哈佛大学物理教育状况研究.doc

哈佛大学物理教育状况研究张立彬（南开大学外国教材中心；天津 300071）郑先明（南开大学物理科学学院；天津 300071）内容摘要 通过对哈佛大学物理教育理念、专业设置、课程体系、教材选用情况和教学方式的分析与研究，认为本文可为中国大学的物理教育改革提供一些科学的参考和启示。在我国物理学高等教育改革方面，建议应注意崇尚学术自由、营造严谨治学的学术氛围、通识教育与专业教育相结合、注重实践学习、制定其独具特色的物理教学模式等。关 键 词 哈佛大学；物理教育理念；专业设置；课程体系；物理教材；教学方法；启示哈佛大学（Harvard University）成立于1636年，是全美最古老的大学之一，先有哈佛，而后有美利坚。如今的哈佛大学是群英荟萃、人才辈出的第一流著名学府，对美国社会的经济、政治、文化、科学和高等教育都产生了重大影响，对世界科学研究做出了突出的贡献，是全球排名第一的综合性大学，其校徽和校训的文字，昭示了哈佛大学立校兴学“求是崇真”的宗旨。1本文试图通过对哈佛大学物理教育理念、专业设置、课程体系、教材选用情况和教学方式的分析研究，探索其培养创新型杰出人才的方式、方法与模式规律，对中国大学的物理教育改革提供一些科学的参考和启示。一、哈佛大学物理教育理念在柏拉图和亚里士多德时代，“理念”(Idea)一词是指理智的对象或理解到的东西。这里讲的大学理念，其内涵是一种思想、认识、观念或理想。大学理念是贯穿在办学、治学过程中的一种教育思想、发展观念和实践精神，它是外延宽泛并能反映办学思维活动诸概念共性的普遍概念，体现了一所大学在长期办学中思想精华的积累与提炼。科学的教育理念是一种“远见卓识”，它能正确地反映教育的本质和时代的特征，科学地指明教育前进的方向。由哈佛学院时代沿用至今的哈佛大学校徽上用拉丁文写着Verities字样，意为“真理”，追求真理作为哈佛校训，既是衡量和判断学校教育发展方向的重要尺度，也是哈佛大学的核心教育理念。随着社会的不断发展，哈佛大学也将遇到新的问题，面临新的挑战。2在始终坚持学术性的基础上，哈佛大学不断更新自身的办学理念，使大学不仅适应时代的要求，而且引领社会的发展，从而保持了生机与活力。3独立思想是哈佛大学教育教学的第一原则。严格的学术规范又是独立思想得以科学论证的重要保证。在物理科学领域，只有拥有追求科学的独立学术思想，养成严谨的学风，才算是具备了做科学研究的基本素质，从而为进一步的深入研究和创造发明奠定坚实的学术基础。哈佛大学的环境不只允许、而且鼓励人们从自己的特立独行中寻求乐趣，相应地，教学也从以知识传授为基础转变为教师指导下的学生自我教育。哈佛教授也自觉地把独立思想原则落实到教学的每一个具体环节，他们创造了平等、轻松和无拘无束的课堂气氛以最大限度地激发学生独立创造和思想探索的积极性。学生花在课堂之外的时间更多的是他们独立探寻未知的事物。学术自由是哈佛大学人才培养和科学研究的重要前提。哈佛大学具有严格的学术规范，同时又为学子提供了一个自由的、丰富的、不拘一格的学术环境。引入学术自由精神的哈佛原校长艾略特曾指出：“（一位哈佛教授）在他的领域内是主人他既可以采用一种纯粹的讲座方法,也可以要求学生翻译、背诵或回答问题。他既可以严格课堂纪律,他既可以培养学生与社会广泛联系,也可以不讲课堂以外的任何东西。因为他的学生中有不同的观点和背景宗教的、政治的和社会的所以,他将自然而然的给予其他人享受的同样的自由。”学生有选择学习的自由,有拒绝参加礼拜的自由,有平等地竞争学期奖学金的自由,有选择自己朋友的自由。哈佛大学各系的界限并不是俨然不可分的，物理系的学生还可以从事音乐创作与表演，可以参加戏剧团排演等。其实行的选课制和学分制正是基于学术自由的理念。通识教育是哈佛大学的一大教学特色，为培养优秀杰出人才打下了基础。通识教育使学生受到广博的教育，其目的在于使学生学会使用抽象的概念或学过的知识在各种领域理解、解决具体问题，在不同领域给学生某些练习实践的机会，使学生更好地界定和理解他们自己在当今世界的经验。哈佛大学通识教育有着悠久的历史,历经艾略特、洛厄尔、科南特和罗索夫斯基的不断发展,为了与社会、知识、文化发展相协调也在不断改革。历史上哈佛大学物通识教育总共经历的五次改革，最近一次改革在2007年5月，是对哈佛30 多年来本科通识教育第一次彻底的修正。4学生必须学会质疑,学会反思,学会批判地、分析地思考,学会有效处理不同的历史瞬间和文化形式是此次改革的根本目标。一流的师资力量是人才培养、科研进步的保证。哈佛大学非常重视教师质量，其师资队伍可以说是世界上最好的。5以学术为导向的聘用制度，始终保证哈佛大学教授的一流水平。本科教学全部由教授承担，要求有成就的资深教授、诺贝尔奖金获得者及优秀青年教授讲授核心课与专业课。哈佛大学原校长科南特就曾提出过“大学者，大师荟萃之地也。如果学校终身教授是世界上最著名的，那么这所大学必然是最优秀的大学。”以人为本的教育教学宗旨。在很早的时候，哈佛大学就制定了以人为本的教育教学宗旨，建立了平等的师生关系，以社会发展需要和追求个人特性为依据确定培养目标。