1、 1 美国一流大学文科物理经典 教材的特色与启示 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） 内容摘要 对美国一流大学文科物理经典教材 Conceptual Physics的特色进行了全面的分析与评价 .本文认为，美国文科物理经典教材的编写模式，对我国高校文科物理教材建设具有一定的参考价值 . 关 键 词 美国一流大学；文科物理教材；概念物理；特色；启示 中图分类号 ： ； 文献标识码 ： A ； 文章编号 ： 100704 1 引言 作为文科物理学的经典之作 Conceptual Physic
2、s （概念物理） ，从上个世纪七十年代开始就一直为美国大学文科学生所钟爱 . Conceptual Physics作为美国高校文科物理的经典教材，已经被美国许多知名大学，诸如哈佛大学、麻省理工学院、普林斯顿大学、斯坦福大学、哥伦比亚大学等 120 余所美国大学选为教科书 .近年来也被中国一些高校，譬如中国农业大学、中山大学、辽宁师范大学等选为文科物理教材 .可见这部教材的扩散范围之广、影响之大 .因此评价这本经典著作对我国教材建设，特别是文科 物理教学具有借鉴意义 .本文赏析的是 Conceptual Physics的最新版第十一版， 1这一版是 2010 年新出版的，离上一版的出版已隔 4
3、年，依然是 艾迪生 -韦斯利（ Addison-Wesley） 出版 公司 出版发行的 . 2 Conceptual Physics（ 第十一版）教材的特色 2.1 引领科学兴趣，吸引读者眼球 在 Conceptual Physics（第十一版）的前言中，作者 Paul G. Hewitt 分别给学生读者和教师写了一封信，这种奇特的方式一开始就给人带来了新鲜感，令读者有一种 耳目一新的感觉 .在写给学生读者的信中， Paul G. Hewitt 说：“你不会领会到周围世界的奥妙所在，除非你懂得自然界的规律 .而物理学就是学习这种自然界规律的，物理学完美地展示了自然界中的万事万物是怎样巧妙地、近
4、乎完美的联系在一起的 .”在信的最后， Paul G. Hewitt给出建议，阅读这本书时，要注重在概念上理解物理，不要过多的羁绊于很多复杂的公式 .最后发出号召：我们阅读本书，目的是享受物理，享受自然界的和谐美丽！ 收稿日期： 2010-9-15 ；修回日期： 2010-10-28 本文系教育部 2009 年度研究项目 “中美一流大学物理教育比较研究 ”的阶段性成果之一。 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，现主要从事信息文化、信息技术与物理学外国教材研究。 2 我们都知道，几乎每本书的前言都是讲述本书知识的作用，来源等等，而在 Conc
5、eptual Physics （第十一版）中，前言 就是一篇优美的文章， Paul G. Hewitt 不仅是位物理学家，更是一位文采飞扬的写作大家 .Paul G. Hewitt 以 About Science作为这本巨著的前言部分， 既引领了读者的浓厚兴趣，又做到足够吸引大家的眼球 . 在 About Science这一章中， Paul G. Hewitt 首先说了什么是科学？科学是知识的载体，它描述了自然界内在的规律以及这种规律产生的原因 .接着讲述了科学在人类历史变革中的重要作用，可以看出，人类文明的发展离不开科学，科学是人类历史前进的动力之源 . Paul G. Hewitt 为了充
6、分调动读者的兴趣，讲述了几个有趣的话题：如 公元前三世纪的希腊天文学家、数学家和地理学家埃拉托色尼 是怎样在远古时代就能“称出”地球的质量的、研究地球与月亮，地球与 太阳之间的距离、测量他们之间的距离等等这些看起来并非“人力所为”的匪夷所思的壮举，首先引起读者对科学的一种“崇拜”，接着又说明了数学是作为科学语言的形式存在的，又讲述了研究科学的方法和做科研的态度，让读者有一种层层深入，就像是在欣赏一部电影，回味无穷 . 最后，作者挑选了几个读者感兴趣的科学历史问题来供读者自己去查阅答案，在查阅答案的同时，读者肯定会了解到更多的关于科学的历史发展问题，这样有助于读者培养起浓厚的科学兴趣 . 2.2
