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1、第17卷第3期大 学 物 理Vol. 17 No. 3 1998年 3月COLLEGE PHYSICSMar. 1998基础物理教学 现 代 化 问 题高等院校物理专业理论物理课程 体系改革已势在必行喀兴林1)王锡绂2)李申生3)( 1)北京师范大学物理系,北京 100875 ;2)东北师范大学物理系,长春 130024 ;3)首都师范大学物理系,北京 100037)摘 要 论述了高校物理专业理论物理课程体系改革的必要性和紧迫性,并对改革提出了意见和建议.关键词 物理专业;理论物理;课程体系分类号 O 411 历史的回顾从解放前至建国初期,在相当长的时期内,高等院校理科各系一年级新生统一学习大
2、学物理.物理系自二年级开始分门开设理论力学、 电磁学、 热学、 光学和原子物理学等;而理论物理则作为一门单独的课程,在三年级开设.由于院系调整时全面学习前苏联经验,全盘照搬前苏联的教学计划、 教学大纲和教材,高等院校物理系的教学内容逐渐形成以普通物理(包括力学、 热学和分子运动论、 电磁学、 光学和原子物理学五门)和理论物理(包括理论力学、 电动力学、 热力学和统计物理学及量子力学四门)为主干课程的体系框架.普通物理共约22个周学时,而理论物理则有28个周学时.在 “整风反右” 后的几年间,由于运动频仍,且要求学生参加科研和编写教材,不得不压缩教学时间,因此有些院校被迫提出 “打通课” 的方案
3、.此后,在 “调整、 巩固、 充实、 提高” 八字方针的指引下,物理系又基本上重新恢复了普通物理和理论物理两大门主干课程的体系框架,但是理论物理课的总学时却减少至2022个周学时(包括新开设的数学物理方法在内) .但是后来由于受到 “砍掉1/ 3” 指示的影响,又不得不临时匆忙赶编了一套相应的 “简明教程”,致使理论物理课的教学水平明显有所降低.在整个 “文革” 期间,各级各类学校都受到不同程度的影响和冲击,其中尤以高等院校为甚.“文革” 结束后,教育方面重点整顿的就是高等院校. 1977年开始正式恢复高考制度,1978年讨论制订各系(专业)教学计划,1980年制订各科教学大纲.但由于总学时和
4、周学时数所限,在 “保证基础” 的前提下,普通物理大致仍保持在2022个周学时,而理论物理则大幅度削减为1618个周学时.与此相适应的便是短期内无法编写出完全适用的新教材,而不得不 “暂时” 借用 “文革” 前内容已经经过削减的 “简明教程”.2 当前的状况1)我国当前大多数高等院校物理系(专业)所用普通物理和理论物理这两大门主干课程的教材,实质上大部分都还是30余年前的旧教材.虽然自 “七五” 计划期间起,陆续开始编写各科新教材,并且物理系(专业)的主干课程教材大体上分为综合性大学和师范院校两大类.但是由于二者各科的教学大纲和学时数基本相同,所以内容差别不大,交叉使用的情况屡见不鲜,只是名牌
5、院校由于师资水平较高,学生入学基础较好,因此可以比一般院校讲得多一些和快一些.随着全国将近100所高等院校先后自行成立出版社,各种新教材也陆续问世.就粗略的统计结果,目前理论物理各门课程的教材至少均在10种以上.但是,由于整个教育体制、 教学计划和教学大纲都未经全面深入的研讨收稿日期:1997 - 11 - 21根据在中国物理学会教学委员会第六届全体(扩大)会议上的发言整理和修订,这方面的改革力度还很不够,因此,各门课程的多种教材基本上都大同小异,教师和学生双方的选择余地都很小.2)过去在相当长的时期和全国范围内,上自国家教育行政部门,下至各级地方政府和各类学校的领导以及绝大多数教师和学生家长
