1美国著名大学物理专业“四大力学”课程设置的特点与启示（含英文翻译）do

1美国著名大学物理专业“四大力学”课程设置的特点与启示（含英文翻译）do 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 1 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，主要从事信息文化、信息技术与物理学外国教材研究工作. 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 2 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 52 52 146 72 斯坦福大学 48 54 72 52 加州理工学院 44 52 104 72 哈佛大学 52 48 104 72 普林斯顿大学 52 52 72 72 加州大学伯克利52 52 72 52 分校 康乃尔大学 52 52 72 72 芝加哥大学 48 52 72 68 伊利诺伊大学厄52 52 72 72 本那―香槟分校 加州大学圣塔芭52 48 104 72 芭拉分校 哥伦比亚大学 52 52 104 52 耶鲁大学 52 52 146 52 (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 3 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% 伊利诺伊大学厄本电动力学 40% 20% 40% 那―香槟分校 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。 4 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、《量子力学简介》 核及粒子的量子理论》R. A. French and E. Taylor Eisberg and R. Resnick 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. 《量子力学》C. Claude Griffiths 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. 《热学》Ralph Baierlein Adkins 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 《分析力学》Hand 《经典力学》Goldstein (力学) 哈佛大学 量子力学 《量子力学简介》D. 《量子力学简介》R. Griffiths 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 加州大学伯克电磁学与光学 《电动力学简介》D. 《量子力学简介》D. 利分校 Griffiths Griffiths 量子力学 《量子力学》Bransden 热力学与统计《热学》Kittel 物理 经典力学1 《粒子系统的经典动力学》 S(Thornton 伊利诺伊大学经典力学2 《经典力学》Taylor 《粒子系统的经典动力厄本那―香槟学》S(Thornton 分校 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. 《费曼物理学讲义》 Griffiths 量子力学2 《量子力学简介》D. 《费曼物理学讲义》 Griffiths 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 5 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。 6 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: [2]MIT物理系本科课程信息: [3]MIT理论力学课程内容信息: [4]MIT量子力学课程内容信息: [5]MIT电动力学课程内容信息: [6]MIT热力学与统计力学课程内容信息: [7]MIT物理学学士课程计划: [8]同伴教学法-百度百科 [9]北京大学物理系主页:. [10]南开大学量子力学学生电子作业: 7 The characteristics and enlightenment of ‘the four main mechanics’ of physics course in famous American university 12 ZHANG Li-bin, HAN Zhi-long (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 12 American universities, in which course aim, course content, course curriculum, teaching methods, articulation hours, assessment methods, teachers, reference information and other e discussed in detail. The successful key point of American university education elements ar 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: American University; four main mechanics; course information; course characteristics; reference information 8