中日大学物理学专业教材的差异和启示

胡光辉

摘 要 中日高校物理学专业教材各具特色，本文研究和分析了日本大学物理学专业典型教材的特点，包括编写了物理专业用的数学教材、通过人们的认知历程引入知识点、例题和习题的设置贴近生活实际等等。同时将其与当前国内大学常用的教材进行了分析比较，凸显了两国大学物理教材的不同的侧重点和明显区别，并基于这种分析，指出了我国现行大学物理学专业教材的不足，并给出对教材改革的启示，为新教材的编写和修改提出了思路。

关键词 中日 物理学教材 教材改革

中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2019.01.006

Abstract The textbooks of physics majors in Chinese and Japanese universities have their own characteristics. This paper studies and analyzes the characteristics of typical textbooks of physics majors in Japanese universities， including the preparation of mathematics textbooks for physics majors， and the introduction of knowledge points， examples and exercises through people's cognitive processes. Set close to life and so on. At the same time， it compares and analyzes the textbooks commonly used in domestic universities， highlights the different focuses and obvious differences between the physics textbooks of the two universities， and based on this analysis， points out the shortcomings of the current college physics textbooks in China. Give the enlightenment to the reform of teaching materials， and put forward ideas for the preparation and revision of new textbooks.

Keywords China and Japan； physics teaching materials； textbook reform

物理學是一门传统和现代知识相结合的学科，承载着人类对自然规律的探索和发现，见证着人类走向文明和进步的历史。加之与多个领域的高新科技内容交叉融合，内容丰富而繁多。而物理学专业的学生只有在理解和掌握绝大部分基础内容之后，才能更好的接受科技前沿知识。教材作为教师和学生之间联系的桥梁，既是教学工作开展的主要工具，也是课程目标和内容的具体体现。所以，教材的编写也成为了教学改革的一项重要内容。

我们的邻国日本能够在短短的几十年中迅速取得了举世瞩目的经济发展，其教育发展是不可忽视的重要原因之一。我国和日本目前的学制基本相同，因此研究日本的现行物理学教材的特点，对比分析两国的现行物理学教材的区别可以发现我国教材存在的不足，而且日本教材的优秀之处，对我国物理学专业教材的编写和修改有着重要的参考作用。本文选作比较的日本教材为日本岩波书店出版的物理学入门系列教程（2017年新装版），包括《物理用数学》、《力学》、《解析力学》、《电磁学I、II》、《量子力学I、II》、《热统计力学》、《弹形体和流体》、《相对论理论》等共十卷。[1-8]该教程目前被东京大学等近70所名校作为教科书使用。而作为对比的国内教材也选用使用率最高的高等教育出版社出版的“十一五”、“十二五”国家级规划教材。

1 中日物理学专业教材的对比分析

1.1 物理学专业教材的整体特点

日本的物理学入门系列教程各册篇幅不大，约250页，自成体系。该系列教程起点低，深度和国内教材相当，但内容更广，含有较多的新鲜知识点。内容简练，组织周密，重点突出，深入浅出，尤其在引导学生逐步掌握正确概念方面独具一格，论述精辟，推导证明精彩简洁，能够引导学生不知不觉中达到较深的知识层次。但各册教材的难易程度不一，之间的联系也有疏有密，整体性不足。

国内的物理学专业教材的突出特点是知识点细致全面，而且随着教育事业的发展，不断推陈出新，涌现了很多特色版本的教材。整体而言，大多按照《力学》、《热学》、《电磁学》、《光学》、《原子物理学》、《电动力学》和《量子力学》等几个方面来划分。不过随着物理学的发展，知识在不断积累，教材也是越来越厚，对于学生来不容易把握重点。而受到课时量的限制，有些学校也不得不舍去教材中的部分章节，不利于学生对物理学的整体理解和把控。

