中外大學物理優秀教材內容比較研究

張琦瑋 馬天魁 趙 陽

(高等教育出版社 北京 100029)

1 引言

大學物理是面向低年級大學生的公共基礎課，教材作為學科知識的載體，起著至關重要的作用.優秀的教材不僅為學生提供知識與信息，同時也為學生打開一道通往物理世界的大門，讓學生掌握探尋科學世界的方法，提高學生的科學素養．為助力教學，教材的編寫既要合理地安排知識內容，更應該適應低年級大學生的特點，具有較好的可讀性和實用性.

在我國高等教育發展中，教育主管部門對教材建設給予了相當的重視，大學物理教材建設取得了顯著的成果，在講授內容的廣度、深度等方面有了較大的改善.

我國現行大學物理教材體系仍一定程度上沿襲蘇聯教材的體系，與歐美采用的大學物理教材存在較大不同.不同的文化背景與思維方式導致了中外大學物理教材在知識的內容與結構、表達方式、信息選擇等諸多方面都存在差別；這些差別同時也為我國的大學物理教材建設提供了參考與借鑒.

2 國內外大學物理教材概況

在我國，物理教材的編寫是圍繞物理課程教學的基本要求開展的.在教育部高等學校物理學與天文學教學指導委員會編制的《理工科類大學物理課程教學基本要求》(2010年版)(下文中簡稱《基本要求》)中，教學內容主要分為力學、振動與波、熱學、電磁學、光學、狹義相對論力學基礎和量子物理基礎和分子與固體、核物理與粒子物理、天體物理與宇宙學及其現代科學與高新技術的物理基礎專題幾個方面.可以看出《基本要求》在內容方面對現代物理方面更加重視.

我們選用4套教材作為研究對象，具體情況如下.

因馬文蔚等主編的《物理學》(第7版)和張三慧主編的《大學物理學》(第4版)為首屆全國教材建設獎獲獎教材中獲獎的兩套大學物理教材，分別出版于2019年和2017年，版次較新，且這兩套教材適用面廣、使用學生多，所以中文教材選擇這兩套教材作為研究對象.哈里德等主編的《Principles of Physics》(9th edition)、西爾斯等主編的《University Physics with Modern Physics》(15th edition)均為風靡多年的國外優秀大學物理教材，均于21世紀初引入國內，在我國深受也為從事大學物理教學的教師所熟知和喜愛，所以外文教材選擇這兩套教材作為研究對象.

3 教材結構比較

本研究所選國內教材均為上下兩冊，國外教材為全一冊.表1所列為所選教材章目錄及附錄內容.

表1 各版本教材章目錄

續表1

3.1 章數

由表1可知，國內教材章數相對較少，馬文蔚版教材共16章，張三慧版教材共30章；國外教材章數較多，哈里德版教材和西爾斯版教材均由44章構成.造成中外教材章數差異的可能原因如下：

(1)國外教材章節劃分會更加細致，譬如馬文蔚教材中，剛體和轉動相關內容為一章，而在哈里德版教材中，分為轉動、轉矩和角動量、平衡與彈性、流體等4章來講授.

(2)對于核心知識點(我國《基本要求》中的A類知識點)，國內外教材覆蓋面是基本一致的，對于拓展知識點(我國《基本要求》中的B類知識點)，國內教材通常著墨不多.例如對于等離子體，馬文蔚版教材多在加“*”的選學部分用小字簡單提及，而張三慧版教材是在“每日物理趣聞”中加以介紹，國外教材對等離子體介紹較多,在習題中加入了相關情境題目.在國外教材中對于分子與凝聚態物質、宇宙學專門設章闡述，而國內教材基本不涉及相關內容.

3.2 附錄內容

附錄是教材的重要組成部分，它可以是教材內容的補充或延伸，也可以是為計算提供必要支持的數據及公式.國內教材與國外教材均設有相應的附錄.總體來講，國內教材附錄部分較國外教材更為簡略，通常會提供常用物理常量表作為參考，方便學生做題時隨用隨查.馬文蔚版教材在附錄部分提供了矢量和國際單位制的簡單介紹，便于基礎薄弱的學生自學.國外教材附錄內容更加豐富，哈里德版教材和西爾斯版教材附錄內容大體一致，均包括國際單位制、常用數學公式、希臘字母、元素周期表、單位換算因子、常量表、元素性質等.值得一提的是，兩套國外教材均在附錄部分提供了單位換算因子查詢表，以幫助學生快速完成英制和公制的轉換.

4 教材的物理概念論述風格比較

(1)國內教材：言簡意賅，注重邏輯推導、數學演繹.

