中外大学物理优秀教材辅学内容比较研究

张琦玮 王 硕

(高等教育出版社 北京 100029)

1 引言

大学物理是面向低年级大学生的公共基础课，教材作为学科知识的载体，起着至关重要的作用．优秀的教材不仅为学生提供知识与信息，同时也为学生打开一扇通往物理世界的大门，让学生掌握探寻科学世界的方法，提高学生的科学素养．为助力教学，教材的编写既要合理地安排知识内容，更应该适应低年级大学生的特点，具有较好的可读性和实用性．

我们之前针对国内外优秀的大学物理教材的内容进行了对比分析，在分析过程中，我们发现，国内外教材在插图、习题、配套资源等方面也存在较大的差异，因此我们又再次分析了这些辅学内容的情况，形成了本篇论文，希望能对以后的教材编写提供一定参考．

2 教材插图比较

插图是大学物理教材的重要组成部分，能够体现作者的教学理念和目标．国内外的大学物理教材在插图的配置上存在诸多差异．

2.1 插图数量

国内教材图片数量比国外教材少．以马文蔚版教材和哈里德版教材力学部分为例，分析国内外教材插图数量差异，详见表1．

表1 插图数量比较 单位：幅

马文蔚版教材共计935幅图片，页均1.2幅图；哈里德版教材共计2 201幅图片，页均1.8幅图，图片密度比马文蔚版教材高50%，更加图文并茂．

2.2 插图风格

国内教材示意图、坐标图多，简洁严谨；国外教材实物图较多，更生动活泼．

(1)从总体上来看，国内教材风格比较朴实严谨，使用的插图大多是线条简洁的示意图，生动形象、与实际联系密切的实物图比较少，感官上的亲和力不够．国外教材中插图的使用率比国内教材高得多．国外教材运用大量的形象、直观和生动的彩色插图对物理概念、物理原理进行阐述．这些实物图能给学生以生动活泼的感官刺激，增强教材的亲和力，让学生乐于去探索物理学的奇妙世界，还能加深学生对物理概念、物理规律的理解．通过实例的介绍、图片的运用，学生能感受到物理学与自然、生活和现代科技的密切联系．实物实景的彩图，从日常生活到现代高科技术，从实验技术到自然现象，从微观基本粒子到浩瀚的宇宙星际，图片内容极其丰富多彩．哈里德版教材和西尔斯版教材中每一章的第1页都有一幅与日常生活或者与技术应用密切相关的彩色图片，由该图片引出本章的主要知识．此外，西尔斯版教材在例题解答过程中大量使用手绘示意图，用最直接的方式指导学生画图方法．

(2)马文蔚版教材、张三慧版教材均采用双色印刷，突出图片中的重点图线和重点元素；国外教材四色印刷，图中各元素区别更明显．图1和图2为马文蔚教材和哈里德教材中的RL电路图，由图可知，四色印刷更为美观，但其实双色图片已经能准确传达图片的意义，鉴于四色印刷将大幅提高成本，对此国内教材不宜盲目照搬．

图1 马文蔚版教材中的RL电路图

图2 哈里德版教材中的RL电路图

(3)西尔斯版教材中，部分例题使用了示意图，并经常使用铅笔草图，以向学生展示正确的画图方法，如图3所示．

图3 西尔斯版教材例题中频繁出现的铅笔草图

3 题目配置比较

教材中题目的设置可以提高学生分析问题、解决问题的能力．国内外教材章后均有一定数量的思考题与习题．其中，思考题用于检查学生对于基本知识和概念的掌握情况，旨在找出并纠正学生的迷思概念，题型为简答题及问答题；习题用于检查学生对各个知识点的掌握情况，包括选择题、证明题、计算题等．下面从题目数量、习题类型、题目难度、题目表述等方面展开分析．

