对一种新的大学物理课程体系的探讨

对一种新的大学物理课程体系的探索摘要为更好地培养21世纪所需的创新型人才，本文试图突破传统的力、热、电磁、光、原这种按现象分类组织的顺序结构，依据物理学一些内在的规律特点，探讨了一种新的大学物理教材体系结构。

关键词大学物理；知识结构；课程改革；教材分类号 O4━43 或 G423.3１对大学物理教学内容体系的探讨为适应现代科学技术的飞速发展，满足经济体制和经济增长方式两大根本性转变的需要，为科教兴国和可持续发展战略服务，21世纪的人才不仅需要丰富的知识，还应该有较强的能力，具备较高的素质。

物理教材与教学改革不仅要符合这一要求，更应该以自己独具的学科特点和优势，扮演重要的角色，发挥更重要的作用。

首先，物理学作为一门成熟自然科学基础学科，不仅是现代科学技术大厦的基石，而且其知识方法已经广泛应用到生产、生活各个方面，并不断向更多的新领域渗透，她可以“培养和提高学生科学素质、科学思维方法和科学研究能力”，[1]对于广大人民群众破除迷信、揭穿伪科学，树立辩证唯物主义世界观和方法论也起着很重要的作用。

因此，物理学不仅是一般意义上的专业基础课，而且也是一门文化素质课，其基本常识、规律和思想方法对未来社会的各类人才都有启发和借鉴作用。

所以，要教给学生内容体系相对比较完整的大学物理知识。

我们还知道，从亚里士多德时代起的物理和哲学就密不可分。

牛顿三定律和万有引力定律，把天上的运动和地上的运动统一起来，破除了宗教关于宇宙的神秘。

牛顿提出这些定律，构筑经典物理学大厦基本框架的论著干脆就叫《自然哲学的数学原理》；能量转化和守恒定律是辩证唯物主义诞生的重要基础之一；麦氏方程组从一个新角度揭示了物质世界的普遍联系和发展变化的规律；爱因斯坦的相对论更是从根本上改变了人们的时空观；物质波假设的提出可谓就是德布洛意凭借其哲学思维的创造；海森堡的“测不准关系”所蕴含的哲学思想已远远超过了其物理意义本身……的确，许多物理知识中都包含着深刻的哲理，一部物理学发展史，也是一部哲学发展史，方法论发展史，科学思想发展史。

我们不能轻易地浪费这些宝贵的素质教育资源，而要充分挖掘、引申和升华：适时适量引入物理学史知识，介绍一些物理概念、规律的发现发展过程，描绘物理规律中所蕴涵的哲理和美。

这不仅可使学生学到科学家正确的思维方法、工作方法和先进的思想观念，还可使学生受到科学家们追求真理、勇于探索、辛勤奉献、对社会和人类的责任感等科学精神的熏陶；这些生动有趣、充满思辩美的知识和对科学家们所取得的伟大成就和崇高品格的仰慕与崇拜又可成为激发学生学习兴趣，提高学习主动性的发动机和催化剂。

同时还应该认识到，未来社会不能期望通过几年的大学教育就把学生培养成为某个领域的专家，更不可能也不必要使教育在人的青年时代就一次完成 [2]。

而应培养终身教育的观念和习惯，在一生中随时根据需要和兴趣，不断学习新知识，调整优化知识结构。

为此，大学物理的知识体系不能是封闭的、僵死的，而应是以最基本的“骨架”为基础的活化的开放系统；一个具有较强迁移能力，能不断吸纳同化新知识，包括其他学科领域知识，具有旺盛生命力的知识结构。

所以，要充分利用学生已有的基本知识结构作为出发点，充分考虑学生的认知心理，循序渐进地把大学物理知识作为已有知识的扩展和加深介绍给学生，建立新旧知识之间的内在联系，点明两者之间的异同，指出新知识的增长点，作为学生后继学习的“最近发展区”［3］；同时，在合适的地方也引入一些比较活跃的近、现代物理知识及其应用成果，为学生开设一些“小窗口”，[4]让他们呼吸一下当代物理学和现代科学技术的新鲜空气；最好也在适当位置多保留若干“扩展槽”，注①介绍一些有待解决的前沿和实际问题，启发学生就这些问题展开想象、进行探索，培养学生应用物理知识解决问题的能力和进行知识创新的兴趣。

