國內外醫學物理教材對比*

范 灼

(湖北科技學院 生物醫學工程學院，湖北 咸寧 437100)

案例版教材是大學非理科類專業物理教學一大趨勢，我們知道，在本科自然科學教學上，存在蘇聯模式和美國模式。蘇聯模式重視學科體系，強調數學嚴謹性，對于物理概念和規律，不僅需要學生理解和掌握，而且要求在現代數學的高度上有所認識。這樣的要求需在學生學習過程中，通過前期的完整的數學培訓，以及物理學習過程中大量的習題來完成。這一點是來源于蘇聯本科教育精英的模式。我們國家的物理教學曾受該模式影響很深。例如中科院理工科類至今要求學生完成吉米諾維奇習題集，以此來培訓學生的數學基礎。而與蘇聯模式不同，美國的本科教育其思想是立足于公民教育[1]。在公民接受本科教育的過程中，掌握物理學的基本規律主要是通過生活實例來完成，相比較而言，不太重視學科的體系，同時對數學要求也很低，基本相當于我國的中學數學水平即可完成大學非理科物理教學。

目前，我國的高考錄取率已突破70%，高等教育早已不是培養社會精英、科研人才的目的了。但是相應的在基礎領域的教學上目前還處于相對不同步的階段。例如在非物理專業的物理教學，目前還是存在過多重視知識體系、結構、數學形式等方面，而缺乏物理知識與生活實踐相結合。07年科學出版社組織部分醫學類院校編寫《醫學物理學》(案例版)[2]是對醫學類本科生物理教學的一個改進嘗試。該教材在湖北科技學院已使用5年，已積累一定的教材使用經驗。在此之前，醫學類院校普遍采用人民衛生出版社胡新珉等編寫的《醫學物理學》教材[3]，部分院校也使用高等教育出版社陳仲本等編寫的《醫用物理學》[4]。近年來，原版引入的國外優秀教材越來越多，相應的對比國內外教材的工作也逐漸引起關注[5]。作為對比，我們參考機械工業出版社引進的美國Paul Peter Urone的College Physics第二版[6]，該書推薦給生物、生理和醫學專業的學生學習，與國內相應教材定位基本一致，可以作為對比材料。

本文試圖通過對比上述基本教材在內容選擇、物理概念和規律的提出方式、數學表述形式以及例題和習題的設置等幾個方面，論述醫學本科教學中物理教學的客觀實際以及學生需求，說明我國醫學類物理教學過程中存在的問題，以及改進的方向。

一、教學內容的選擇

目前，我們國內的醫學物理教材中關于教學內容的設置基本沿用了理工科的大學物理課程。涵蓋經典物理的力學、熱力學及統計物理、光學、電磁學，并簡單涉及原子物理和量子物理。例如高等教育出版社出版《醫用物理學》，除第十五章增加一個磁共振成像，其他十四章內容基本與大學物理無異。只是在每章最后增加一節相關醫學與物理結合內容。這一點在人民衛生出版社，科學出版社的出版教材中也是完全一致。這樣造成國內的醫學物理教材更像是簡寫版的大學物理附加了部分醫學知識的合訂本。這種簡寫并不是對教學難度的簡化，而是相對于普通物理對內容進行舍棄，保留力、熱、光、電等分支中的基本概念和規律。對于Paul Peter Urone版College Physics教材，其基本框架仍然沒有脫離大學物理的基本內容，但是主要不同是對各分支領域作進一步的細化，該教材總共有32章，其涵蓋的內容非常廣泛。例如該教材清晰的論述了熱和熱傳導、熵的概念、相對論時空觀，以及散見在各章節中關于現代物理的介紹，如宇宙學、量子引力理論、超弦、暗物質、混沌、高溫超導。這些內容在我們醫學物理教材中基本沒有涉及，其結果是我們的醫學本科物理教學只是對中學物理知識在高等數學的基礎上再認識。

二、物理概念與規律的提出方式

案例版教材，其定位是要將基礎的物理理論融入在實際問題中，也就是在問題中學習。我們知道物理科學是最成熟的自然科學，發展歷史悠久，理論化、數學化程度相比其他學科更高。目前的大部分物理教材都是用抽象的方式來提出物理問題，這一點在之前衛生出版社出版的胡新珉版的《醫學物理學》中比較突出。而Paul Peter Urone版College Physics，對物理概念和定律大多是在實際問題中引入，在每一章節開始，通過設置多個實際問題，將物理概念自然引入。例如熱力學這一內容，Paul Peter Urone所著教材中先分析人類對冷熱的感知，地球的溫室效應等引入冷熱的主觀感受，然后通過水銀溫度計對溫度的客觀標度和熱敏金屬對溫度的曲率變化來理解溫度的概念。同時通過熱敏電阻在醫學儀器中的各種醫用，更進一步的加強學生的理解。而國內教材對這些基本概念基本是直接介紹，并且著墨很少，先驗的認為學生對物理概念的理解達到要求。再比如對楊氏雙縫干涉實驗，我們的教材是依據嚴格的波的疊加原理，采用數學推導的方式來介紹屏幕上形成明暗條紋的規律。而Paul Peter Urone版教材中對此沒有物理推導，而是直接給出形成明暗條紋的結論，同時輔助大量的圖像，來演示該物理過程，強化學生對該規律的理解和認識。

