孫華銳

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)理學(xué)院，廣東 深圳 518055)

對(duì)比中國(guó)和美國(guó)兩種體系的教育，我們普遍的共識(shí)是中國(guó)的基礎(chǔ)教育更嚴(yán)格，中國(guó)學(xué)生的數(shù)理功底更扎實(shí)，而美國(guó)的教育中更注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力和批判思維。筆者幾年前在美國(guó)密歇根大學(xué)(安娜堡分校)讀碩士和博士研究生期間，發(fā)現(xiàn)一起上課或者從事科研工作的美國(guó)同學(xué)們的物理基礎(chǔ)并不遜于中國(guó)學(xué)生，更多時(shí)候的情況是，美國(guó)學(xué)生的物理思維相比更為全面，對(duì)于實(shí)際生活中涉及的物理知識(shí)和圖景掌握得更為靈活，動(dòng)手能力更強(qiáng)。研究生階段，他們?cè)诳蒲泄ぷ饔绕涫菍?shí)驗(yàn)操作(例如搭建實(shí)驗(yàn)所需的測(cè)量電路，操作電子儀器設(shè)備等)的水平更是比中國(guó)同行們要高出一截，這其中一部分要?dú)w功于他們從小在自己家地下室或者車(chē)庫(kù)動(dòng)手實(shí)踐的經(jīng)歷和環(huán)境，還有一部分跟他們所受的物理基礎(chǔ)教育密不可分?；貒?guó)后筆者有幸在大學(xué)從事大學(xué)物理的教學(xué)工作，始終帶著上面的思考并留意對(duì)比中國(guó)和美國(guó)物理教學(xué)的差別。

雖然各類(lèi)教學(xué)論文中不乏中美大學(xué)物理教育的對(duì)比，但多為概括性的教材總體特點(diǎn)對(duì)比[1,2]或具體例題對(duì)比[3]，抑或美國(guó)物理教育模式的介紹[4,5]。本文以大學(xué)物理中的電磁學(xué)部分為樣本，從章節(jié)內(nèi)容以及前后聯(lián)系的角度出發(fā)，詳細(xì)分析美國(guó)大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容對(duì)學(xué)生掌握物理知識(shí)并運(yùn)用知識(shí)的優(yōu)勢(shì)，總結(jié)對(duì)于國(guó)內(nèi)大學(xué)物理課程的教學(xué)改革、教材更新的啟示。

1 美國(guó)大學(xué)物理電磁學(xué)的章節(jié)內(nèi)容

在內(nèi)容對(duì)比中，我們選用了美國(guó)最常用的大學(xué)物理優(yōu)秀教材之一《Physics for Scientists and Engineeers with Modern Physics》(Douglas C.Giancoli原著，3rdedition)的國(guó)內(nèi)改編版(滕小瑛改編，高等教育出版社)[6]。改編版的好處是已經(jīng)剔除了所占篇幅較大的國(guó)內(nèi)中學(xué)物理涵蓋的內(nèi)容，便于直接對(duì)比大學(xué)的進(jìn)階部分。下表就列出了電磁學(xué)部分的具體章節(jié)，表格的右半部分列出國(guó)內(nèi)經(jīng)典教材馬文蔚等編著的《物理學(xué)》[7]電磁學(xué)部分的章節(jié)，以便直觀對(duì)比。

表1 美國(guó)與中國(guó)大學(xué)物理教學(xué)中的電磁學(xué)章節(jié)內(nèi)容對(duì)比

續(xù)表

續(xù)表

需要說(shuō)明的是，表中不同字體部分標(biāo)注了兩本教材中的主要差異，其中黑體部分是本教材中單獨(dú)詳細(xì)介紹而對(duì)比教材中僅簡(jiǎn)短介紹的內(nèi)容，而楷體部分是本教材包含而對(duì)比教材中(在電磁學(xué)部分)沒(méi)有包含的內(nèi)容。

2 美國(guó)大學(xué)物理電磁學(xué)章節(jié)的特點(diǎn)

