大学物理教材建设当与“基本要求”相适应

毛骏健　陶　铮

摘要：《理工科类大学物理课程教学基本要求》是一份规范我国工科院校大学物理课程教学的指导性文件。以《基本要求》的精神为指导思想，本文从课程地位、教学内容、能力培养、素质培养、教学过程五个方面介绍了作者在《大学物理学》教材编写过程中的基本思路和对教材内容的处理方法。

关键词：大学物理；教材建设；基本要求

《理工科类大学物理课程教学基本要求》(以下简称《基本要求》)已于2008年7月由高等教育出版社出版。这是一份大学物理课程教学应当遵循和执行的指导性文件，是在对国内、外大学物理课程教学现状进行充分调研的基础上起草，并经广泛征求意见不断完善以后正式推出的，它对稳定和规范我国工科院校的大学物理课程教学具有指导意义。《基本要求》由六个部分组成：(1)课程的地位、作用和任务(2)教学内容基本要求(3)能力培养基本要求(4)素质培养基本要求(5)教学过程基本要求(6)有关说明，涉及到课程教学全过程的方方面面，包括教学思想、教学目标、教学内容、教学方法、教学手段等。

在教育部非物理类专业物理基础课程教学指导分委员会委托同济大学顾牡教授负责着手起草《基本要求》，并广泛征求意见进行充分调研期间，我们也正在编写一部《大学物理学》立体化教材。众所周知，教材是课程教学的重要组成部分，如何能在教材上体现《基本要求》的精神，是编写出一部好教材的关键。以下我们将就如何适应《基本要求》，进行《大学物理学》教材建设，谈一些自己想法。这些想法大多已经落实在彩色版《大学物理学》立体化教材之中。

一、教材定位应与《基本要求》相适应

《基本要求》将大学物理学课程定位于“高等学校理工科各专业学生一门重要的通识性必修基础课”，并进一步指出“该课程所教授的基本概念、基本理论和基本方法是构成学生科学素养的重要组成部分，是一个科学工作者和工程技术人员所必备的。”从中我们可以看出两层意思：

1．大学物理学既然是理工科各专业学生的一门必修基础课，那么该课程所传授的知识必然是为高等学校理工科各专业学生进一步学习自己的专业知识打基础、做准备的。而理工科各专业大多与工程设计和制造有关，主要是以力、热、声、光、电，这些经典物理学内容为其知识背景。因此教材内容选择必须保证经典物理学内容体系的完整性，强调基本概念、突出物理图像，不能为拓展现代内容或加强前沿内容而盲目地压缩和削弱经典内容。我们在内容上不指望一味求新，试图把物理学科的新动态、新发现都纳入到普通物理学教材的内容体系中。在教材处理上以确保经典内容的完整性为前提，力求使这部分内容写得更精炼，腾出篇幅适当加强近代内容，为学生进一步学习专业中的现代新技术打基础。

2．大学物理课程也是一门通识性教育课程。而通识性课程的一般特征是以培养学生基本素养为其教学目的。因此大学物理教学应该具有素质教育功能，尤其是在培养学生的科学素养方面。从这一基本思想出发，我们希望学生通过学习大学物理能比较全面地了解和认识周围的物质世界(包括宇观和微观)、树立正确的科学自然观、学会科学思维、了解科学的方法论和认识论。对学生而言，学会科学的思维和方法比获取物理学知识本身更为重要，这一思想贯穿在编写教材的始终。在编写教材的前期准备工作中我们花了许多时间来积极寻找和发掘那些对学生的科学思维和方法有启迪的典型素材。

二、教材内容应与《基本要求》相适应

《基本要求》将大学物理学教学内容分为A、B两类，其中A类共有74条，构成了大学物理课程教学内容的基本框架，是核心内容；B类共有51条，它们是理解现代科学技术进展的基础，可以使学生对大学物理的基本规律的理解更加深刻和充实。《基本要求》建议各学校应尽可能保证全部A类教学内容(根据办学性质和人才培养目标的差异，允许在A、B两类内容之间进行小幅调整)，并根据学时范围和授课对象所需基础，尽可能多地选择B类内容。在《基本要求》精神的指导下，同济大学编写的《大学物理学》(高等教育出版社出版)涵盖了全部的A类教学内容，新增了一章“几何光学”。增加这部分内容是因为一般光学成像和照明问题在科研和工程技术中应用甚广，需要几何光学为其理论基础。同时借鉴国外大学物理教材的基本内容，对B类内容作了选择性吸纳。较之传统大学物理学教材，新增了流体力学、广义相对论、原子核物理、粒子物理和固体物理等一些内容。增加流体力学不仅有助于完善物体模型的需要，更是考虑到流体力学知识在现代科学和工程技术领域中的广泛应用。至于本书中增加了广义相对论、原子核物理和粒子物理等一些内容，我们主要是从对学生进行素质培养方面去考虑的。广义相对论涉及到的是物质的宇观领域，而粒子物理则涉及物质的微观领域。这些内容可以让学生更全面地认识自己周围的物质世界以及物质的构成，而不是仅仅局限于所能看到的宏观世界，这是作为一名当代大学生应该了解的。更何况在这些内容中包含着丰富的物理学思想和科学的思维方法，能对学生产生许多积极的影响。当然，我们在处理这部分内容时充分考虑到学生的数学基础和理解能力，避免出现复杂的数学运算，更多地强调物理图像和物理学思想，从文字处理上尽可能写得通俗易懂，一般学生似乎都能看懂。

