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物理学有关论文提纲,关于本学期物理实验课程文的通知相关专升本毕业论文开题报告

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教育部2016年课题

《比较中外着名大学"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》

中期检查报告

教育部南开大学外国教材中心

2016年9月

目录

序言I

一,发表在《大学物理》的论文3篇1

(一)美国大学物理学分层次教学研究1

(二)决定物理学发展的六大思想9

(三)哈佛大学物理专业拔尖人才培养模式探讨16

二,已完成的文稿4篇26

(一)美国着名大学物理专业"四大力学"课程设置的特点与启示26

(二)中美着名大学《理论力学》课程的比较与思考33

(三)中美着名大学《热力学与统计物理学》课程比较与分析42

(四)物理教学方法的新旗帜-同伴教学法(PeerInstruction)50

三,课题调研资料3份58

(一)美国12所着名大学物理专业"四大力学"课程与教材信息58

(二)英国8所着名大学物理专业"四大力学"课程与教材信息82

(三)中国10所名校物理专业"四大力学"课程与教材信息90

序言

2016年11月,教育部发布了关于开展"国内外高等教育教材比较研究"项目申报工作的通知(教高司函[2016]194号).同年月底,本中心组织专家学者进行了充分的论证与申报.2016年3月,南开中心申报的《比较中外着名大学"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》项目获得教育部批准(教高司函[2016]28号).这一项目是由南开大学外国教材中心与南开大学物理科学学院合作的,力争协同创新出多篇较有分量的系列研究成果.截止2016年9月,项目组主要做了以下几方面的工作:

(1)召开了课题启动会,一方面,进一步明确了课题的研究分工情况,另一方面,为了课题研究基本统一与规范,启动会上课题负责人图书馆馆长张毅教授,课题负责人物理学院宋峰教授等同与会参研者商讨了研究提纲,研究思路和书评范例等.

(2)自课题申请至今,本课题组基本完成了课题的调研及资料搜集工作,主要调研资料成果有:美国12所着名大学物理专业"四大力学"课程与教材信息,英国8所着名大学物理专业"四大力学"课程与教材信息,中国10所名校物理专业"四大力学"课程与教材信息等.

(3)在资料准备较为充分的基础上,本课题组已展开了中外"四大力学"课程与教材的比较研究.截止今年9月,本课题组已正式发表了论文3篇,撰写了阶段性研究文稿4篇.现阶段具体的研究成果及其调研资料分述如下:

一,发表在《大学物理》的论文3篇

(一)美国大学物理分层次教学研究

关 键 词:美国大学,分层次教学,课程设置,物理学以麻省理工学院耶鲁大学和斯坦福大学为例,

我们在对麻省理工学院耶鲁大学和斯坦福大学物理分层次教学详细发现美国大学本科生物理教学多样性,在物理学入门课程(IntroductoryPhysics国内大学的普通物理课)中实行分层次教学,不同专业学生可以根据自己专业对物理知识的需求选择适合自己那一个层次的物理学入门课程同一专业的学生也可以根据自己的数学物理基础选择适合自己那一个层次的物理学入门课程.根据职业发展方向为物理专业设计的培养方案选择不同的课程计划要完成不同程度的物理学专业高级课程

首先,麻省理工学院物理系开设物理学I"II",前者主要内容为经典力学,分四个层次,后者主要内容为电磁学,分3个层次.它们分别用不同的授课方式不同难度,学生可根据自己的实际情况来选择适合自己的课程.物理学I"II"分层情况,见表1.其次,麻省理工学院物理系本科生两个层面的课程计划,它能够让学生按照个人未来的职业目标来安排自己的物理学习.集中的培养方案(Thefocusedoption)主要面向那些将在物理学及相关领域攻读研究生的学生,该培养方案为学生制定了更加深入的物理学高级课程计划,还有物理学领域的研究计划和物理学专业学术论文的要求."灵活的培养方案(Theflexibleoption)主要面向那些希望在诸如工程,医学,法律,商业管理等其他领域发展的学生该方案中的物理学高级课程没有集中的培养方案深入,但更加广泛,学生可以修其学科的集中课程,比如天文学生物纳米技术哲学科学教育管理学医学法律等学科的课程,也可以选择其学科的实验课程和研究项目以及学术论文.灵活的培养方案那些有志于在其他领域发展的学生提供物理学背景,让学生有更多的选择空间来学习他们感兴趣的都将使深入理解基础物理学的概念.,物理系本科生选择执行哪一个课程计划,他们都要学习物理学I"物理学II微积分I微积分II,以及化学生物HSAA课程(人文艺术社会课程)秋季授课,主要采用TEAL(Technology-EnabledActiveLearning)形式授课,它的特点是学生以三人组成一个小组进行学习,讨论概念,解决问题,并在计算机数据采集和分析的辅助下进行桌面实验.春季授课,该课程以小的章节为单元授课,一周三次,包括周五的一次测验.选择该课程需要经指导教师的允许,并且有人数上的限制.秋季授课,比801更加深入理论化数学化,使用微积分,主要面向数学和物理基础很好的学生.推荐学生同时选择比8.01"微积分I"更高级的数学课程为了巩固理论,学生要完成一些自己设计的小实验.秋季授课,授课时间比801长,从秋季直到下学期第二年1月份,这允许那些基础不好的学生有更多的时间培养解题能力.它也部分采用TEAL的授课形式,强调复习和加强必要的数学工具和基本的物理概念和解题能力.内容深度和难度与801相同.秋季和春季上课,使用TEAL形式教学,它利用现代技术和小组讨论来帮助学生形成物理现象的直觉和概念模型.秋季授课,该课程该课程以小的章节为单元授课,一周三次,包括周五的一次测验..春季和秋季授课,比802更加数学化和理论化,要求一些矢量微积分的知识,还包括微分和积分形式的麦克斯韦方程,静电矢势和磁矢势,电介质和磁性材料的性质.该课程除了理论上的阐述,还需要学生在实验室中完成几个电学和磁学实验.物理学II需要有物理学I和微积分I作为基础8.01,8.011,8.012,8.01L分别为"物理学I8.02,8.021,8.022分别为"物理学IIThefocusedoption典型课程安排

第一学年第二学年第三学年第四学年秋季春季秋季春季秋季春季秋季春季物理学I物理学II物理学和8.223经典II8.04量子物理8.05量子物理8.06量子物理III限制性选修课—物理类论文化学生物相对论统计物理学8.13实验8.14实验选修限制性选修课—物理类微积分I微积分II微分方程限制性选修课—数学类选修选修选修选修人文,艺术,社科本科生可以在第二年确定他们的Thefocusedoption课程计划能够为学生以后的物理研究生学习做充分的准备.选择Tfocusedoption课程计划的学生需要修门量子力学课程36个学分的实验课程和一篇物理学学位论文.第二学年,执行Tfocusedoption课程计划的学生应:III","相对论量子物理I统计物理学I经典力学II通过本科生研究计划项目(UROP)来获得重要的实验技能.第三学年,执行Tfocusedoption课程计划的学生应完成实验物理I实验物理II量子物理II和量子物理III.并开始选修限制性选修课,包括一门数学类课程和至少两门物理类课程.变函数及其应用工程高级微积分和线性代数."天体物理学生物物理学凝聚态物质"等离子体原子核和粒子物理等选修课学生提供现代物理学最前沿的知识.鼓励打算攻读物理学研究生的学生选修理论物理系列课程:电磁学II统计物理学II和经典力学II有大量的空余时间可以用来深化自己的物理知识或者拓展其他学科.论文是Tfocusedoption课程计划的重要组成部分,该论文需在一名物理系教师的指导下完成,许多论文是学生在参与本科生研究计划项目(UROP)中完成的.学生应该在大三学年中期开题,在大四的秋季学期结束之前提交Theflexibleoption课程计划为那些不打算在物理学领域进行研究生学习的学生制定,该课程计划提供学生很好的物理学基础.许多学生已经发现对物理学基本概念的理解和解决物理问题的方法也有助于解决商业,法律,医学和工程等领域的问题,这显然帮助他们在这些领域取得成就.鉴于如今职业逐渐增多,Tlexibleoption课程计划是很有吸引力的.

表3:MITTheflexibleoption典型课程安排

第一学年第二学年第三学年第四学年秋季春季秋季春季秋季春季秋季春季物理学I物理学II物理学和8223经典II(可替换)量子物理8.05量子物理(可替换)选修限制性选修课—物理类选修化学生物选修统计物理学8.13实验(可替换)选修选修选修微积分I微积分II微分方程选修集中课程集中课程集中课程选修人文,艺术,社科可以看出Tfocusedoption计划仅有5门自由选修课,而Tflexibleoption计划除了三门某一学科的集中课程外,还有8门自由选修课.Tfocusedoption计划flexibleoption计划没有学位论文的要求,不修"相对论""量子物理III""实验物理II",且"经典II"可由"能量物理量子物理类似强度的实验课,一项实验研究计划或者论文实验导向的暑期校外实习.这充分体现了Theflexibleoption计划的灵活性.

执行Tlexibleoption课程计划的学生必须完成一集中课程——同一学科内相互关联的三门课.学生们通常选择天文学生物纳米技术哲学科学教育管理学医学法律等学科的课程.学生也可以选择他们所修的集中课程学科内的实验和探究课程来满足该课程计划的实验和探究课程学分要求,当然也可以选择其他的学科领域.学生能够学习自己感兴趣的从事学科领域.

可见,Thefocusedoption计划课程面窄但是深入,目标明确:培养从事物理学的精英人才flexibleoption计划课程面广,既能够提供学生很好的物理学背景,能使学生涉猎自己感兴趣的将来有志于从事的学科,其目标是培养具有良好物理学基础,将来从事其领域的人才.

耶鲁大学

耶鲁大学物理系根据学生的数学物理基础和,提供了由低到高5个层次的大学物理学入门课程两个层次的大学物理实验课程.并且像MIT一样,根据学生职业生涯的目标,为物理学专业提供了两个层次的物理学专业课程.5个层次的物理学入门课程PHYS110"现代物理学进展PHYS170"面向生命科学的大学物理PHYS180"大学物理"PHYS201"物理学原理"PHYS260"强化的物理学导论不要求物理和数学基础,面向不打算学习自然科学专业的学生几乎不要求物理基础,只要求高中数学基础,面向打算学习医学或生物专业的学生.但要求同时修MATH112a单变量微积分I和MATH115b单变量微积分II要求一定的数学和物理基础,要求具有MATH112a单变量微积分I级别的微积分水平,面向打算学习自然科学专业的学生,要求同时修MATH115a单变量微积分II和MATH120b多变量微积分要求物理和数学基础很好,面向打算学习自然科学专业的学生.要求具有MATH115a单变量微积分II的微积分水平,要求同时修MATH120b多变量微积分.建议同时修MATH222b线性代数及其应用或者MATH225b线性代数及矩阵理论面向那些有非常出色的数学方法和定量分析能力的学生,并且要求坚实的物理基础.要求同时修MATH230a矢量微积分与线性代数I和MATH231b矢量微积分与线性代数II.可见,前两个层次的课程不要求微积分基础,后三个层次的课程则都要求不同程度的微积分基础.与大学物理课程相配套,耶鲁大学也开设了两个层次的大学物理实验课程.PHYS165L"普通大学物理实验主要面向没有较强的高中物理实验基础的学生,与此相配套的大学物理课程是PHYS170面向生命科学的大学物理以及PHYS180大学物理PHYS205L"现代物理测量"面向打算学习物理专业的学生,配套的课程是PHYS180大学物理",PHYS201物理学原理",PHYS260"强化的物理学导论"两个层次的物理专业课程:物理学标准专业()与物理学强化专业(sivemajor),两个专业的学生都学习物理数学和相关领域的高级课程.前者提供一般的物理学课程,鼓励学生选修其他理工科专业的课程,该专业主要给那些将来想在其他领域发展的学生提供较强的物理学基础.物理学强化专业主要是培养将要在研究生阶段继续研究物理学的学生.这个强化课程主要包含深入的物理学高级课程和一项研究计划.物理系的本科生学业指导教师可以帮助计划攻读物理学专业研究生学位的学生推荐合适的选修课以补充高级核心课程.两个专业都要求学生在第一学年和第二学年中期先修微积分基础的物理学入门课程和配套的实验课程,同时要修相应的数学课程.