(1) 總的來(lái)說(shuō)，美國(guó)教材涵蓋的知識(shí)點(diǎn)更多更廣，而中國(guó)教材則更強(qiáng)調(diào)知識(shí)的深度。從表2可以總結(jié)出兩者的差異，例如，中國(guó)教材中會(huì)用一整章用物理模型描述靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體和電介質(zhì)，而美國(guó)教材僅僅在電場(chǎng)與導(dǎo)體和電介質(zhì)兩個(gè)小節(jié)中做很簡(jiǎn)單的定性介紹。美國(guó)大學(xué)物理的電磁學(xué)會(huì)涵蓋與電磁學(xué)相關(guān)的常用現(xiàn)象、模型等，如高斯定理和庫(kù)侖定律的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)、點(diǎn)電荷系的靜電場(chǎng)電勢(shì)能、電子的發(fā)現(xiàn)與電子性質(zhì)等，但中國(guó)教材中對(duì)這些分散零碎但有趣又有用的知識(shí)點(diǎn)省略的較多。

(2) 在新概念或章節(jié)引入時(shí)，通常會(huì)先舉例，擺現(xiàn)象，再介紹理論、概括模型，最后給出實(shí)際生活中的應(yīng)用或物理學(xué)中的經(jīng)典案例(較為復(fù)雜的模型)。以磁學(xué)一章(25章)為例，25-1節(jié)從磁鐵、磁極等生活中的實(shí)例出發(fā)，引出鐵磁、磁場(chǎng)、磁感線等概念；25-2節(jié)又是給出電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的事實(shí)，以及判斷磁場(chǎng)方向的右手螺旋定則；25-3節(jié)先介紹磁場(chǎng)中通電導(dǎo)線的受力，并由此定義磁感應(yīng)強(qiáng)度；25-6節(jié)結(jié)合圖片舉例說(shuō)明磁的應(yīng)用：檢流計(jì)，電動(dòng)機(jī)，擴(kuò)音器等。

相比之下，國(guó)內(nèi)這部分內(nèi)容通常放在恒定磁場(chǎng)這一大章的開(kāi)頭，在介紹磁場(chǎng)之前，會(huì)用一節(jié)先介紹恒定電流，給出電流密度的定義，電流的連續(xù)性方程，恒定電流條件，歐姆定律的微分形式等，這樣處理的原因是靜電場(chǎng)部分沒(méi)有任何包含電流的內(nèi)容，這是為省去的電流背景知識(shí)做個(gè)補(bǔ)充，為后續(xù)電磁作用的引入做隱性鋪墊。但恒定電流這一節(jié)內(nèi)容始終與恒定磁場(chǎng)的內(nèi)容關(guān)聯(lián)沒(méi)有那么緊密，知識(shí)和思維邏輯上銜接的不如美國(guó)教材處理得那么自然和流暢，略顯枯燥，不容易引起學(xué)習(xí)的興趣。

類(lèi)似地，在電容器和電能存儲(chǔ)部分美國(guó)教材會(huì)先給出電容器的實(shí)例和相關(guān)計(jì)算，然后再引申到電介質(zhì)的物理模型。國(guó)內(nèi)教材恰好與此相反，先給出靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體和電介質(zhì)兩個(gè)重要模型，然后再介紹電容器的相關(guān)物理。

(3) 美國(guó)教材對(duì)中學(xué)物理中已經(jīng)涉及的概念也會(huì)涵蓋，并加深拓寬，并不刻意完全回避中學(xué)知識(shí)。比如23章電流與電阻和24章直流電路(國(guó)內(nèi)大學(xué)物理完全不涉及)，在中學(xué)物理的基礎(chǔ)上添加了電流的微觀描述、超導(dǎo)、RC電路等重要內(nèi)容，并且給出更多與生活緊密聯(lián)系的物理模型和應(yīng)用實(shí)例，不僅鞏固了學(xué)生的已有知識(shí)并學(xué)以致用，而且使得電學(xué)和磁學(xué)的鏈接更為連貫和通暢，物理圖景和邏輯上更為完整。在實(shí)際教學(xué)中教師可以依據(jù)學(xué)時(shí)要求選擇部分講解或讓學(xué)生自學(xué)。

