中日大學(xué)物理學(xué)專業(yè)教材的差異和啟示

胡光輝

摘 要 中日高校物理學(xué)專業(yè)教材各具特色，本文研究和分析了日本大學(xué)物理學(xué)專業(yè)典型教材的特點，包括編寫了物理專業(yè)用的數(shù)學(xué)教材、通過人們的認(rèn)知歷程引入知識點、例題和習(xí)題的設(shè)置貼近生活實際等等。同時將其與當(dāng)前國內(nèi)大學(xué)常用的教材進(jìn)行了分析比較，凸顯了兩國大學(xué)物理教材的不同的側(cè)重點和明顯區(qū)別，并基于這種分析，指出了我國現(xiàn)行大學(xué)物理學(xué)專業(yè)教材的不足，并給出對教材改革的啟示，為新教材的編寫和修改提出了思路。

關(guān)鍵詞 中日 物理學(xué)教材 教材改革

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2019.01.006

Abstract The textbooks of physics majors in Chinese and Japanese universities have their own characteristics. This paper studies and analyzes the characteristics of typical textbooks of physics majors in Japanese universities， including the preparation of mathematics textbooks for physics majors， and the introduction of knowledge points， examples and exercises through people's cognitive processes. Set close to life and so on. At the same time， it compares and analyzes the textbooks commonly used in domestic universities， highlights the different focuses and obvious differences between the physics textbooks of the two universities， and based on this analysis， points out the shortcomings of the current college physics textbooks in China. Give the enlightenment to the reform of teaching materials， and put forward ideas for the preparation and revision of new textbooks.

Keywords China and Japan； physics teaching materials； textbook reform

物理學(xué)是一門傳統(tǒng)和現(xiàn)代知識相結(jié)合的學(xué)科，承載著人類對自然規(guī)律的探索和發(fā)現(xiàn)，見證著人類走向文明和進(jìn)步的歷史。加之與多個領(lǐng)域的高新科技內(nèi)容交叉融合，內(nèi)容豐富而繁多。而物理學(xué)專業(yè)的學(xué)生只有在理解和掌握絕大部分基礎(chǔ)內(nèi)容之后，才能更好的接受科技前沿知識。教材作為教師和學(xué)生之間聯(lián)系的橋梁，既是教學(xué)工作開展的主要工具，也是課程目標(biāo)和內(nèi)容的具體體現(xiàn)。所以，教材的編寫也成為了教學(xué)改革的一項重要內(nèi)容。

我們的鄰國日本能夠在短短的幾十年中迅速取得了舉世矚目的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，其教育發(fā)展是不可忽視的重要原因之一。我國和日本目前的學(xué)制基本相同，因此研究日本的現(xiàn)行物理學(xué)教材的特點，對比分析兩國的現(xiàn)行物理學(xué)教材的區(qū)別可以發(fā)現(xiàn)我國教材存在的不足，而且日本教材的優(yōu)秀之處，對我國物理學(xué)專業(yè)教材的編寫和修改有著重要的參考作用。本文選作比較的日本教材為日本巖波書店出版的物理學(xué)入門系列教程（2017年新裝版），包括《物理用數(shù)學(xué)》、《力學(xué)》、《解析力學(xué)》、《電磁學(xué)I、II》、《量子力學(xué)I、II》、《熱統(tǒng)計力學(xué)》、《彈形體和流體》、《相對論理論》等共十卷。[1-8]該教程目前被東京大學(xué)等近70所名校作為教科書使用。而作為對比的國內(nèi)教材也選用使用率最高的高等教育出版社出版的“十一五”、“十二五”國家級規(guī)劃教材。

1 中日物理學(xué)專業(yè)教材的對比分析

1.1 物理學(xué)專業(yè)教材的整體特點

日本的物理學(xué)入門系列教程各冊篇幅不大，約250頁，自成體系。該系列教程起點低，深度和國內(nèi)教材相當(dāng)，但內(nèi)容更廣，含有較多的新鮮知識點。內(nèi)容簡練，組織周密，重點突出，深入淺出，尤其在引導(dǎo)學(xué)生逐步掌握正確概念方面獨具一格，論述精辟，推導(dǎo)證明精彩簡潔，能夠引導(dǎo)學(xué)生不知不覺中達(dá)到較深的知識層次。但各冊教材的難易程度不一，之間的聯(lián)系也有疏有密，整體性不足。