7、 卡通图讲解知识，实物图展现实例 几乎每本书都有插图，但并不是每本书都能做到像 Conceptual Physics（第十一版）这样目的明确，用处广泛 .笔者 对书中大量插图的教学功能作了探讨和思考，将其归纳为以下几个方面： 2.2.1 导入教学情境， 增强科学素养 在课堂教学中，在传授重要物理知识之前，让学生进入相关知识的情境之中，对学生轻松接受相关物理知识是非常必要的 .内容丰富、形式活泼的图片很容易引人入胜，激发求知欲，从而让学生快速进入学习状态 .在每一章的起始部分都会安排一些或卡通，或实物的图片来说明这一章即将讲述的内容 .让人不用看内容，只看到这些画就能知道这章讲述的大概 .科学素
8、养 包含信心、兴趣、品德、知识面、团结协作意识等多方面内容 .增强科学素养有多种途径，而通过插图增强则是重要途径之一 .如第七章第 114 页的运用太阳能发电的技术图片，第九章第 156 页的太空空间站图片，第十八章第 326 页的环美金字塔，第二十四章第431 页中磁悬浮列车，第 555 页的电子隧道显微镜等等，所有这些都是用最新的实物图来说明，激发读者对科学自然的兴趣和对日常生活中科学的留意 . 3 图 1：太空空间站 图 2：磁悬浮列车 2.2.2 展示物理状态 ,呈现 物理过程 在物理教学中，经常需要进行状态展示，状态展示是教学中的基本环节，用插图展示状态，简洁明了 .物理过程的呈现也
9、是物理教学中的重要内容，通过插图呈现物理过程，形象直观 .在 Conceptual Physics（第十一版）中运用卡通图来展示物理状态，呈现物理过程是一大特色，如第 28 页用一个卡通人物站在称上来说明重力与支持力之间的关系，第 53页用一个卡通人物来吃力地推地面上的一个物块，说明了推力与摩擦力之间的关系，还有用一个正在掉落的包袱来讲述重力与空气阻力之间的关系，第 56 页更形象的给大象“穿 上”轮滑鞋，这样一个普通的人就很容易的推动这只庞大的大象了 .呈现物理过程 一部分的插图在书中第六部分 Light发挥得淋漓尽致，在这一部分，每个物理现象的光路图都非常的详尽，比其他物理学书中的光路图都
10、要详尽，都要清楚 .其中不乏用实物图和卡通图来解释光线的传播路线，让人一眼就能看得一清二楚 .第 464 页画出几个太阳与地球，月亮之间位置的图，这些图详细的说明了日食，月食的发生过程，让读者自己通过阅读这些话理解日食和月食 随意翻开这本书，几乎都可以看到画得精美的卡通画，这些卡通画给人一种特别亲切的感觉 . 图 3：大象穿上轮滑 图 4：日食、 月食示意图 4 2.2.3 表达物理规律，解释物理原理 所谓 物理规律（包括定律、定理、原理和定则等）是 指 物理现象、过程在一定条件下发生、发展和变化的必然趋势及其本质联系 .反映 物理规律的表达有多种方式，插图也是表达规律的重要方式之一，其中坐标
11、图、结构图、示意图等很多具有此功能 .如第 66 页的照片上是两个人互相拥抱（是作者和他妻子），用这样的照片来显示的是牛顿第三定律：“ You cannot touch without being touched ”借此说明牛顿第三定律的原理就是：力的作用是相互的 .第 86 页用四幅小卡通图来说明动量守恒定律，当动量一定时，如果作用时间较长，就像前两幅图，小车是没有事的，但是如果作用时间较短，就像下面两幅图一样，小车就会受到很大的伤害 .再有第 276 页，用一副照片做实物图，照片上显示的是某地冬天里的时候原本笔直的铁路弯曲的情形，用这幅实物图来说明了热力学中的热胀冷缩现象，冬天由于气温变低
