點，例如核力的性質、核反應方程、原子核的結合能等。

在“要求”中，核物理與粒子物理、天體物理與宇宙學都為擴展內容。其中核物理與粒子物理教學內容基本要求包括:(1)原子核的一般性質，(2)放射性衰變、輻射劑量，(3)原子核的裂變與聚變，(4)粒子及其分類，(5)守恒定律，(6)基本相互作用與標準模型。天體物理與宇宙學教學內容基本要求包括:(1)星體的演化:白矮星、中子星和黑洞，(2)廣義相對論基礎:等效原理、彎曲時空、引力紅移和引力輻射，(3)宇宙學:大爆炸理論、宇宙膨脹、宇宙背景輻射.與“新課標”比較可以看出，核物理與粒子物理教學內容基本囊括了“新課標”的2-3 (二)和3-5(三)中的知識點，但“要求”中有一半內容是關于粒子物理的，這些知識點在“新課標”中僅有很少量體現(xiàn)。在“新課標”中天體物理知識的要求很少，只是讓學生初步了解恒星的演化，但在“要求”中作為獨立的一個模塊讓學生了解和學習，著重讓學生了解廣義相對論、宇宙學、微觀，宏觀和宇觀物理規(guī)律之間的聯(lián)系，幫助學生建立科學的自然觀和宇宙觀(表1)。

3.2 高中物理教材和大學物理教材的異同點

大學物理教材的第24章是核物理與粒子物理，第25章為天體物理與宇宙學，在高中物理教材中與此相關的內容出現(xiàn)在選修2-3的第5章(放射性與原子核)和第6章(核能與反應堆技術)以及選修3-5的第十九章(原子核)中。高中物理教材選修2-3中的第5章首先分別介紹了射線、射線、射線的基本特性，由此引出原子結構的發(fā)現(xiàn)和原子核的組成。第2節(jié)介紹了原子核的衰變和半衰期，并重點講述了著名的碳14鑒年技術.第3節(jié)和第4節(jié)是關于放射性同位素在工農業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生和科學研究等方面的應用以及常用的射線探測技術的內容。第6章分別介紹了核反應、核能、核裂變、核聚變和受控熱核反應。讓學生知道大眾傳媒經常提到的原子彈和核電站的工作原理，告訴學生人類是如何和平利用原子能的。本章最后還有關于恒星內部的熱核反應的介紹。選修3-5中第十九章的是關于原子核的內容，本章與2-3中第5章和第6章的內容有大量重復，例如天然放射現(xiàn)象、原子核的組成、原子核的衰變、半衰期、探測射線的方法、放射性的應用與防護、核反應與結合能以及核裂變與聚變等在2-3中已經講述過。在本章第5節(jié)中增加了核力與基本相互作用力的介紹，讓學生知道核力的基本特點，最后一節(jié)還簡單介紹了粒子物理和天體物理的部分內容。

大學物理教材第24章——核物理與粒子物理分為7節(jié)，首先講述了原子核的構成、大小以及自旋和磁矩。第2節(jié)介紹了核力和核力的一般性質，并在此基礎上介紹了原子核結合能的計算。第3節(jié)主要介紹了衰變、衰變、衰變及它們的一般表達式，之后給出放射性衰變的統(tǒng)計規(guī)律和半衰期的計算。原子核的裂變與聚變被安排在第4節(jié)。第5節(jié)到第7節(jié)是關于粒子物理的內容，依次介紹了“基本粒子”的發(fā)展歷程、粒子的分類、重要的守恒定律、四種基本相互作用以及夸克物質，最后還提及粒子物理中著名的標準模型。第25章介紹了三個方面的內容:恒星演化和他們的最終產物—白矮星、中子星和黑洞;廣義相對論的兩個基本原理以及一些奇特的推論，例如彎曲時空、光線引力偏折;大爆炸宇宙學和宇宙學中兩個最著名的成就—哈勃定律和微波背景輻射。

對比大學物理教材和中學物理教材，可以看出，高中物理教材相當重視原子核、放射性和核能的教學，有些內容甚至重復介紹。大學物理教材在高中物理的基礎上對很多知識點和概念進行了總結，并做了深層次的講述。例如在原子核的一般性質一節(jié)中加入了原子核半徑的估算方法的介紹，引入原子物理的知識介紹了原子核的自旋和磁矩。高中物理教材中兩次提到原子核的質量虧損，但都是基于愛因斯坦相對論質能方程的簡單介紹，而大學物理卻給出了計算質量虧損的一般公式，并以235U為例介紹了結合能和比結合能的計算.高中物理教材讓學生充分了解了射線、射線、射線的特點，大學物理則主要介紹產生這些射線的衰變、衰變、衰變反應，并給出了反應的一般表達式。高中物理教材大篇幅重復介紹了原子核的衰變、探測射線的方法以及放射線的應用與防護，而大學物理教材著重講述了放射性衰變的統(tǒng)計規(guī)律并給出計算具體衰變數目的公式。重核的裂變和輕核的聚變在高中物理教材中也是重點講述的內容，大學物理對此部分內容并沒有過多闡述，只將其中的要點進行了總結。大學物理教材中粒子物理和天體物理及宇宙學的內容在中學物理教材中較少提及或者沒有講述，這些知識對于學生來說是全新的。