本文出处 http://www.svfree.net/xie/070376231.html

表6:耶鲁大学物理系两个专业的课程设置比较

第一,二学年第二,三学年第四学年物理学标准专业基于微积分的物理学入门课程

现代物理测量

数学现代物理测量

PHYS301a数学物理方法导论

PHYS401a高级经典:从牛顿到爱因斯坦I

PHYS40高级经典:从牛顿到爱因斯坦II

PHYS382Lb近代物理实验PHY439a量子力学基础或者PHYS440b量子力学与自然现象I

PHY340系列

选修课3-PHY400系列物理学强化专业基于微积分的物理学入门课程

现代物理测量

数学现代物理测量

PHYS301a数学物理方法导论

PHYS410a经典力学

PHYS440b量子力学与自然现象I

PHYS382Lb近代物理实验PHYS441a量子力学与自然现象II

PHYS420a热力学与统计物理

PHYS430b电磁场与光学

PHY340系列或者PHY400系列或者研究生课程)

两个独立研究项目注:PHYS382Lb"近代物理实验原子光学核物理和凝聚态物理方面的高级实验课程,主要关注现代实验方法,并伴随理论和实验技术的讨论PHY340系列PHYS342a"地球与环境物理学导论PHYS343b"引力,天体物理和宇宙学PHYS344b"量子与纳米尺度物理学PHY400系列经典力学统计热力学电磁场与光学固体物理原子核与基本粒子物理导论光学原理及其应用物理学中的数学方法等PHYS401a高级经典学:从牛顿到爱因斯坦IPHYS410a经典力学PHYS430b电磁场与光学PHYS420a热力学与统计PHYS382Lb近代物理实验经过教师的允许以其理科专业工程专业和数学专业的高级课程斯坦福大学

斯坦福大学将本科物理教学的对象分为三类:将物理作为通识教育的学生有志于从事物理知识的专业领域的学生,诸如医学,工程等有志于在物理及相关领域从事教学或者研究工作的学生针对各类学生的基础和对物理的要求,斯坦福大学提供三个层次的物理学入门系列课程—物理学20,物理学40,和物理学60系列课程,他们的主要内容

物理学20系列不需要微积分基础,主要面向生物专业的学生特别是将来想从事研究的学生,修20系列或40系列课程.因为如今的生物学研究涉及了大量的基于物理学的技术这些物理学入门课程非常重视问题的解决能力,这对生物学研究是非常有价值的

物理学40系列主要面向工程,地球科学,数学,化学和物理学专业的学生.

物理学60系列主要面向那些已经修过与40系列同级别的物理学课程的学生,或者至少有很强的力学和微积分基础,较强的电学和磁学基础的学生.它要求AP物理C考试的学分4或5分.

物理学20物理学40物理学60是否要求微积分基础不要求要求要求秋季21-力学和热

22-力热实验45-光和热

46-光热实验61-力学和狭义相对论

62-经典力学实验冬季23-电学和光学

24-实验41-力学

42-经典力学实验

41N-力学研讨课63-电磁学和波

64-实验春季25-近代物理

26-实验43-电和磁

44-实验

43N-电磁现象研讨课65-热力学和近代物理

67-实验斯坦福大学物理系为不同层次的学生设计了三套教学计划:Version1:针对数学物理基础很好的学生(AP物理C-力学和AP微积分4或5分)AP(美国高中的大学先修课程Version2:针对数学物理基础的学生(物理C-力学考试低于4分的学生)Version3:针对在第一学年不能够完成数学50系列和物理40系列课程的学生斯坦福大学物理专业的集中课程应用物理B天体物理C生物物理D地球物理E理论物理固体物理—物理学,固体中的磁学和长程有序,固体中的波和衍射生物物理—生物物理学导论激光—激光导论,激光动力学,现代光学导论实验方法—模拟与数字电子学实验,激光实验必修—观测与实验天文学导论,恒星与银河系天体物理学导论,银河系外天体物理学和宇宙学导论选修—连续介质力学,天体物理和宇宙学导论,万有引力导论,等离子体物理基础"系统生物学,生物物理导论,新陈代谢的生物化学,计算结构生物学,生物统计学,生物物理高级成像实验生物时钟,感觉传导生物物理学,神经生物物理学,人类基因组的计算之旅必修—危机中的地球,冰,水,火,地球动力学,选修—地震学导论,遥感,板块构造论,地球中心之旅,近表面地球物理学"粒子物理导论,理论物理研讨会,统计力学,量子力学,天体物理与宇宙学导论,万有引力导论,量子场论,粒子物理标准模型,高级银河系外天体物理学和宇宙学,高级引力论斯坦福大学还提供一系列物理学科领域的集中课程,主要面向那些想在本科阶段专注于物理学的某一领域或者将要在某一领域攻读研究生的学生.这些集中课程并不是必修的,生可以根据自己的兴趣选择,但是在毕业时,完成集中课程的学生会获得一个集中课程的认证.选择某一领域集中课程的学生至少要修四门课或三门课加一篇大四的毕业论文.多样让学生有更多的选择空间来他们感兴趣的领域可以根据自己的数学物理基础专业对物理知识的需求选择适合自己的物理学入门课程

[1]麻省理工学院本科项目——物理学web.mit.edu/physics/prospective/undergrad/index..

[2]麻省理工学院物理专业课程student.mit.edu/catalog/m8a..

[3]耶鲁大学本科项目——物理学yalecollege.yale.edu/content/physics.

[4]耶鲁大学物理专业课程students.yale.edu/oci/ycps/ycpsProgramCourses.jspsubject等于PHYS&,dept等于Physics&,term等于201603&,term等于201601.

[5]斯坦福大学本科项目——物理学stanford.edu/dept/physics/academics/ugforms/IntroSequences.pdf.

[6]斯坦福大学物理专业课程explorecourses.stanford.edu.

HierarchicalTeachingofAmericanUniversity

ZHANGLi-bin1,ZHANGGong2,YANGZu-nian3

(1.Centerofforeignteachingmaterial,NanKaiUniversity,TianJin,300071,2.TEDAAppliedPhysicsschool,NanKaiUniversity,TianJin,300071,3.DepartmentofPhysicsandelectrontechnology,SichuanCollegeofEducation,Chengdu610041)

Abstract:HierarchicalteachingandCurriculumarrangementsforPhysicseducationinAmericanUniversityareintroducedanddiscussedindetailwithMIT,Yale,andStanfordastheexamples.ThedetailedandsubstantialcontentwillmakereadersknowdeeplyaboutPhysicseducationofAmericanUniversity.ThosewillalsocontributetothereformincollegePhysicseducationofChina.

KeyWords:AmericanUniversity,HierarchicalTeaching,CurriculumArr

此文发表在《大学物理》2016年第6期上

(二)决定物理学发展的六大思想

——《SixIdeasThatShapedPhysics》赏析

张立彬1,李广平2

(1.南开大学外国教材中心,天津,300071,2.南开大学应用物理学院,天津,300071)

摘 要:对《SixIdeasThatShapedPhysics》(六卷本)这套优秀着作进行了深入的解读,从创作思想,课程体系安排和独到的特点三个方面,深入剖析了其为什么能够引领世界物理导论教学前沿的原因.该套丛书的六大思想可为我国未来的物理教材建设和物理课堂教学改革具有重要的借鉴意义.

关 键 词:守恒定律,牛顿力学,狭义相对论,电磁理论,量子物理,热力学,物理导论,课程体系

中图分类号:,文献标识码:A,文章编号

《SixIdeasThatShapedPhysics》不是一本普通的物理导论性教材,它是对这类教材一种全新的尝试,全书共六册,每册阐述了决定物理学发展的一大重要思想.《SixIdeasThatShapedPhysics》系列丛书在美国着名的文理学院——波莫纳学院大学基础物理学规划(IUPP)出版麦格劳希尔公司ThomasA.Moore教授,他在耶鲁大学获得硕士,博士学位,目前任教于波莫纳学院大学基础物理学规划(IUPP)homasA.Moore为大学物理的基础教学做出了不可磨灭的贡献的同时也积累了丰富的经验,在1989年,他萌生了要用一种崭新的思想来教授基础物理学,就这样《SixIdeasThatShapedPhysics》第一版应运而生,此丛书获得了IUPP项目委员会的大力支持,是当时被选中用于深入推广基础物理的四本优秀教材之一.本文赏析的是在2003年出版的《SixIdeasThatShapedPhysics》第二版.

1"六大思想"——支撑物理大厦的精神支柱

在《SixIdeasShapedPhysics》守恒是自然界最普遍,最重要的基本定律之一是人们认识自然和利用自然的有力武器.守恒定律细胞学说进化论合称自然科学的三大发现是19世纪自然科学的一块重要理论基石从物理,化学到地质,生物,大到宇宙天体小到原子核内部,只要有能量转化,就一定服从能量守恒的规律.Newtonianmechanics,描述物理定律的通用性,主要讲述改变世界的牛顿力学,从身边的物理到天体运动,牛顿力学都有合理的解释.牛顿经典力学体系的建立开辟了科学发展的一个新天地经典力学的广泛传播和运用对人们的生活和思想产生了重大影响,在一定程度上推动了人类社会的发展进步.经典力学体系的建立,是人类认识自然及历史的第一次大飞跃和理论的大综合,它开辟了一个新的时代,并对科学发展的进程以及人类生产生活和思维方式产生及其深刻的影响.牛顿经典力学的建立是科学形态上的重要变革,标志着近 论自然科学的诞生,并成为其他各门自然科学的典范elativity,相对论原理,爱因斯坦的相对论是对经典物理学的一种冲击,本卷主要讲述相对论思想.相对论对于现代物理学的发展和现代人类的发展都有巨大的影响相对论从逻辑思想上统一了经典物理学,使经典物理学成为一个完美的科学体系.狭义相对论在狭义相对性原理的基础上统一了牛顿力学和麦克斯韦电动力学两个体系,指出它们都服从狭义相对性原理,都是对洛伦兹变换协变的,牛顿力学只不过是物体在低速运动下很好的近似规律.狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律,并提示了质量与能量相当,给出了质能关系式.这两项成果对低速运动的宏观物体并不明显,但在研究微观粒子时却显示了极端的重要性lectrodynamics,电磁理论,重点讲述电磁场的本质,电磁波以及电磁场领域的根基——麦克斯韦方程.人们对电uantumphysics,量子物理,描述粒子的波动性,主要讲述量子物理的基本特性,薛定谔方程在量子物理学中的重要性等.经典物理学并没有结束物理学的发展,人们对客观规律的认识是无止境的.19世纪和20世纪之交,物理学的三大发现,即X射线的发现,电子的发现和放射性的发现,使物理学的研究由宏观领域进入微观领域,特别是20世纪初量子力学的建立,出现了与经典观念不同的新观念.量子力学是人类在微观领域内建立起来的第一个具有逻辑完备性的理论体系.它是继牛顿力学之后人类认识上的又一次深化,经典物理学的丰硕成果带来了第一次和第二次工业革命,在短短的几百年间使大千世界的面貌发生了翻天覆地的变化.量子力学这门新兴学科的诞生则迎来了第三次工业革命,成为其理论基础之一[6].

T卷:Thermalphysics,热力学,描述热物理中的不可逆过程,从统计学角度系统讲述热物理中的重要元素——熵.热是人类最早发现的一种自然力,是地球上一切生命的源泉热学发展史实际上就是热力学和统计物理学的发展史,可以划分为四个时期.17世纪末直到19世纪中叶,这个时期积累了大量的实验和观察事实19世纪中叶到19世纪70年代末这个时期发展了唯象热力学和分子运动论唯象热力学的概念和分子运动论的概念结合的结果,最终导致了统计热力学的产生从20世纪30年代起,热力学和统计物理学进入了第四个时期,这个时期内出现了量子统计物理学和非平衡态理论,形成了现 论物理学最重要的

3.1精简教材内容,增大互动环节

经研究证明,一本公认为优秀的导论性教材不会留给学生足够多的时间纯粹的在书本中来吸取知识.即编写物理课程,不苛求全面,系统,但应具有一定的涵盖面和完整性力求用通俗,简洁的语言描述物理现象和规律,避免复杂的物理推导和数学计算,

4结束语

据不完全统计,目前美国各大学正在使用《SixIdeasThatShapedPhysics》作为导论性物理教材的有近100所,其中不乏一些顶级名校,在国际上,加拿大,菲律宾,葡萄牙,希腊,意大利,秘鲁,荷兰,丹麦等国家的一些高校也在使用其作为物理导论教材[13].

《SixIdeasThatShapedPhysics》在世界物理学产生了深远的影响,我国教育界也正在积极学习这本优秀教材的特点,致力于我国的物理教学,相信我们可以从这里学到足够的经验来进一步完善我国的物理教学.本文旨在通过评介物理导论的经典教材,向国际一流的教科书编写学习,探索科学合理的教育新模式,实现科学素质教育和人文素质教育的互补.可以说,该文从一定程度上完善并丰富了开设大学物理导论课程的意义,同时也希望能够为我国物理导论教材建设贡献一份微薄的力量!

参考文献:

[1]physics.pomona.edu/sixideas/index.SixIdeasHomePage.

[2]《SixIdeasThatShapedPhysics》SecondEdition,UnitC:ConservationLawsConstrainInteractions,McGraw-HillPress,2003:1-285.

[3]《SixIdeasThatShapedPhysics》SecondEdition,UnitN:TheLawsofPhysicsAreUniversal,McGraw-HillPress,2003:1-264.

[4]《SixIdeasThatShapedPhysics》SecondEdition,UnitR:TheLawsofPhysicsAreFrame-Independent,McGraw-HillPress,2003:1-213.

[5]《SixIdeasThatShapedPhysics》SecondEdition,UnitE:ElectricandMagicFieldsAreUnified,McGraw-HillPress,2003:1-359.

[6]《SixIdeasThatShapedPhysics》SecondEdition,UnitQ:ParticlesBehaveLikeWaves,McGraw-HillPress,2003:1-297.

[7]《SixIdeasThatShapedPhysics》SecondEdition,UnitT:SomeProcessesAreIrreversible,McGraw-HillPress,2003:1-185.

