英国著名大学物理学专业“四大力学”课程设置的特点与启示

英国著名大学物理学专业“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】本文基于对英国8所著名高校四大力学的调研信息，深入分析了英国高校四大力学的培养目标、课程内容、课程衔接、教学方法等各种教育元素，理清了英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】英国高校；四大力学；课程内容；课程特点

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。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。英国是近代物理学的发源地，有着悠久的物理学教育历史。英国高校一直以来在本科生的物理学教育方面要优于我国高校，目前在改革开放的背景下，我国高校物理学教育也在不断地进行改革。本课题以英国著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，深入分析英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，以期把握英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

为借鉴英国著名大学物理学人才培养的经验，本研究选择了在US News（2011年）物理学排名中位列前8的大学，它们分别是：剑桥大学（University of Cambridge）、牛津大学（University of Oxford）、伦敦帝国学院（Imperial College London）、杜伦大学（Durham University）、利兹大学（University of Leeds）、圣安德鲁斯大学（University of St Andrews）、格拉斯哥大学（University of Glasgow）、利物浦大学（University of Liverpool）。其中来自剑桥和牛津大学的资料相对较全面，我们也是主要对这两所学校的信息内容进行了考察。

本课题主要采取网络调研的方式，所采集的信息都是英国8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，分析了英国高校在这些方面的实际情况。

二、英国四大力学本科教育情况

2.1 课程目标

四大力学是物理系学生的必修课程，课程要求培养掌握物理学的基本理论与方法，具有良好的数学基础和实验技能，能在物理学或相关的科学技术领域中从事科研、教学、技术和相关的管理工作的高级专门人才。学生主要学习物质运动的基本规律，接受运用物理知识和方法进行科学研究和技术开发，训练，获得基础研究或应用基础研究的初步，训练，具备良好的科学素养和一定的科学研究与应用开发能力。四大力学相对成熟，对物理系的学生要求有以下专业能力：

（1）掌握高等数学的基础理论和基本方法，具有较高的数学修养；

（2）掌握坚实的、系统的物理学基础理论及较广泛的物理学基本知识和基本实验方法，具有一定的基础科学研究能力和应用开发能力；

（3）了解相近专业的一般原理和知识；

（4）了解物理学发展的前沿和科学发展的总体趋势；

（5）了解国家科学技术、知识产权等有关政策和法规；

（6）掌握资料查询、文献检索及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法；具有一定的实验设计，创造实验条件，归纳、整理、分析实验结果，撰写论文，参与学术交流的能力。

2.2 课程内容

理论物理四大力学由传统的《理论力学》、《电动力学》、《量子力学》和《热力学、统计物理》组成，它是本科生在普通物理的基础上，为了进一步把感性认识提高到理性认识而必须学习的基础理论课程,在物理系本科生的基础课教学中占有核心的地位。理论物理本身具有概念抽象、数学工具覆盖范围广的特点,其中理论力学以分析力学为核心，以完美的理论体系描述了粒子的机械运动，同时也为学习其它理论课程铺路。热力学与统计物理是凝聚态理论的基础理论，热力学总结了物质的宏观热现象（如压力、温度、体积的变化，物体间的能量转换等），而统计物理则从微观的观点（即认为物质由原子分子组成，这些粒子间存在着相互作用）对宏观热现象作出了解释。电动力学以麦克斯韦方程为核心，以简洁的理论形式，高度概括了与电和磁相关的物理现象（包括电磁波的传播）。而量子力学讲述支配微观世界的规律，由于在21世纪人类对自然界的探索（如对生物过程的研究）将更多、更深入地在微观的层次进行，量子力学的重要性是不言而喻的。

四大力学各个课程简要内容如下：

（1）理论力学是物质运动及物体间相互作用的一般规律的学科，也称经典力学，其理论

基础是牛顿运动定律，故又称牛顿力学。20世纪初建立起来的量子力学和相对论，表明牛顿力学所表述的是相对论力学在物体速度远小于光速时的极限情况，也是量子力学在量子数为无限大时的特殊情况。对于速度远小于光速的宏观物体的运动，包括超音速喷气飞机及宇宙飞行器的运动，都可以用经典力学进行分析。

（2）量子力学是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。量子力学的基本原理包括量子态的概念，运动方程、理论概念和观测物理量之间的对应规则和物理原理。

