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1、1我国文科物理教材与美国概念物理教材的比较张立彬、王娟萍（南开大学外国教材中心，天津 300071）韩志龙（南开大学物理科学学院，天津 300071）内容摘要：本文对我国文科物理生活中的物理学教材与美国概念物理教材进行了全面深入的比较研究。通过两者相同点及不同点的对比分析，笔者对我国文科物理教材的编写提出了三点建议：诸如注重人文教学、重在讲述概念、加强实例插图。关键词：文科物理；概念物理；文科物理教学；文科物理教材建设一、引言随着科学的发展，人们认识到全民的科学教育对于科学的持续进步至关重要。目前，我国高校在大力推行文化素质教育，文化素质包括人文文化素质和科学文化素质。大学物理显然是一门很好的
2、自然科学文化素质教育课程，因此越来越多的高校增设了文科物理课程，而打消部分学生尤其是文科学生在心理上对于物理的畏惧，消除由于高等数学知识的欠缺导致的困难和隔阂显得尤为重要。当前文科物理及科学素质教育类的经典教材有赵峥的物理学与人类文明十六讲 、倪光炯的物理与文化物理思想与人文精神的融合 、施大宁的文化物理等。宋峰主编的文科物理 生活中的物理学 1（以下简称文科物理 ）一书是科学出版社 2013 年 3 月最新出版的文科物理方面的国家 “十二五”规划教材，该书按照普通物理知识结构体系编排内容，探索了文科物理教材编写体系的新途径。保罗哈维特（Paul G. Hewitt）编著的概念物理 2作为文科
3、物理的经典之作，从上世纪七十年代开始就一直为美国文科学生钟爱，本文中所做比较的是艾迪生-韦斯利（Addison Wesley）出版公司 2010 年最新出版发行的第 11 版。二、 文科物理与概念物理的相同点2.1 发挥科学趣味，激发读者兴致物理学总是给人以高深晦涩的印象，因此很多学生对之畏惧。为了拉近物理和学生的距离，避免太多过于专业的术语描述，用带有趣味性的语言来向学生表述内容是一个很好的选择。 文科物理一个出发的基本点就是从生活中与人们息息相关的物理出发，用诙谐的语言进一步揭发主导其背后的物理规律，最大限度的避免用方程式等物理、数学语言来表达。收稿日期： 修回日期：基金项目：教育部 20
4、12 年研究项目比较中外著名大学“四大力学”本科课程与主流教材，探索物理学国际化创新人才培养模式 （2012-28）资助.2作者简介：张立彬（1964） ，男，河北石家庄人，教育部南开大学外国教材中心副教授，主要从事中外高等教育教材评介与比较研究工作.编者希望通过此书，对科学文化素质教育作一点贡献，在编写的过程中，一方面注意到物理学的严谨性和逻辑性，另一方面又考虑文科学生的学习实际，注意到行文的可读性。比如在文科物理第 78 页第四章的引言部分，作者写道： “炎热的夏天，寒冷的冬天，冷热的本质是什么？调节冷热的电冰箱、空调器又是怎么回事？在对冷热的探究中，读者会见识自然界的两条基本规律 热力学
5、第一定律和热力学第二定律。 ”引言用疑问的语气提出两个我们身边的实际问题，引发学生的思考，进一步吸引学生对其本质的探究，之后作者一言指出其本质是热力学的两个定律，给读者一个明确清晰的答案。概念物理也在内容的趣味性方面很有建树，为了充分调动读者的兴趣，讲述了几个有趣的话题：譬如，公元前三世纪的希腊天文学家、数学家和地理学家埃拉托色尼（Eratosthenes）是怎样在远古时代就能“称出”地球质量的，是如何测量地球与月亮、地球与太阳之间的距离的。测量他们之间的距离等等这些看起来匪夷所思的壮举，首先引起读者对科学的一种“崇拜” ，接着说明了数学是作为科学语言的形式存在的，另外还讲述了研究科学的方法和