國內教材內容結構體系嚴謹，邏輯推理嚴密.因為國內學生在中學階段所學習的物理內容在深度和廣度上大于國外中學階段的物理內容，所以國內教材在內容選取上避免了和高中物理知識的重復性，是在高中物理知識基礎上的螺旋上升式展開，能夠節省課時，但對于部分高中物理基礎較為薄弱的學生，可能存在與中學物理教材的銜接問題.國內大學物理教材體現的思維方式和運算方式明顯和高中不同，注重微積分的運用和矢量計算.國內教材較偏重于運用邏輯、數學演繹及數學表達去揭示物理學中所蘊含的物理規律、概念的物理意義，能較好地體現理論的嚴謹性，能幫助學生按部就班地建立知識體系.但國內教材在概念論述方式上也存在弊端，如國內教材偏重于運用數學邏輯演繹方法去闡述問題，比較抽象，容易使學生產生畏難情緒.在目前的國內優秀大學物理教材中，作者十分重視理論與實踐的結合，學生很難將所學的物理定理、定律與實際生活經驗聯系起來，不利于學生思維模型的建立.此外，對于當前以物理學為基礎的新技術、新科技應用的介紹較少，專業針對性不強.

(2)國外教材：篇幅較長、鋪墊較多，多從日常生活實例或前沿科技出發，以歸納、類比的邏輯方式引入物理概念和規律.

國外教材不過多依賴數學推導、邏輯演繹過程，注重從日常生活實例或前沿科技出發，以歸納或類比的方式引入物理概念和規律，突出物理過程的推理和分析，強調對物理概念和規律的理解和對物理意義的闡述.在哈里德版教材中多次用類比法闡明不同物理規律和物理概念間的相互關系, 從而加深學生對物理本質的理解. 例如,將彈簧振子與LC電路類比,將聲學共振腔與電磁共振腔類比.

國外教材能處處體現物理既來源于生活又應用于生活的特色.例如，在西爾斯版教材中，講到電磁感應定律的應用時，介紹了電吉他工作原理；在講靜電的應用時，介紹了靜電集塵器的工作原理及其在工業上的應用；在學習理想氣體狀態方程時，分析了在搖晃香檳酒瓶后打開瓶塞，香檳酒會噴出瓶口的物理原理.這些都會有助于學生將所學理論與生產、生活實際緊密相連，學會運用學過的物理理論去探索生活中的奧妙，從而喚起學生學習物理的興趣.

5 教材內容比較

5.1 各部分所占篇幅

篇幅一定程度上可以說明教材闡述的細致程度及內容的豐富程度，從而體現相關知識的重要程度.大部分大學物理教材內容是按照力學、熱學、電磁學、光學和近代物理幾個部分劃分知識內容的，本研究選用的4套教材皆是如此.本研究中，將振動和波動劃入力學部分，將相對論劃入近代物理部分，可得4套教材中力學、熱學、電磁學、光學、近代物理各部分的頁數及所占比例如表2所示.

表2 4套教材中各模塊的頁數及占比

由表2可知，國外教材比國內教材篇幅更長，尤其是力學部分內容所用的篇幅、所占的比例顯著高于國內教材.造成國內教材篇幅短于國外教材的因素有很多，包括：

(1)教材的物理概念論述風格不同，我國通常采用的是蘇聯教材的風格，重推導.國外教材重歸納、重演繹，所以篇幅較長.

(2)國內高校大學物理課程的學時數不足，很多高校學時數已不足100，無法完成過多教學內容.

(3)國內高中生有一定的物理和數學基礎，因此國內教材在講授力學、電磁學、幾何光學相關知識時，起點較高.

上文已提及，國內教材通常根據《基本要求》編寫，在《基本要求》中規定了各部分內容的建議課時數，詳細數據如表3所示.

表3 各部分內容的建議課時數

將《基本要求》中規定的各部分的建議課時數與兩套國內教材各部分所占篇幅比例進行比較，可以發現，教材中力學部分所占比例比《基本要求》中規定的高，電磁學部分所占比例比《基本要求》中規定的低，其他部分所占比例與《基本要求》大致相符.造成以上情況的可能原因為：

(1)因學生的物理知識和數學基礎存在差異，在教授力學部分內容時會降低對數學基礎的要求，以歸納的邏輯方式引入物理概念和規律.

(2)力學部分與學生日常生活聯系更為緊密，教材編寫時增加了大量日常生活實例或前沿科技相關內容.

(3)兩套國內教材都適用于理工科類學生，對于《基本要求》中力學部分的拓展知識點講解更為詳細.

(4)國外教材的編寫理念是加強物理學各分支均適用的定律和概念, 借以揭示物理學的統一性，所以會詳細介紹守恒定律 (能量守恒、 動量守恒、 角動量守恒等 )、波動概念、場的概念，相關章節篇幅較長.