[8]physics.pomona.edu/sixideas/sipref.《网络版序言》,《课程的组织安排》.

[9]physics.pomona.edu/sixideas/siovv.《课程前瞻》,《指导原则》.

[10]physics.pomona.edu/sixideas/sicpr.《有用的电脑程序》.

[11]physics.pomona.edu/sixideas/sioptc.《光学教程》.

[12]physics.pomona.edu/sixideas/sipref.《网络版序言》,《作业》.

[13]physics.pomona.edu/sixideas/siuse.《目前使用者》.

Thesixideasthatshapedphysics

----Appreciateof《SixIdeasThatShapedPhysics》

ZHANGLi-bin1,LIGuang-ping2

ForeigntextbookcenterofNankaiUniversity,TianJin300071,

AppliedphysicsschoolofNankaiUniversity,TianJin300071)

Abstract:Inthispaper,wegiveafullanalysisanddeepevaluationtotheintroductoryphysics′classicalteachingmaterial--《SixIdeasThatShapedPhysics》(sixunits),wethinkoffromtheideas,curriculum,featuresthesethreepartstofindthereasonthatthisbookleadtheworldtrendinphysics.Webelievethatthesesixunitsofthisbookwillprovideagreatreferencevaluetointroductoryphysics'teachingmaterialinourcountry.onservationlaw,Newtonmechanics,Thetheoryofspecialrelativity,Electromagictheory,Quantumphysics,Thermodynamics,Physicalintroduction,Curriculumsystem.

此文发表在《大学物理》2016年第3期上

(三)哈佛大学物理专业拔尖人才培养模式探讨

张立彬1,马志远2,杨祖念3

(1.南开大学外国教材中心,天津,300071,2.南开大学物理科学学院,天津,300071,

3.四川教育学院物理与电子技术系,成都,610041)

摘 要:探讨了哈佛大学物理专业拔尖人才的培养模式,诸如严谨与灵活并重的遴选方式,广度与深度并举的学业方案,宽松与紧致共存的评价体制,合作与竞争同在的集群建设.上述举措对我国高校培养拔尖创新人才具有重要的指导意义.

关 键 词:哈佛大学,拔尖人才培养模式,遴选方式,学业方案,评价体制,集群建设

中图分类号:文献标识码:文章编号:

在人才尤其是拔尖人才培养方面,困难和挑战仍然很多,其中比较突出的是拔尖人才培养模式创新的问题.拔尖人才既是社会的基石,也是科技发展的主力军.因此,关于拔尖人才培养模式的探索愈益引发国内外大学的关注,成为教育教学改革的重要问题.教育部发布的《关于加强研究型大学建设增强高等学校自主创新能力的若干意见》指出,"研究型大学是培养拔尖创新人才的基地,是自主创新的国家队,是培育和发展先进的创新文化的发源地".进一步强调了研究型大学建设和拔尖创新人才培养的重要性.

具体到物理专业,拔尖人才的概念内涵包括以下三个方面:一是有扎实的知识功底,以及由对物理的热爱而驱动产生的探索欲和求知欲,二是专有所长,在具体学科分支的研究中处于领军地位,形成有国际竞争力的学术团体,三是具有高尚的学术品格与人文气息,具有社会影响力与社会认可度,即"学术大师".哈佛大学物理系作为该校最重要的院系之一,以其千锤百炼过的培养模式,为世界输送了无以数计的顶尖物理人才.笔者在查阅资料的基础上,将它们归纳成如下几个主要方面,以资为鉴.

1严谨与灵活并重的遴选方式

人才培养,主体是人才,选择人才的第一步是录取.哈佛大学作为美国最难申请的学府之一,其录取率仅约7%左右,见表1.低下的录取率意味着高质量的生源,然而这里的"质量"并不仅仅是一个好看的分数.高水平大学应荟萃各种人才,各偏才,奇才,怪才得诺贝尔奖或成为大师级人才.1—哈佛大学近年录取情况(2003-2016)[1]

年份

(year)申请数

(applied)录取数

(accepted)录取率

(acc.rate)2003133669066.8%20041586111237.1%20051858311896.4%20061888113056.9%20071894711836.2%20162746219487.1%20162911220467.0%20163048921106.9%哈佛大学的录取模式以两个词概括就是:严谨,灵活.哈佛的入学考试有7.5个分值指标,其中,文化知识考试只占1分,其他还有研究能力,艺术技能等多项指标.一个学生如果某项才能十分突出,哈佛就派专家组通过笔试,面试,实际操作等方式评定其才能,评定后认为某项才能确实十分突出,即可进入哈佛深造.哈佛大学不只问你过去学多少,更重视你的潜力,看你未来能学多少.曾经担任过10年哈佛大学校长的陆登庭教授认为:一流的学生不能仅凭分数来评估.对于学生来说,书面的考试是很重要的,但不能代表所有方面,还有很多容需要考察.像哈佛,.要成为一名哈佛的学生,陆登庭教授认为,不只是学习好,还要看他是否有创造性仅有知识是不够的,创新精神,探索未知的好奇心,是一流学生所必备的素质.除了关心自身专业的领域,还要看他其他领域的东西,有没有广泛的兴趣一个例子.俄亥俄州雪克黑茨市哈沙维布朗高中的爱丽娜·奥聂思凯斯基一直关注着水污染,选定解决金属离子污染水作为自己的研究课题.在3000个小时的屡败屡战后,她终于发明并申报了自动微电子化学传感装置控制电镀系统的专利技术.这一技术可以有效地减少电镀时排入水中的金属离子.她还是西门子西屋科技竞赛地区决赛选手,英特尔科学英才半决赛选手,校世界事物联合国俱乐部主任,校报主编,疗养院志愿者资深协调人,丹麦人在二战纳粹大屠杀中帮助犹太人的历史的研究者先根据招生要求整理出一份名单,列出本次申请中符合条件的人会将这些人的申请材料分门别类,按每个人的姓名,学校,GPA,GRE和TOEFL成绩,感兴趣的方向等等分好.下一步的工作,就是等待教授的挑选.教授拿到申请材料之后,PS(个人陈述)和推荐信正如此的录取方1978年,哈佛大学推出《核心课程计划》.提出要将学生培养成有能力有理性的人涵盖外国文化,历史研究,文学与艺术,道德推理,量化推理,科学,社会分析等七个方面的内容,要求学生必须在每方面各选一门课,并设立核心课程独立的管理和师资实体.核心课程,学生人类组织,运用和分析知识的方式手段霍夫曼(RoaldHoffmann1958年获哥伦比亚大学Classics文学学士学位1960年在哈佛大学获物理学硕士学位1962年获化学物理学博士学位1962~1965年在哈佛大学工作1965年任康奈尔大学副教授1968年任化学教授现任该校化学系主任因对分子轨道对称守恒原理的开创性研究和福井谦一共获1981年诺贝尔化学奖的内容更强调前沿性和创新性,置身于学科前沿,密切追踪学术发展的新动向,及时新资料,新观点,新方法引导学生在一个专业方向的前沿上有所突破课程一般分为必修和选修两种.入学后要在导师下,制订前两年内满足专业综合考试(Qualify,又称博士资格考试)所要求的选课计划.博士生一般应在前两年的四个学期内修完至少九门课,包括必修课和选修课其中有两门要跨出本专业之外去选修,以拓宽知识面,适应未来的教学科研需要.每门课成绩都要达到B"等或更好.每年因课程成绩不合格而遭淘汰的学生占同一届学生总数的近30%.每选一门课,就意味着每星期要读几百页文献,还要找出问题拿到课上去讨论.如果每学期选三,四门课,每星期阅读和思考的量就到了不堪重负的地步.他们对前沿成果的熟悉和对基本文献的掌握程度.第四学期末或第五学期综合考试的大关.可以是平时在各学科的多次考试中累积成绩,也可以是连续几个半天的笔试,或者是一次性的两三个小时的口试.前两种考试可以有一定的选择科目和题目的自由,但如果B以下的成绩达到一定次数,就要被淘汰.综合考试失败,一般意味着失去继续读博士的资格.但如果考试委员会同意,可以再考一次,再失败就被淘汰了.在这个环节上的淘汰率为15—20%.只有通过综合考试,才算博士候选人,才可做学位论文.一般应在考试通过一年内选定论文导师和指导委员会,提交选题报告,六年内应完成论文.学位论文写作的每一进展都应向导师报告负责任的导师往往在学生每写出一章时,就及时审查并提出修改意见.完稿后由导师请两三个评阅人答辩委员.答辩会答辩人公开演讲,接受听众提问答辩委员提问,评议,表决哈佛每年博士学位论文在答辩中未获通过者占10%各类论文甚至课堂讨论要求学生讲清楚哪些是自己的独到见解,哪些是引用别人的观点论文的注释必须合乎规范,一般的作业也至少要有资料索引作业和论文都要努力追求原创性,用二手资料东拼西.38位诺贝尔奖金获得者,32位普利策奖获得者以及不计其数的国家和地区性奖项,专业奖项获得者等.这些成就使哈佛在生物,化学,地质学,数学,物理,经济学,英文,历史,政治科学,社会学等领域成为"傲人"的"领跑者".它拥有数不清的知名校友,他们横跨自然科学,人文科学等多个领域,在任何一个领域中都是享誉世界的佼佼者.以我们关注的物理专业为例,有S·格拉肖,S·温伯格(因,于1979年共同获诺贝尔物理学奖尼利里斯·布鲁伯根发明了激光分光镜,使人们可以在更高的精度下研究原子,于1981年获诺贝尔物理学奖诺尔曼·拉姆西因研究了分离振荡场,使人们能够精确测量原子和分子的各部之间的相互作用,于1989年与华盛顿大学的汉斯·德美尔特,联邦德国的物理学家沃夫冈·保罗三人共同获得诺贝尔物理学奖JillianK.Kushner,"CollegeAdmitsRecord-Low7Percent",March31,2016,

thecrimson./article/2016/3/31/college-admits-record-low-7-percent-this/

"IvyLeagueAdmissionsStatistics",TheIvyCoach..

admissionsconsultants./

[2]"ApplyingtoHarvard",OfficeofAdmission,HarvardCollege.

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[3]HarvardInterview:interviewreportsfromthosewhohaveinterviewedwithHarvard.

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[4]DiscussingtheCoreCurriculum:Strengths,weaknesses,andareasforpotentialchange.

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[5]HowtoCrossRegister,HarvardGraduateStudentsCross-RegisteringwithinHarvard.

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[6]RoaldHoffmann,fromWikipedia,thefreeencyclopedia.

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[9]TheboardsofHAA.

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[10]"哈佛大学",百度百科.

baike.baidu./view/10504.#6

[11]韩丹哈佛大学校友资源管理探析哲理2016(3):32-35.

PhysicsTalentTrainingmodeinHarvardUniversity

ZHANGli-bin1,MAzhi-yuan2,YANGzu-nian3

(1.Centerofforeignteachingmaterial,NanKaiUniversity,TianJin300071,2.SchoolofPhysics,NanKaiUniversity,TianJin300071,3.DepartmentofPhysicsandelectrontechnology,SichuanCollegeofEducation,Chengdu610041)

Abstract:ThephysicstalenttrainingmodeinHarvardUniversityisdiscussed,suchasselectionmethodwithbothflexibleandrigorous,educationschemeswithbothdepthandwidth,evaluationsystemwithbothlooseandtight,andconstructionofanizationwithbothpetitionandcooperation.Allthesemoveshavesignificantguidingtoourcollegecultivationoftalentwithinnovationandcriticalthinking.

Keyword:HarvardUniversity,talenttrainingmode,selectionmode,educationscheme,evaluationsystem,anizationconstruction

此文发表在《大学物理》2016年第2期上

二,已完成的文稿4篇isites.harvard.edu/remote/video/js/videotool/resources/player5_2/

(一)美国着名大学物理专业"四大力学"课程设置的特点与启示

张立彬(教育部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】本文基于对美国12所着名高校四大力学的调研信息,深入分析了美国高校四大力学的培养目标,课程内容,课程衔接,教学方法,课程学时,考核方式,师资力量,教参信息等各种教育元素,理清了美国高校教学成功的关键,并对我国四大力学课程的设置与改革提出了相应的建议.

【关 键 词】美国高校,四大力学,课程内容,课程特点,教参信息

物理学是现代科学的基础学科,在300多年的发展历程中形成了众多的学科分支.经过众多物理学家的努力,现今已经形成了以理论力学,量子力学,电动力学,热力学与统计力学(以下统称"四大力学")为基础的理论框架[1].作为物理学的理论基础,四大力学在物理学的实际教学中占据核心位置,是物理系本科生的必修课程,也是他们未来进行更深一步学习与科学研究的敲门砖.鉴于四大力学的重要性,各个学校对四大力学的教学也是非常重视,并且通过四大力学也能很好体现一个学校物理学专业的水平与方向.一直以来美国高校在本科生的物理学教育方面要优于我国高校,同时我国高校物理学教育也在不断地进行改革.本课题以美国12所着名大学的本科四大力学课程为研究对象,以课程设置为切入点,深入分析美国大学四大力学课程的诸多特点,对课程进行了全面详细的分析,以期把握美国一流大学本科物理学教育的关键,为我国物理学教育的改革提供有益的参考与启示.