在物理学中强调学术和科研工作重要性的同时，重视多样化的优秀教学和个性思维的发展，培养学生思考问题、分析问题、解决问题的能力，鼓励且支持学生将自己独特的科研思想与见解研究发展下去，走出一条自己科学研究的道路。二、哈佛大学物理研究机构和物理专业情况哈佛大学物理系是哈佛比较大的一个系，有十八个专业方向共96门课程。出现过10位诺贝尔奖得主。6他们是Percy W.Bridgman（珀西布里奇曼，1946，发明高压产生仪及其对高压物理领域的贡献）、Edward Mills Purcell（爱德华米尔斯珀塞尔，1952，对核磁场精密测量的研究）、Julian Schwinger（朱利安施温格，1965，在量子电动力学基础研究做出杰出贡献）、John Hasbrouck van Vleck（约翰凡弗莱克，1977，对磁性和无序系统电子结构基础理论研究做出贡献）、Sheldon L.Glashow and Steven Weinberg（谢尔登格拉肖和史蒂芬温伯格，1979，对基本粒子间统一弱电磁相互作用理论研究的贡献）、Nicolaas Bloembergen（尼古拉斯布洛姆伯根，1981，对激光光谱学发展的贡献）、Carlo Rubbia（卡洛鲁比亚，1984，对W和Z玻色子的发现做出决定性的贡献）、Norman F. Ramsey（诺曼拉姆齐楼，1989，发明分离振荡方法及其在氢脉泽和其他原子钟的应用）、Roy J. Glauber（罗伊格劳伯，2005，对光学相干的量子理论的贡献）。哈佛大学建立了多个物理研究中心，具体有：l 超冷原子研究中心（CUA）：汇集了大量来自于MIT和哈佛大学，追求因超冷原子和量子气体开辟的新领域研究工作的科学家。该研究中心是由美国国家科学基金会（NSF）支持的，目前主要研究的是围绕超冷原子和对原子和光子的量子状态的控制状态密切相关的内容。进行该项研究的人员大约有100名研究生、博士后研究人员、大学生和来自于各合作项目中心的高级研究人员；7l 纳米系统中心（CNS）：主要研究纳米级元件怎样集成大型复杂的相互作用系统，及其微小的结构研究和学习他们的不同行为对宏观系统的影响；8l 哈佛大学史密森天体物理中心（CFA）：通过对天文和天体物理学的研究学习增强我们的天文知识和对宇宙的理解；9l 原子、分子和光学物理理论研究所（ITAMP）：主要目标是吸引及培养一批在原子、分子和光学物理理论领域具有高素质的人才，并在不同时间段内各地高级研究学者能够形成一个积极的合作方案；10l 粒子物理和宇宙学实验室（LPPC）：主要进行粒子物理学和宇宙学前沿研究实验，并为学生提供一流的教育实验机会。该实验室方案已经实现了世界各地的加速器实验室并解决内部和超越标准模型的重要问题；11l 材料科学与工程研究中心（MRSEC）：是哈佛大学传统跨学科材料研究中心，由国家科学基金会成立，以确定新的材料科学与工程研究领域为宗旨；12l 纳米科学与工程中心（NSEC）：该研究中心是哈佛大学与麻省理工学院、加州大学圣巴巴拉分校、代尔夫特科技大学（荷兰）、波士顿科学博物馆（瑞士）、日本东京大学（日本）和桑迪亚国家实验室之间的合作，结合“自上而下”和“自下而上”的方法构建新的纳米尺寸大小的电子和磁性设备以理解其行为及产生的量子现象。13l 罗兰研究所：跨学科的实验室，其研究领域包括细菌运动性和行为、光化学和光生物学、电子学工程、离子阱和离子簇、纳米量子等。14哈佛大学十八个专业方向分别为天体物理学和天文学；原子、分子和光学物理实验；原子、分子和光学物理理论；生物物理学实验；生物物理学理论；计算物理学；凝聚态物理学实验；凝聚态物理学理论；环境建模和风险评估；高能物理实验；高能物理学理论；超弦理论；高压物理实验；物理学历史；低压物理实验；数学物理学；介观物理学实验；介观物理学理论；核物理学。具体课程见表2。纳米科学、粒子物理学以及天体物理学是哈佛物理学中的强势学科，在校内建立了多个相关的物理实验室和研究中心。其中宇宙学和粒子物理最为突出。哈佛大学的宇宙学和粒子物理实验室引领前沿的粒子物理和宇宙学观测实验研究，并为研究生和本科生提供教育研究，以及为博士后提供的ATSAS实验研究。实验室下又分出好几个领域的研究小组，如ATSAS Group、Dark Energy Group、CDF Group、Dark Matter Group、Neutrino Group等等。三、哈佛大学物理课程设置情况哈佛大学全日制本科生的培养任务由哈佛学院（拉德克利夫学院于1999年 10月开始由本科教学机构改为研究机构）承担，共设有 46个专业领域。哈佛学院通常要求本科生在一年级结束时选择专业。选专业时学院指定一位教员进行指导。学生也可以将两个专业的课整合为一个联合培养的专业，或自我设计自己的专业提请教授委员会批准。哈佛大学的课程按“全课程”（full-courses,从秋季学期持续至春季学期的课程）或“半课程”（half-courses，即秋季或春季学期课程）来计算的。不同专业的学生人数差别很大，大的专业有五六百人，小的专业只有十几个学生；不同专业要求学生学习的课程数量也不同，一般来说，本科生必须修满 16 门“全课程”（相当于 32 门学期课程）并至少取得及格成绩才能毕业。