國內(nèi)的物理學(xué)專業(yè)教材的突出特點是知識點細(xì)致全面，而且隨著教育事業(yè)的發(fā)展，不斷推陳出新，涌現(xiàn)了很多特色版本的教材。整體而言，大多按照《力學(xué)》、《熱學(xué)》、《電磁學(xué)》、《光學(xué)》、《原子物理學(xué)》、《電動力學(xué)》和《量子力學(xué)》等幾個方面來劃分。不過隨著物理學(xué)的發(fā)展，知識在不斷積累，教材也是越來越厚，對于學(xué)生來不容易把握重點。而受到課時量的限制，有些學(xué)校也不得不舍去教材中的部分章節(jié)，不利于學(xué)生對物理學(xué)的整體理解和把控。

1.2 物理用數(shù)學(xué)教材的不同

數(shù)學(xué)是理解和掌握物理知識的工具，所有的物理學(xué)教材均要求在具備高等數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上開展。國內(nèi)的本科生的高等數(shù)學(xué)知識主要是通過數(shù)學(xué)類教材獲得，目前還沒有專門為物理學(xué)專業(yè)編寫的數(shù)學(xué)教材，而且絕大部分高校的物理專業(yè)的高等數(shù)學(xué)課程是由數(shù)學(xué)專業(yè)的教師講授的。這樣的結(jié)果就是物理學(xué)專業(yè)的低年級本科生學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)知識，內(nèi)容繁雜，學(xué)習(xí)效率較低。然而數(shù)學(xué)知識的匱乏是同學(xué)們在學(xué)習(xí)物理時所面對的主要困難，因此在整個物理專業(yè)課的學(xué)習(xí)過程中，老師在講解物理知識的同時也需要對數(shù)學(xué)知識進(jìn)行復(fù)習(xí)和練習(xí)。這樣不僅浪費時間，而且分散了同學(xué)們對物理知識本身的注意力，造成了一種物理枯燥乏味的錯覺，進(jìn)而失去對物理學(xué)習(xí)的興趣。

與國內(nèi)教材不同的是，日本教材中的《物理用數(shù)學(xué)》是一本專門為物理學(xué)專業(yè)編寫的數(shù)學(xué)教材，它包含了學(xué)習(xí)物理所需要用得到矢量與矩陣、微積分、常微分方程、偏微分方程、傅立葉級數(shù)等數(shù)學(xué)知識。內(nèi)容精練易懂，直接指向物理學(xué)專業(yè)的必需數(shù)學(xué)知識點，避免了因為學(xué)習(xí)大量用不到的數(shù)學(xué)知識，而導(dǎo)致學(xué)生分不清輕重主次，并因此陷入在以后反復(fù)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的困境。同時，這也是以后整個大學(xué)階段的主要數(shù)學(xué)工具書，方便及時查閱遺忘的數(shù)學(xué)知識。

1.3 物理知識點引入的不同

國內(nèi)的主流物理學(xué)專業(yè)教材中通常采用演繹的方式來引入新的知識點，包括物理概念、定理和定律。即是首先對新的物理概念進(jìn)行描述或者列舉出定理、定律，接著對它們進(jìn)行證明，最后通過例題給出應(yīng)用范圍。通過這種方式來引入知識點的結(jié)果是學(xué)生容易將學(xué)習(xí)重點放在知識的應(yīng)用上，即怎么運用所學(xué)的物理定理定律去解決問題，而忽略了人類是如何認(rèn)識自然現(xiàn)象、怎么總結(jié)出自然規(guī)律的。這一系列探索的過程恰恰是物理的趣味所在，同時也是科學(xué)研究方法的最原始的應(yīng)用。日本的教材中則多是以歸納的方式引入物理概念和定律。即是通過描述對定律定理的認(rèn)知歷程，讓學(xué)生能夠在掌握知識的同時了解人類是怎么探索未知的現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)存在的規(guī)律、總結(jié)為定律定理這一系列的思路和過程。引導(dǎo)和教育學(xué)生學(xué)會用科學(xué)的方法去認(rèn)識世界，去探索未知領(lǐng)域，同時也充分展示出物理的魅力和趣味。