一,样本选择与研究方法

为借鉴美国着名大学物理学人才培养的经验,本研究选择了在USNews(2016年)物理学排名中位列前12的大学,它们分别是:麻省理工学院(MassachusettsInstituteofTechnology),斯坦福大学(StanfordUniversity),加州理工学院(CaliforniaInstituteofTechnology),哈佛大学(HarvardUniversity),普林斯顿大学(PrincetonUniversity),加州大学伯克利分校(UniversityofCaliforniaBerkeley),康乃尔大学(CornellUniversity),芝加哥大学(TheUniversityofChicago),伊利诺伊大学厄本那―香槟分校(UniversityofIllinoisUrbanaChampaign),加州大学圣塔芭芭拉分校(UniversityofCaliforniaSantaBarbara),哥伦比亚大学(ColumbiaUniversity),耶鲁大学(YaleUniversity).

本课题主要采取网络调研的方式,所采集的信息都是美国12所高校在其网站公布的公开信息.课题对样本学校四大力学课程的培养目标,课程内容与衔接,教学方法,考核方式,师资质量,教参信息等各种教育元素进行调查统计,并以典型学校的课程设置为例,分析了美国高校在这些方面的实际情况.

二,美国四大力学本科教育情况

1,课程目标

培养创新性人才是每个高校的基本目标.对于刚刚开始接触专业物理的本科生,四大力学的基本目标是让他们理解支配物理世界行为的基本物理原理,这包括时间,空间,物质及各种形式的能量,从亚原子到宇宙,从基本到复杂等各方面的物理内容.以MIT为例,该校的物理系就为学生展现了一个丰富多彩的物理世界:从基本粒子或是弦到星系或是整个宇宙,从使物质变得比大爆炸以来所有物质更热的相对论性原子核碰撞到用激光使物质变得接近绝对零度以致形成玻 因斯坦凝聚态,从单个的原子到普通的材料等在进行纯理论教学

前,能够先向学生展示该领域的丰富多彩的前沿,成为美国各高校吸引学生投身物理学习的法宝,这为学生将来从事物理研究提供了很强的原动力[2].

在了解当代物理的知识基础上,掌握当代物理处理实际问题中的各种重要的经典的方法,更重要的是让学生形成现代物理的思维习惯,让学生能够用物理的眼光来看待问题,分析问题,解决问题.通过对四大力学的学习,物理专业的本科生能对当代物理有一个基本的认识,并能够为研究生的学习提供一个良好的基础,也为基础研究提供了必要的技能与知识.当然,四大力学对学生物理思维的训练不仅仅对以后从事物理工作有用,它给予学生分析问题,解决问题的必要技能,在其它众多的领域,如计算机,通信,甚至是金融等领域都有很强的应用.

2,课程内容

本文中的四大力学是指:理论力学,量子力学,电动力学,热力学与统计力学,这四门课程构成现在物理体系的基本框架.由于物理现象的纷繁复杂,相应的物理理论也有很多,在实际的教学中,每个学校会根据学校的科研方向或教授的理解,对每门课程的内容的设置上做些相应的变化.但是我们看到,物理理论的发展已经从简单的唯像理论向纯理论有了很大的进步,这使得物理理论能够更基本,应用更广泛.这里我们参考MIT的课程,只是介绍四大力学里面很是核心的内容.

(1)理论力学[3]:包括牛顿力学,拉格朗日力学和哈密顿力学.内容上有最小作用量原理,伽利略变换,拉格朗日力学体系,欧拉-拉格朗日方程,中心势,刚体,简谐振动,泊松括号,正则变换,哈密顿-雅克比方程等.

(2)量子力学[4]:近代物理的相关实验,波粒二象性,海森堡不确定性原理,薛定谔方程及它在一维和三维简单情况下的解,氢原子,量子态及其表示,算符和基本算符代数,表象理论,粒子的自旋,角动量理论,微扰论,含时跃迁,全同粒子等.

(3)电动力学[5]:经典电动力学基础,静电问题,静磁问题,电磁波的传播,电磁波的辐射,狭义相对论基础.

(4)热力学与统计力学[6]:热力学的基本概念和基本规律,均匀系的平衡性质,相变的热力学理论,多元系的复相平衡与化学平衡,非平衡态热力学简介,统计物理基本概念,近独立子系统,统计系综理论,涨落理论等.

3,课程衔接

在学习四大力学之前,学生需要具备一定的微积分,微分方程等数学基础,同时还要学生对基础物理的内容有较好的理解.对于这些准备课程,学校都在选课指导里面给了很好的描述,仍然以MIT为例[7],在针对物理学学士的课程计划里,在四大力学课程之后,都会给出学习该课程的预备课程,如在选量子力学I(8.04)之前,学生应该选修过物理III(8.03)和微分方程(18.03).这样做为学生的自主选修做了很好的指导,在课程的开课时间上,也是尽量把四大力学课程往后放,多是在大二,大三等较高年级开课,这样就给学生足够的时间来准备.

同时我们看到,一些学校对于较难的科目,如量子力学,进行了分层次的教学,即把一门课分成两个甚至三个课程,如MIT的量子力学就被分成3个层次,成为一个系列,由浅入深.在这些学校,通常在正式介绍量子理论之前,会有一个简单的导论性质的课程来引导学生进入该课程的核心.这样能够很好的由浅入深的把学生带入课程,从而避免由于课程难度一下增大,使学生很难理解的问题.同时,在四大力学之后,学校一般还会开设更加前沿的一些课程,供那些致力于科学研究或是对科技感兴趣的同学选修.

4,教学方法

由于四大力学的理论特殊性,传统的老师讲学生听的"贯入式"教学还是在四大力学的教学中占据着主导地位.一方面是因为四大力学课程内容相对来说比较难,"贯入式"教学能够很好地引导学生进入这些课程,通过老师手把手的教,使学生能够较快的掌握四大力学的基本内容和方法,从而为以后的学习打下基础,另一方面是因为四大力学发展基本完善,"贯入式"教学能够比较好的构建起物理理论的框架,减少学生在学习中走的弯路,使学生能理解和体会现代物理的基本理论,从而为进一步的应用做准备.当然"贯入式"教学的缺点也是不可避免的,最明显的是学生的积极性不高,对培养学生的创造能力不利.因此,需要用其它的教学方法来辅助进行,以便提升学生的创造力.

所以四大力学的教学不能局限在传统的教学方法,通过调查我们看到,美国高校已经开始把一些比较好的教学方法引入到四大力学的教学中来.其中有一个能很好的提升学生的创新能力即"同伴教学法-PI教学法",引导学生参与教学过程,变传统单一的讲授为基于剖析概念的自主学习和合作探究,在大班课堂教学中构建了一种学生自主学习,合作学习,生生互动,师生互动的创新教学模式[8].还有很多其它的教学方法,如"研讨式教学法","项目教学法","导师制","交流式"等都值得我们借鉴学习.

5,课程学时

一般四大力学课程的学时与基础物理课程基本持平,但考虑到有些学校会把四大力学中的一些课程分成多个课程来上,实际教学中四大力学的课程学时还是要比基础物理要多一些的.同时由于四大力学每门课程的内容并不一样,有的会多点有的会少点,并且每个学校的侧重点会有些差别,所以每门课的学时也是有较大差异的.表1是统计的美国12所学校的四大力学课程的学时情况,需说明的是本文已把相同课程名称的课程学时加在一起来作为一个课程的学时的.同时我们还注意到,在美国高校的四大力学教学中,比如在MIT,本科生会有习题课或是讨论课,本文没有算在课程学时内.

表1:美国高校"四大力学"学时统计表

学校理论力学电动力学量子力学热统麻省理工学院525214672斯坦福大学48547252加州理工学院445210472哈佛大学524810472普林斯顿大学52527272加州大学伯克利分校52527252康乃尔大学52527272芝加哥大学48527268伊利诺伊大学厄本那―香槟分校52527272加州大学圣塔芭芭拉分校524810472哥伦比亚大学525210452耶鲁大学525214652(注:表1的1学时为我国的45分钟)

6,考核方式

对四大力学的考核主要是平时成绩和考试,部分学校的考核方式统计见表2.从调研的数据来看,平时作业在各个科目里占的比重还是很大的,基本都在40%左右.像加州理工学院的量子力学和理论力学,其平时作业更是占到整个成绩的50%,这是因为在该校学生会有一个讨论课,在课上学生会去讨论教师留的一些问题,教师根据学生表现会给出一个成绩,从而也作为平时作业的一部分.很明显的是美国高校都有一个期中考试,所占的比例大概在20%到30%,这次考试对学生的督促作用还是很明显的,能够让学生在整个学期的中间时段好好的总结复习一下学过的知识,为下半学期的学习做好准备.最后是期末考试,所占比例在30%到40%,比重基本和平时作业持平,这说明美国高校看重的是学生的平时学习情况,而不是最后的一个考试成绩.

表2:美国部分高校考核方式比重表

学校课程作业期中考期末考麻省理工学院电动力学33%30%37%量子力学20%40%40%理论力学35%30%35%热统14%46%40%加州理工学院电动力学40%20%40%量子力学50%15%35%理论力学50%20%30%热统40%20%40%伊利诺伊大学厄本那―香槟分校电动力学40%20%40%量子力学40%20%40%理论力学40%30%30%热统40%30%30%

7,师资力量

良好的师资质量是保证四大力学教学成功的得关键,通过调查发现在美国高校,给本科生上四大力学的教师都是物理系的教授,年轻教师很少,多数都是中年以上的教师,教学经验很是丰富,对四大力学内容与方法的理解也是很深的,并且同时我们看到,担任四大力学教学的老师,他们有很好的科研背景,他们的科研水平在物理系里面也是很高的,是该校物理专业相关方向学术带头人的也有很多,都是学术造诣很高的人才,他们的整体水平明显要高于担任其他课程的老师,由此也能看出四大力学的重要性来.四大力学的一个目的是为将来的科研打基础,让科研经历丰富的老师讲四大力学可以在适当的时机给学生开阔视野,给学生展现物理前沿的科研动态,讲述四大力学在科研中的重要作用,吸引他们继续在相关领域做更深入的研究.

除了有正式上课的教授外,美国高校还有辅助学生平时学习的助教,这些助教不仅要协助教授完成日常的教学工作,还在学生平时的自主学习中担任了重要角色.比如在加州理工学院,助教就要主持每周的习题讨论课,这是学生应用在课堂里学到的知识的时候,通过助教的指导帮助,学生能够更好的掌握课堂里的知识,并能够学会如何应用这些知识.由此我们发现,助教在美国高校的四大力学教学中有着重要作用,他能及时的解决学生在平时的疑惑,这在很大程度上保证了教学质量.

8,教参信息

由于笔者所在的是教育部南开大学外国教材中心,负责引进物理类外文原版教材,故此对美国学校四大力学的教参信息格外关注.我们整理的教参信息见表3,由整理的教参信息发现,美国高校的四大力学教材相对集中,比如D.Griffiths的《量子力学简介》,这本教材基本被每个学校列为教参,是美国高校最流行也是最适合做教参的一本书.通过统计美国高校的教参信息,为教育部南开大学外国教材中心下一步引进国外先进教材做了准备.

表3:美国部分高校"四大力学"教参信息

学校课程教材参考书麻省理工学院量子物理1《关于原子,分子,固体,核及粒子的量子理论》R.EisbergandR.Resnick《量子力学简介》

FrenchandE.Taylor量子物理2《量子力学简介》D.Griffiths量子物理3《量子力学简介》D.Griffiths《量子力学》C.Claude电磁理论《经典电动力学》D.Jackson《经典电动力学》Schwinger经典力学《力学》Landau《经典力学》Goldstein统计物理《平衡态热力学》C.J.Adkins《热学》RalphBaierlein加州理工学院量子力学《量子力学简介》R.Liboff《量子力学简介》D.Griffiths统计力学《热学》C.Kittel经典物理

(力学)《分析力学》Hand《经典力学》Goldstein哈佛大学量子力学《量子力学简介》D.Griffiths《量子力学简介》R.Liboff力学《经典力学》Goldstein《力学基础》G.Gallavotti普林斯顿大学分析力学《经典力学》Taylor加州大学伯克利分校电磁学与光学《电动力学简介》D.Griffiths《量子力学简介》D.Griffiths量子力学《量子力学》Bransden热力学与统计物理《热学》Kittel经典力学1《粒子系统的经典动力学》

S.Thornton伊利诺伊大学厄本那―香槟分校经典力学2《经典力学》Taylor《粒子系统的经典动力学》S.Thornton中级电磁学1《电动力学简介》D.Griffiths中级电磁学2《电动力学简介》D.Griffiths量子力学1《量子力学简介》D.Griffiths《费曼物理学讲义》量子力学2《量子力学简介》D.Griffiths《费曼物理学讲义》力学《经典力学》Taylor哥伦比亚大学高级力学《力学》Landau《经典力学》Goldstein电磁学与光学《电动力学简介》D.Griffiths

三,对国内高校"四大力学"课程教学与教材建设的启示

1.调整培养目标

培养目标是指导学科建设的方针,一个好的培养目标不仅能促进学生的发展,更能够促进整个学科健康发展.对比国内高校的培养目标发现,在该方面国内与美国的认识还是很接近的.以北京大学物理系为例,该系的培养目标为:"物理学专业的教学致力于培养专业基础宽厚扎实,综合素质优秀,适合在物理学及其交叉学科和高新技术应用开发以及相关大型工程项目管理等多种领域工作的杰出人才"[9].为实现这一目标,北京大学物理学专业采用多样化,个性化的培养模式.学生可以根据自己的兴趣和爱好在导师的指导下选择宽基础型,纯粹物理型或应用物理型等课程体系,并相应采用自助餐式的不同的课程菜单.目标与实际课程的结合保障了最终人才的质量.