6、,都有一个 “共识”,即由于我国的优良传统和学习前苏联的先进经验,我国在基础教育阶段的教学水平比一般工业发达国家为高,而大学本科阶段也基本上如此.主要的依据就是对所用教材进行对比的结果,当然也包括理论物理在内.但同时也不得不承认国外教材所涉及的内容范围较广,只是深度和逻辑性不如我国教材,因此足可自慰.实质上,这种 “共识” 正是由于我国多年来实行 “闭关自守”的政策,“孤芳自赏” 的结果.此外,改革开放后,虽然也曾陆续进口了一些国外新版教材,但是因为绝大多数高等院校经费紧张,特别是外汇额度奇缺,所以一般高等院校图书馆都无力进口原版新书.而原来依靠光华书店的影印书,亦因知识版权问题而由 “地下”
7、 变成停印,所以绝大多数高等院校的理论物理教师基本上没有机会接触和了解国外新版教材的面貌和内容.其实,最近三、 四十年国外理论物理教材的变化和发展是相当惊人的.仅以热力学为例,全国高等院校热力学与统计物理学教学研究会自1991年起,在历届学术年会上都指定专人负责介绍国外1985年后新版教材的简单情况,发现了以下几方面的突出变化:出发点显著提高,一种类型是以统计物理学作为主线,另一种类型则直接从分子的微观运动状态作为基本出发点,深度和难点都远远超过我国现有的教材;涉及范围更为广泛,包含许多与科研、 生产和生活有密切联系的知识内容,使人感到耳目一新;有些教材真正实现了 “精讲多练”,对基本概念和基
8、础理论只作简要介绍,而通过大量经过详细分析和解答并与实际密切联系的例题作为主线,不仅大大开阔了学生的眼界和思路,并且还为培养学生进行独立思考和独立解决问题的能力进行了富有成效的示范;少数教材中的习题还要求学生利用计算机求解,使学生的计算机知识和编程能力经受考验并有实际用武之地.以上这些,都是我国现行教材(包括 “八五” 期间修订的教材)所无法比拟的.事实上,理论物理其他几门课程的教材情况也大致相仿.3)根据我国现行的教育体制和教学计划,一名物理系(专业)的本科学生,先后要经过初中物理、 高中物理、 普通物理和理论物理四个循环的熏陶.尤其是近年来,由于高考指挥棒和各级各类物理竞赛的 “引导”,使
9、得 “高中物理普物化” 和 “普通物理理论化” 的趋势日益明显,负面影响亦渐趋严重.可以毫不夸张地说,后三轮在物理学的基础知识和基本规律方面,甚至在教材安排的顺序方面都大同小异,似乎主要的差别只在于所用的数学工具有所不同:高中期间主要用代数、 几何、 三角和解析几何,普通物理阶段主要用微积分和常微分方程,而理论物理阶段则需用矢量分析、 复变函数论和偏微分方程.有人说得十分形象:“高中用,普物用d ,理物用5”.当然,必要的循环提高是无可非议的,但是,如此多轮循环重复是否必要,就很值得慎重并认真考虑了.难怪有些优秀的高中学生进入大学后,特别是第一学期和第二学期的前半阶段感到在物理知识内容方面收获
10、不大,甚至有 “浪费时间” 的感觉,不得不令人深思.4)尤其是普通物理和理论物理相应学科内容之间的严重重复,甚至连讲授顺序都大致相同,更使学生对于学习理论物理的重要性和必要性感到十分困惑.由于受到教学大纲和学时数的限制,理论物理各门课程往往只能在搭起基本的理论框架以后就已接近尾声,应用内容相当贫乏或者干脆就没有应用内容.至于介绍物理学的最新成就更是 “凤毛麟角”,至多也只能是点到为止,丝毫体现不出理论物理在培养科学思维方法和解决实际问题的威力所在.因此,绝大多数学生反映不仅学起来十分费劲,并且学完了也不知道究竟有何用处,实在令教师们哭笑不得,无可奈何.举例来说,理论力学与普通物理力学前大半部分
11、的基本内容和先后顺序都大致相同:质点运动学、 质点动力学、 质点静力学、 质点组运动学、 质点组动力学、 质点组静力学等等.至于真正能够体现理论力学精髓的分析力学部分,大体上只能占到总学时数的1/41/3左右.热力学和统计物理学也有相当部分内容与普通物理热学的相应内容大致相同,特别是热力学的前半部分(例如温度、 热平衡、 功、 内能、 热量、 热力学第一定律和第二定律等)以及分子动理论和经典统计部分(例如概率的基本概念和规律、 麦克斯韦速率分布和速度分布律、 玻耳兹曼分布律、 能量按自由度均分定理、 气体内的输运过程等) .特别是1980年制订教学大纲时,人为地强行规定普通物理热学只能讲热力学
