《文科物理——生活中的物理学》教材的特色与启示.doc

文科物理生活中的物理学教材的特色与启示 张立彬、王娟萍（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：本文对我国文科物理生活中的物理学教材进行了全面深入的评介与研究. 笔者通过对教材特色的分析，对我国文科物理教材的编写提出了三点建议：诸如注重人文教学、重在讲述概念、加强实例插图.关键词：文科物理；文科物理教学；文科物理教材建设一、引言随着科学的发展，人们认识到全民的科学教育对于科学的持续进步至关重要1.目前，我国高校在大力推行文化素质教育，文化素质包括人文文化素质和科学文化素质.大学物理作为一门优秀的自然科学文化素质教育基础课程，愈发受到高校的重视.值得一提的是，越来越多的高校增设文科物理课程.当前文科物理及科学素质教育类的经典教材主要有赵峥的物理学与人类文明十六讲、倪光炯的物理与文化物理思想与人文精神的融合、施大宁的文化物理等.宋峰主编的文科物理生活中的物理学2（以下简称文科物理）一书是科学出版社2013年3月最新出版的文科物理方面的国家“十二五”规划教材，该书按照普通物理知识结构体系编排内容，深入强调了物理学在实际生活中的具体应用，探索了文科物理教材编写体系的新途径.二、文科物理教材的特色2.1发挥科学趣味，激发读者兴致长期以来，物理学总是给人以高深晦涩的印象，很多学生对之望而生畏.为了拉近物理和学生的距离，避免太多过于专业的术语描述，用带有趣味性的语言来向学生表述内容是一个很好的选择3.文科物理的基本出发点之一就是从生活中与人们息息相关的物理学现象出发，用生动诙谐的语言进一步揭发其背后隐含的物理学规律，最大限度地避免用方程式等物理、数学语言来表达.编者希望通过此书，对科学文化素质教育作一点贡献.因此在编写的过程中，编者一方面注意到物理学的严谨性和逻辑性，另一方面又考虑文科学生的学习实际，注意到行文的可收稿日期： 修回日期：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.ontent694939LjCp9JQfSno= PVT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，主要从事中外高等教育教材评介与比较研究工作.读性.比如在文科物理第78页第四章的引言部分，作者写道：“炎热的夏天，寒冷的冬天，冷热的本质是什么？调节冷热的电冰箱、空调器又是怎么回事？在对冷热的探究中，读者会见识自然界的两条基本规律热力学第一定律和热力学第二定律. ” 引言用疑问的语气提出了两个我们身边的实际问题，通过实际生活中的现象导入课程内容，引发学生的思考，进一步吸引学生对其本质的探究；之后作者指出其本质是热力学的两个定律，给读者一个明确清晰的答案，避免了直接把生硬的物理问题抛给读者，同时也拉近了与读者的距离，从而提升了读者对该书的兴趣.2.2内容分布合理，结构轻重分明本文附录表1（见文末）是文科物理的内容安排，包括各章节目录及其所占比重，通过这种定量化的手段来分析内容的结构.文科物理内容上涵盖了物理学的所有重要分支，包括经典力学、热学、电磁学、光学、相对论、原子分子物理、量子力学、固体物理、原子核物理、等离子体物理、粒子物理、天体物理及宇宙学等，几乎囊括了当代物理学的所有内容.这些主要内容分支作者在绪论第三节中就已经给了读者一个简单明细的介绍，使读者有一个很好的初步了解，在之后的章节中针对相关分支进行更加详细的阐释，对全书起到了提纲挈领的重要作用.当然，由于各个分支难易不同，比重上自然轻重不一.通过对表1各个章节及小节比重的研究，我们可以看出文科物理在章节上对物理学中的基础理论部分经典力学、电磁学、量子力学给与了较高比重，其中作为重中之重的经典力学（包括力学、振动和波动）更是占到了全书的1/4，这也是物理学专业课教学中的重点；对于其他章节，则基本在10%左右，并且把一些比较难的分支（如固体物理、原子核物理、粒子物理等）合并到“微观世界中的物理”一个章节中，避免了过难的内容讲述.在全书知识面覆盖上，第一章主要介绍物理学史及当前物理概况，其余八章涵盖了物理学的主要领域和物理分支.其中二到六章讲述经典物理，占全书比重61%，分别涵盖了力学、振动与波动、热学、电磁学、光学；七到九章讲述近代物理，占全书比重33%，分别涵盖了量子力学、微观世界中的物理、天文学和宇宙学.