美國(guó)與英國(guó)“四大力學(xué)”課程的比較及啟示

美國(guó)與英國(guó)“四大力學(xué)”課程的比較及啟示

張立彬（教育部南開(kāi)大學(xué)外國(guó)教材中心，天津 300071）
劉學(xué)文（南開(kāi)大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院，天津 300071）

[內(nèi)容摘要] 根據(jù)英美高校物理學(xué)排名，筆者搜集了幾所著名大學(xué)的四大力學(xué)課程及其教參等信息，在此
基礎(chǔ)上，比較了英美著名大學(xué)四大力學(xué)課程的培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教材及參考書(shū)、教學(xué)方式、課程學(xué)
時(shí)、考核方式、師資力量等。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)兩個(gè)物理學(xué)教育強(qiáng)國(guó)的四大力學(xué)教學(xué)的特點(diǎn)和國(guó)內(nèi)教學(xué)的不
足，本文可為國(guó)內(nèi)四大力學(xué)課程教學(xué)的改善提供一定的啟示與借鑒。
[關(guān) 鍵 詞]：四大力學(xué)課程；英國(guó)大學(xué)、美國(guó)大學(xué)；教學(xué)方式；課程比較

理論物理中的“四大力學(xué)”由《理論力學(xué)》 、《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理》 、《電動(dòng)力學(xué)》
和《量子力學(xué)》組成，它是本科生在普通物理的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步將對(duì)物理的感性認(rèn)知
提高到理性認(rèn)知而必須學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)理論課程，在物理學(xué)專(zhuān)業(yè)本科生的基礎(chǔ)課教學(xué)中占有核
心的地位[1]。理論物理本身具有概念抽象、數(shù)學(xué)工具覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，其中理論力學(xué)
以分析力學(xué)為核心，以系統(tǒng)的理論體系描述了粒子的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，同時(shí)它引入了全新的物理
概念（如作用量、拉氏量等），這為學(xué)習(xí)其它理論課程提供了鋪好了道路。在熱力學(xué)與統(tǒng)
計(jì)物理中，熱力學(xué)總結(jié)了物質(zhì)的宏觀熱現(xiàn)象（如壓強(qiáng)、溫度、體積的變化，系統(tǒng)間能量的
轉(zhuǎn)換等），而統(tǒng)計(jì)物理則從微觀粒子的角度對(duì)宏觀熱現(xiàn)象作出了解釋?zhuān)ㄎ⒂^粒子的統(tǒng)計(jì)表
現(xiàn)）。電動(dòng)力學(xué)以麥克斯韋方程為核心，以完美的理論形式，高度概括了
……（新文秘網(wǎng)http://jey722.cn省略1036字，正式會(huì)員可完整閱讀）……　
2.課程內(nèi)容的比較分析
四大力學(xué)包含的內(nèi)容繁多，但學(xué)習(xí)重點(diǎn)明確，以下列舉了美國(guó)麻省理工學(xué)院與英國(guó)劍
橋大學(xué)的四大力學(xué)課程的基本內(nèi)容，見(jiàn)表1。

表1 麻省理工學(xué)院和劍橋大學(xué)四大力學(xué)課程主要內(nèi)容

課程
理論力學(xué)

熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物
理

電動(dòng)力學(xué)

劍橋大學(xué)[5]
課程內(nèi)容主要包含物體的軌道運(yùn)動(dòng)，剛體動(dòng)力學(xué)，正則變換，連續(xù)體力學(xué)等

經(jīng)典熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)力學(xué)的導(dǎo)論課程，包含了基本熱力學(xué)定律，氣體的動(dòng)力學(xué)統(tǒng)計(jì)理論，輸運(yùn)現(xiàn)象，相關(guān)的天體物理方面及“軟”物質(zhì)統(tǒng)計(jì)力學(xué)的討論。
內(nèi)容包括麥克斯韋方程，電磁波、光、電磁場(chǎng)、電磁輻射以及相對(duì)論。

量子力學(xué)

麻省理工學(xué)院[3]
介紹經(jīng)典力學(xué)主要內(nèi)容，包括歐拉-拉格朗日方程、哈密頓運(yùn)動(dòng)方程，散射問(wèn)題，微擾問(wèn)題，諾特定理，同時(shí)涉及相對(duì)論內(nèi)容和經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)。
包含了隨機(jī)變量問(wèn)題，概率論，微觀物質(zhì)及熱力學(xué)平衡，統(tǒng)計(jì)力學(xué)的基本假設(shè)，熱力學(xué)定律，磁學(xué)、熱輻射、固體中電子運(yùn)動(dòng)等物理現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)描述。
包括了電磁場(chǎng)基本原理，靜電、磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，麥克斯韋方程，電磁波輻射，物質(zhì)的電磁性質(zhì)，守恒定律等。
課程包含量子力學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)介紹（光電效應(yīng)等），薛定諤方程，波粒二象性，海森堡不確定性原理，氫原子問(wèn)題，量子力學(xué)的形式化表示（狄拉克符號(hào)），算符，角動(dòng)量，自旋，散射問(wèn)題，微擾理論，玻恩近似等