12、第二定律的两种说法,但不能提出熵的概念和数学表达式;而热力学却还是得从温度、 内能和热量等基本概念讲起,实在令人啼笑皆非.电动力学的前面大部分内容也与普通物理电磁学大同小异,顺序也基本相同:静电场、 电介质、 似稳场(稳恒电流)、 电磁感应、 迅变场,以致建立起麦克斯韦方程组后,就几乎没有多少时间可以介绍24大 学 物 理 第17卷其极为广泛的实际应用了.量子力学的前面一部分也与普通物理光学和原子物理学有不少重复之处.特别是目前普通物理原子物理学存在两种很不相同的倾向,一种倾向是仍用相当多的篇幅在旧量子论的范围内兜圈子,例如椭圆轨道、 相对论修正、 空间量子化等,但所得结果又与随后就引入的量子
13、力学结论不同,不仅讲解起来十分费口舌,并且给学生形成先入为主的错误观念,再行扭转和纠正,往往令学生不知所措,对为何明知错误的内容还要先讲然后加以纠正的做法感到十分困惑不解.另一种倾向是将普通物理原子物理学完全以量子力学作为理论基础,使学生学习起来感到难度很大,并且与量子力学的重复部分更加增多了.迄今为止,在全世界的范围内,各行各业一致公认,物理学是20世纪的领先学科(或者说20世纪是物理学的世纪) ,并且仍将是21世纪几项主要科学技术(信息科学、 材料科学、 生命科学、 能源科学、 环境科学和空间科学)的共同基础.但是,多数高等院校物理系(专业)毕业生却往往对此毫无感受,这确实不能不说是大学物
14、理教学、 特别是理论物理教学的严重缺陷.3 改革的建议理论物理和普通物理之间有少量的 “搭接” 是必要的和应该的,并且也是可以接受的;但是我们更坚持认为,二者之间应有相当明确的区别和分工.具体地说,在内容方面,普通物理应该尽量做到广泛化和现代化,并可开 “窗口” 和设 “接口”,包括对新现象和新规律进行简略介绍;而理论物理则应该尽量做到系统化和精确化,并在可能的范围内 “封住” 普通物理所开的窗口,以便与普通物理能够真正实现 “对接”.在方法方面,普通物理应该尽量从实验及生产和生活实践出发,运用归纳的方法定义概念,总结规律;而理论物理则应该尽量做到从最普遍的基本原理出发,运用演绎的方法导出实验
15、规律,并在可能的范围内指导实验和生产实践,以便真正能够培养学生运用物理理论解决一些典型实际问题的方法和能力.据此,我们建议,将现有的 “四大力学” 改变为经典物理学(主要包括分析力学和电动力学,但不包括热力学)、 量子物理学和统计物理学(包括热力学)三门课程.有鉴于近年来统计物理学的发展十分迅速,并且应用范围也非常广泛,因此将统计物理学安排在量子力学之后,这样才有可能真正解决一些典型的实际问题,并尽量减少与普通物理相应课程内容的重复.例如,经典物理学分别以分析力学和麦克斯韦方程组作为出发点,导出牛顿运动定律和电磁学中的各个实验定律;统计物理学以量子统计作为出发点,不仅可以导出经典统计的结论,还
16、可导出热力学的基本规律.我们设想,将整个理论物理课程建立在守恒定律和对称性的基础之上,并且以能量的观点作为红线,通过拉格朗日表述和哈密顿表述贯穿始终.这样,不仅可以大大提高起点,还可以达到更高的终点,例如密度矩阵、 二次量子化、 格林函数和关联函数等.为物理系(专业)本科毕业生以后进一步升学深造和参与前沿研究奠定初步的基础.(上接46页)为收敛因子的函数.Maple省时的功能使得可以对收敛因子进行动态调试,从而求得收敛因子的最优值.如我们使用一般的586 - 133微机(16M内存) ,求得例2收敛因子的最优值是1. 77 ,迭代次数为52 ,运行时间为16s;例4收敛因子的最优值是1. 67 ,运行时间为8 s ,迭代次数为42 ;例5收敛因子的最优值是1. 94 ,运行时间为18 s ,迭代次数为92.用Maple进行大学物理教材与教法的改革,前景光明,很多问题值得探索.5 参考文献1 李世红.计算机教育与物理教学改革.物理通报,1996 ,(11) :122 W