内容安排上注重物理知识体系的建立，既有大学之前已经接触过很多的经典物理的内容，又有非常新奇前沿的近代物理的内容.这种物理知识体系的建构，不仅能使读者在直观上体会并理解物理的内涵思想，还能让读者感受到现代物理的神奇之处，激发读者的兴趣、扩展读者的视野，补充在文科生教育中对当代物理内容的欠缺.2.3 卡通插图讲解，展现实物图例在课堂教学中，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.如文科物理第2章第39页图2-20，通过插图来生动展现挖掘机挖土和工人单独挖土哪种方法做功更快；第2章第49页图2-27用神舟五号长征运载火箭的上升过程来呈现动量守恒的重要过程等.文科物理通过在每一章安排一些或卡通或实物的图片来说明这一章讲述的内容，让人不用看内容，仅通过这些图片便能对本章内容获得一个概括的印象.科学素养包含信心、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.文献3中谈到，生动的插图在展示物理状态、呈现物理过程、表达物理规律、解释物理原理、说明物理条件、化解物理难点等物理内容的展示、降低物理难度及帮助学生理解物理本质有很大作用.在此我们只讨论文科物理一书中的插图：如第5章第108页图5-4（见本文图1）用电场线模拟图来展示看不见的电场规律；第6章第142页图6-3（见本文图2）用插到盛有清水中的吸管来解释由于光的折射现象使吸管发生弯折原理这些插图在文中起到了画龙点睛的作用，使学生能够更好地了解物理内容，避免了冗长复杂的物理公式的推导，强调了物理概念的重要性. 图1 电场线模拟图 图2 光的折射图2.4 立足物理概念，注重文科背景文科物理编者希望读者通过系统学习，既能掌握一些基本的物理知识，又能了解物理的逻辑思维和研究方法.考虑到读者主要面向文科学生，文科物理在物理知识上重点放在基本物理现象展示及初步规律的探讨上，这样给了读者一个直观想象的物理体验，再结合丰富多彩的图例表达、准确的物理知识的描述、典型事例的广泛应用，很好的诠释了物理文化的内涵.文科物理以物理学知识体系为主线，涵盖了从基本粒子物理到宇宙天体物理、从经典物理到近代物理、从趣味的物理学史到身边生活中的物理.在确保物理思维和内容的严谨性的同时，注重读者文科背景，可以避免繁杂的物理公式的推导，注重物理概念，强调物理趣味性，语言通俗易懂.考虑到文科学生在将来的工作生活中应用物理专业知识的可能性很小，因此传授物理文化、揭示物理思想在文科物理中应占有核心价值.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，文科物理以物理学知识体系为主线，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.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 4.2.5 贴近生活实际，注重身边体会文科物理的副标题为“生活中的物理学”，编者为了让文科读者更好地体会物理、拉近读者与物理学的关系、打破物理学给人高深的印象，在文科物理一书中有大量联系物理与生活的例子.从每章内容来看，编者首先是构建物理知识体系，其中会用大量的生活实例来解释物理规律，如在讲述电荷时，就举了我们生活中衣服上带静电的例子，从而引出了摩擦起电的物理规律；在每章最后部分，则是物理应用实例，如第二章的飞机、卫星与火箭，第五章的电磁炉、GPS、磁悬浮列车，第八章的核辐射防护等，该部分占每章的比例在20%左右.用生活中的具体例子来展示物理学的内容，从实际应用的角度来传授读者物理知识，提升读者的物理文化，传播物理思想.物理知识通过具体的生活实例的展示，不再那么冰冷，相反，读者在学习过程中不仅能够通过生活经验跟书中的物理现象发生共鸣，还能进一步了解其背后的物理思想及规律，达到了在潜移默化中传播科学文化的效果.三、对我国“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. 3.1 注重生活例子文科物理在书中花了近1/5的篇幅来阐述物理与生活息息相关的密切关系，对比每章前半部分的物理知识与后半部分的生活实例，我们认为生活实例更能吸引文科读者的兴趣，也更容易被文科读者所接受，探索了除物理学史以外的另一个文科物理教材阐述的可行途径.