12、，造成了铁道“冷缩”现象 .第 497 页插图中用了一副雨后彩虹的精美照片，旁边就把出现彩虹的原理图给描绘出来 .第 578 页 展现的是历史上第一张 X 光照射的图片，在这里通过图形显示出当时是怎么用仪器做出这张图的 . 图 5：动量守恒定律示意图 图 6：热胀 冷缩示意图 2.2.4 说明物理条件，化解教学难点 在探究物理规律或在分析例题与习题的过程中，都会遇到已知条件的说明问题，有的条件用语言表述显得冗长，用插图表达则显得简明 .教材中的电路图、示意图、装置图、结构图等，很多具有此功能 .如第 420 页几个比较卡通味的电路图不但给人一种眼前一亮的感觉，更重要的是详细的说明了各个物理条
13、件是不同的，这比用文字说明还更有说服力，第579 页所画的关于磁场对于不同的粒子的影响，直接在图的相应位置标出关于这种现象的简约表示，让读者比照图再看着文字，更加易懂 .在 物理教学中，还有一些问题比较抽象，用语言表达难以讲清楚，学生也觉得难于理解，教师可利用插图来化解难点 .教材中的照片、原理图、示意图、受力图、电路图、侧视图等，很多具有此功能 .如第 43 页描述了竖直上抛这个在物理学的开始部分非常费解的一个问题，竖直上抛的几个重要过程中的点都在图中画5 了出来，让读者感觉到就像是亲眼目睹整个过程似的，对竖直上抛这个过程 了解得非常清楚 .第 238 页的插图详细说明了压力与面积的关系，压
14、强与压力之间的关系，诸多难点就被几副图化解了 . 图 7：卡通电路图 图 8：压力与压强的关系 2.3 难易结合的内容分布，轻重分明的结构体系 在这里我们做一个各部分内容的结构表格，来详细说明这种结构体系，见表 1. 表 1 Conceptual Physics（第十一版）的各部分内容安排 内容 各章分支 页数 各节所占比例 各章所占比例 前言 科学论述 16 100% 2.4% 力学 牛顿第一定律 17 9.6% 26.8% 线性运动 17 9.6% 牛顿第二定律 15 8.4% 牛顿第三定律 17 9.6% 动量 18 10% 能量 21 11.8% 圆周运动 28 15.7% 重力 21
15、 11.8% 抛体和卫星运动 24 13.5% 物质性质 物质的原子本质 16 22.5% 10.9% 固体 16 22.5% 液体 19 26.7% 气体 20 28.3% 热学 温度、热膨胀 16 24.6% 10% 热传递 16 24.6% 相变 15 23.1% 热力学 18 27.7% 声学 振动与波 17 36.2% 7.2% 声波 17 36.2% 悦耳的声音 13 27.6% 静电学 22 30.1% 6 电磁学 电流 20 27.4% 11.2% 磁场 16 21.9% 电磁感应现象 15 20.6% 光学 光的性质 17 17.0% 16.6% 颜色 14 14.0% 反射
16、与折射 15 15.0% 光波 18 18.0% 光发射 18 18.0% 光量子现象 18 18.0% 原子物理学 原子与量子 11 20.8% 8.1% 原子核放射性 21 39.6% 核裂变与聚变 21 39.6% 相对论 狭义相对论 28 65.1% 6.8% 广义相对论 15 34.9% 由表 1 可以很清楚的看出： Conceptual Physics中的重头戏是经典物理学，约占整个比重为 82.7%，而且经典部分难度也不大，适合文科生学习物理的特点 .难易结合是文科物 理区别于纯理科物理的一个重要特点，这里难度本身就很小，而且还在这个基础上分出了各个等级，适合于不同的学生 . 2
17、.4 立足于理，建瓴于文 Conceptual Physics（第十一版） 的起点较低，在这本书中首先强调了一个重要理念即物理学既是科学也是文化 .在人类的人文文化和科学技术文化两大文化中，后者的重要部分就是物理文化 .物理教育的基本任务之一是传递物理文化 .因此，物理教育不应仅是传授物理知识，而且要突出物理教育中的文化特征，重视对学生探索、求实精神及科学审美观等的培养 .一句话，就是要重视对学生科学素 质的培养与教育 .按照上述理念， Conceptual Physics 以物理学史的发展为主线，以物理学发展史和物理学研究方法论作为其主要内容，从人文文化和科学文化的高度把有关的内容组织起来