1.2 物理用数学教材的不同

数学是理解和掌握物理知识的工具，所有的物理学教材均要求在具备高等数学的基础上开展。国内的本科生的高等数学知识主要是通过数学类教材获得，目前还没有专门为物理学专业编写的数学教材，而且绝大部分高校的物理专业的高等数学课程是由数学专业的教师讲授的。这样的结果就是物理学专业的低年级本科生学习高等数学知识，内容繁杂，学习效率较低。然而数学知识的匮乏是同学们在学习物理时所面对的主要困难，因此在整个物理专业课的学习过程中，老师在讲解物理知识的同时也需要对数学知识进行复习和练习。这样不仅浪费时间，而且分散了同学们对物理知识本身的注意力，造成了一种物理枯燥乏味的错觉，进而失去对物理学习的兴趣。

与国内教材不同的是，日本教材中的《物理用数学》是一本专门为物理学专业编写的数学教材，它包含了学习物理所需要用得到矢量与矩阵、微积分、常微分方程、偏微分方程、傅立叶级数等数学知识。内容精练易懂，直接指向物理学专业的必需数学知识点，避免了因为学习大量用不到的数学知识，而导致学生分不清轻重主次，并因此陷入在以后反复学习数学的困境。同时，这也是以后整个大学阶段的主要数学工具书，方便及时查阅遗忘的数学知识。

1.3 物理知识点引入的不同

国内的主流物理学专业教材中通常采用演绎的方式来引入新的知识点，包括物理概念、定理和定律。即是首先对新的物理概念进行描述或者列举出定理、定律，接着对它们进行证明，最后通过例题给出应用范围。通过这种方式来引入知识点的结果是学生容易将学习重点放在知识的应用上，即怎么运用所学的物理定理定律去解决问题，而忽略了人类是如何认识自然现象、怎么总结出自然规律的。这一系列探索的过程恰恰是物理的趣味所在，同时也是科学研究方法的最原始的应用。日本的教材中则多是以归纳的方式引入物理概念和定律。即是通过描述对定律定理的认知历程，让学生能够在掌握知识的同时了解人类是怎么探索未知的现象、发现存在的规律、总结为定律定理这一系列的思路和过程。引导和教育学生学会用科学的方法去认识世界，去探索未知领域，同时也充分展示出物理的魅力和趣味。

1.4 例题、习题设置的不同

国内的物理学专业教材中的例题和习题设置的主要特点是在题设中直接给出特定的理想化物理模型（如质点、刚体、无摩擦、点电荷等），然后列出一些已知条件（通常是一些测量结果）和需要求解的物理量。解题过程也是结合小节内容直接展示出怎样套用所学的物理公式列方程，代入已知数据以及求出结果。这应用题设置方法直接把实际问题理想化为物理模型，当然可以让学生最快的熟悉并掌握解题方法和步骤，却大大减弱知识和实际生活的联系。如何把实际问题转化为教材中的题设情形也将是学生今后所面临的一个重要问题。作为对比，日本教材中例题和习题的设置一般是描述一个物理事件或者给出一种物理情景，在这个过程中表达出如何得到一些物理量作为已知条件，进而提出问题，通常是让求解无法直接测量的物理量。通过对这种例题的讲解和习题的练习，不仅可以使学生掌握并运用所学的物理规律，而且有助于学生理解现实生活和科学理论的关系，增强对现实世界物理规律的感性认识，体会物理学中的近似、抽象等基本思想。

国内的教材一般是每一章后设置习题，这样的设置使习题和内容的关联性减弱，不利于及时巩固所学知识。日本的教材则是在每一小节后设置习题，而且题目较为简单灵活。不仅及时有针对性的巩固知识，而且增强了学习的自信心。但值得注意的是，无论是日本还是国内的物理专业教材中的课后习题通常都是以思考题和计算题为主要题设形式，它们的答案都是唯一的。学生解题的时候也是计算出结果后和参考答案进行比较，正确就继续下一题，不正确的话再重新计算。不难看出，这样情况下学生注重的是结果而不是解题过程，这样就会失去很多思考的机会。我们需要更加丰富开放的习题形式让学生能充分利用思考的机会，去自己判断结论的正误。比如给出原本让求解的结论，让学生思考添加哪些条件可以成立等等。通过这种开放式的习题设置可以大大提高学生的思考研究能力和自主学习能力。