這兩種方式各有優勢，國內教材的優勢在于，學生如果完全掌握波的疊加原理，并且對推導過程中所采用的近似處理和數學形式理解透徹，那么對該知識點的掌握就比較深刻。而Paul Peter Urone的論述方式是在學生的認知過程中門檻很低，對一個較為復雜的現象有足夠的感性認識，有助其形成記憶，在其他學科中遇到類似問題時能快速形成類比。

需要指明的是，我國的醫學類物理教材在發展過程中，也注意到物理概念和規律與醫學、生物等方便的聯系過少，在案例版教材中，也嘗試了這種聯系，例如每一章開頭，引入一個醫學或者生物學的問題，介紹完物理知識后作一個解答。但是從目前的教材編寫效果來看，這種結合還是比較生硬，停留在水是水，油是油的階段，其原因在于將實際問題抽象成物理問題的過程中，抽象過度，完全失去問題本身的背景，變成理論模型；而抽象不夠，問題本身掩蓋了物理規律，只能停留在簡單的分析這一層面之上。

三、物理概念與定律的數學描述

在科學出版社版本的醫學物理學教材中，對高等數學的要求對于醫學類專業學生而言還是比較高的，全書大部分章節的物理概念的定義方式，物理定律和定理需要用微分來表達，而在靜電場，穩恒磁場等章節，對高斯定理，安培環路定理以及麥克斯韋方程組等需要環路積分，多重積分的形式；在力學，機械波等章節，需要二階微分方程，在分子動理論等章節，甚至需要統計學的概念和規律來理解壓強微觀公式和麥克斯韋速度分布律。這些數學知識對于同步學習高等數學大一學生而言，難度比較大，造成學生學習過程中理解混亂，甚至有排斥心理。

相比較而言，Paul Peter Urone版College Physics是一本完全不用微積分的大學物理教材，這樣就面臨一個問題，該教材是如何處理以上相關物理規律的。我們發現，其一，該教材對涉及高等數學的物理內容有所取舍，在College Physics中，不講高斯定理，不列出麥克斯韋方程組，不介紹洛侖茲變換等。其二，用于微積分知識可以在特殊情況下用初等代數的形式來描述，所以在涉及一些基本概念、定理的表述上，該教材采用我國在中學階段廣泛采用的微元方式，極限的定義，來替代微分的表示。這樣的做法可以使學生在學習過程中，繞開數學知識不夠的障礙，將主要精力集中在物理知識的學習上，值得借鑒。

四、例題和習題的設置

物理學的概念和規律是高度數學化的，在認知過程中不能僅停留在定性的層面上，故而需要大量的習題練習，強化對知識的理解，進而實現在實際需要中的運用。所以通過例題的講解和習題練習是中外物理教學的不二選擇。但是在例題和習題的編寫上，中外教材仍然存在很大的不同。國內物理教學，從中學階段到大學階段，不論是課堂還是各級考試，多是模型的演練，即將實際問題抽象成物理模型，學生面對的始終都是質點、剛體球、理想氣體分子、輕質彈簧、均勻帶電球等等之類。這種方式當然是為了排除實際問題中各種其他因素的影響，將注意力集中在物理規律的運用上，便于學生在短時間內快速掌握所學知識。但是其弊端是在抽象過程中，往往失去了問題的背景，而過于模型化。例如在科學出版社的醫學物理學教材第七章，所采用的例題全部沒有醫學或者生物學背景，課后習題十三個題目，除一個是談到靜息電位外，其他的全部是簡化模型的習題，這些習題作為普通物理教材的習題也是完全適用的，而在Paul Peter Urone版College Physics教材中，聲音這一節，提供91道習題，而通過標注涉及人體應用(Human Application)，醫學應用(Medical Application)和生物應用(Biological Application)有五十個之多。目前我們國內教材的例題和習題還是沒有體現物理學在醫學生物等方面的應用，這樣造成學生即使掌握物理知識，但是在對具體問題的分析時往往手足無措。另外在醫學、生物以及生理領域，學生將來面對的實際問題通常較為復雜，事實上許多具體問題無法完全抽象化，導致目前的相關學科的基礎課目中，需要運用到物理知識時，也是停留在表面，只能是對現象作出描述，給出一些定性的分析，無法量化，使得醫學、生理生物等學科與物理的結合不好。

五、結論

通過對比，我們發現國內的醫學本科專業的物理教材建設依然存在物理規律和醫學領域的結合不夠，對醫學專業學生數學基礎要求過高，內容選擇過于偏重經典物理，而對現代物理知識關注不夠以及例題和習題的設置不合理等方面的問題，這要求在該領域教材在進一步的發展中，強化對醫學、生物等問題的物理化提煉，通過合適的方式來展示物理學的基本概念和規律，使得醫學本科學生的物理學基礎能在其今后的專業學習中產生更明顯的促進作用，為其將來的工作和科研打下堅實基礎。

參考文獻：

[1]楊德廣.高等教育學[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]仇慧，王亞平.醫學物理學[M].北京：科學出版社，2012.

[3]胡新珉.醫學物理學[M].北京：人民衛生出版社，2001.

[4]陳仲本，況明星.醫用物理學[M].北京：高等教育出版社，2005.

[5]王一玲.國內外教材的對比分析與思考[J].科學與出版，2001，(3).

[6]P.P.Urone.College Physics (second editor)[M].北京：機械工業出版社，2003.