3.1 题目数量

所选教材各部分思考题及习题数目见表2．

表2 所选教材各部分思考题及习题数目

由表2可得出以下结论：

(1)在思考题数量上

马文蔚版教材、张三慧版教材、哈里德版教材差异不显著，西尔斯版教材的思考题明显多于其他3套教材．

(2)在习题数量上

国外教材习题数量远大于国内教材习题数量．国外教材除了章后习题数量远多于国内教材外，这两套教材还都设有网站，通过网络为学生提供更多的在线自测题目，以帮助学生的学习和教师的教学．国外教材习题数量充沛的原因有以下两点：

1)在美国高中教学计划中，物理不是必修课程，因此美国大学生的物理起点平均而言较中国大学生低．所以美国教材中习题数量的绝对优势一定程度上是由于需补充我国高中物理教材中的讲授内容．

2)国内外作者的教学以及习题设置理念不同．

3.2 习题类型

因学生学习知识的普遍规律是由易到难，由简到繁，两套国外教材在配置习题时充分考虑了大部分学生的特点，将习题分为两类． 一类为专题练习题，另一类为综合练习题．如图4和图5所示为西尔斯版教材中专题练习题与综合练习题示例.国内教材无划分．

图4 西尔斯版教材中的专题练习题

图5 西尔斯版教材中的综合练习题

专题练习题针对单一专题训练，前面标明所对应的练习内容或教材相应内容的小节序号，明确地指示学生解题要用到的公式和定理定律． 这类题目大多数针对单一概念和简单物理过程而编制，旨在为重要的基本概念定律的初步理解和应用提供练习和检测．以西尔斯版教材为例，教材中刚体运动一章设置有角速度和角加速度、线量与角量间的关系、恒定角加速度转动、转动中的能量、平行轴定理、转动惯量计算等6个专题练习，题目数量分别为8、9、12、20、5、3．

综合练习题涉及的物理过程相对复杂，所用的物理知识点较多，学生需通过分析物理过程，选择适用的物理规律并利用一些解题技巧来完成题目的解答． 依然以西尔斯版教材为例，教材中刚体运动一章设置有38道综合练习题．其中一道题译文如下：

本道题目与生物医学相关，创造了一个交叉情境，涉及多个知识点和物理过程，可以培养学生综合利用物理知识解决问题的能力．

3.3 题目难度

国内教材：习题难度分两个级别，在马文蔚版教材和张三慧版教材中，均以“*”表示拓展题目，不带标记的为普通题目，如图6所示．与普通题目相比，拓展题目综合性更强，情境更新颖，对数学基础要求更高．马文蔚版教材和张三慧版教材中习题均以普通题目为主，拓展题目较少．

(a)马文蔚版 (b)张三慧版

国外教材：习题难度通常分3个级别．在哈里德版教材和西尔斯版教材中，均以“·”表示单一概念、单一步骤的容易题，以“··”表示需要利用多个概念的中等难度题目，以“···”表示为优秀学生准备的具有挑战性的难题，如图7所示．各级难度试题分布合理，旨在为学生搭建促进概念理解的阶梯，逐步提高学生的概念理解水平．除此之外，在西尔斯版教材中还设有挑战题，此部分试题是每章中最难的问题，通常涉及微积分或复杂的全新情境，学生需要合力构建模型、综合运用相关知识才能求解．

图7 国外教材习题难度

下面以振动相关章节为例，分析国内外教材章内习题难度分布的差异，详见表3．

表3 国内外教材章内习题难度分布

如表3所示，马文蔚版教材的振动相关章节(第九章)中，全章书后习题共计43道，其中拓展试题共计5道，普通题目占比88.4%，拓展题目占比11.6%；张三慧版教材振动一章中，全章书后习题共计27道，其中拓展题目共计9道，普通题目占比66.7%，拓展题目占比33.3%．哈里德版教材中，专题练习难度分级，综合练习难度无分级，各专题练习内部题目按照试题难度递增排列，专题练习中，低、中、高难度试题数目占比分别为52.4%、38.1%、9.5%．西尔斯版教材中，对于专题练习和综合练习均定义了题目难度，低、中、高难度试题数目占比分别为38.7%、50.5%、10.8%．西尔斯版教材中除专题练习、综合练习外，还提供了少量的与全国医学院的统一考试题相匹配的试题，建立新的情境，供学有余力的学生探究，如图8所示．