18、.编者在该书的编写中，充分体现了文理渗透的精神，注意加强物理学的人文色彩，并注意突出物理学的思想性和哲理性，立足于理，建瓴于文 .2 3 3 Conceptual Physics 对我国编写文科物理教材的启示 文科物理是高校实施文化素质教育的一门重要课程，对体现科学教育与人文教育的融合，特别对提高非理工学生的科学 文化素质起着重要作用 .今天的物理学不仅在实用技术工程方面有着广泛的延伸，而且在人文精神方面也有着深厚的积淀 .我们不仅可以利用它、理解它，而且也可以感受它、欣赏它，使之成为一门科学素质教养课 .自然科学与人文科学由于内容上互渗、方法上互通、功能上互补、结果上互利，使得自然科学和人文
19、科学的统一和7 一体化进程成为一个不争的趋势，这一趋势影响着社会生活的方方面面，从而也影响着教育发展的走向 .通过阅读 Conceptual Physics，得到对国内文科物理教材建设的一些启示，主要有以下几点： 3.1 打破理科局限， 注重人文教学 .即 要适当地向学生介绍科学史 ，不要把物理教材局限于 只教给学生现成的定理， 这样文科 学生 会 没有兴趣 .例如，在讲授牛顿三 大 定律 的 时候，先介绍一下牛顿的故事，激发学生的学习兴趣，然后再总结给出简洁的几条规律 .学生不仅深入领会了牛顿三 大 定律的发现过程是现代科学方法的范例，也懂得了前辈为追求真理付出的艰苦劳动以及乐在其中的人文精
20、神 .4将学习物理的过程升华为欣赏物理的过程，以物理学的美吸引学生 , 以物理学的真陶冶学生，以物理学家的事迹感化学生 .物理学作为一门重要的基础学科 ,它所包含的大量的科学信息 ,物理学 家辩证的科学思维方法 ,承前启后、勇于创新的精神 ,必将给文科学生以科学的启迪 ,使他们学会科学的思维方法 ,做到文理互补、文理相通 ,走上社会后为人类社会发展做出更大的贡献 . 3.2 力求简洁完整，避免复杂冗长 .即 编写 文科物理课程，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，避免以微积分为工具的数学推算 .通过身边的物
21、理、生活中的物理和最新科技发展中的物理来导入物理知识 ,使学生感悟和认识物理学的重要性，并懂得一些基本的物理原理 .在介绍物理基 础知识的同时，以系列专题讲座的形式，向学生介绍物理学在各个领域的应用，如纳米技术及应用，静电的防治及应用，激光原理与技术，现代能源技术，电磁波与现代通信，传感器与检测技术，超导与磁悬浮等，使文科学生对当代科技的应用和发展有基本的了解 .5 3.3 利用物理实验，培养动手能力 .一直以来，“实验室”似乎是理工科大学生的专有名词，而如今面对文科生，到底需不需要做实验？教材的编写应不应该加入实验的成分呢？答案是肯定的！物理实验对文科生来说有利于培养其思维能力，当今社会正大
22、力提倡素质教育 .对文科学生来说 ,素质教育 的主要任务就是培养他们的科学素养 ,完善他们的知识与能力结构 ,而学生的思维能力理所当然是培养的重点 ,因为人的思维素质比文化素质更为能动 ,是更重要的一个素质 .文科生的知识结构特点影响了他们对自然科学抽象理论的理解力 ,与理工科的学生相比较 ,文科的学生注重理论化的学习多 ,实际动手能力较差 .文科学生通过物理实验，可以培养严格、细致、实事求是、一丝不苟的科学态度，不管是对以后的工作还是生活，都将大有裨益 .因此在编写文科物理教材时，不应该忘记实验的编写，一些最基本的实验应该写清楚，要注重实验的篇幅不应该过多，以每一章有一 到两个为最好 . 8