5.2 教材廣度

下面比較國內外教材的廣度.因兩套國內教材均根據《基本要求》編寫，體系基本相同，兩套國外教材雖然內容所歸屬章節不同，但是包含的內容基本一致，所以下面以哈里德版教材和馬文蔚版教材為例展開比較研究.因本研究篇幅有限，僅對力學和電磁學部分進行研究.

5.2.1 力學部分廣度研究

兩套教材的力學部分主要內容如表4所示.

表4 馬文蔚版教材和哈里德版教材 力學部分主要內容比較

續表4

由表4可知， 國外教材力學部分的廣度高于國內教材，知識點覆蓋面更大，具體結論如下：

(1)國外教材對測量、矢量、萬有引力部分做了詳細介紹，而相應部分在馬文蔚版教材中并未在正文中詳細描述(矢量部分在附錄中有相應介紹).

(2)在運動學、能量、剛體轉動、流體等部分，國外教材的敘述更為詳細.

(3)國內教材力學部分的重點是牛頓運動定律和3個守恒定律及其成立條件，力學中除角動量、剛體部分外絕大多數概念學生在中學階段已有接觸，因此國內教材中不做贅述，這也是符合《基本要求》的.

5.2.2 電磁學部分廣度研究

國內外教材電磁學部分內容的比較如表5所示.

由表5可知，國內教材起點更高，從靜電場講起，最終達到的要求也很高.國外教材起點低，從電荷講起，由簡入深，逐漸深化，最終達到的要求略低于國內教材，部分國內教材提及的概念在國外教材中并未涉及，譬如哈里德版教材中并未涉及電位移、三相交流電等概念.

綜上所述，通過對力學、電磁學部分內容的對比分析可知，就教材的廣度而言，國外教材起點低，論述范圍廣.這與中美兩國高中學生的物理與數學基礎不同有很大關系.美國大部分的高中生沒有微積分基礎，高中所學物理知識也比較淺，大學物理教材要適用于未參加過“大學先修課程”的學生，所以，國外教材往往從最基礎的測量、單位等開始，逐步過渡到深層次內容；而由于國情的差異，對中學物理介紹得比較多的運動學、電力、磁力、靜電感應及電磁感應現象等內容，編寫時往往強調與中學教學的銜接，精簡內容，提高起點，減少不必要的重復.

5.3 教材深度

在此部分，我們仍然以馬文蔚版教材和哈里德版教材為例進行對比研究.

在力學部分中，國內教材中常見的質心系、自然坐標系等在國外教材中并未涉及.在電磁學部分中，國內教材對于電介質、磁介質、有磁介質存在時的磁場往往專門設章節詳細講解，而哈里德版教材只是定性解釋了電介質極化問題，對于磁介質并未涉及，麥克斯韋方程組也僅給出了真空中的形式.在熱學、光學、近代物理學中，類似情況同樣存在.

綜上可知，國外教材在深度上低于國內教材.

6 結論

通過分析馬文蔚版教材、張三慧版教材、哈里德版教材和西爾斯版教材的物理概念闡述風格、內容等，我們可以發現，國內外教材各有其優勢和不足.

國內教材存在以下優勢：

(1)在物理概念闡述方面，國內大學物理教材體系完整，符合《理工科類大學物理課程教學基本要求》(2010年版)，各部分知識內在聯系緊密，論述語言簡練、條理清晰、邏輯嚴密.

(2)在教材內容方面，國內大學物理教材與國內高中階段教材銜接良好，起點相對較高，符合大部分我國大學低年級階段學生的認知發展水平和數學物理基礎，有效地縮短了篇幅，減少了學時，更符合我國的實際情況.

國內教材存在以下不足：

(1)國內教材體系更偏重于定量計算與邏輯推導，這在一定程度上會弱化學生對于物理概念本質的關注.

(2)國內教材與日常生活相關的應用較少，不少教材涉及的應用過于集中和雷同.

同樣，國外教材存在一些值得我們學習的優勢：

(1)在裝幀設計方面，國外教材全彩印刷，更加圖文并茂，生動活潑，趣味性強，更能提高學生的學習興趣.

(2)在教材內容方面，國外教材中所涉及的基礎知識多于國內教材，即國外教材的廣度大于國內教材的廣度，如流體力學、聲學、幾何光學、核物理、宇宙學等內容在兩本國外教材中都占較大篇幅，講解更為詳細.

(3)國外教材往往簡化數學推導，更強調物理概念和物理意義.

(4)國外教材鋪墊較多，講解細致，多從日常生活實例或前沿科技出發，以歸納、類比的邏輯方式引入物理概念和規律，對于基礎薄弱的學生更為友好.

上述的比較，為我們以后的教材建設提供了一些參考，我們可以著眼于借鑒國外教材的一些優點，不斷改進和提升我國大學物理教材的品質和內涵.