3.3 銜接措施

基于以上對大學物理教材與中學物理教材的比較和分析，大學物理教學可以從以下幾方面加以改進，做好課程的銜接:(1)適當增加課時量，重視近代物理教學.大學物理課程的教學模式中，一直把普通物理力學、熱學、電磁學和光學部分作為絕對重點，近代物理部分占用的比例相對較少，要求低，甚至列為不考試的內容。由于學時緊的原因，近代物理以相對論和量子理論學習為主，較少講述固體物理、原子物理、核物理與粒子物理等高新技術以及天體物理、宇宙演化等新理論的近代物理知識。這些知識又非常廣泛，許多內容很難在大學物理課程有限的時間內加以容納。因此，教師應盡可能壓縮大學物理力學、熱學、電磁學和光學部分，轉變傳統(tǒng)的教學模式，改革教材的體系結構，建立一個新的課程知識體系加強近現(xiàn)代物理的教學。(2)對于大學物理和高中物理重復的內容時，要適當簡化，避免不必要的重復。例如核物理部分，在高中物理教材中已經有了詳細的講述，且部分內容還重復出現(xiàn)，大學物理講述時要突出要點，重視難點，注意深度和廣度的拓展。還可適當復習一些中學物理的內容，但要注意重點突出，簡明扼要，目的是要由此引入大學物理新內容，重點是講解大學物理知識。(3)改進教學內容和方法，提高教學質量。中學物理每節(jié)課的內容少，教師講授很仔細，面面俱到。而大學教學內容多，進度快，教學內容抽象，難度大。許多問題要留給學生自己思考，給學生留有較大的探索思考的余地。如果學生缺乏學習的主動性和探索精神，就會感到很不適應，甚至產生厭學情緒。而且，就近代物理內容來說，中學物理教材的講述更加生動，易于接受，大學物理教材重視從更深層次揭示物理原理和物理理論，講述上稍顯刻板且信息量大。因此，我們建議，大學物理要注意教學內容不可過專、過細，最好以講座的形式結合現(xiàn)代物理前沿課題進行講授，盡量不去進行完整的演繹推證，講授方式采用精簡式與滲透式相結合的教育方法。近代物理中的很多知識點比如夸克、宇宙大爆炸、廣義相對論等在日常生活中比如電視、書籍上會經常看到，學生對這些知識也是充滿好奇，但很多學生只是大概的了解，并不知其所以然。所以在教學方法上可采用討論式教學，課前提出討論課題和大致內容，鼓勵學生利用各種手段查找相關的資料論著。由此喚醒學習的主體意識，讓學生主動參與教學，調動學生學習的積極性。在研討課上，教師要把握好研討的內容和節(jié)奏，把研討引向深入，真正讓學生知其然更知其所以然。(4)采用多媒體教學手段，激發(fā)學生學習近代物理的興趣.近代物理信息量大，與現(xiàn)代高新技術和前沿學科聯(lián)系緊密，在教學中引入多媒體教學，可以達到事半功倍的效果。例如在講授天體物理中的恒星演化及超致密星體時，由于筆者近年來一直從事這些領域的研究，掌握較多相關內容的圖片和動畫素材，并了解該領域最新的研究進展，將這些內容穿插在教學中將大大激發(fā)學生的學習興趣，提高教學質量。

4 結語

大學的課程中很多都會涉及到大學與中學教學的銜接問題，大學物理和中學物理的教學銜接是個普遍問題。本文主要研究了大學物理中近代物理部分內容的銜接教學，從教學內容、方法、手段等方面努力探索，比較研究，給出了一些加強和改進大學物理和高中物理銜接的措施，希望能夠幫助學生從中學順利過渡到大學學習，提高大學物理教學的質量。大學物理和中學物理的教學銜接是一個系統(tǒng)工程，這需要有更多的教師來關心和投入到教學改革的研究中，實事求是地做好大學物理和中學物理的教學銜接工作，充分繼承和發(fā)展中學物理課改成果，使學生系統(tǒng)地掌握必須的物理知識，了解當今物理學前沿和新的科技成果，培養(yǎng)學生科學的思維方式和研究問題的方法及創(chuàng)新精神，使他們成為未來社會發(fā)展的高素質、創(chuàng)新型人才。

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①基金項目:教育部物理基礎課程教學指導分委員會教改項目(WJZW-2010-43-zn)，河南大學教學改革項目資助。

作者簡介:康緲(1979—)，女，河南汝南人，博士，副教授，在教學研究方面主要從事大學物理的教研工作。