2 中日教材对比对教材改革的启示

通过从以上几点对中日物理学专业教材的对比分析，我们作出以下几点总结，以期对我国的高校物理学专业教材改革提供借鉴参考作用。

2.1 內容突出基本理论，删繁就简

随着科学技术发展，不断涌现出大量新知识，不应该简单叠加在原有教材上。物理学专业教材应该在突出基本理论知识的前提下，尽量删繁就简。一些与中学课程重复的部分，或者相关课程教材重复的部分，都应当舍弃。同时，对于新增加的内容，也要把握好内容更新的标准，既要把握好与已有知识有联系，又要注意难度深度。内容的取舍，应该遵循一些标准：属于物理学的基本理论，能够反映学科的特点，揭示学科的内部联系，和发展学科紧密相关等。对于新增部分，也要从新的理论成果中精选出比较成熟的，对学科发展有重要影响的基本理论，以便于学生的学习和掌握。

2.2 物理专业用数学教材的必要性

在编写教材时，要充分考虑到我国不同水平高校的物理学专业本科生的数学能力，根据培养目的，有针对性的编写一本物理专业用数学教材。一方面可以避免在本科低年级时学习大量的数学知识，难以抓住重点，逐渐失去对物理学的兴趣；另一方面可以作为物理专业本科生的数学工具书来使用，目前国内还没有此类简便易懂的工具书出现。

2.3 恰当的知识点引入方式

根据教材的不同章节的具体内容，结合演绎和归纳逻辑法，选择合适恰当的知识点引入方式。让学生在学习新知识的同时，对不同的逻辑思维方法进行比较和学习，提高其综合能力。在阐述概念、定律、定理时尽量通过有关物理现象的观察和实验得到信息，对其进行概括、分析得出结论，并且将之与现实相联系。强调人类探索未知的现象、发现存在的规律的思路和过程，提高物理的魅力和趣味性。

2.4 改进例题、习题的设置

在设置教材中的例题和习题的时候，一方面尽量从现实出发，贴近实际生活，让学生掌握从现实抽象出模型的思维方法；另一方面，尽量设计多样化的题型，让学生的多种能力都能在解题的过程中得到训练，而不再只是为了解题而解题。

课后习题应该紧跟在每一小节之后，即使巩固新知识。形式也可以多种多样，比如思考题可以有一些常规题目，从该节内容就可以找到答案。还可以有一些灵活性的，可以用作课堂讨论。这些可以充分调动学生思维，加深对概念、模型、定理及其使用条件的理解。综合性题目应该远少于简单练习题，这样可以建立学生学习物理的信心。当然，也应该有一部分难题来满足不同水平学生的需求。

2.5 激发学生求知欲

激发学生的求知欲才是人才培养的源动力，好奇心和兴趣是学好一门课的基本条件之一。教学实践表明，循序渐进、刻板的教材很容易使学生感到枯燥、疲乏，并且会限制学生的物理视野。引入新颖的前沿知识点可以很容易激发学生的兴趣和求知欲，但是要注重和基础知识的联系和结合方法，比如作为导读材料放在章节前面或者作为阅读材料放在章节后面等。物理学专业教材的编写应该以提高学生对物理学的兴趣和学习热情作为宗旨，可以结合有趣的现象、实验，配以精美的插图等。

3 结束语

总之，物理学专业教材不是仅是用来传授知识，还要在此过程中培养学生的科学思维方法分析问题、解决问题的能力，应该加强基础知识、理论联系实际、图文并茂、生动有趣，言简意赅，易学易读。大学物理学专业教材的改革是一项长期复杂的工作，对于培养新时代创新型人才具有重要的战略意义，应当吸取国际流行教材优点，不断进步。以上的中日教材的对比和给我们的启示可以为国内物理专业教材改革提供必要的参考作用。

参考文献

[1] 户田盛和.力学[M].岩波书店，2017.

[2] 小出昭一郎.解析力学[M].岩波书店，2017.

[3] 长冈洋介.电磁学I， II[M].岩波书店，2017.

[4] 中嶋贞雄.量子力学I， II[M].岩波书店，2017.

[5] 户田盛和.热统计力学[M].岩波书店，2017.

[6] 恒藤敏彦.弹形体和流体[M].岩波书店，2017.

[7] 中野董夫.相对论理论[M].岩波书店，2017.

[8] 和达三树.物理用数学[M].岩波书店，2017.