15在课程设置的内容上，主要表现出“宽基础、综合化、重实践”的特征，通识教育与专业教育相平衡。本科生所修的全部课程（约32门学期课程）中，一般的课程（16门左右的学期课程）为专业课，1门（学期）课程是大一新生必修的“说明文写作”(Expository Writing)课，8门课程为必修的“核心课程”(Core Curriculum)16，要求学生从八个学科领域中的每个领域选择一个用字母表示成绩等级(one letter-graded)的半课程。其余约8门的课程可以根据自己的学术兴趣任意选修，表1给出了哈佛大学全日制本科生课程选择标准。表1：哈佛大学全日制本科生课程选择标准。1st year2nd year3rd year4th year占毕业学分%通识教育八大领域a.美学的和阐释的理解(Aesthetic and Interpretive Understanding)25%b.文化和信仰(Culture and Belief)c.实证和数学推理(Empirical and Mathematical Reasoning)d.道德推理(Ethical Reasoning)e.生命系统科学(Science of Living Systems)f.宇宙物理科学(Science of the Physical Universe)g.世界社会(Societies of the World)h.世界中的美国(The United States in the World)其他要求写作能力(expository writing)6%外语能力(foreign language)3%主修主修(Concentration) 11-16 half courses34%-50%选修选修(Electives) 6-8 half courses -选择辅修(Secondary Fields)可充抵选修学分19%-25%哈佛大学物理系本科生的主修课程包括：Introductory Mechanics and Relativity(Physics 15a);Introductory Electromagnetism(Physics 15b); Wave Phenomena(Physics15c);Mechanics(Physics151); Electrodynamics (Physics 153);Mechanics and Special Relativity(Physics 16); Condensed Matter Physics of Modern Technologies(Physics 167);Exploratory Physics Lab(Physics 17);Quantum Electronics and Modern Optics(Physics 175); Statistical Mechanics and Thermodynamics(Physics 181);Advanced Laboratory(*Physics 191r);Introduction to Solid State Physics(Physics 195);Supervised Research(*Physics 90r);Supervised Reading Course for Undergraduates(*Physics 91r);Topics in Current Research(*Physics 95)等等。必修学分11至16 half courses。选择主修是非常重要的决定，需询问及搜集各项资料，方能做出适合自己的判断。所以学校顾问(Advisers)扮演相当重要的角色，提供多元的协助，帮助学生做出决定。每个学生在第一年下学期必须与顾问作深入讨论，且此讨论须留下书面资料。顾问计划办公室(Advising Programs Office)也会为新生举办认识各个主修领域的各项活动，以协助同学了解。当同学确定主修后，须与主修单位的课程代表讨论主修习期计划，此学习计划须在大二上学期12月第一个星期一前缴交，此方能完成选择主修程序。完成选择主修程序并缴交学习计划后，仍可填写变更主修申请单(Change of Field of Concentration form)进行更动。哈佛亦提供不同形式的学位（multipletracks），如同学可以选择进阶的荣誉资格学位（Honors-eligible programs），不同于基础学位，必须撰写论文或修习进阶课程。四、哈佛大学物理专业教材选用情况哈佛大学物理教学一般是选择经典的物理教科书作为教材。大多数教科书都是出自世界一流大学或知名出版社，如哈佛大学出版社、剑桥出版社、普林斯顿大学出版社和Springer出版社等等。表2列出了哈佛大学部分物理课程、课程代码、教材及参考书选用情况。