美国着名大学物理专业四大力学课程设置的特点与启示

美国著名大学物理专业“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所著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12的大学，它们分别是：麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology ）、斯坦福大学（Stanford University）、加州理工学院（California Institute of Technology）、哈佛大学（Harvard University）、普林斯顿大学（Princeton University）、加州大学伯克利分校（University of California Berkeley）、康乃尔大学（Cornell University ）、芝加哥大学（The University of Chicago）、伊利诺伊大学厄本那―香槟分校（University of Illinois Urbana Champaign）、加州大学圣塔芭芭拉分校（University of California Santa Barbara ）、哥伦比亚大学（Columbia University）、耶鲁大学（Yale University）。

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色爱因斯坦凝聚态，从单个的原子到普通的材料…在进行纯理论教学

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收稿日期：2012-03-06；修回日期：2012-06-18

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.

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，

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