6、做科研的态度，让读者有一种层层深入的感觉，就像是在欣赏一部电影，回味无穷。32.2 内容分布合理，结构轻重分明在这里我们做一个各部分内容的结构表格，来详细说明这种结构体系。本文附录表 1是文科物理的内容安排；概念物理的内容安排可见参考文献3。 文科物理内容上涵盖了物理学的所有重要分支，包括经典力学、热学、电磁学、光学、相对论、原子分子物理、量子力学、固体物理、原子核物理、等离子体物理、粒子物理、天体物理及宇宙学等，几乎包括了当代物理学的所有内容，这些主要内容分支作者在绪论第三节中就已经给了读者一个简单明细的介绍，使读者有一个很好的初步了解，在之后的章节中针对相关分支进行更加详细的展开讲述，起到
7、了提领全书的重要作用。当然，各个分支是难易不同，比重上自然轻重不一。通过对表 1 各个章节及小节比重的研究，我们可以看出 文科物理在章节上对物理学中的基础理论部分 经典力学、电磁学、量子力学给与了较高比重，其中作为重中之重的经典力学（包括力学、振动和波动）更是占到了全书的 1/4，这也是物理学专业课教学中的重点；对于其他章节，则基本在 10%左右，并且把一些比较难得分支（如固体物理、原子核物理、粒子物理等）合并到“微观世界中的物理”一个章节中，避免了过难的内容讲述。3同样，在概念物理中其内容结构与文科物理有很大相同点。文献3中的表 1对概念物理的内容做了详细整理，从表中可以清晰看出， 概念物理
8、的重头戏是经典物理，约占整个比重的 82.7%，而且经典部分的难度也不大，适合文科生学习物理的特点。单从内容上来说， 文科物理和概念物理在力学、声学、电磁学、光学等经典物理学部分有很大重合，如牛顿的三条定律都是两书力学部分的重点。 概念物理只在最后两章简单地提及了当代物理的发展，给了读者一个初步的概念上的印象，这和文科物理对更深物理内容的处理一样。2.3 卡通插图讲解，展现实物图例在课堂教学中，在传授重要物理知识之前，让学生进入相关知识的情境之中，对学生轻松接受相关物理知识是非常必要的。内容丰富、形式活泼的图片很容易引人入胜，激发求知欲，从而让学生快速进入学习状态。如文科物理第 2 章第 39
9、 页图 2-20，通过插图来生动展现挖掘机挖土和工人单独挖土哪种方法做功更快；概念物理发挥其彩板印刷的优势，书中的插图更是精美，如第 8 章第 142 页图 8.54，通过长时曝光手法获得猫自由落体时的照片，形象的展示了猫从高处下落时的姿态，十分吸引读者眼球。两书通过在每一章安排一些或卡通或实物的图片来说明这一章讲述的内容，让人不用看内容，只看到这些图片就能知道这章讲述的大概。科学素养包含信心、兴趣、品德、知识面、团结协作意识等多方面内容，增强科学素养有多种途径，而通过插图增强则是重要途径之一。文献3中谈到，生动的插图在展示物理状态，呈现物理过程，表达物理规律，解释物理原理，说明物理条件，化解
10、物理难点等物理内容的展示、降低物理难度及帮助学生理解物理本质有很大作用。对概念物理中丰富多彩的插图的应用及举例可以参照文献3。在此我们只讨论文科物理一书中的插图：如第 2 章第 49 页图 2-27 用神舟五号长征运载火箭的上升过程来呈现动量守恒的重要过程；第 5 章第 108 页图 5-4 用电场线模拟图来展示看不见的电场规律；第 6 章第 142 页图 6-3 用插到盛有清水中的吸管来解释由于光的折射现象使吸管发生弯折原理；第 7 章第 198 页图 7-15 用扫描隧道显微镜的扫描示意图来说明其工作的物理条件这些插图在文中起到了画龙点睛的作用，是学生能够更好地了解物理内容，避免了冗长复杂
11、的物理公式的推导，强调了物理概念的重要性。2.4 立足物理概念，注重文科背景文科物理编者希望读者通过系统学习，即能掌握一些基本的物理知识，又能了解物理的逻辑思维和研究方法。考虑到读者主要面向文科学生， 文科物理在物理知识上重点放在基本物理现象展示及初步规律的探讨上，这样给了读者一个直观想象的物理体验，4再结合丰富多彩的图例表达、准确的物理知识的描述、典型事例的广泛应用，很好的诠释了物理文化的内涵。 文科物理以物理学知识体系为主线，涵盖了从基本粒子物理到宇宙天体物理、从经典物理到近代物理、从趣味的物理学史到身边生活中的物理，在保持物理思维和内容严谨的同时，注重读者文科背景，可以避免繁杂的物理公式