17表2：哈佛大学部分物理课程、课程代码、教材及参考书选用情况Course nameCourse numberTextbookReference bookPhysical Sciences 1.Chemical Bonding,Energy,and Reactivity:An Introduction to the Physical Sciences2225The Molecular Nature of Matter and Change,5th Edition,Silberberg(custom edition,chapters7-11only)Physical Sciences 2.Mechanics,Elasti-city,Fluids,and Diffusion6053Physics for Scientists & Engineers, 4th editionVectors and Motion，Motion-Momentum，Forces-Momentum，Energy-abeginnersguide，whatisenergy，viscosity-and-brownianPhysics 11b. Electricity, Magnetism, and Waves5472Douglas Giancolis Physics for Scientists and Engineers.Physics 15a.Introductory Mechanics and Relativity1984Introduction to Classical Mechanics,by David Morin.University Physics, by Young& Freedman, Volume 1, 11th Edition. Y，Introduction to Classical Mechanics,With Problems and Solutions,Physics 15c. Wave Phenomena8676Vibrations and Waves in Physics (3rd edition or higher)Vibrations and Waves in Physics (4rd edition or higher)Crawford, Waves French, Vibrations and Waves Georgi, The Physics of WavesPhysics 16. Mechanics and Special Relativity2019Introduction to Classical Mechanics: With Problems and Solutions by David MorinPhysics 143a. Quantum Mechanics I1050The Quantum World,Kenneth W. Ford,Technical Appendix by Diane Goldstein,Harvard University pressPhysics 143b. Quantum Mechanics II0253The Quantum World,Kenneth W.Ford,Illustrated by Paul Hewitt,Harvard University pressPhysics 151. Mechanics2068T. Kibble, Classical Mechanics.V.Arnolds Mathematical Methods of Classical Mechanics; G.Gallavottis The Elements of Mechanics; H. Goldstein, C. Poole, and J. Safko, Classical Mechanics;R.Douglas Gregory, Classical Mechanics;E.Mach,The Science of Mechanics; D. Morin, Introduction to Classical Mechanics; etc. Physics 167. Condensed Matter Physics of Modern Technologies4654N. Ashcroft and D. Mermin. Solid state physics.N. Ashcroft and D. Mermin. Solid state physics.R. Waser. Nanoelectronics and information technology.Physics 210. General Theory of Relativity4840Very Special Relativity Sander Bais Harvard University pressPhysics 218. Modern Dynamical Systems1362Devices and TechniquesPhysics 248. Phenomena of Elementary Particle Physics5431Particle Physics: A comprehensive Introduction, Abraham Seiden, Pearson/Addison Wesley, 2005;Gauge Theories in Particle Physics, 3rd edition, 