美国与英国“四大力学”课程的比较及启示

美国与英国“四大力学”课程的比较及启示

张立彬（教育部南开大学外国教材中心，天津300071）

刘学文（南开大学物理科学学院，天津300071）

[内容摘要]根据英美高校物理学排名，笔者搜集了几所著名大学的四大力学课程及其教参等信息，在此基础上，比较了英美著名大学四大力学课程的培养目标、教学内容、教材及参考书、教学方式、课程学时、考核方式、师资力量等。通过比较发现两个物理学教育强国的四大力学教学的特点和国内教学的不足，本文可为国内四大力学课程教学的改善提供一定的启示与借鉴。

[关键词]：四大力学课程；英国大学、美国大学；教学方式；课程比较

理论物理中的“四大力学”由《理论力学》、《热力学与统计物理》、《电动力学》和《量子力学》组成，它是本科生在普通物理的基础上，为了进一步将对物理的感性认知提高到理性认知而必须学习的基础理论课程，在物理学专业本科生的基础课教学中占有核心的地位[1]。理论物理本身具有概念抽象、数学工具覆盖范围广的特点，其中理论力学以分析力学为核心，以系统的理论体系描述了粒子的机械运动，同时它引入了全新的物理概念（如作用量、拉氏量等），这为学习其它理论课程提供了铺好了道路。在热力学与统计物理中，热力学总结了物质的宏观热现象（如压强、温度、体积的变化，系统间能量的转换等），而统计物理则从微观粒子的角度对宏观热现象作出了解释（微观粒子的统计表现）。电动力学以麦克斯韦方程为核心，以完美的理论形式，高度概括了与电和磁相关的物理现象（如电磁波的传播）。而量子力学则讲述了支配微观世界的规律，由于在21世纪人类对自然界的探索将更多、更深入地在微观的层次进行，量子力学是至关重要的。

本文通过讨论和比较英美两国著名大学的四大力学课程教学情况，分析它们的课程培养目标、教学内容、教材及参考书、教学方式、课程学时、考核方式、师资力量等因素，旨在发现其教学特色，为国内四大力学课程教学的改善提供启示及思路。

一、英美两国四大力学课程的比较与分析

1.培养目标——基础知识的积累

我们知道，四大力学是大学本科物理学习的核心内容，课程的讲授便成了本科物理教育的重中之重。前面介绍了四大力学的基本概念，下面我们着重讨论一下美国大学、英国大学的四大力学课程的培养目标。

英美各个高校要求本科学生通过四大力学的学习，打下坚实的物理学基础，达到对物理世界基本规律的理性认知是基本目标。首先，在理论力学的学习过程中，我们用分析力学（即拉格朗日力学和哈密顿力学）的观点处理牛顿力学问题，使学生产生从感性到理性、从归纳分析到抽象推理能力的升华[2]；其次，电动力学主要研究了电磁场的基本属性、运动规律以及电磁场和物质的相互作用问题。在经典物理范围内，通过学习电动力学，优美的麦克斯韦理论会使学生更深刻的理解电和磁的世界；再次，热力学与统计物理讨论了热运动的宏观理论并且用统计的方法去处理复杂的微观系统，将物质的宏观性质看成是大量粒子运动的统计表现。经过学习热力学与统计物理，学生应掌握描述含大量粒子系统的物理规律的工具，并体会到处理热力学系统全新的思路；最后，量子力学的学习会使我们超越经典力学的范围，来到一个全新的物理理论之中，一系列的量子力学原理（比如态叠加原理、海森堡不确定性原理等概念）会使我们的认识发生彻底的改变。

两国的四大力学培养目标大同小异，以美国麻省理工学院为例，学生通过四大力学课程的学习应更加深刻的理解物理世界，对时间-空间问题、物质-能量问题、从亚原子到宇宙尺度的认识、以及从简单到复杂系统的物理刻划都要有明确的理解[3]。

在学习四大力学之时，也是学生用更多的数学语言进行分析物理世界的过程，四门学科中都要求学生具备一定的数学分析、微分方程、线性代数等数学基础[4]。这样，在经过四

大力学的学习，学生需要具备一定的数学分析能力，从而能够在严密的逻辑基础上对物理对象进行精确的数学描写。

2.课程内容的比较分析

四大力学包含的内容繁多，但学习重点明确，以下列举了美国麻省理工学院与英国剑桥大学的四大力学课程的基本内容，见表1。

表1 麻省理工学院和剑桥大学四大力学课程主要内容

由以上列表得知，剑桥大学的理论力学以及量子力学的课程内容较麻省理工学院少，但课程的主体部分基本相同。

通常英国大学的课程量要比美国大学少，这与他们的教学方式息息相关，英国大学中教师要求学生课后查阅大量的相关文献资料（将在下面详细讨论），并且参加大量的专题讲座，通过这样的方式进行知识的补充。

3．学期制度及课时安排——自主学习

一般，英国本科生学制为三年或四年，学生可根据自身的意愿选择。每学年分为三个学期。以2010-2011学年某英国大学为例，大体安排为：秋季学期（共11周）：10月1日-12月15日上课；12月16日-1月16日，圣诞节假期；春季学期（共9周）：1月17日-3月25日上课；3月26日-4月20日，复活节放假；夏季学期（共9周）：4月20日-6月25日上课，考试，学年结束[6]。

通常美国大学学制要比英国大学学制长，一般为四年制，每学年会分春夏秋冬四个学期，其中春秋两季时间较长，例如春季学期从1月中旬到4月下旬，秋季学期从8月下旬到12月。大部分课程会选择在春秋两季学期来开设。

对于英国的学期制度特点，学生每年有相对较短的时间（大约30周）在校学习，所以学生将有更多的自由时间，主要目的是要充分发挥学生的自主学习能力。在暑期假期中，学生们可以充分利用三个月的时间参加社会实践活动，为日后就业或深造培养实践能力[6]。而美国大学每学年会设置时间较短的夏、冬季学期，国内所谓的“小学期”，在小学期内学生可以参加各种科研项目、各种学术讲座等等。

下面我们来讨论四大力学的学时问题，本文列举了伊利诺伊大学香槟分校的四大力学课程信息表[7]，见表2。

表2 伊利诺伊大学香槟分校四大力学课程信息表

的3-4小时课时中，部分为课程讲授时间，部分为讨论时间（所占比例很大）。同时不难发现美国高校一般会将同一课程分为I、II两个部分，分两个学期进行讲授，这样做法使每门课程的时间跨度变得很大，学生可以通过之后的冬季、春季学期对知识进行整合、理解、以及拓展。

比较而言英国大学的课程安排中，授课时间会更少，其余时间留给学生自学、完成作业、做实验和开展讨论，课堂外，学校要求学生参加大量的课程讲座，学生通过听讲座的形式来扩充知识、加深对已学理论的理解。

总之，两国大学四大力学在课时方面稍有不同，但相同之处在于两国高校会利用较多时间进行课后讨论，这一方面值得国内大学借鉴。

4．教材的使用——经典名著

教材以及参考书是学生接收信息和知识的主要载体，亦是教师教授知识的主要工具，所以教材及参考书的选取是教学过程的重要的环节，下面是牛津大学和麻省理工学院的四大力学教材及参考书的详细情况，分别见表3和表4。

表 3 牛津大学四大力学教材及参考书详细列表[8]