培养目标通俗讲是个口号,是高校对该课程的一个认识,要真的能培养出符合要求的人才,最终还是要通过具体的课程来实现.但是国内高校在某些方面的目标并没有在实际课程设计中体现出来,比如被很多高校提出但却没有实际行动的学生创新能力,这一点是各个高校要克服的.仅从培养创新能力上来说,笔者所在的南开大学近些年的改进还是很大的.以量子力学为例,在该课程教学中,老师就会给学生安排一个开放性的问题让学生去研究,这样就能锻炼学生的自主学习与创新能力.该课程中学生的研究成果可以参考课程主页,上面有丰富多彩的关于量子力学内容[10].

2.改进课程内容

四大力学由于发展比较完善,在基本内容上都是比较固定,不会有太多的改变,这在国内与美国是基本一样的.但是我们注意到,美国高校在四大力学之前会给学生展现一个丰富多彩的物理世界,该做法旨在提升学生对物理学本身的兴趣,从而吸引学生主动去探索.国内相对来说较差,结果是很多学生感到物理学特别是四大力学枯燥.为了改变国内的现状,我们建议在教学中引入物理学史料,这是发挥课程功能,实现课程目标的重要方法和途径.可结合课程内容精选与四大力学学发展史有关的资料,精心设计教学内容,比如在量子力学中提到薛定谔方程时,可以给学生讲解一下薛定谔本人在提出该方程前后的一些历史背景.同时我们建议教师在讲课过程中要尽量多的把课程内容与科研前沿的应用相结合,比如在理论力学里讲一维谐振子链时就可以联系该模型使用最广泛的晶体晶格振动,这样的好处是能够在恰当的时机为学生展现现代物理的内容,让学生真实感受到所学的知识有很强的应用性,从而提升学生主动学习的积极性.

3.转变考核方式

考核方式是国内高校与美国高校差别最大的一项.以南开大学为例,四大力学的课程考核主要分为两部分,即平时成绩与期末考试,没有期中考试,在考核方式所占的比重上,平时作业占20%左右,期末考试占80%左右.其它高校的情况也与南开类似,显然在国内高校的课程考核中,一考定成绩的情况仍然比较严重,这样的坏处就是学生可能只在临近期末的最后一段内突击课程,在考试过后便会很快的遗忘所学内容,从而使国内四大力学教学出现学生考试成绩很高但在实际应用时却不懂的矛盾现象,这大大削弱了课堂教学效果.

针对国内的弊端,并参考美国高校的方式,我们建议首先国内高校要增加一次期中考试.由于是改革性质的,建议先把这次期中考的比重定为10%,看学生的最终反映如何,然后逐年提高,由于四大力学课程稍有差异,我们建议期中考试的比重在20%到30%为最佳.通过增加一次期中考,能有效的促进学生学习的主动性,提醒学生课程的重要性让学生在下半学期的学习中多花点时间.

其次,就是要增加平时成绩的比重.考虑到国内高校的情况,所增加的比重我们不建议直接就是平时课堂习题部分,因为国内高校的学生在作业独立完成上面有很大的欠缺.我们建议可以推行研究性学习,即在教学中间适当给学生布置一些小的研究性的题目,让学生自己通过找资料,读文献,做实验的方式来解决问题,这样不仅能让学生应用到所学的知识,还能很好的锻炼学生的创新与科研能力.

4.充分发挥助教的作用

对比美国高校,在国内高校中,助教的作用其实并没有很好的发挥.国内高校助教的最大作用只是帮助教师批改学生的平时作业,还有就是在有限的两三节习题课上给学生讲解作业,这与美国高校助教每周都主持习题课,帮助学生解决问题相差很大.我们建议国内高校应该充分发挥助教的作用,不仅要协助教师完成四大力学的教学工作,还要帮助学生解决平时学习中遇到的各种问题.为了充分保证能发挥助教的职能,在主课之外增加适当的习题课与讨论课是相当有必要的,在这些课上不仅能让学生巩固已学的知识,解决发现的问题,还能激发学生问问题的主动性,提高学生的学习兴趣.正是由于美国高校在助教环节比我国要完善,才使得美国高校在四大力学甚至其它各个课程中的教学效果要好于我国,可见助教是保证好的教学成果的重要方面,我国高校在这方面还要进一步加强.

四,结束语

本文通过对美国高校四大力学课程的培养目标,课程内容与衔接,教学方法,课程学时,考核方式,师资力量,教参信息等各种教育元素的详细分析,看出美国高校在围绕保证四大力学的教学质量上进行了诸多努力,整体上来说就是调动学生的学习主动性,同时通过一定的强制性手段来保证学生的学习时间,从而使教学过程中的主体——学生能够真正的参与到教学过程,最大限度的保证教学质量.对比美国高校,我国高校在四大力学的教学过程中的不足之处就在于学生真正参与教学课程的只有课堂一点时间,未能有效的调动学生学习的主动性,忽视了在课外学生自主学习的重要性,所以我国高校在四大力学的教学改革上还有很大的改进空间.

【参考文献】:

[1]"四大力学"——百度百科:baike.baidu./view/4361588..

[2]MIT物理系本科课程信息:web.mit.edu/catalog/degre.scien.physi..

[3]MIT理论力学课程内容信息:ocw.mit.edu/courses/physics/8-09-classical-mechanics-fall-2006/.

[4]MIT量子力学课程内容信息:ocw.mit.edu/courses/physics/8-04-quantum-physics-i-spring-2006/.

[5]MIT电动力学课程内容信息:ocw.mit.edu/courses/physics/8-07-electromagism-ii-fall-2005/.

[6]MIT热力学与统计力学课程内容信息:ocw.mit.edu/courses/physics/8-044-statistical-physics-i-spring-2016/.

[7]MIT物理学学士课程计划:web.mit.edu/catalog/degre.scien.ch8..

[8]同伴教学法-百度百科baike.baidu./view/6617954..

[9]北京大学物理系主页:phy.pku.edu..

[10]南开大学量子力学学生电子作业:physics.nankai.edu./grzy/shenhong/jiaoxue/ehomework137..

Thecharacteristicsandenlightenmentof'thefourmainmechanics'ofphysicscourseinfamousAmericanuniversity

ZHANGLi-bin1,HANZhi-long2

(1.Centerofforeignteachingmaterial,NanKaiUniversity,TianJin,300071,2.Physicsschool,NanKaiUniversity,TianJin,300071)

Abstract:Thisarticleisbasedontheresearchinformationof'thefourmainmechanics'of12Americanuniversities,inwhichcourseaim,coursecontent,coursecurriculum,teachingmethods,articulationhours,assessmentmethods,teachers,referenceinformationandothereducationelementsarediscussedindetail.ThesuccessfulkeypointofAmericanuniversityeducationisfundedandsomeadvicesoncoursecontentandrevolutionof'thefourmainmechanics'inourcountryarealsogiveninthisarticle.

KeyWords:AmericanUniversity,fourmainmechanics,courseinformation,coursecharacteristics,referenceinformation

(二)中美着名大学《理论力学》课程的比较与思考

张立彬(教育部南开大学外国教材中心,天津300071)

刘学文(南开大学物理科学学院,天津300071)

内容摘 要:根据中美高校物理学排名,笔者搜集了美国12所顶尖高校与中国10所着名大学的理论力学课程及其教参等信息,在此基础上,比较了中美着名大学理论力学课程的培养目标,教学内容,教材及参考书,教学方式,课程学时,考核方式,师资力量等.通过比较发现美国理论力学教学的特点和国内教学的不足,本文可为国内理论力学课程教学的改善提供一定的启示与借鉴.

关 键 词:理论力学,美国高校,中国高校,课程特色,课程比较,物理教材

理论力学是人们称为"四大力学"的物理课程之一,也称为经典力学.对于各高校物理教学是必不可少的基础课程.一般来讲理论力学从变分法出发,引出拉格朗日力学体系,哈密顿力学体系,哈密顿-雅克比理论等理论力学所研究的对象为质点质点系,质点力学质点系力学如刚体.所研究问题的不同,理论力学又可分为静力学,和动力学三部分.静力学在力作用下处于平衡的规律运动学研究物体运动的几何性质动力学研究物体在力作用下的运动规律理论力学重要振动理论,陀螺仪理论,变质量体力学,刚体系统动力学等收集了美国十二所顶尖大学的理论力学课程信息包括了课程主讲内容,使用教材及参考书等.这些学校有:麻省理工学院(MassachusettsInstituteofTechnology),斯坦福大学StanfordUniversity),加州理工学院CaliforniaInstituteofTechnology),HarvardUniversity),PrincetonUniversity),UniversityofCaliforniaBerkley),康奈尔大学(CornellUniversity),芝加哥大学(TheUniversityofChicago),伊利诺伊大学香槟分校(UniversityofIllinoisUrbana-Champaign),加州大学圣芭芭拉校UniversityofCaliforniaSantaBarbara),哥伦比亚大学(ColumbiaUniversity)和耶鲁大学(YaleUniversity).

一,中美高校《理论力学》课程的比较

1.培养目标的比较

以创新人才为本科生的培养目标是所有高校的教育理念,培养创新人才,构建创新教育需要从方方面面来精心建设,其中课程的设置是一项基本的问题.对于理论力学这门课程,无论国内外都是大学物理学的必修课程.

理论力学(或经典力学)有三种不同的理论形式:牛顿力学,拉格朗日力学,哈密顿力学,后两部分合称为分析力学,也是大多数理论力学课所要着重讲述的.一般各大高校在教授此课程时会从牛顿力学讲起,它是分析力学的基础.普通物理课程基本上是从物理现象出发,通过分析归纳的方法,得出物质运动规律,强调的是从感性到理性的认识,而理论力学这门深入课程是从物理学的经验出发,创建一个理性的物理世界,然后通过逻辑演绎的方法,推理出这个理性世界所应有的各种性质,再与现实的经验事实作比较,并探讨其实际应用的可能性,它是普通力学的延续与提高,是一门偏重于培养理性思维能力的物理课,是一门全新的课程[2],通过学习这门课程可以更深入的理解力学中的基本观点和概念(deeperunderstanding).

在学习理论力学之前,学生需要具备一定的微积分,微分方程等数学基础[3],理论力学是学生第一次用高等数学方法来处理物理问题的一门理论物理课程,通过学习,学生不但能对宏观机械运动的基本概念和基本规律有比较系统的理解,而且能掌握处理力学问题的一般方法,进而培养解决一般物理问题所必需的理性,抽象思维能力.无论在国内国外,通过理论力学的讲授,旨在使学生学习到建立在严密的逻辑基础之上的经典力学内容,使用更严谨的数学分析观点来理解物理世界.

2.课程内容的比较

在国内理论力学课程主要讲述内容一般有:牛顿力学,拉格朗日方程,两体问题(散射),刚体问题,微振动,非惯性参考系,阻尼运动,哈密顿理论等等.这些内容在大部分的教材及参考书中都是共有的内容.那么关于美国主要高校的理论力学教学内容都有什么呢,与国内有什么不同呢各大学的详细课程内容的相关信息列于表1:

表1:美国着名大学理论力学课程内容

美国大学理论力学课程代码课程描述麻省理工学院8.09介绍经典力学主要内容,包括Euler-Lagrange方程,Hamilton运动方程,散射问题,微扰问题,Noether定理,同时涉及相对论内容和经典电动力学.斯坦福大学PHYSICS110主要为Lagrangian以及Hamiltonian力学.包括最小作用量原理,伽利略相对性原理,Lagrangian力学系统,Euler-Lagrange方程.中心势,开普勒问题以及行星运动,散射问题,Rutherford散射及散射截面问题,简谐运动,泊松括号,正则变换,刘维尔定理,Hamilton-Jacoby方程.加州理工学院Ph106a

Ph106b主要内容包括:Lagrangian及Hamiltonian力学方程,微振动,边值问题,多级展开等.哈佛大学Physics151经典力学的基本问题,有Lagrange运动方程,对称性及守恒定律,Hamilton运动方程,Hamilton-Jacobi理论及相空间,微振动,非线性振动,混沌系统等.普林斯顿大学加州大学伯克利分校105课程内容有:牛顿力学,一,二,三维的质点运动问题,Larange方程,Hamilton方程,向心力运动,参考系问题,连续介质力学,振动问题,刚体力学,张量分析.康奈尔大学PHYS3318PHYS3314Lagrangian力学,基于变分原理的牛顿力学,守恒定律与对称性,两体运动,散射实验分析,微振动,刚体运动,非惯性参考系中的运动,非线性力学问题.芝加哥大学PHYS18500内容包括:牛顿力学,Lagrangian和Hamiltonian力学,广义坐标,正则动量,相空间,约束系统,向心运动,非惯性参考系,刚体运动.伊利诺伊大学香槟分校PHYS325&,326经典系统的运动学,动力学:主要为牛顿力学,三维运动,守恒定律,阻尼振动及受迫振动,Lagrangian及Hamiltonian力学.加州大学圣芭芭拉校PHYS105A

PHYS105B质点及质点系力学,简谐振动,曲线坐标系,向心力,散射,刚体运动,运动参考系,Lagrange方程及广义坐标,约束力,微振动及简振模,Hamilton力学,狭义相对论.哥伦比亚大学PHYSW3003

PHYSG4003PHYSW3003包括:牛顿力学,简谐振动,保守力与势能,向心力,费惯性参考系,刚体运动,Lagrange力学方程,耦合振动,简正模式.