2 volumes, I. J. R. Aitchison and A. J. G. Hey, Taylor and Francis, 2003/2004;Quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics, F. Halzen and A. D. Martin, Wiley, 1984;An Introduction to Gauge Theories and Modern Particle Physics, 2 volumes, E. Leader and E. Predazzi, Cambridge, 1996.Gauge Theory of Weak Interactions, 2nd edition, W. Greiner and B. Mller, Springer,1996;Weak Interactions of Leptons and Quarks, E. Commins and P. Buchsbaum, Cambridge,1983;Gauge Theories of the Strong, Weak, and Electromagnetic Interactions, C. Quigg, Westview,1983.Physics 253a. Quantum Field Theory I8050M. Peskin and D. Schroeder, An Introduction to Quantum Field Theory, Addison-Wesley, 1995.S.Weinberg Quantum Theory of Fields,M. Srednecki, Quantum Field Theory, Cambridge U.Press,2007; A.Zee, Quantum Field Theory in a Nutshell, Princeton U. Press, 2003;A. Pais, Inward Bound , Clarendon, 1986.Physics 262. Statistical Physics1157Statistical Mechanics by R. K. Parthria, ElsevierStatistical Physics, Part 1, E. M. Lifshitz and L. P. Pitaevskii, Pergamon;Statistical Physics of Particles by Mehran Kardar, Cambridge University Press.Physics 271（formerly Physics 287). Topics in the Physics of Quantum Information7647D.Bouwmeester, A.Ekert & A. Zeilinger “The physics of quantum information”;M.Nielsen & I. Chuang “Quantum computation and quantum information”Physics 287a. Introduction to String Theory2012Joseph Polchinski, String Theory, Vol. 1,2 (Cambridge Monographs on Mathematical Physics, 1998);M. B. Green, J.H. Schwarz and E. Witten,Superstring Theory: Volume 1, Introduction (Cambridge Monographs on Mathematical Physics, 1987)Katrin Becker, Melanie Becker, and John Schwarz, String Theory and M-Theory: A Modern Introduction,(Cambridge University Press, 2007);Elias Kiritsis, String Theory in a Nutshell, (Princeton University Press, 2007);Barton Zwiebach, A First Course in String Theory,(Cambridge UniversityPress, 2004)注表2：上述数据资料主要根据哈佛大学校园网上的资料收集整理而成。物理专业类教科书通常具有内容全面、重点突出，清晰的物理插图说明、图表众多，数学计算与推导过程详细，紧密联系最新科研进展，详细的参考文献等特点。下面简要介绍几本物理专业教科书的情况。1.Particle Physics： A Comprehensive Introduction（粒子物理：综合导论）是美国哈佛大学物理系课程编号为5341的课程“Physics 248. Phenomena of Elementary Particle Physics ”所选用的教材之一。