(4) 美國(guó)的大學(xué)物理課程內(nèi)容盡量避免復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，尤其是涉及微積分的內(nèi)容，比如高斯定理利用張角的嚴(yán)格數(shù)學(xué)證明、高斯定理的微分形式、靜電場(chǎng)環(huán)路定理的微分形式、恒定電流條件和電流連續(xù)性方程、電場(chǎng)強(qiáng)度與電勢(shì)的梯度關(guān)系等，而這些相對(duì)抽象的數(shù)學(xué)表達(dá)在國(guó)內(nèi)的大學(xué)物理課堂上通常都是教給學(xué)生的。Giancoli教授還編寫(xiě)過(guò)不基于微積分的大學(xué)物理教材[8]，涉及的知識(shí)面并沒(méi)有大幅減少，只是數(shù)學(xué)推導(dǎo)上回避了微積分的內(nèi)容，這種教材可以用于文科、生物、醫(yī)學(xué)等專(zhuān)業(yè)學(xué)生的物理教學(xué)，也可以用于工科大學(xué)物理大一第一學(xué)期的授課，不受微積分先導(dǎo)課程的限制。

(5) 與復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和抽象的公式相反，美國(guó)大學(xué)物理教材中最鮮明的特點(diǎn)之一就是大量實(shí)例與理論模型結(jié)合，強(qiáng)化知識(shí)的運(yùn)用，引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。Giancoli大學(xué)物理學(xué)中充滿了各類(lèi)應(yīng)用實(shí)例和生活中的重要電磁學(xué)現(xiàn)象或概念(這樣的例子不勝枚舉，如electrostatic copier, dielectric removal, dissolving power of water等)，其中很大一部分穿插在例題(一部分例題直接歸類(lèi)為conceptual examples)和習(xí)題中，讓學(xué)生學(xué)會(huì)用物理模型解決實(shí)際電磁相關(guān)的問(wèn)題；而國(guó)內(nèi)教材的例題和習(xí)題還是以理想模型為主，在題干里會(huì)直接給出“長(zhǎng)直導(dǎo)線”“無(wú)限均勻帶電平板”等幫助解題的字眼，讓學(xué)生快速找到對(duì)應(yīng)的定理和公式，用數(shù)學(xué)方法求解。

(6) 對(duì)電磁震蕩、電磁波、光的電磁波本質(zhì)等概念的處理，美國(guó)教材的做法跟國(guó)內(nèi)的有很大不同。Giancoli大學(xué)物理學(xué)在28章自感、互感以及接下來(lái)的RLC電路部分很自然地延伸到電磁震蕩，進(jìn)而介紹電磁場(chǎng)的互相耦合與麥克斯韋方程組，然后再引入電磁波的概念和光的電磁波本質(zhì)。國(guó)內(nèi)大多數(shù)教材的電磁震蕩部分安排在下冊(cè)的振動(dòng)一章，電磁波部分納入波動(dòng)一章。從邏輯上看，美國(guó)大學(xué)物理的處理方式是從物理本質(zhì)歸類(lèi)，而國(guó)內(nèi)則是從數(shù)學(xué)表達(dá)和模型的角度出發(fā)，把物理本質(zhì)不相同的機(jī)械振動(dòng)(波)和電磁震蕩(波)放在一起。

3 結(jié)語(yǔ)和展望

在研讀Giancoli教材電磁學(xué)部分的過(guò)程中，被書(shū)中流暢的語(yǔ)言、豐富的實(shí)例以及對(duì)重大物理事件的生動(dòng)敘述所深深吸引。美國(guó)大學(xué)物理教學(xué)在講述每一個(gè)電磁學(xué)知識(shí)模塊時(shí)不吝篇幅，先拋出實(shí)際問(wèn)題，再?lài)@問(wèn)題建立模型，最后再拓展到更廣闊的的應(yīng)用場(chǎng)景，抑或引申到更深入的問(wèn)題探討。從興趣出發(fā)，用實(shí)例建立物理模型，降低數(shù)學(xué)門(mén)檻，以物理本質(zhì)為依據(jù)劃分章節(jié)內(nèi)容，強(qiáng)化基本概念和邏輯銜接，這些都是達(dá)到學(xué)以致用這一目標(biāo)所需要考慮的要素。