12、的推导，注重物理概念，强调物理趣味性，语言通俗易懂。在概念物理这本书中首先强调了一个重要理念即物理学既是科学也是文化。在人类的人文文化和科学技术文化两大文化中，后者的重要部分就是物理文化。物理教育的基本任务之一是传递物理文化。因此，物理教育不应仅是传授物理知识，而且要突出物理教育中的文化特征，重视对学生探索、求实精神及科学审美观等的培养。考虑到文科学生在将来的工作生活中应用物理专业知识的可能性很小，因此传授物理文化、揭示物理思想在文科物理中应占有核心价值。一句话，就是要重视对学生科学素质的培养与教育。按照上述理念， 概念物理以物理学史的发展为主线，以物理学发展史和物理学研究方法论作为其主要内容
13、，从人文文化和科学文化的高度把有关的内容组织起来。编者在该书的编写中，充分体现了文理渗透的精神，注意加强物理学的人文色彩，并注意突出物理学的思想性和哲理性，立足于理，建瓴于文。4三、 文科物理与概念物理的不同点3.1 文科物理内容更深更广文科物理全书共九章，详细内容可见附录表 1，第一章主要介绍物理学史及当前物理概况，其余八章涵盖了物理学的主要领域和物理分支。其中二到六章讲述经典物理，占全书比重 61%，分别涵盖了力学、振动与波动、热学、电磁学、光学；七到九章讲述近代物理，占全书比重 33%，分别涵盖了量子力学、微观世界中的物理、天文学和宇宙学。内容安排上注重物理知识体系的建立，即有大学之前已
14、经接触过很多的经典物理的内容，又有非常新奇前沿的近代物理的内容。这种物理知识体系的建立，不仅能使读者在直观理解上体会物理的内涵思想，还能让读者体会现代物理的神奇之处，可有效激发读者的兴趣，扩展读者的视野，补充在文科生教育中对当代物理内容的欠缺。 概念物理在内容上主要集中于经典物理，占全书比重达 83%，仅有的关于近代物理的内容只有两章，且只覆盖了原子物理学和相对论的一些内容。即使作为两书的共同内容， 文科物理在经典物理的某些知识点的讲解上也是更深入的，而概念物理由于强调物理概念的阐述，在内容上并没有进行深入的探讨。比如在讲述牛顿定律时， 文科物理不仅建立了牛顿定律的一般表示方式，而且对牛顿定律
15、在动5量、能量概念下的变形方式做了初步探讨；在介绍振动与波动时， 文科物理为了更好的描述波动，引入了一维简谐波函数，对波动进行了定量的描述；在介绍热学时， 文科物理对热机的工作原理做了详细介绍，并从理论上解释了其后的物理规律卡诺循环等。3.2 贴近生活是文科物理的亮点文科物理的副标题为“生活中的物理学” ，编者为了让文科读者更好地体会物理、拉近读者与物理学的关系、打破物理学给人高深的印象，在文科物理一书中有大量联系物理与生活的例子。从每章内容来看，编者首先是构建物理知识体系，其中会用大量的生活实例来解释物理规律，如在讲述电荷时，就举了我们生活中衣服上带静电的例子，从而引出了摩擦起电的物理规律；
16、在每章最后部分，则是物理应用实例，如第二章的飞机、卫星与火箭，第五章的电磁炉、GPS、磁悬浮列车，第八章的核辐射防护等，该部分占每章的比例在 20%左右。用生活中的具体例子来展示物理学的内容，从实际应用的角度来传授读者物理知识，提升读者的物理文化，传播物理思想。物理知识通过具体的生活实例的展示，不再那么冰冷，相反，读者在学习过程中不仅能够通过生活经验跟书中的物理现象发生共鸣，还能进一步了解其背后的物理思想及规律，达到了在潜移默化中传播科学文化的效果。3.3 实例插图是概念物理的强项概念物理采用的是彩版印刷，在视觉效果上比文科物理的效果要好。几乎在书中的每一页我们都能看到精美的或卡通或生活的图例，这在相当大程度上消减了文科生对物理知识的畏惧，提升了文科生对物理学