该教材涵盖了粒子物理中标准模型下的基本概念和理论。标准模型的目的是了解亚原子结构中以及其中的基本相互作用的理论，通过一些基本的粒子来描述三种基本的相互作用，进而使人类对微观尺度的自然有一个更加深刻的认识。这些基本粒子包括三代夸克和三代轻子以及传递相互作用的规范粒子，它们存在的证据已经大部分通过加速器的实验证明了。书的主要内容分为三大部分，第一部分主要是讲粒子物理的研究方法，通过高能加速器上的碰撞实验和宇宙射线中的观测实例，从而观测其中的粒子之间的散射截面和衰败宽度。第二部分是讲述微观世界的三种基本的相互作用以及基本粒子。第三部分是讲述了当今高能粒子物理的科学进展，主要是大动量转移的碰撞实验，在高能情况下，量子色动力学是可以用微扰方法来计算的，在大动量转移情况下，强相互作用具有渐进自由的特性，本书还在这一部分讲述了LHC的研究情况以及二十一世界的粒子物理研究领域并对未来的高能物理进行了展望。2.Quantum Computation and Quantum Information（量子计算与量子信息）是美国哈佛大学物理系课程编号为7647的课程“Physics 271 (formerly Physics 287).Topics in the Physics of Quantum Information”所选用的教材之一。Quantum Computation and Quantum Information介绍了量子计算和量子信息领域的迅速发展和其交叉学科的性质，共十二章，分为三个部分。叙述的基本原则是从具体到抽象，先讲述量子计算后讲述量子信息；先讲特殊的量子纠错码后讲量子信息论的一般结果；先讲例子后讲一般理论。该书完整系统的介绍了量子计算与量子信息的最新成果和基本知识，其社会评价非常高，有许多此专业的研究人员在谈到选择哪本教材时，首选的就是这本书，而且也有很多相关方面的书拿这本书作为参考教材，引用次数非常高。3.An Introduction To Quantum Field Theory（量子场论导论）是美国哈佛大学物理系课程编号为8050的课程“Physics 253a.Quantum Field Theory I”所选用的教材。An Introduction To Quantum Field Theory是对量子场理论和经典模型几乎各个方面的介绍，内容详尽充实，这本书的价值在于任何读这本书的人可以不具备量子场理论的知识就可以从这本书中获得关于这个内容一个较详尽的理解。与同类教材相比，该书的内容更加详尽。全书共分为三个部分：第一部分集中介绍正则量子化方法、量子电动力学和费曼图。这部分由七章组成，分别是：绪论部分、Klein-Gordon场、Dirac场、互作用场和费曼图、量子电动力学的基础理论、发光修正导论和一些最新进展。第二部分讲述的是一些处理方法，着重阐述泛函方法、重整化和重整化群以及临界指数等问题。这部分内容又分为六章，分别是绪论、方程解决方法、归一化系统、归一化和对称型、归一化组、临界指数以及斯卡拉场理论。第三部分共八章内容，详细讨论了非阿贝尔规范场。这部分具体包括强子结构的部分子模型、非阿贝尔规范场的不变性、非阿贝尔规范场的量子理论、量子场色动力学、算符运算和有效阈、异常扰动理论、规范场的自发对称断裂理论以及该理论的量子解释。在本书的结尾，作者用发展的眼光介绍了量子场理论的发展前沿，指出了量子场论的发展前景，收官完美。4.String Theory（弦论）是美国哈佛大学物理系课程编号为2012的课程“Physics 287a.Introduction to String Theory”所选用的教材之一。String Theory共分两卷内容，给出了关于弦理论最新，最全面的介绍。卷一：An Introduction to the Bosonic String，本卷在亚科夫回路积分和正形场理论的基础上详尽描述了玻色理论。前四章重点介绍有关弦理论的中心思想，基础思想；研究亚科夫回路积分和正形场理论的工具以及弦理论的协变量子化。接下来的三章讲述了弦理论相互作用的普遍形式，以及对于树形级别与一级循环的细节处理方法。第八章涵盖了紧致化现象与许多弦理论物理的重要方面，比如T二元性和D振动性。第九章介绍比较高级的振幅运动，包括有限性和归一性的分析以及各种关于扰乱的思想。在本卷的最后给出关于回路积分方法的简略介绍。卷二：Superstring Theory and Beyond，从关于超弦理论的论述开始，介绍了近几年在超弦理论上的重大进展。在前三章介绍了型、型和异形超弦理论，以及它们之间的相互关系。接下来的两章重点介绍了关于强组合弦论有关的重大最新发现以及对于D振动性的详细描述和它的动力学性质。这部分内容包括弦论二元性、M理论以及黑洞熵理论。下面一章讲述了关于共形场论的经典例子。最后四章重点讲述四维弦理论，主要有两个目的：展现最简单的弦模型，即怎样用原始思想来匹对标准模型；搜集许多重要的、完美的关于空间对称性的的普遍结论。最后总结了费米子与超对称性的重要背景。非物理专业理工科类教科书通常具有内容广泛丰富，语言生动易懂，用通俗的方式讲解基本物理原理，由浅入深等特点。