《基本要求》的指导性意见是：“适当加强近代物理基础知识的教学，近代物理的内容一般不应少于总学时的五分之一。”我们在教学过程中基本是按照这一原则来实施的。主教材总共入选了39条B类内容，占全部51条的75％，这一比例是较高的，主要是考虑可以让各学校的教师在教学中有更多的选择余地。全部B类内容中有21条是属于近代物理学内容，我们的教材在其中选择了17条，占近代物理B类内容的81％，主要考虑是适当加强近代内容。从教材的篇幅上计算，近代内容占全部内容的24％(近1／4)；从章节来算，近代内容共6章，占教材全部内容18章的33％(1／3)。

三、教材内容应体现能力培养基本要求

《基本要求》提出了能力培养的三个方面：独立获取知识的能力、科学观察和思维的能力、分析问题和解决问题的能力。培养学生获取知识的能力主要取决于教师的教学设计、教学方法以及对学生的要求。我们在编写教材时更多地考虑如何体现后二者的能力培养问题。具体地说，科学观察和思维能力是指“运用物理学的基本理论和基本观点，通过观察、分析、综合、演绎、归纳、科学抽象、类比联想、实验等方法培养学生发现问题、提出问题的能力”。传统教材比较强调“演绎法”，根据一条基本原理或定律，通过逻辑推理得到一个具体的结论。教师在教学过程中也比较习惯用演绎法，追求系统性、严密性和完整性。我们认为，演绎法固然重要，但是决不能忽视了“分析法”和“归纳法”。现在的学生往往知道某条定律或定理的表述，并也能用它来解题，但却不知道这条定律或定理当初是如何提出来的。如果教

师只是一味地教给学生一些前人总结得到的现成的理论知识，那么培养出的学生必然是缺乏创新意识，无法对所学知识进行加工和再创造。我们在教材的内容处理上关注分析和归纳法。比如在质点动力学中介绍了伽利略的斜面实验(这部分内容在一般的大学物理教材中很少被编入)，实验非常简单，但是体现了丰富的物理学思想，伽利略通过对一系列斜面实验的结果进行分析和归纳，得到了“惯性定律”。书中这样的例子很多，在此不一一列举。

分析问题和解决问题的能力主要表现在学生能根据物理问题的特征、性质以及实际情况，抓住主要矛盾，进行合理的简化，建立相应的物理模型，…。这在我们的教材中也有充分的体现。比如，现在的大学物理教学中通常会删除“真实气体”这部分内容，原因是学生没什么题目可做，考试也不要求，甚至有人提议把这部分内容从教材中删去。其实真实气体的范德瓦耳斯方程这部分内容恰恰能够体现一种较典型的科学方法。在教学过程中学生可以从中学到怎样从复杂的气体分子运动中建立理想气体分子的物理模型；当理想气体物态方程与实际情况出现偏差时，怎样着手进行分析、研究，对模型进行修正，从而建立起范德瓦耳斯方程。这一类内容，在教学过程中使学生学会了分析问题和解决问题的方法。

四、教材内容应体现素质培养基本要求

《基本要求》指出了素质培养的三个方面：“求实精神”、“创新精神”和“科学美感”。在教材的编写过程中主要通过积极寻找和发掘那些对学生的科学思维和方法有启迪作用的典型内容来对学生进行求实和创新精神的熏陶和培养。这些内容可以是一段科学史话或是科学家对一个问题的探索、思考、研究和认识的过程。比如说：伽利略对科学的贡献；牛顿发现万有引力定律的思考过程；爱因斯坦在建立了狭义相对论以后为什么又提出了广义相对论，他是如何考虑问题的?……教材在“光的衍射”一节中穿插了这样一段关于“菲涅耳斑”的科学史话，讲的是19世纪初，物理学家菲涅耳运用他关于光的波动理论，不畏权威，向以牛顿为代表的“光的微粒说”进行挑战。当时一位著名数学家——评审委员泊松在经过了严密计算后宣布：运用菲涅耳的理论将导致一个奇怪的结论：“在不透明小球的几何阴影中心会出现一个亮斑”。泊松原本想通过这样一个不可思议的结论来推翻菲涅耳的波动理论。但是另一位评委阿喇戈对泊松的理论预言进行了实验验证，果真发现了这个光斑，事实证明菲涅耳的理论是正确。这段佳话会给学生一个启示：不要迷信权威、要大胆假设、敢于创新。