这些内容有的可以写入正文，有的可编成习题，[5]还有的可出现在前言或后记中，有的也可以阅读材料的形式作为附录或正文中相对独立的一部分。

另外，现代科学技术的综合化、整体化发展产生了很多有生命力的边缘学科、交叉学科和横断学科，如地球物理、生物物理、控制论等等，他们在现代“科学－技术－生产－贸易”的一体化发展中发挥着传统学科起不到的作用，而这些学科的诞生和应用需要多学科知识及其间的联系，因此，基础物理教学也应该为临近学科预留“接口”注②、架设桥梁，激发学生的兴趣，引导创造思路，指出值得研究的方向和领域。

２对大学物理教材组织顺序的探讨根据系统论的有关原理，现代课程论不仅要研究教学内容的选取，更应重视对这些内容组织结构的研究。

[6]因为相同的内容采用不同的次序组织教学，其效果是截然不同的，“课程”中的“程”字本身就有过程、程序之意。

传统的力、热、电磁、光、原，是按所研究的现象来安排教材顺序，而不是依据物理学深层次本质的东西，这种结构用在中学尚可，作为大学物理教材的线索就显得不合适了。

在教学实践过程中我发现了以下物理教学内容的分类线索：其一，从研究对象的物质形态或属性角度看，可分为粒子、场和波［7］，有具体与抽象之分。

就其模型和研究方法角度而言，主要有质点（组）、刚体、场、波和热力学系统、微观粒子等，就其线度看又有宏观与微观之分。

他们各自对应着不同的研究方法（包括使用不同的数学工具）和难度。

其二，从运动形式方面看，主要有平动、转动、振动、波动及无规则随机运动几种，其复杂程度和难度也各不相同。

其三，就所阐述的物理规律而言又可分为演绎（因果）规律和统计（归纳）规律两大类。

相对来讲，学生对前者更容易适应。

参见下页图表另外，我们都知道物理数学不能分家，物理教学和物理学的发展一样离不开数学，尤其是大学物理对高等数学的依赖非常强。

我们在安排物理教学内容顺序的时候也要考虑各部分物理内容所用到的相应高等数学知识的教学进度及其难易程度。

当然，数学作为一种非常重要的研究工具在安排其课程内容和进度的时候也应该适当为物理等课程的教学打好基础，但这不在本文讨论的范围之内。

３对大学物理教材内容结构的讨论据上述分析，结合物理学史的发展过程和人类的认知规律，按照先易后难，从简单到复杂，由具体到抽象，从特殊到一般再到特殊，先宏观再微观，先演绎后归纳的顺序，我设计了一套更能为学生掌握物理学的内核与精髓，并能给学生思考和解决问题提供更多方法素材和发展空间的体系结构：引言：我们所处的物理世界讲述物理学的研究对象：从宏观到微观和宇观的物质结构层次及其运动变化，引出物质结构和天体物理的基本常识，介绍一下对宇宙起源研究的动态（如大爆炸理论等），给学生描述出一个值得探索和研究的广阔时空范围的蓝图，激发他们的好奇心和学习欲望。

随后讲述现代科学技术和生产生活中的一些以物理知识为基础的应用实例，与物理学有关的当代科技前沿情况，让学生进一步体会学好物理的必要性和重要性。

最后向同学们传授一些有效的学习方法。

第一部分：实物粒子以三个守恒定律为核心讲解质点(组)和刚体的运动规律。

［8］通过质点和刚体介绍“理想模型”忽略次要因素的研究方法，结合从匀速到匀变速、先直线再曲线运动、从质点到刚体和质点组等内容教给学生从简到繁、由不变到变并逐步增加变量个数的研究、解决问题的方法。