PHYSG4003包括:Lagrange力学,变分原理,作用量原理,Hamilton力学,刚体运动,欧拉角,连续介质力学PHYS410a采用更高级的力学处理方式,主要讲述Lagrange及Hamilton力学方法,包括质点和质点系问题,刚体问题,自由振动和受迫振动,同时有混沌及相对论的介绍.

由上表,美国大学的理论力学主要内容包括:拉格朗日-欧拉方程,散射问题,刚体问题,振动,参考系问题,阻尼运动,哈密顿理论,混沌力学等.不难发现,在本课程的教学内容方面,中国与美国没有明显的区别.

3.教材及参考书的比较

教材以及参考书是学生接收信息和知识的主要载体,亦是教师教授知识的主要工具,所以教材及参考书的选取是教学过程的重要的环节.在学习过程中参考一本好的教材可以使人们更好的理解,接受所讲授的知识.以下表2和表3分别展示了中国代表性大学和美国代表性大学《理论力学》教学所使用的教材或参考书.

表2:国内着名大学理论力学教材及参考书(带星号者)

中国大学名称课程代码教材及参考书南京大学12016理论力学(梁昆淼)高等教育出版社中国科技大学PH02101李书民《经典力学概论》

沈惠川,李书民《经典力学》

秦敢,向守平《力学与理论力学》(下册)北京大学12016理论力学基础教程(胡慧玲,林纯镇,吴惟敏)高等教育出版社高等教育出版社

理论力学(金尚年)高等教育出版社第二版

*理论力学教程(周衍柏)高等教育出版社第三版

*理论力学简明教程(肖士珣)人民教育出版社

*理论力学(范钦珊)清华大学出版社武汉大学0700254《经典力学》(上册)许定安等人编,武汉大学出版社出版,

*《力学》赵凯华编着,高等教育出版社出版

*力学——《伯克利物理学教程》第一卷,[美]C.基特尔等编

由此表可以发现,梁昆淼以及金尚年所着教材比较受欢迎,同时复旦大学,南开大学,武汉大学还分别以《经典力学》(Goldstein),《力学》(朗道),《伯克利物理学教程》([美]C.基特尔)为参考书.

表3:美国着名大学理论力学教材及参考书(带星号者)

美国大学理论力学课程代码教材及参考书麻省理工学院[4]8.09Goldstein,Herbert.ClassicalMechanics.3rded.SanFrancisco,CA:Addison-Wesley,2002.ISBN:0201616110.

*Marion,JerryB.,andStephenT.Thornton.ClassicalDynamics.4thed.FortWorth,TX:SaundersCollegePub.,1995.ISBN:9780030973024.

*Landau,L.D.,andE.M.Lifshitz.Mechanics.3rded.TranslatedbyJ.B.SykesandJ.S.Bell.Oxford,UK:Butterworth-Heinemann,1982.ISBN:9780750628969

*Scheck,Florian.Mechanics.3rded.NewYork,NY:Springer-Verlag,1999.ISBN:9783540655589.斯坦福大学PHYSICS110加州理工学院[5]Ph106aandPh106bAnalyticalMechanicsbyHandandFinch:muchofthestructure,pacing,notation,etc.istakenfromthistext.

*ClassicalMechanicsbyGoldstein,Poole,andSafko(3rdedition).

*ClassicalMechanicsbyJohnTaylor.哈佛大学[6]Physics151H.Goldstein,C.Poole,andJ.Safko,ClassicalMechanics,3rdEdition.

*V.Arnold'sMathematicalMethodsofClassicalMechanics.

*G.Gallavotti'sTheElementsofMechanics.

*R.DouglasGregory,ClassicalMechanics

*T.Kibble,ClassicalMechanics.

*E.Mach,TheScienceofMechanics.

*D.Morin,IntroductiontoClassicalMechanics.

*L.D.LandauandE.M.Lifshitz,Mechanics.

*F.Scheck,Mechanics:fromNewton'slaws.todeterministicchaos.普林斯顿大学加州大学伯克利分校[7]105Taylorclassicalmechanics,2005,UniversityScienceBooksSausalito.康奈尔大学PHYS3318PHYS3314芝加哥大学PHYS18500伊利诺伊大学香槟分校[8]PHYS325326ClassicalDynamicsofParticlesandSystems,5thedition,byStephenT.Thornton.

J.Taylor,ClassicalMechanics.加州大学圣芭芭拉校PHYS105A

PHYS105B哥伦比亚大学[9]PhysicsW3003

PHYSG4003Mechanics,byL.D.LandauandE.M.Lifshitz,translatedfromtheRussianbyJ.B.SykesandJ.S.Bell.Oxford,NewYork:PergamonPress,1976.ISSN:9780080210223.

*Classicalmechanics,HerbertGoldstein,CharlesPoole,JohnSafko.San-Francisco:AddisonWesley,2002.ISSN:9780201616117.耶鲁大学PHYS410a

此表包含了课程代码,教材和参考书详细情况.从中可以发现,美国高校选取了世界公认的经典物理学教材,这些教材大多出自世界一流的大学或出版社,如剑桥大学出版社,Springer,AddisonWesley等知名出版社.同时发现ClassicalmechanicsbyGoldstein,ClassicalmechanicsbyJohnR.Taylor.,ClassicalMechanicsbyL.D.LandauandE.M.Lifshitz是一些最常被利用的教材或参考书.

国内教材相比国外的经典教材从内容的逻辑顺序到讲述风格都有很大的差异,我们完全可以进行改进,最直接的方法是更多的引入经典理论力学着作.

4.教学方式的比较

理论力学课程的教学方法体现着并来源于整个物理学学科的教学方法与传统.那么让我们首先分析一下美国高校的物理学教学方式.

美国大学物理系办学的成功经验之一是分层次教学法.在充分考虑学生的不同以及兴趣爱好的基础上,制定了具有针对性的分层次课程计划和灵活多样让学生有更多的选择空间来他们感兴趣的领域物理系本科生两个层面的课程计划,它能够让学生按照个人未来的职业目标来安排自己的物理学习集中的培养方案(Thefocusedoption)主要面向那些将在物理学及相关领域攻读研究生的学生,该培养方案为学生制定了更加深入的物理学高级课程计划,还有物理学领域的研究计划和物理学专业学术论文的要求,要学习物理学I"物理学II微积分I微积分II,以及化学生物人文艺术社会课程第二学年,执行Tfocusedoption课程计划的学生:III","相对论量子物理I统计物理学I经典力学II通过本科生研究计划项目(UROP)来获得重要的实验技能第三学年,学生应实验物理I实验物理II量子物理II和量子物理III开始选修限制性选修课,包括一门数学类课程和至少两门物理类课程变函数及其应用工程高级微积分和线性代数天体物理学生物物理学凝聚态物质"等选修课学生提供现代物理学最前沿的知识鼓励打算攻读物理学研究生的学生选修理论物理系列课程:电磁学II统计物理学II和经典力学II有大量的空余时间可以用来深化自己的物理知识或者拓展其他学科Thefocusedoption计划课程面窄但是深入,目标明确:培养从事物理学的精英人才同伴教学法引导学生参与教学过程,变传统单一的讲授为基于剖析概念的自主学习和合作探究,在大班课堂教学中构建了一种学生自主学习,合作学习,生生互动,师生互动的创新教学模式低年级学习公共专业基础课,进入高年级后按照双向选择根据不同的专业学习专业课程原则.公共专业基础课包括外语,数学,力学,热学,电磁学,光学,原子物理,基础物理实验,近代物理实验,量子力学,电动力学,热力学与统计物理,数学物理方法等,计算机方面有计算机基础和C语言,计算软件和计算物理等课程,其中普通物理的力学,热学,电磁学,光学,原子物理学五门课程实行双语教学."与南开大学的"高年级按不同专业选择课程"有一定的相似之处,都可以使学生有一定的自主选择权利,但相比较前者自主选择空间更大.其次南开物理学院(国内其他大学同样如此)开设了多门计算机课程,这样的课程设置对学生发展有很大的好处,是值得保持的特点.

在国内,课堂教学方法通常是教师讲授为主(与国外大学相同),同时配以多媒体手段(如利用PPT来展示教学内容).以多媒体手段进行授课是目前国内很流行的方式,对于这一方法有利有弊,有利之处在于它丰富了教学方法,有助于改善学生的听课兴趣.但是弊端同样值得人们思考,尤其是对于理科课程的教学.例如,理论力学的学习过程中,其内容里有大量的公式推导和计算,如果只通过PPT的演示而不是传统的在黑板上进行演算就很难达到理想的效果,学生不能得到到其中的一些细节感受,这样的情况非常不利于知识的掌握,理解,这一点亟需改善.

总之,理论力学是一门注重分析,理性,抽象的全新学科(与普通物理相比),如果在课堂上运用一些各种不同的教学方法相信会有很好的效果.

5.课程学时的比较

国内理论物理课程的学时一般在60-70学时,周衍柏所着《理论力学》建议54学时课程以及18学时的习题课,其中习题课为加强学生对课程内容的理解和掌握有很高的价值.理论力学包含着很多内容,国内大学会在一个学期之内尽量讲授更多的内容.

比较而言美国大学每学期课程安排较少,比如MIT的理论力学共用38小时左右来讲述课程(lecture),然后用十二个小时进行习题课(recitation)[13].与此同时很多学校(比如加州理工,UIUC等)把理论力学分成两部分(ClassicalMechanicsI,II),由于同样的课程内容用更长的周期来讲述,可以使学生有更多的时间来细致的理解课程知识,从时间上对于本科生学习其他课程也没有影响,这样学生具有更多的发展和学习空间.

6.考核方式的比较

国内课程考核方式一般以期末的书面闭卷考试为主,平时成绩除期中考试(很多学校不进行期中考试)外,只有作业情况可以参考,理论力学也不例外.

下面我们看美国高校的理论力学考核方式.在美国,各大学强调以平时学习"过程考核"为中心的机制,变单次考试为全程多次考核,多模式考核.比如在伊利诺伊大学香槟分校,整个学期间进行两次期中测试(twomidtermexams,每次占成绩15%),期末考核(finalexam,30%的成绩),平时的家庭作业占了成绩的很大比例(36%左右),每周会有问题讨论会(5%)[14].MIT的理论物理考核方式类似:家庭作业占成绩30%,测试I占20%,测试II占20%,期末考试占30%.

由于理论力学本身是一门严谨,抽象度高的学科,国内单一乏味的讲授方式使很多同学无法长时间保持学习兴趣,一旦松懈缺课,很难再跟上课程教学进度,课程不及格率较高.

7.师资力量的比较

毋庸置疑师资力量在教育发展中具有巨大的作用,近年来国内各大高校对此进行了巨大的投入,利用各种有利制度来吸引人才,但是相比较国外差距依然明显,尤其是在物理学方面.

举例来说,普林斯顿的师生比例达到了1:6(麻省理工学院达到了1:7),导修制是普林斯顿大学教学的一项特色,学校大部分基础课程都是在100至150人的大礼堂内上课,但每个星期学生们都参加10至15人的小班,由教授或是助教带领,复习一周来所学的课程,这些由助教或教授带领的讨论,给学生们更大的空间去理解课堂所学的理论国内大多数教科书阅读性差,读来索然无味.而国外那些权威的大学教科书,讲得深入浅出,条理清晰ClassicalmechanicsbyGoldstein,ClassicalmechanicsbyJohnR.Taylor,ClassicalMechanicsbyL.D.LandauandE.M.Lifshitz等是非常受欢迎的权威教科书.这样,采用更好的教材未尝不是一项很好地改善措施.

第二,好的教学方式对于学习有事半功倍的效果,一般的教学方法暂且不谈,因为这是国内大学所面临的共同问题.但是,由于理论力学是物理学的重要基础课程,它是学生第一次接触到更加"理论性"的物理学内容,我们应有更好的教学理念与教学目的,使我们的学生对此产生并保持更高的兴趣,由于种种原因(如更加抽象化等)使这很难办到.鉴于此,可以做到以下改变与调整:如强调学生学习该课程应达到的目标(深刻理解基本原理与经典力学的基本思想),而不是掌握的更多内容以及解题的技巧,强调学生更多的参与教学之中等等.

第三,理论力学的课时是个很重要的问题,国内的现状是在一个学期之内尽可能讲授更多的内容,意味着在很短的时间内学生要接受大量的内容,这无疑发展成了"填鸭式"的教学,这样导致学生没有多余的时间来理解知识的物理本质和思想,给人本末倒置的感觉.所以延长理论力学教学的周期也许会产生更好的教学效果.