1.4 例題、習(xí)題設(shè)置的不同

國內(nèi)的物理學(xué)專業(yè)教材中的例題和習(xí)題設(shè)置的主要特點是在題設(shè)中直接給出特定的理想化物理模型（如質(zhì)點、剛體、無摩擦、點電荷等），然后列出一些已知條件（通常是一些測量結(jié)果）和需要求解的物理量。解題過程也是結(jié)合小節(jié)內(nèi)容直接展示出怎樣套用所學(xué)的物理公式列方程，代入已知數(shù)據(jù)以及求出結(jié)果。這應(yīng)用題設(shè)置方法直接把實際問題理想化為物理模型，當(dāng)然可以讓學(xué)生最快的熟悉并掌握解題方法和步驟，卻大大減弱知識和實際生活的聯(lián)系。如何把實際問題轉(zhuǎn)化為教材中的題設(shè)情形也將是學(xué)生今后所面臨的一個重要問題。作為對比，日本教材中例題和習(xí)題的設(shè)置一般是描述一個物理事件或者給出一種物理情景，在這個過程中表達(dá)出如何得到一些物理量作為已知條件，進(jìn)而提出問題，通常是讓求解無法直接測量的物理量。通過對這種例題的講解和習(xí)題的練習(xí)，不僅可以使學(xué)生掌握并運用所學(xué)的物理規(guī)律，而且有助于學(xué)生理解現(xiàn)實生活和科學(xué)理論的關(guān)系，增強(qiáng)對現(xiàn)實世界物理規(guī)律的感性認(rèn)識，體會物理學(xué)中的近似、抽象等基本思想。

國內(nèi)的教材一般是每一章后設(shè)置習(xí)題，這樣的設(shè)置使習(xí)題和內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性減弱，不利于及時鞏固所學(xué)知識。日本的教材則是在每一小節(jié)后設(shè)置習(xí)題，而且題目較為簡單靈活。不僅及時有針對性的鞏固知識，而且增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的自信心。但值得注意的是，無論是日本還是國內(nèi)的物理專業(yè)教材中的課后習(xí)題通常都是以思考題和計算題為主要題設(shè)形式，它們的答案都是唯一的。學(xué)生解題的時候也是計算出結(jié)果后和參考答案進(jìn)行比較，正確就繼續(xù)下一題，不正確的話再重新計算。不難看出，這樣情況下學(xué)生注重的是結(jié)果而不是解題過程，這樣就會失去很多思考的機(jī)會。我們需要更加豐富開放的習(xí)題形式讓學(xué)生能充分利用思考的機(jī)會，去自己判斷結(jié)論的正誤。比如給出原本讓求解的結(jié)論，讓學(xué)生思考添加哪些條件可以成立等等。通過這種開放式的習(xí)題設(shè)置可以大大提高學(xué)生的思考研究能力和自主學(xué)習(xí)能力。

2 中日教材對比對教材改革的啟示

通過從以上幾點對中日物理學(xué)專業(yè)教材的對比分析，我們作出以下幾點總結(jié)，以期對我國的高校物理學(xué)專業(yè)教材改革提供借鑒參考作用。

2.1 內(nèi)容突出基本理論，刪繁就簡

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，不斷涌現(xiàn)出大量新知識，不應(yīng)該簡單疊加在原有教材上。物理學(xué)專業(yè)教材應(yīng)該在突出基本理論知識的前提下，盡量刪繁就簡。一些與中學(xué)課程重復(fù)的部分，或者相關(guān)課程教材重復(fù)的部分，都應(yīng)當(dāng)舍棄。同時，對于新增加的內(nèi)容，也要把握好內(nèi)容更新的標(biāo)準(zhǔn)，既要把握好與已有知識有聯(lián)系，又要注意難度深度。內(nèi)容的取舍，應(yīng)該遵循一些標(biāo)準(zhǔn)：屬于物理學(xué)的基本理論，能夠反映學(xué)科的特點，揭示學(xué)科的內(nèi)部聯(lián)系，和發(fā)展學(xué)科緊密相關(guān)等。對于新增部分，也要從新的理論成果中精選出比較成熟的，對學(xué)科發(fā)展有重要影響的基本理論，以便于學(xué)生的學(xué)習(xí)和掌握。