（3）电动力学是研究电磁现象的经典的动力学理论，它主要研究电磁场的基本属性、运动规律以及电磁场和带电物质的相互作用。同所有的认识过程一样，人类对电磁运动形态的认识，也是由特殊到一般、由现象到本质逐步深入的。人们对电磁现象的认识范围，是从静电、静磁和似稳电流等特殊方面逐步扩大，直到一般的运动变化的过程。

（4）热力学与统计物理是研究热运动的规律和热运动对物质宏观性质的影响。热力学是热运动的宏观理论，用“唯象”的方法，回避了宏观物体的微观结构，使用有限的宏观量（如温度、能量、体积、熵、比热等）来描述，这种描述的基础是能量守恒等几个来自实践经验的宏观基本规律（热力学第零——第三定律）。统计物理是热运动的微观理论，它用统计的方法去处理复杂的微观运动，认为物质的宏观性质可看成是大量粒子运动的集体表现，宏观量是微观量的某种统计平均值。热力学和统计物理是针对宏观和微观这两个极端情形发展起来的，是相辅相成的。

2.3 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。在进行四大力学的学习之前，学生一般都已经学习过基础物理的内容，对基本的物理现象已经有了较清楚的认识；同时他们在开始的一年里也会学习高等数学的相关内容。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，以牛津为例，我们可以详细的从学院的教学手册上找到课程指南，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，如剑桥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。

2.4 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，英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。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。

2.5 能力培养

英国高校的物理教育从学生的终身可持续发展及专业理论与技能学习出发，对基础文化课程的教学要求提出了“必须、要求”的指导性原则，同时要突出能力培养，强化对专业理论与实践的教学支撑，以利于学生能胜任将来的岗位要求。

物理学科在教学中主要表现为学科本位课程，具有充分的独立性，教学目标追求学术价值性，教学内容追求物理学科知识的体系完整性。同时由于物理学的不断发展，其基础内容也在不断增加，在新形势下，就要求在有限的时间内，一方面要达到文化基础课程基本的培养学生基本物理素养及满足学生终身学习、可持续发展的目标，另一方面腰围专业理论与能力的提高提供必要的支撑，针对性的选择物理学科中的重点展开教学，强化学生的能力。2.6 教学理念

（1）因陋就简、就地取材。实验器材能用国内的就不用国外的, 能用本地区的就不用外地的,能用业余的就不用实验室里的, 随手可取的器材一是让学生体会物理实验的简单美,

二是让学生知道与了解物理知识的实用性, 三是让学生产生亲切感, 从而激发学生学习物理的兴趣。

（2）注重物理实验的原理及方法的理解. 物理实验不是为了实验而实验, 也不是仅仅为了凑个热闹, 而是要注重物理实验的方法、原理的理解.比如油墨法估测分子直径大小的实验, 该实验的核心关键是如何估测油墨的面积,教师在教学中并没有直接给出有关油墨法估测油墨面积的方法(这一点对物理教师而言都清楚),而是提出一个涉及初中物理知识的问题:如何估测你对地面的压强大小.通过估测脚底面积进而理解与掌握估测油墨面积的方法。

（3）注重实验中学生的主体性、互动性及实验的探究性。物理实验中教师只是一个引导与参与者, 通常教师提出主题后由学生分组讨论——体现学生学习中的互动性; 在学生的讨论中又会提出新问题——体现学生学习的主体性; 并讨论得出新问题的解决方法——体现物理实验的探究性与学习的合作性. 如上述提出如何估测你对地面的压强大小这个问题后,

我们接下来教师只要根据学生的讨论向学生提供磅秤、白纸、坐标方格纸等物品,整个问题的解决完全是由学生自己讨论得出的。

2.7 教学课堂

（1）实施小班教学。在英国选修物理的人数不是很多,在英国大多数教师认为一个班级的最佳人数在12--20人之间。这样教师能够很好地和每一位学生交流，这是目前我国高校无法比拟的。

（2）教师工作量较小。物理教师一周就是两节时长为90min的大课与时长为60min的两节辅导课, 这在我们国内几乎是不可能的!较小的工作量给教师充分的备课时间，让学生能够更好地接触物理学内容。

（3）教室同时也是实验室. 因为实施小班教学, 学生上不同的课到不同的教室,所以各学科的教室是固定不动的, 物理课教室里每两个学生配备一台电脑, 与教室联通的是物理实验器材准备室, 这使得课堂上无论是演示实验还是学生分组实验, 随时随地都可以进行,既方便教师又方便学生。