第四,对于理科课程的学习,完成一定量的习题是理所当然的,但是国内理论力学的课后作业特别强调解题的技巧,我们应改变这一现状,把习题作业的形式改变为更开放式的,具有探究性的,突出理论的本质的习题.虽然国内的本科生并不擅长于此,但改变却是必要的.其次,我们发现美国很多高校每周都会有习题讨论课,有助教专门主持,这无疑占据了整个教学过程的很多时间,这样的好处是学生们更多的参与其中,这也应该是我们所应该借鉴的.

第五,理论力学是一门极其重要的知识,对学生的后续发展(尤其是准备读研究生)会产生很大影响,它体现着学生的力学素养.以上的观点无疑是使人们更加重视这一学科,因为没有牢靠的物理理论基础很难有更好的作为.

第六,因才施教,突破死板是教学的重中之重.国内讲授理论力学时总是老师不停的讲授教科书内容,而学生很少参与其中,并不和老师有很多交流,这种死板僵化的教学会使学生很快失去兴趣,而兴趣恰是学习物理的不可或缺的要素.当教学达到引领学生主动学习,进行一定的研究的目标,那么学生自然会有一种置身其中的参与感,这样的效果应该是我们所追求的.

三,《理论力学》教学发展趋势的思考

众所周知,理论力学是理论物理研究的先行基础知识,同时也是工科的必不可少的课程,应该得到各大学的应有的重视,所以追求更好的教学效果是国内外大学的共同任务.同时,教育界也正在积极寻求教学改革的方法.

理论力学教学应该在以上讨论的各方面进行发展与改善,首先重视教材的选取,积极引进国际经典教材,同时国内学者在编着教材时要改善目前的死板的风格,突出物理本质的描写(比如避免陷入数学推导的泥潭).其次学习理论力学的周期(课时,内容的多少)应该变得更长,避免短时间内使学生堆积了大量知识却对物理本质,物理图景不慎理解(而这却是学生普遍存在的问题).再次,课后作业形式的改善,除了通常的注重计算,技巧的习题之外,更应该设计一些具有探究性,开放性,合作性的问题,可以训练学生运用物理基本原理的能力,增加师生之间的交流,这样学生真正地参与到了科研探索与教学之中.最后希望通过各界教育人士的努力(使课程效果更加理想,培养并保持学生的兴趣等),我们应该使理论力学在两方面得到发展:第一,在理论物理的角度应该使学生打下更坚实的基础,为日后的工作与学习做好充分的准备,第二,更应该注重展示理论力学在现实世界的实践应用,这样也促进了工程科学的学习.


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总而言之,通过上面的详细比较与分析,我们发现了国内相关教学的不足之处,并找到了美国大学在教学方面的优点和借鉴之处.由此,我们应全力改善理论力学的教学现状,从而为国家培养出更多更出色的人才.

参考文献:

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一,中美着名大学《热力学与统计物理学》课程的比较

1.课程内容方面

从课程内容上面来看,国内的《热力学与统计物理学》课程主要包括热力学的基本规律,均匀物质的热力学特性,单元系的相变,多元系的复相平衡和化学平衡,近独立粒子的最概然分布,玻耳兹曼统计,玻色统计和费米统计,系综理论,涨落理论,非平衡态的统计理论I8.044《平衡热力学》剑桥大学出版社Adkins,C.J.

*[1]《热力学》剑桥大学出版社Baierlein,Ralph

*[2]《统计物理学》

Huang,Kerson.

*[3]《统计物理学简介》Taylor&,Francis,2001.课程主要介绍了概率,统计力学和热力学,随机变量,联合和条件概率密度,随机变量的函数,宏观变量的概念和平衡热力学,统计力学基本假设,微正则系综.热力学第一,第二和第三定律.多种物理现象的说明,如磁力,多原子气体,热辐射等.斯坦福大学热动力学与统计力学IPHYSICS170主要介绍基本概率统计,随机过程,如随机行走.由基本假设到热力学基本定律,原子结构和物质微观行为之间的关系.温度,状态方程,热,内能,熵,吉布斯佯谬,平衡和可逆,热机,物质各种性质的应用,绝对零度和低温现象,配分函数,波动,经典和量子系统,不可逆过程.

热动力学与统计力学IIPHYSICS171麦克斯韦-玻尔兹曼分布,德拜模型及声子.输运现象,波动,相变,玻色-爱因斯坦凝聚,电子气之间的平衡.包括磁性,伊辛模型,格子气现象.不可逆现象.加州理工学院[3]统计力学Physics12c《热力学》(第二版)CharlesKittelandHerbertKroemer哈佛大学热力学与统计物理Physics181热力学的基本介绍,统计物理的基本概念,包括能量,热,功,温度和熵.经典和量子分布以及配分函数Alpha固体理论(Debye和爱因斯坦),黑体辐射(普朗克)的应用.经典和量子气体和液体的磁性和相变,生物分子和信号.加州大学伯克利分校[4]热力学与统计物理导论112《热力学》第二版,1980,Freeman主要介绍统计力学的基本概念,微观基础的宏观系统,凝聚态,相变,量子分布,输运过程中的基本动力学理论,涨落现象的热力学和应用.康奈尔大学统计物理学IPHYS6562内容有:温度的基本概念,熵,自由能的定义和微正则系综.以及马尔可夫链,随机游动,扩散方程,波动耗散定理.并包含了玻色-爱因斯坦和费米统计,黑体辐射,玻色凝结,超流,金属,和白矮星.讨论阶段的基本包括朗道理论,拓扑序参量,同伦的缺陷分类.简要地研究了一阶相变和临界液滴理论和临界现象的讨论,缩放,普遍性,和重整化群.芝加哥大学热力学统计物理PHYS19700本课程主要建立物理系统的统计描述.内容包括概率论,均衡和波动问题,热力学,正则系综,均分定理,理想气体的量子统计,动力学理论.伊利诺伊大学香槟分校统计物理学PHYS504单粒子分布函数的经典和量子力学系统,玻尔兹曼方程,维里定理,气体状态方程,唯象理论,系综理论,全同粒子,简单系统的热力学,分布函数,非平衡问题,守恒定律和流体力学方程,声波和运输系数,等离子体,正常费米流体,超流体,以及含有内部自由度的系统.加州大学圣芭芭拉校PHYS119APHYS119B热力学:热力学三大定律,相图,熵,比热,可逆和不可逆的过程,压力,粘度,导热系数,扩散 统计力学:波尔兹曼,费米狄拉克,玻色-爱因斯坦分布规律.热力学变量和微观性质的关系.哥伦比亚大学热力学与统计物理PhysicsG4023热力学,动力学理论和统计力学的方法,能量和熵,玻尔兹曼,费米,玻色分布,理想与现实的气体,黑体辐射,化学平衡,相变,磁性.耶鲁大学统计热力学PHYS420a通过统计物理引入热力学定律与其理论解释,讲解气体,固体,相平衡,化学平衡,玻色子和费米系统的应用.2.教材与参考书的使用情况

表1,表2分别列出了美国以及国内部分名校所使用的教材和参考书情况.可以清楚的看出,国内教材主要采用的是由高等教育出版社出版的汪志诚所写的《热力学统计物理》Adkins,C.J.所着的《平衡热力学》(剑桥大学出版社),Freeman所着的《热力学》等等优秀教材,也有使用大学自己所编的各种讲义.相比较而言,国内的教材还不够丰富,年代比较久远,内容也不够新颖.因此,组织优秀教师编写优秀教科书变得十分必要.另外,国外的优秀教科书种类很多,也可组织人员翻译,使用国外名校的优秀教材作为参考资料.

表2:中国着名大学《热力学与统计物理学》课程使用的教材与参考书情况

学校教材参考书南京大学《热力学与统计物理》(汪志诚)高等教育出版社高等教育出版社高等教育出版社

统计物理学K.S.Huang复旦大学《统计物理学》(苏汝铿)高等教育出版社(第二版)浙江大学《统计物理学》(苏汝铿)高等教育出版社(第二版)中山大学《热力学与统计物理》(汪志诚)高等教育出版社

《热力学与统计物理》(W.Greiner)上海交通大学《统计热力学》(梁希侠班士良)科学出版社(第二版)《热力学与统计物理》(汪志诚)高等教育出版社

[2]胡承正《统计物理学》(武汉大学出版社.2004)[1]《统计物理学》L.D.LandauandE.M.Lifshitz,

[2]《热力学与统计物理》Greiner,NeiseandStocker,

3.培养目标方面

《热力学与统计物理学》课程主要讲授热力学与统计物理学的基本理论以及其在实践上的应用,让学生掌握与热现象有关的物质宏观特性的唯象理论和统计理论.并将热力学和统计物理作为一个整体来讲述,着重讲解热力学和统计物理学之间的联系和区别.系综理论是整个课程的重点,可以让学生了解现代统计物理的研究方法和发展趋势.而非平衡态的初步统计理论内容的涉猎可以很好的为有余力的学生将来在研究生阶段学习高等统计物理打好坚实的基础.通过本课程的学习后,学生明晰热力学和统计物理在整个物理学科中的地位,掌握热力学统计物理的基本思想,基本理论框架和知识要点,以及运用所学知识解决实际问题的方法.

在培养目标上面,中美高校实际上大同小异.热力学与统计物理是任何一所高校物理系的必修课,是现代物理学的重要分支.任何一个合格的物理学工作者,都必须要掌握热力学与统计物理的相关知识.这是解决一般物理问题的必要手段,也是进一步学习高等统计物理的准备.而真正的不同点则体现在于,美国名校在本科生的培养方面,以创新为重,而课程是构建创新教育,培养创新人才的基石.以创新人才为本科生的培养目标是美国各大高校的教育理念.在美国高校中,本科生的培养是重中之重.而对于中国高校,从现在的教育体制,以及每年的扩大招生来分析,我们所实行的是

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一种通才教育,在这种情况下很难培养出真正的创新人才.不同的教育理念也就使得中美高效在热力学与统计物理的教学方式上面会有很大的不同.

4.教学方式方面

在具体的教学过程中,国内的教学面临几个较大的难题.首先是授课学时的不断减少和教学内容之间的矛盾.现阶段国内高校所实行的"通才教育"使的传统专业课的学时不断减少,热力学与统计物理自然也在其中.虽然教学课时下降了,而课程体系却仍旧未变.在这样学时不断减少而内容基本不变的情况下,授课的进度,对课程内容的讲解方法等等方面都会遇到很大的困难.同一学期的课程,如果在热力学部分花了过多的学时,统计物理的重点系统部分就会面临学时不够的情况.即使勉强能够讲完课程内容的主体部分,非平衡态部分的内容一般也会弃去不讲.这对学生更好的理解热力学与统计物理的知识体系以及今后进一步学习高等统计物理都会有不好的影响.

其次,在具体的学习过程中,学生主动参与的机会很少,大多数情况下都是被动的接受.传统的课堂上还是以老师讲授为主,学生被动接受,效果并不好.例如:很多学生反映听完热力学与统计物理的课程之后,就是感觉在热力学部分有很多的偏微分运算,写出热力学量的微分形式之后进行各种微分运算,最后却不知其中物理意义为何.而在统计物理部分则是求解不同的分布的相关问题,通常记下不同分布的求解配分函数的方法,再机械的按公式求解出系统的各个量.对其中的物理意义,以及数学在其中的用法并不熟悉.热力学与统计物理的课程中公式推导复杂繁多,有的同学甚至表示若非为应付考试早就不想再学习下去了.这种情况,很明显,并非是教育的初衷.在学习过程中,学生缺少主动参与的意识,也缺少学习知识的主动权,学习效果不好.同时,在教师的讲解方式也存在较大的问题,大部分的老师在讲解的时候,把注重点主要放在公式的推导上面.这本来也应该是正规的教育方式,因为热力学与统计物理的很多内容和结论都隐藏在公式中.但从学生的角度,就会认为课堂枯燥无比,而且一旦一步推导没有理解后面就很难跟上,上课易走神,效果自然也就不好.

最后,从考核方式上看,国内的考核方式主要还是以每学期末的期末考试为主,另外纳入总成绩的也就只有期中考试和考勤以及平时的作业情况,而且所占比例也不高.总体来说,还是属于一张试卷定胜负的情况.考试实际上是为学生的学习指明方向的.仅仅只是一张试卷来论好坏,最终的情况只能是学生为了应付考试茫然看书做题,考完后就基本忘记了.不了解学到的知识有什么样的作用,也不知道所学的在国际前沿的发展,以及理论体系中所需要解决的问题在哪里.[5]

美国大学物理系办学的成功经验之一是分层次教学法.在充分考虑学生的不同以及兴趣爱好的基础上,制定了具有针对性的分层次课程计划和灵活多样让学生有更多的选择空间来他们感兴趣的领域物理系本科生两个层面的课程计划,它能够让学生按照个人未来的职业目标来安排自己的物理学习集中的培养方案(Thefocusedoption)主要面向那些将在物理学及相关领域攻读研究生的学生,该培养方案为学生制定了更加深入的物理学高级课程计划,还有物理学领域的研究计划和物理学专业学术论文的要求课程面窄但是深入,目标明确:培养从事物理学的精英人才低年级学习公共专业基础课,进入高年级后按照双向选择根据不同的专业学习专业课程原则.公共专业基础课包括外语,数学,力学,热学,电磁学,光学,原子物理,基础物理实验,近代物理实验,量子力学,电动力学,热力学与统计物理,数学物理方法等,计算机方面有计算机基础和C语言,计算软件和计算物理等课程,其中普通物理的力学,热学,电磁学,光学,原子物理学五门课程实行双语教学"与南开大学的"高年级按不同专业选择课程"有一定的相似之处,都可以使学生有一定的自主选择权利,但相比较前者自主选择空间更大.其次南开物理学院(国内其他大学同样如此)开设了多门计算机课程,这样的课程设置对学生发展有很大的好处,是值得保持的特点.