如Physics for Scientists & Engineers(Third Edition)(大学物理学)是美国哈佛大学课程编号为6053的课程“Physical Sciences 2. Mechanics, Elasticity, Fluids, and Diffusion”所选用的教材。该书内容丰富、图片精美，用生动通俗的方式讲解物理学的基本原理，涉及大量在生活和工程中的应用，对经典物理和近代物理都有相当全面、系统的介绍。全书的内容主要包括了运动学（测量、物体的运动），动力学（牛顿定律、万有引力定律、动能定理、能量守恒定律、动量和角动量），流体力学，波动，声学，热力学（热力学定律），电磁学（电荷和电场、高斯定理、电势、电容、电流、电路、磁场、电磁感应、麦克斯韦方程组），光学（反射和折射、棱镜和光学器件、干涉），狭义相对论，原子物理，量子力学，固体物理，核物理，粒子物理和天体物理等。虽然内容浅显，在专业程度上不如其它物理学的专业领域书籍，但是在学术价值上也有其独到之处。可以说这本书很全面地概括了物理学的分支，对于非物理学专业的理工科本科生和初步了解物理学的学者来说是一本很好的参考书。五、哈佛独特的物理教学方式和方法哈佛大学在教学中注重实践,其案例教学独具特色,是所有教学方法中最具成效，最为出名的，成为其与众不同的传家宝。案例教学是一种教师引导与学生参与相结合的生动活泼、理论联系实际、形象化的教学方法。它着力提倡“亲验式”教学方式,引导学生在逼真的模拟情景中感悟与从事管理实践。案例指情况、事例,根据事实作出客观描述,案例宛若一篇篇故事,有人物、有情节,也有细节,来源于现实生活中的实际情况与具体问题。学生通过案例教学身临其境,感同身受,巧妙地变间接经验为直接经验,将知识学活、用活。所以,在哈佛大学的课堂上是没有唯一正确答案的。哈佛大学有5万个案例供教学科研使用。案例教学重在研讨,妙在“引发思索,集思广益”,巧在学生用现身说法,亲历现场,进入角色,学生爱学,教师爱教,简便易行又能持之以恒。正是这种课堂与社会、生活紧密结合,最大限度地调动师生尤其是每个学生积极性的教学法,确保了从哈佛大学毕业的所有“金子”都能发光。哈佛大学的案例教学不仅仅是一种教学方法,更主要的是一种教育思想和观念的更新。它的实质是一种创造性的教学实践。它所追求的是一种新的课堂教学结构,不以课堂的活跃为满足,而在于提高管理课程的培训和教学质量,把案例教学看成课堂教学中理论联系实际的结合点。哈佛大学的物理教育经过不断的探索研究与教学改革，建立了属于自己的独特的教学方式。5.1 案例教学。妙在引发思索，集思广益，考虑的方法不同，得出的结论也不一样。如一个经典的物理案例“雨中行走，如何使淋雨最少”。通过建立模型分析，不同的模型得出的结果也可能不同。“答案不是唯一的”这是案例教学的最大特点。该案例哈佛大学至今已有5-6种不同模型的分析方法，考虑了风向、雨速、人体形状（面积）等众多因素，得出的结论不尽相同。通常来说，若你发现雨是从你前方打来的，那么跑得越快越好；若雨是从后方或侧后方打来的，且速度较小，那么奔跑时也是越快越好；若雨是从后方或侧后方打来的，且速度较大，以致人站在雨中时，后背淋到的雨比身体其它部分还要多，那么奔跑时应使后背恰好不淋雨为最好。案例教学也可以看做是一种趣味教学，能够有效的调动学生思考积极性，引发学生的创新意识，广泛应用于各种教学领域。5.2 运用互动讨论法教学。大胆为学生创造参与实践的机会，尽可能地将所有课程的教学以互动的形式展开，使学生有机会与授课的教师以及同学就所学的东西展开讨论，且教学内容和方法紧密联系实际（Closeness to Practice）。哈佛大学著名物理教授Eric Mazur（埃里克马祖尔）发明了可以实现大班互动教学的方法（peer Introduction），其实际操作步骤也非常简单。18他曾经在大班课堂上提过这样一个问题，“给带孔的金属板加热后，请问孔的直径变大还是变小？”然后让每个学生通过手中的反馈器（一种小型仪器，上面有ABCD等各种按钮）选择答案并记录下来。第一步，让每个学生独立思考并选择答案，结果约有31%的学生选对；第二步，让相邻同学相互讨论后选择答案，选对率为42%；第三步，Mazur教授亲自对问题进行讲解并和同学们相互讨论。学生就在这种讲述和相互讨论中进一步加深对问题的理解，课堂氛围非常活跃。这种教学方法不仅要求学生具有深厚的背景知识和扎实的功底之外，还必须有敏锐的反应和洞察能力。哈佛教师为学生设计课程，开设讲座，组织研讨，就学生的研究题目提出建议，为学生的实验方案或研究论文提供咨询，引导学生开展正式或非正式的讨论，把教学的重点通常放在培养学生的独立思考能力和分析问题、解决问题的能力上。5.3 采用教研结合教学体系。哈佛大学物理系一直致利于教研结合，而世界上著名的高等学府，都既是教学中心，又是科研中心。事实表明，教师水平再高，也需不断进修。哈佛的教授们都有科研任务，高年级学生或成绩优异者也在学习的同时，允许从事一定的科研工作。给予学生一种学习的方式和解决问题的方法，把学生看作是处于实习阶段的学者和研究者，和教师一样要主动参与探索未知的事物或者检验现有的假设和解释。