23、 3.4 坚持以人为本 ,重在授人以渔 .即 文科物理教材作为融通文理的通识课程 ,应当坚持以人为本 ， 重在授人以渔的教学理念 ，通过 物理教学 ， 充分发挥物理学的社会教育功能和思想文化功能 ， 通过对物理学发展史上一些重大发现过程的介绍 ， 向学生传播著名科学家的科学思想、科学方法和科学精神 ， 着力提高学生发现问题、独立思考、分析判断的能力 ， 不断激发学生的创新意识 ， 培养学生终身学习的能力 .只要教材在教学中善于发掘蕴含在物理学中的“真、善、美” ,注重在认识论、方法论、科学思维和科学方法等方面给学生以坚持不懈的引导 ， 就 能够培养出适应新世纪迅速变化和激烈竞争的创新型人才 .
24、基于对文科物理重要性的深刻认识 ， 秉承融会贯通科学文化与人文文化的教学理念 ， 只要我们勤于探索 ， 勇于实践 ， 不辞劳苦 ， 辛勤耕耘 ， 不断改进教学方法 ， 努力提高教学质量 ， 善于用教师的科学激情去点燃学生的学习热情 ， 就一定能够发挥出文科物理在开启心智、陶冶性情、引导创新、提高素质等方面的独特魅力 .6 4 结束语 如今，在高等院校实施课程结构综合化、文理渗透的教育趋势的推动下，全面展开人文素质教育和科学素质互补性教育已经是迫在眉睫 .我们始终相信愈发达的 科学愈需要文理 相通，这是给文科生开设物理课的根本意义所在 .本文旨在通过评介文科物理的经典教材， 向国际一流大学学习，
25、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，可以说从一定程度上完善并丰富了开设文科物理课程的意义 .希望能够为我国文科物理教材建设添砖加瓦！ 参考文献 1 Paul G. Hewitt. Conceptual Physics（ eleventh edition） .Pearson press，2010:1-737. 2 http:/cmp-:8072/phy/ 开设文科物理课程的初步探索 . 3 Paul G. Hewitt, Christopher Chiaverina, Kenneth W.Ford 等， Conceptual Physics(Teacher s Edi
26、tion). Pearson press,2009:1-940. 4 http:/cmp-:8072/phy/ 浅谈开设文科物理课程的实践及意义 . 5 http:/cmp-:8072/phy/ 文科物理教学的四个结合 . 6 李铁 .谈谈高等院校文科类专业的物理教育 J.物理与工程 :副刊 ,2001(8) :21. 9 Feature and revelation of art physicss classical teaching material in first-rate schools in America ZHANG Li-bin1, LI Guang-ping2 (1.Fore
27、ign textbook center of Nankai University,TianJin 300071; 2.Applied physics school of Nankai University ,TianJin 300071) Abstract: In this paper, we give a full analysis and evaluation to the art physicss classical teaching material in first-rate schools in America- Conceptual Physics ,we think of that the writing mode of this book will provide a great reference value to art physicss teaching material in our country . Key Words: first-rate schools in America; art physicss teaching material; conceptual physics; feature ;revelation 此文 拟 发表于国家核心刊物大学物理 ， 2011 年第 5 期。