国外在教育方法上相比较国内有很多优势.虽然上课也是国外教学的重点,然而首先,国外课程的学习不仅仅局限在课堂上.本科人才的培养向知识面宽,基础知识扎实的方向努力.每学期安排的课程比较少,学生拥有更多的发展和学习空间,可以从不同的渠道学习知识.另外,国外高校本科生和研究生的课程都是相互连接相互补充的,形成共享课程.学生的眼界更宽,可以与不同年级不同专业的学生相互交流,增加学习兴趣,提高学习效果.然后,国外本科生的教育比较侧重专业意识的培养,热力学统计物理课程的体系重点是为学生的未来发展而不仅仅是为专业发展或研究生教育奠定基础,研究生阶段重点培养精深的专业基础.而且,国外教学过程中还普遍开设交流与沟通课程,开设了较多的哲学和社科类课程,开设数学与自然科学类课程,突出选修课程的开设,设置专业核心课程,设置顶峰体验课程等等,这些课程的开设帮助学生对科学有了更深刻的了解,从侧面对学生理解热力学与统计物理起到帮助.

另外一个方面,国内课程在教学方面,其要求是按照教指委的统一制定,对教学内容或知识点都有全面细致的制定,是教学所依据的重要文献,强调对知识体系的掌握,突出"教"的理念.这样的方式虽然对规范教学有很大的好处,但是从一方面上看,老师成了教学的主体,学生处在专心听讲的角色,参与学习的积极度不高.而国外物理系的课程基本要求则明确了学生通过学习该课程所应该达到的目标,而不是掌握的内容,强调的是通过多种方法,注重唤起学习的兴趣,而不是仅仅把学习的场合局限在课堂上.通过所学习的内容解释自然现象,以提高课程的吸引力,鼓励学生选修物理学课程,强调物理学对学生素质的提高和在生活中的广泛应用,开展个性化教学,树立推理相对较少,突出"学"的理念.

国外比较有特色的教法有:"同伴教学法-PI教学法"(同伴教学法引导学生参与教学过程,变传统单一的讲授为基于剖析概念的自主学习和合作探究,在大班课堂教学中构建了一种学生自主学习,合作学习,生生互动,师生互动的创新教学模式导修制是普林斯顿大学教学的一项特色,学校大部分基础课程都是在100至150人的大礼堂内上课,但每个星期学生们都参加10至15人的小班,由教授或是助教带领,复习一周来所学的课程,这些由助教或教授带领的讨论,给学生们更大的空间去理解课堂所学的理论高等教育出版社物理学课程信息stellar.mit.edu/index.#course_8_fa11.

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[3]加州理工学院物理学课程信息:pma.caltech.edu/GSR/physicscourses..

[4]加州大学伯克利分校物理学课程信息physics.berkeley.edu/index.phpoption等于_content&,task等于view&,id等于134&,Itemid等于258.

[5]彭爱莲,辛修芳.物理专业热力学统计物理教学改革初探.科技信息,2016(30):12.

[6]张立彬,张功,杨祖念,美国大学物理学分层次教学研究

[7]南开大学物理学院课程设置physics.nankai.edu./list/detail.asparticleid等于185&,classid等于4.

[8]同伴教学法-百度百科baike.baidu./view/6617954.

[9]百度百科-普林斯顿大学baike.baidu./view/20708.基金项目】教育部2016年研究项目(2016-28)资助.)

(1.南开大学外国教材中心,天津,300071,2.南开大学物理科学学院,天津,300071)

内容摘 要:本文按照埃里克·马祖尔所着《同伴教学法——大学物理教学指南》一书的脉络,介绍了同伴教学法的缘起,同伴教学法较之传统教学方法的优势,同伴教学法的主要精神及准备过程.最后,通过牛顿三定律教学实例,详述其各步骤的题目设计及操作方法,为国内高校大班教学提供了一个崭新的教学模式.

关 键 词:同伴教学法,大学物理课程,大班教学模式,课堂教学实践

同伴教学法是哈佛大学的物理教授,国际知名的科学家埃里克·马祖尔(EricMazur)1991年创立的一种交互式的教学方式,即通过提高学生对教学过程的参与度,帮助学生更好地理解基础物理.同伴教学法使用专门设计的用于揭示学生概念错误和引导学生深入探究的概念测试题,借助计算机应答交互系统或选项卡片,引导学生参与教学过程,变传统单一的讲授为基于剖析概念的自主学习和合作探究,在大班课堂教学中构建了一种学生自主学习,合作学习,生生互动,师生互动的创新教学模式.[1]同伴教学法在全球取得了很大的成功,成千上万不同学科领域的教师在课堂上采取了这一方法.许多教师指出,相对于传统的讲授式教学方法,这种基于问题的教学方法更具优势.

与传统教学方法比较,同伴教学法一方面更能激发学生对于问题本质的思考,一方面为枯燥的课堂教学注入一针润滑剂,使教师教,学生学的齿轮更紧密地啮合.在《同伴教学法——大学物理教学指南》一书中,作者埃里克·马祖尔首先阐述了该教学法的优点和理论依据,随后作者图文并茂地介绍了如何使用同伴教学法,在文章的最后部分,作者给出了大量教学实例以供读者领会,揣摩同伴教学法的精髓.本文亦就上述三个部分,对同伴教学法进行简要介绍,以为管窥.

一,同伴教学法的源起和特点

近年来,物理学界在给本科生讲授基础物理课程上深受困扰,因为这些学生对于基本概念理解,喜欢生搬硬套公式,导致他们在解决问题上只寻找记忆中的公式,而拒绝思考问题的本质,基于以上的原因,哈佛大学的物理教授埃里克·马祖尔提出了"同伴教学法"的理念.

埃里克·马祖尔教授从1984年开始教授工程与科学专业的基础物理课程.在1990年之前,他对自己传统的课堂演示的教学方式还算满意,因为无论是班级的成绩还是学生给他的评价都没有问题.但在1990年,哈娄恩和赫斯滕斯的文章让埃里克开始重新审视基础物理的教学方式.哈娄恩和赫斯滕斯认为:在进入课堂之前,学生们都因个人经验对普遍存在的物理现象持有一种"直觉",而当时的教学很难改变他们对这些"直觉"的看法.比如体现牛顿第三定律的两车相撞问题,在究竟是大车施予力大还是小车施予力大的环节上,很多学生直觉认为体积大的物体相撞时自然施予力大为了了解学,埃里克在课堂上行了一系列的概念测试,其结果自然科学教育中的许多问题:首先,学生可能只需通过记忆运算法则即能解决传统计算问题,而理解其中的物理知识其次,由于上述现象,即便是经验丰富的老师都有可能被误导,认为自己的学生学习效果很好.学生们也受相同错误观念的影响,认为自己已经掌握了学习内容.但当他们这种代入数字的方便"处方"在解决不同问题而不奏效时,他们便会感到严重的挫败,进而认为物理学习是何等的枯燥.

物理学习带给学生的枯燥感还体现上课程内容的表述方式上.通常,课程内容直接呈现在教材或讲义上,这对学生专心课堂教学无甚激励作用.而且很多学生的看法是:如果教授的内容在讲义上都有,那么上课对他们的帮助也就甚微.于是很多学生在上精神涣散,甚至出现逃课现象.那么怎样摆脱教师上课的独角戏情况呢,课堂演示是一个选择,很多教师也尝试过上小组讨论的方式课气氛相活跃,最后作总结的仍然是少数人,教师还是无法知晓学生对课程的理解总体达到了一个什么程度.埃里克随堂测试测试不是考试,它目的在于了解正确答案人数的比例.在这一过程中,学生自主得出答案,课上讨论讨论的内容不是如何得出答案,而在于如何说服别人认同自己的答案.只有当举手显示的正确比例占绝大多数,埃里克教授才会进入下一个知识点的讲解.这种讨的好处是事先并没有公布正确答案,因此经过讨论,原本持有错误观点的人很可能被说服而转向正确观点,这通常比教师直接向他们解释更为有效.一个可能的原因是,当测试题给出时,那些理解了概念的学生能够意识到弄懂这个概念存在哪些难点,因此他们清楚知道在给同伴解释的过程中要着重强调什么突破点在哪里.在这种新的教学方式下,概念测试大约占

(1)两个灯炮都熄灭.(2)灯炮A的亮度增加.

(3)灯炮A的亮度降低.(4)灯光B的亮度增加.

(5)灯炮B的亮度降低.(6)(1)-(5)选项的某种组合

(7)没有变化图1直流电路概念测试题

讨论之前(之后)的回答统计是:

(1):1%(0%),(2):36%(42%),(3):22%(7%),(4):1%(3%),(5):3%(2%),(6)17%(7%),(7):20%(39%).

第四步,课程讲授.在学生们思考老师抛给他们的问题时,授课教师可以重新整理一下思路,甚至加入到一些说服同伴的讨论中去.埃里克认为,学生们所解释的内容在说服怀疑的同伴时比自己作解释更加有效,虽然不够直接.有时候学生们提供了一个完全不同的看待问题的观点,在这种情况下,埃里克会把它借为已用.因此,本质上说,埃里克认为同伴教学法是学生引导教师如何去教.这种新的教学方式使他从学生那里引出了可以碰到的多得多的问题.这些问题往往更为切中要害,并具有更为深刻的意义.

第五步,考试设计.埃里克使用同伴教学法在提出学生课堂参与的积极性的同时,最主要的目的是希望学生能够更好地理解所学的知识点.如果学生使用以前的记公式,找"处方"的方法能够解决在考试中遇到的所有问题,那么他们就很可能忽略课程内容或教学形式发生的任何改变.基于这个原因,埃里克教授在考试中包含了概念测试题和标准的课本题目两种.为了进一步说明传统题目的弊端,埃里克列举了一个类似"Fermiproblems"(费米问题)的问题来告诉大家:大多数课本题目检验的是学生的计算能力,而不是分析思考问题的技能.教育工作者不应该只满足于学生仅知道如何对于给定的情况把数字代入需要的公式,如何解不同的方程,或者怎样背诵物理定律.他们需要比标准的课本题目看得更深,而各类概念型题目可以使学生具备这一素质.埃里克在他的《同伴教学法——大学物理教学指南》一书中准备了大量该类题目,其中涉及了基础物理课程各个章节内容,感兴趣的读者可以查阅.

三,同伴教学法案例举要

为使读者对同伴教学法有直观的认识,本节以牛顿运动定律的课堂教学为例,详细讲述同伴教学法的实施过程.

(一),课程大纲:牛顿第一定律,力和质量的定义(关系),牛顿第三定律.

(二),课前测验:因为课前有要求过学生去阅读讲义及课本的相关章节,因此开课时首先安排一下阅读小测验.该测验的目的主要是检测学生们是否做了课前阅读,见图2.

图2质点动力学的课前阅读小测验

1,下面哪个定律不是牛顿运动定律之一:

(1)作用力和反作用力成对出现.

(2)F等于ma

(3)所有物体自由下落的加速度相同.

(4)没有外力存在时,物体保持静止或保持匀速直线运动.

2,惯性定律:

(1)在阅读作业中没有涉及.

(2)表示物体保持原有运动状态的趋势.

(3)是牛顿第三定律.

3,"冲量"是:

(1)在阅读作业中没有涉及.

(2)力的另一个名称.

(3)加速度的另一个名称.(三),知识点讲解及概念测试:这一部分教师应当首先用板书来描述经典力学的适用范围,介绍了牛顿第一定律之后,用一段动画(即课堂演示)指出牛顿第一定律实际上是一个关系到参考系的表述.其次,为了在力和加速度之间建立显式的关系,授课教师需给出一道概念测试题,该题的目的是鼓励学生的信心,为理解牛顿的其他两个定律做一个准备.

接下来,在定义力和质量的概念之后,引入牛顿第二定律.为了确定学生理解力,加速度和速度之间的关系,埃里克给出了图3所示的概念测试题.

图3力的概念测试1

一个恒定的力作用于初始静止在气垫导轨上的小车上.小车和导轨之间的摩擦力忽略不计.力作用了很短的时间,给了小车一个确定的最终速度.

一半大小的作用力为了达到相同大小的最终速度,这个力需要作用在小车上多长时间(相对于原先大的力作用的时间)

(1)四倍长,(2)两倍长,(3)相同长,(4)一半长,(5)四分之一长.解释这个问题重要的一点是要避免运用公式.埃里克的解释如下:力引起了加速度,加速度表明在给定的时间间隔内物体的速度增加多少.

参考文献:

在初中物理教学中渗透德育

用于火星电离层探测的星-星无线电掩星技术

大物理与小物理

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