2.2 物理專業(yè)用數(shù)學(xué)教材的必要性

在編寫教材時，要充分考慮到我國不同水平高校的物理學(xué)專業(yè)本科生的數(shù)學(xué)能力，根據(jù)培養(yǎng)目的，有針對性的編寫一本物理專業(yè)用數(shù)學(xué)教材。一方面可以避免在本科低年級時學(xué)習(xí)大量的數(shù)學(xué)知識，難以抓住重點，逐漸失去對物理學(xué)的興趣；另一方面可以作為物理專業(yè)本科生的數(shù)學(xué)工具書來使用，目前國內(nèi)還沒有此類簡便易懂的工具書出現(xiàn)。

2.3 恰當(dāng)?shù)闹R點引入方式

根據(jù)教材的不同章節(jié)的具體內(nèi)容，結(jié)合演繹和歸納邏輯法，選擇合適恰當(dāng)?shù)闹R點引入方式。讓學(xué)生在學(xué)習(xí)新知識的同時，對不同的邏輯思維方法進(jìn)行比較和學(xué)習(xí)，提高其綜合能力。在闡述概念、定律、定理時盡量通過有關(guān)物理現(xiàn)象的觀察和實驗得到信息，對其進(jìn)行概括、分析得出結(jié)論，并且將之與現(xiàn)實相聯(lián)系。強(qiáng)調(diào)人類探索未知的現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)存在的規(guī)律的思路和過程，提高物理的魅力和趣味性。

2.4 改進(jìn)例題、習(xí)題的設(shè)置

在設(shè)置教材中的例題和習(xí)題的時候，一方面盡量從現(xiàn)實出發(fā)，貼近實際生活，讓學(xué)生掌握從現(xiàn)實抽象出模型的思維方法；另一方面，盡量設(shè)計多樣化的題型，讓學(xué)生的多種能力都能在解題的過程中得到訓(xùn)練，而不再只是為了解題而解題。

課后習(xí)題應(yīng)該緊跟在每一小節(jié)之后，即使鞏固新知識。形式也可以多種多樣，比如思考題可以有一些常規(guī)題目，從該節(jié)內(nèi)容就可以找到答案。還可以有一些靈活性的，可以用作課堂討論。這些可以充分調(diào)動學(xué)生思維，加深對概念、模型、定理及其使用條件的理解。綜合性題目應(yīng)該遠(yuǎn)少于簡單練習(xí)題，這樣可以建立學(xué)生學(xué)習(xí)物理的信心。當(dāng)然，也應(yīng)該有一部分難題來滿足不同水平學(xué)生的需求。

2.5 激發(fā)學(xué)生求知欲

激發(fā)學(xué)生的求知欲才是人才培養(yǎng)的源動力，好奇心和興趣是學(xué)好一門課的基本條件之一。教學(xué)實踐表明，循序漸進(jìn)、刻板的教材很容易使學(xué)生感到枯燥、疲乏，并且會限制學(xué)生的物理視野。引入新穎的前沿知識點可以很容易激發(fā)學(xué)生的興趣和求知欲，但是要注重和基礎(chǔ)知識的聯(lián)系和結(jié)合方法，比如作為導(dǎo)讀材料放在章節(jié)前面或者作為閱讀材料放在章節(jié)后面等。物理學(xué)專業(yè)教材的編寫應(yīng)該以提高學(xué)生對物理學(xué)的興趣和學(xué)習(xí)熱情作為宗旨，可以結(jié)合有趣的現(xiàn)象、實驗，配以精美的插圖等。

3 結(jié)束語

總之，物理學(xué)專業(yè)教材不是僅是用來傳授知識，還要在此過程中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方法分析問題、解決問題的能力，應(yīng)該加強(qiáng)基礎(chǔ)知識、理論聯(lián)系實際、圖文并茂、生動有趣，言簡意賅，易學(xué)易讀。大學(xué)物理學(xué)專業(yè)教材的改革是一項長期復(fù)雜的工作，對于培養(yǎng)新時代創(chuàng)新型人才具有重要的戰(zhàn)略意義，應(yīng)當(dāng)吸取國際流行教材優(yōu)點，不斷進(jìn)步。以上的中日教材的對比和給我們的啟示可以為國內(nèi)物理專業(yè)教材改革提供必要的參考作用。

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