因此，我们建议在讲述物理知识体系时应该尽量增加生活实例的应用，这样不仅能够增强内容的趣味性，也能增强读者的共鸣.降低物理知识要求，强调生活中的物理，把物理内容用生活实例来诠释是文科物理教材的一个方向，“生活中的物理学”完全可以单独成为一本教材的主要内容.3.2 重在讲述概念 文科物理的教学对象是文科学生，因此没有必要把严格的物理逻辑思维体系灌输给他们，文科物理教材应该更注重于物理概念的阐述与普及，像文科物理一样，把物理知识的一些基本概念讲述清楚，让文科学生了解物理学的基本内容，尽量避免数学公式及推导，用略带幽默趣味的语言来向读者表达物理内容.文科物理教材的一个重要任务就是展现物理之美.3.3 加强实例插图 实例是表达物理概念的一种直观具体的方式，对于读者了解物理概念、掌握物理规律有很好的帮助作用；插图则能形象生动的展现物理过程、表达物理内容，在增加趣味性的同时也是最好的拉近读者与物理内容的方式5.文科物理在插图方面做了初步尝试，并且效果很明显，因此，我们建议国内文科物理方面的教材应该在实例插图上做更多努力，争取每页上都有精美的实例插图，且插图风格上最好能够偏向卡通、注重创意，争取做到处处有插图，图图都生动有趣.附录：表1 文科物理的各部分内容安排章节各章分支页数各节所占比例各章所占比例绪论物理发展概况536%6%物理对人类文明和人类生活的推动与影响214%物理学的主要领域和物理分支429%基本物理量和国际单位制中的七个基本单位17%在文科类学生中开设物理课程的必要性214%力学物体运动的描述924%16%牛顿运动定律1026%牛顿第二定律另样表述411%在功的概念下的牛顿第二定律的变形616%牛顿定律支持我们在蓝天飞翔飞机26%牛顿定律支持我们深入太空卫星与火箭411%刚体定轴转动26%振动与波动机械振动838%9%机械波733%机械波的实例声波524%电磁波15%热学热运动835%10%热力学第一定律313%热机带来第一次工业革命417%制冷循环和制冷机29%热力学第二定律522%熵增与宇宙一个未了结的问题14%电磁学电荷与电场926%14%电流39%导体、半导体和绝缘体26%欧姆定律与焦耳定律39%磁现象与磁场618%电磁感应现象39%电磁学给人类的幸福生活823%光学神奇的光311%12%光的粒子性几何光学1243%光的波动性波动光学1139%色彩47%量子物理学量子力学的诞生515%14%光的波粒二象性412%光谱与能级824%粒子的波粒二象性310%波函数与薛定谔方程515%现代仪器举例824%微观世界中的物理古代的微观物质假说15%9%原子模型的发展史15%原子的组成210%基本粒子和几种重要的微观粒子210%微观粒子的相互作用210%放射性315%质能关系与核能525%核能的和平利用15%核辐射防护的一些基本知识315%天体物理和宇宙相对论的创立93910%宇宙的演化313太阳系与宇宙417星云与星系313天文望远镜418参考文献：1王维容，章厚德等.美国通识教育改革的理念与行动.比较教育研究，2011（6）：31-35.2宋峰.文科物理生活中的物理学.北京：科学出版社，2013：1-249.3张立彬，李广平.美国一流大学文科物理经典教材的特色与启示.大学物理，2011（5）：50-54.4开设文科物理课程的初步探索， :8072/phy/.5李铁.谈谈高等院校文科类专业的物理教育.物理与工程:副刊,2001(8) :21.Feature and revelation of “Art PhysicsPhysics in our lives”ZHANG Li-bin1, WANG Juan-ping1, HAN Zhi-long2 (1. Foreign textbook center of Nankai University, TianJin 300071; 2. School of physics, Nankai University, TianJin 300071)Abstract: In this paper, we give a full analysis and evaluation to the teaching material “Art Physic