学院建立了完善的奖励制度，同时为实践学习大力配备优秀的师资力量及硬件设备，在校内建立了多个实验室和研究中心，给有志于物理科学研究工作的学生一个良好的科研环境和交流平台。5.4 以问题为导向的学习教学。任何学习总会遇到困难和问题，这些难点也标志了一个人知识上的欠缺与茫点。只有抓住问题，了解问题，才能最终解决问题，进行更深层次的研究。在物理课堂上，教授们总会不断的引导学生进行反思，抓住问题，并独立解决问题。以问题为导向的学习，也是一种最为简单有效的学习方式。5.5 教师独立教学。哈佛大学物理教师通常都是自由选择教材，独立完成整个课堂教学，不考虑其他教师和其他学校的做法。在美国，讲授是不受鼓励的。一个好教师是能在课堂上最好地调动学生积极性、使学生参与学习活动的教师，有时教师故意说错话以便让学生纠正，培养学生的独立思考能力。哈佛教师注重演示和动手操作，倾向于在科学教学中使用归纳推理方法。他们引导学生从观察具体的经验事实开始，逐步逼近概念和理论。在教学过程中，利用日常生活中的实例，发展学生独立思考的能力，并要求学生参加动手操作活动，有些教师甚至引导学生做真正的科学实验研究。一位访美学者写道：“教师提供不同的设计题目给学生，学生根据自己的兴趣和知识背景选择课题。然后，教师引导学生进行整个研究项目-查阅文献、进行调查、收集资料、检验假设、撰写并提出研究报告。”通过这种教学，学生对科学过程了解透彻，从而逐步掌握科学方法并形成科学精神。在哈佛，动手操作活动的目的是发现课本上以及课本外的理论和结果。因此，学生受到鼓励进行不同的实验，用不同的方法和材料，并得出不同的结论。科学教学实验的目的不同、培养出的人在创造性和解决问题的能力方面自然也会有差异。六、对中国大学物理教育教学的启示6.1 崇尚学术自由。学术自由是人才培养和科学研究的重要前提。物理教学的重点应放在培养学生的独立思考能力、分析能力、批评能力和解决问题的能力上。哈佛大学原校长博克曾指出，“在大学,最明显的需要是停止对传授固定知识的强调,转而强调培养学生不断获取知识和理解知识的能力。这个转变意味着更加强调学术研究的基本方法,强调论述和演讲以及掌握基本语言,掌握这些方法是获得大量知识的途径。”他批评一些教师仍然依靠讲课和指定大量的课外阅读作业,给学生留下独立思考的时间太少,而不利于发展学生的推理能力。特别是物理学这种研究物质结构、相互作用和运动规律的自然科学，缺乏新颖的思维见解及独特的研究实验方法，很难在这一领域做出杰出贡献来。我国的大学物理教育应该以学生探究活动为主线的研究型教学方法，使教学方式从单一的授受转向师生互动和同伴互学，通过实施创新型的教与学来激发学生的独立创新意识和参与实践的主动性。在教学过程中应改变过去对理论平铺直叙的授课方法，运用讨论法教学、案例教学法、以问题为导向的学习等多种教学方法，鼓励学生大胆提出各种新异见解，启发诱导学生思考，调动学生的积极主动性，提高学生分析和解决问题的能力。6.2 营造严谨治学的学术氛围。国内大学物理教育教学应该营造一种严谨治学、积极向上、培养创新型杰出人才的环境和氛围。一所期待培养创新型杰出人才的研究型大学，首先应该有一种能容忍并鼓励学生进行学术质疑和批判的人文环境。大学正是有不同学术思想的教师与教师、教师与学生的不断交锋，学术才获得发展的条件，学生才能从大学及教师中获得学术应有的精神。近年来，国内许多大学纷纷提出要培养“领导型人才”、“拔尖人才”或“一流人才”等目标，突出强调知识体系的全面性和基础性，突出综合能力培养，强调探索、创新精神培养，强调学生个性发展。但是往往是雷声大雨点小，或者说具体落到实处不尽人意。很大一个原因就是缺乏一种严谨治学、积极向上的学术氛围，缺乏培养创新型杰出人才的环境。不仅仅是教学方式的改变，还需要学生的配合，老师与学生互相合作。老师只管教，学生只管听，一味沿着前人的脚步是无法取得成功的。要创新，就必须不唯上，不唯书，不唯权威，不唯潮流。因此，我国的大学物理教育应培养学生“敢为天下先”的勇气和科学怀疑、理性批判的精神，鼓励学生对现有知识进行科学的怀疑和理性的批判，勇于提出自己的见解。再是以制度的形式鼓励学术自由，赋予学生以更大的学习自由和选择权，促进学生的个性化发展。总之营造一种严谨治学、积极向上的学术氛围，抵制学术浮躁、急功近利等不良倾向。鼓励教师与学生之间建立平等而密切的关系，使学生在与教师的思想交流和密切交往中发展智力，完善人格，推进学说。6.3 通识教育与专业教育相结合。国内大学物理教育也应该做到通识教育与专业教育相结合，知识、能力、素质全面协调发展。哈佛大学的通识教育为培养优秀杰出人才打下了基础，国内大学也可根据学校办学定位以及学校的人才培养目标，坚持通识教育与专业教育相结合的原则。物理学作为一门基础学科，物理思想与方法不仅对物理学本身有价值，而且对整个自然科学，乃至社会科学的发展都有着重要的贡献。反过来，对整个自然科学乃至社会科学的认识了解，也能进一步加深我们对物理科学的理解与认识。在加强通识教育，拓宽学科的基础上，凝炼专业主干，综合考虑二者的结合点，使其有合理的比例。课程设置服务于培养目标，围绕促进学生合理的知识、能力、素质结构，寻找课程结构的平衡点