刚体是特殊的质点组，刚体的平动可视为质点运动，质点的角动量定理和守恒定律是刚体角动量定理和守恒定律的特例，可让学生学会从更高的层次上把握知识规律的体系和结构，也是一个从特殊到一般再到特殊的范例。

在讲述万有引力时，指出牛顿把天体的运动同地面物体的运动纳入到统一的力学理论体系，实现了人类科学认识的一次大综合，大飞跃，并可用科学家研究过程中那种对统一、对称、和谐等美感因素的追求来对学生进行感染和熏陶。

介绍某些杂技魔术和电影特技的物理学原理，可帮助学生提高对科学与伪科学的分辨能力。

通过介绍火箭与我国的航天事业，来培养同学们的民族自信心、自豪感和爱国主义精神。

这一部分所研究的都是具体的宏观现象，所涉及的运动形式是平动和转动，所涉及的高等数学知识仅限于向量和简单的微积分，研究所得到的演绎规律也是广大同学们所熟悉的。

第二部分：波依次介绍机械振动和机械波、光波。

具体形象的机械波主要用以介绍周期、频率、相位、波长、波速等基本概念，作为阅读材料在这部分可讲解一些声学知识；在光波部分可分别介绍激光与全息、光纤通讯等当代前沿的基础知识 [9]。

在这一部分中，机械波恰好承接前面力学主干，最后由光波是电磁波的一种，电磁波是由电磁振荡产生的引出对电磁场的探讨，自然过度到下一部分。

第三部分：场先分别讲解静电场、稳恒磁场和电磁感应，进一步引出电磁场和电磁波，并把光波纳入统一的电磁波谱之中，分析波与场的关系，再讲解狭义相对论的基本常识。

最后简述引力场、四种相互作用和大统一理论，很自然地把这一部分与第一部分联系了起来。

传统的讲法是把这部分放在波动之前，事实上，由于有机械波做过渡，光波虽也较抽象，但要容易得多。

而对场来说，其研究对象和运动形式都比波动难理解。

这两部分的研究方法还是演绎推理，可是场需要用到的空间解析几何、多元函数微积分等数学工具比波所用到的常微分方程要难些。

第四部分：热力学系统传统的物理教材都是把这部分内容放在力学之后作为第二部分，我认为非常不妥，因为刚体是大量质点的固定结合，质点组是有限个质点的随机组合，波可视为大量质点有规律运动的宏观表现，而本部分研究的孤立系统包含着无数多个质点，而且都在作随机运动，所用的数学工具也是与微积分的的思路和方法截然不同的概率统计，与前几部分所研究的内容相比，对其方法和结论，学生一时都难以适应，具有相当的难度和复杂程度；从物理学史角度看，这部分规律的发现也比前述内容晚［10］。

另外，在讲完热力学后的分子物理部分阐述自然界存在的另一种与因果（演绎）规律不同的的客观规律──统计（归纳）规律和另一种研究方法──归纳法，也为随后讲述微观粒子做好了铺垫，准备了台阶。

在这里可以介绍“熵”这个概念在信息论等其他领域的广泛应用及其含义、联系。

第五部分:微观粒子从光的本性谈起，借助类比推理引导学生进行微观粒子具有波粒二象性的联想，引出物质波的概念，讲述量子力学的初步知识，进一步强化归纳、统计的观念和方法。

在这里还可以通过爱因斯坦与哥本哈根学派的论争来展现伟大科学家的人格魅力以及他们对真理的严肃态度和追求精神。

杨振宁博士在比较自己在西南联大与美国所受教育的区别时曾指出，中国的传统的教学注重演绎推理，培养的学生基础扎实，认真严谨，但缺少创新的意识和能力；这与美国重视是归纳、分析与综合形成明显的差别。

其实，归纳与类比是重要的创造性思维方式，所以，在这套结构体系中力图使两者并重，各取其长，其中把第四、五部分调整为前后相接就是为了集中训练学生的创造思维和方法，培养其创新意识，弥补薄弱环节。