“科学美感”是科学家对科学审美对象的一种主观反映、感受、鉴赏与评价，从根本上说，是科学家对自然界内容美的领悟和认识。正是这种对某一事物产生的美感作用，驱使科学家把这种特定的事物从审美对象转化为科学研究的对象。对于一项科学研究，如果我们只是把它看作一项工作任务来完成，往往会感到被动、艰苦和无奈；但是如果我们从心理上对这一科学研究所涉及的具体事物产生科学美感，那么不管研究工作过程是多么艰辛，我们都可以把它作为一种享受，并会不屈不挠地把工作继续下去，这样的科研成果往往是完美的。科学家对成果的鉴赏又会使自身产生科学美感。物理学是研究自然界基本规律的科学，其中的科学美主要表现为自然界所具有的简单性、奇异性、对称性、和谐性、统一性等方面。学生对科学美的感受需要熏陶，需要教师教会他们如何去鉴赏，有意识地培养学生的鉴赏力。如何能让学生在阅读《大学物理学》教材的学习过程中体会物理学中的科学美呢?我们有意识地在相关知识点的内容中介绍了一些物理学方法论中的基本原理——简单性原理、对称性原理、守恒原理、对应原理、互补原理等，这些原理反映了自然界的美。比如：在论述经典力学与狭义相对论的关系时引入对应原理，让学生知道辨证发展观在科学中的体现；在论述早期量子论时引入互补原理，让学生了解微观客体波动性与粒子性的辩证统一；在力学中特意安排了一节“守恒定律和对称性”，让学生了解自然界的对称美和对称性破缺美，了解对称性与守恒定律的关系。

五、教材建设应与教学过程基本要求相适应

《基本要求》从“教学方法”、“教学手段”、“演示实验”和“习题与考核”四个方面制定了对教学过程的具体要求。为了便于这些具体要求在实施教学过程中的有效运用，我们在编写出版了主教材以后很快又配套出版了一系列的辅教材。它们分别是《大学物理学电子教案》、《大学物理学习题分析与解答》、《大学物理活页作业》、《大学物理学教学资源光盘》。《大学物理学电子教案》是为了方便教师多媒体教学备课而制作的，它设计精美、编排合理，并便于教师按照各自教学的特点修改和补充。文字叙述、公式以及许多教学视图都可以逐条显示，便于学生跟着教师的讲解节奏和思路走；《大学物理学教学资源光盘》可以配合电子教案使用，其中包含常用的物理演示实验录像片37个、教学动画100个、常用精美教学图片148个和习题1500道。我们不求素材资源之多，但求精美、实用和教学效果。对于演示实验仪器设备匮乏的学校，教师可以通过播放录像片来进行演示实验。100个教学动画形象、生动、直观，教学效果好。1500道题都有题解和答案，可以用于教师的课堂例题或课堂测验等。《大学物理活页作业》用于学生的课外作业，按章节内容分为若干个单元，每单元一份，包含选择题、填空题和计算题，题型与考试卷相仿。学生不用抄题目，习题直接做在活页纸上。每次作业交一份，教师无需每次携带厚厚一叠作业本，既方便了学生作业，也方便了教师；《大学物理学习题分析与解答》与主教材配套使用，书中给出了主教材中每一章的知识要点和习题详解，以方便学生自学或参考。

《基本要求》是一个指导性文件，在大方向明确的前提下每位教师都可以对其有各自的认识和理解，并在具体操作和实施过程中加以灵活运用。教学建设和改革是一个发展的过程，随着改革的深入，我们会对《基本要求》有更深层次的理解，希望能把我们在教学实践中积累的或是从兄弟院校学到的一些教学经验和成果落实在《大学物理学》第二版中。

参考文献：

[1]顾牡，非物理类理工学科大学物理课程教学基本要求[J]，物理与工程，2006(5)。

[2]顾牡，对于重新制定的《非物理类理工学科大学物理课程教学基本要求》的认识和体会[J]，物理与工程，2007(1)。

责任编辑：文和平