內(nèi)容包含波粒二象性，薛定諤方程，
算符，自旋等。

由以上列表得知，劍橋大學(xué)的理論力學(xué)以及量子力學(xué)的課程內(nèi)容較麻省理工學(xué)院少，
但課程的主體部分基本相同。
通常英國(guó)大學(xué)的課程量要比美國(guó)大學(xué)少，這與他們的教學(xué)方式息息相關(guān)，英國(guó)大學(xué)中
教師要求學(xué)生課后查閱大量的相關(guān)文獻(xiàn)資料（將在下面詳細(xì)討論），并且參加大量的專(zhuān)題
講座，通過(guò)這樣的方式進(jìn)行知識(shí)的補(bǔ)充。
3．學(xué)期制度及課時(shí)安排——自主學(xué)習(xí)
一般，英國(guó)本科生學(xué)制為三年或四年，學(xué)生可根據(jù)自身的意愿選擇。每學(xué)年分為三個(gè)
學(xué)期。以2010-2011學(xué)年某英國(guó)大學(xué)為例，大體安排為：秋季學(xué)期（共11周）：10月1日-
12月15日上課；12月16日-1月16日，圣誕節(jié)假期；春季學(xué)期（共9周）：1月17日-3月25日
上課；3月26日-4月20日，復(fù)活節(jié)放假；夏季學(xué)期（共9周）：4月20日-6月25日上課，考
試，學(xué)年結(jié)束[6]。
通常美國(guó)大學(xué)學(xué)制要比英國(guó)大學(xué)學(xué)制長(zhǎng)，一般為四年制，每學(xué)年會(huì)分春夏秋冬四個(gè)學(xué)
期，其中春秋兩季時(shí)間較長(zhǎng)，例如春季學(xué)期從1月中旬到4月下旬，秋季學(xué)期從8月下旬到
12月。大部分課程會(huì)選擇在春秋兩季學(xué)期來(lái)開(kāi)設(shè)。
對(duì)于英國(guó)的學(xué)期制度特點(diǎn)，學(xué)生每年有相對(duì)較短的時(shí)間（大約30周）在校學(xué)習(xí)，所以
學(xué)生將有更多的_時(shí)間，主要目的是要充分發(fā)揮學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。在暑期假期中，
學(xué)生們可以充分利用三個(gè)月的時(shí)間參加社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)，為日后就業(yè)或深造培養(yǎng)實(shí)踐能力[6]
。而美國(guó)大學(xué)每學(xué)年會(huì)設(shè)置時(shí)間較短的夏、冬季學(xué)期，國(guó)內(nèi)所謂的“小學(xué)期”，在小學(xué)期內(nèi)
學(xué)生可以參加各種科研項(xiàng)目、各種學(xué)術(shù)講座等等。
下面我們來(lái)討論四大力學(xué)的學(xué)時(shí)問(wèn)題，本文列舉了伊利諾伊大學(xué)香檳分校的四大力學(xué)
課程信息表[7]，見(jiàn)表2。

課程名稱
理論力學(xué)I
理論力學(xué)II
熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理
電動(dòng)力學(xué)I
電動(dòng)力學(xué)II
量子力學(xué)I
量子力學(xué)II

由上表看出每學(xué)期上課時(shí)間為15-16周，每門(mén)課程學(xué)時(shí)45-60小時(shí)。其中在每個(gè)星期的3-
4小時(shí)課時(shí)中，部分為課程講授時(shí)間，部分為討論時(shí)間（所占比例很大）。同時(shí)不難發(fā)現(xiàn)美

表2 伊利諾伊大學(xué)香檳分校四大力學(xué)課程信息表
學(xué)期
課時(shí)
秋季（1-15周）
3學(xué)時(shí)
秋季（1-15周）
3學(xué)時(shí)
春季（1-15周）
4學(xué)時(shí)
秋季（1-16周）
3學(xué)時(shí)
秋季（1-16周）
3學(xué)時(shí)
秋季（1-16周）
4學(xué)時(shí)
秋季（1-16周）
4學(xué)時(shí)

國(guó)高校一般會(huì)將同一課程分為I、II兩個(gè)部分，分兩個(gè)學(xué)期進(jìn)行講授，這樣做法使每門(mén)課程
的時(shí)間跨度變得很大，學(xué)生可以通過(guò)之后的冬季、春季學(xué)期對(duì)知識(shí)進(jìn)行整合、理解、以及
拓展。
比較而言英國(guó)大學(xué)的課程安排中，授課時(shí)間會(huì)更少，其余時(shí)間留給學(xué)生自學(xué)、完成作
業(yè)、做實(shí)驗(yàn)和開(kāi)展討論，課堂外，學(xué)校要求學(xué)生參加大量的課程講座，學(xué)生通過(guò)聽(tīng)講座的
形式來(lái)擴(kuò)充知識(shí)、加深對(duì)已學(xué)理論的理解。
總之，兩國(guó)大學(xué)四大力學(xué)在課時(shí)方面稍有不同，但相同之處在于兩國(guó)高校會(huì)利用較多
時(shí)間進(jìn)行課后討論，這一方面值得國(guó)內(nèi)大學(xué)借鑒。
4．教材的使用——經(jīng)典名著
教材以及參考書(shū)是學(xué)生接收信息和知識(shí)的主要載體，亦是教師教授知識(shí)的主要工具，
所以教材及參考書(shū)的選取是教學(xué)過(guò)程的重要的環(huán)節(jié)，下面是牛津大學(xué)和麻省理工學(xué)院的四
大力學(xué)教材及參考書(shū)的詳細(xì)情況，分別見(jiàn)表3和表4。

課程

表3

教材

牛津大學(xué)四大力學(xué)教材及參考書(shū)詳細(xì)列表[8]

經(jīng)典力學(xué)

[1]Classical Mechanics, M. W
McCall (Wiley 2001).

量子物理

[1]The Physics of Quantum
Mechanics,
J.Binney
and
D.Skinner.

熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物
理

[1]Concepts
in
Thermal
Physics,
S. ……（未完，全文共12225字，當(dāng)前僅顯示2908字，請(qǐng)閱讀下面提示信息。收藏《美國(guó)與英國(guó)“四大力學(xué)”課程的比較及啟示》）