三、对国内高校“四大力学”课程教学与教材建设的启示

3.1调整课程目标

四大力学教学有助于学生继续学习基本的物理知识与技能；体现科学探究过程，了解科学研究方法；增强创新意识和实践能力，发展探索自然、理解自然的兴趣与热情；认识物理学对科技进步以及文化、经济和社会的影响；为终身发展，形成科学世界观和科学价值观大下基础。我国高校课程总目标一般应具有以下特点：

（1）学习终身发展必备的物理基础知识和技能，了解这些知识与技能在生活、生产中的应用，关注科学技术的现状及发展趋势；

（2）学习科学探究方法，发展自主学习能力，养成良好的思维习惯，能运用物理知识和科学探究方法解决一些问题；

（3）发展好奇心与求知欲，发展科学探索兴趣，有坚持真理、勇于创新、实事求是的科学态度与科学精神；

（4）了解科学与技术、经济和社会的互动作用，认识人与自然、社会的关系，有可持续发展意识和全球观念。

3.2 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，这在国内与英国是基本一样的。但是我们注意到，英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。

3.3强化教学管理

在进行四大力学的专业教学与改革中，我们一方面要保持传统的一些优点，同时吸收国内外的优秀方法，结合我国教学实际提高国内物理学教学质量，另一方面规范化的教学管理是保证教学改革成功的关键。在改革中，我们要严格按照《物理教学纲要》的内容与要求实施教学，并加强有关物理学与实际问题的研讨交流。组织教师对经典的案例进行深入学习，及时了解学生的反应，定期对教学工作进行分析、调整与完善。正规化的教学管理，一方面能确保物理教学工作的顺利实施，另一方面也保障了物理课程能达到较为令人满意的教学结果。

3.4 提高教师个人素养

丰富的肢体语言是重要的辅助教学手段之一,也是营造和谐、宽松的学习氛围,激发学生

学习兴趣,发挥学生学习主体性的重要保证.一个温馨的微笑, 一句鼓励的话语，一个充满期待与信任的眼神都会对学生的学习心理起着积极向上的暗示作用,有了这种积极向上的心理, 就会让学生喜欢你, 进而喜欢你所从教的这门课,由此学好这门课也就是理所当然了.

应用类比法,化繁为简,化深奥为浅显.以变换参考系法为例,这种方法是解决相对运动问题的一种比较简单的方法,比如这样一道很常见的习题:船在河中逆水行驶, 某时刻船上一物掉到水中而船上人并未发觉, 经t 秒后船上人才发现,立即掉转船头追赶, 设船在静水中速度及水流速度大小均不变,忽略船掉头所需的时间, 问船经多长时间可追上物体.本题有多种解法, 其中最简单的方法就是变换参考系法,即以水流为参考系, 但学生却不太容易理解. 如果教师在讲解本题时运用类比法,再结合简单的形体演示, 则变得非常简单.具体说就是把水流类比为火车, 小船类比为教师本人,物体类比为教师身上的某个东西如皮夹子, 假如我在行驶的火车上走向火车的尾部, 某时刻不小心皮夹子掉下来了,走了两步( 设所花时间为2s) 后发现皮夹子掉了,立即回头捡起皮夹子, 你说我要回头走几步? 走这几步需多长时间? 到这儿为止可说此题的答案一目了然.

四、结束语

本文通过对英国高校四大力学课程的培养目标、课程内容与衔接、教学方法等各种教育元素的详细分析，看出英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。对比英美国高校，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

【基金项目】教育部2012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.

The characteristics and enlightenment of ‘the four main mechanics’ of physics course in famous British

university

ZHANG Li-bin1, HAN Zhi-long2

(1.Center of foreign teaching material, NanKai University, TianJin,300071; 2. Physics school,

NanKai University,TianJin,300071)

Abstract:This article is based on the research information of ‘the four main mechanics’ of

8Britishuniversity, in which course aim, course content, course curriculum, teaching methods, articulation hours, assessment methods, teachers, reference information and other education elements are discussed in detail. The successful key point of British university education is funded and some advices on course content and revolution of ‘the four main mechanics’ in our country are also given in this article.

Key Words:British University; four main mechanics; course information; course characteristics; reference information