图8 西尔斯版教材中的情境题

该题目创设了一个在纳米尺度观察物质表面的情境，介绍了原子显微镜的原理和结构，将振动相关的物理知识运用到这个新的情境中．

3.4 题目表述

国内教材中的习题语言严谨、精炼，往往注重研究理想模型．在马文蔚版教材和张三慧版教材中，我们会发现其研究对象往往为“一个质点”“一个理想的弹簧”“一根无限长直导线”等．这些习题能够使学生迅速联想到相关的公式、定理或定律，快速掌握知识，对于理解公式、定理或定律的适用条件很有益处．但这一类习题也存在弊端．一方面，题型陈旧，另一方面，它很难让学生将研究对象与生活中的实际对象联系起来，不利于让学生通过习题来深刻体会物理原理的含义与应用范围．此外国内教材在习题上重视定量计算，轻视定性、半定量的分析，重演绎、少归纳，缺乏对发散性思维的训练题．

而在国外教材中，章后习题经常建立与日常生活息息相关的真实情境，题目新颖，语言生动幽默，让做习题也成了一件有趣的事情．大量形式多样、贴近实际的物理习题的练习，让学生能够由浅入深地体会其中所蕴含的深刻物理思想．

4 资源配置比较

4.1 资源呈现形式

国内教材的配套数字资源大多为文本资源及MOOC视频资源，通常以“二维码+课程网站”的形式呈现．马文蔚版教材采用“2d平台+Abook平台+数字课程”的方式展示资源，与教材联系紧密的用二维码展示，与教材关联度略低、篇幅较长的置于Abook平台(图9)上，此外该书还有配套数字课程，通过MOOC视频与电子课件进一步加深学生对物理知识的理解．张三慧版教材数字资源部分采用的也是类似的“二维码+文泉课堂+数字课程”的方式．一方面丰富了配套资源，另一方面更好地保护了版权，打击了盗版．

图9 马文蔚教材Abook网站界面

国外教材在数字资源配套上更为多样，补充资源非常丰富，真正做到易教、易学，哈里德版教材数字资源介绍如图10所示．

图10 西尔斯版教材配套数字资源介绍

西尔斯版教材配套数字资源包括以下内容.

针对教师的资源包括：教师题解、教学资源库、Mastering Physics系统、试题库．

针对学生的资源包括：学生解题指导、Mastering Physics系统、Pearson eText、Pearson Tutor Service、ActivPhysics Online．

4.2 资源内容

在资源内容设置上，国内教材均愈发注重科学精神和人文精神的融合，穿插了大量科学家的简介和物理学在高新技术中的应用．例如，在马文蔚版教材中加入了大量我国近年来的科技成果，如第四代反应堆、2号环流器等，这有助于培养民族自尊心，实现文化自信．

5 结论

通过分析马文蔚版教材、张三慧版教材、哈里德版教材和西尔斯版教材的结构、物理概念阐述风格、内容、习题配置、插图、资源配置、封面与版式等，我们可以发现，国内外教材各有其优势和不足．

国内教材在习题配置方面，更加精炼，数量适中，重点突出．在资源配置方面，国内教材愈发注重科学精神和人文精神的融合，穿插了大量科学家的简介和物理学在高新技术中的应用．但是与日常生活相关的应用较少，不少教材涉及的应用过于集中和雷同．

国外教材全彩印刷，更加图文并茂，生动活泼，趣味性强，更能提高学生的学习兴趣．教材铺垫较多，讲解细致，多从日常生活实例或前沿科技出发，以归纳、类比的逻辑方式引入物理概念和规律，对于基础薄弱的学生更为友好．网站配套资源更加丰富，易教易学．但是习题数量过大，重点不够突出．

国内教材在借鉴国外优秀教材长处方面是积极且卓有成效的．进入21世纪以来，大学物理教材改革有了突飞猛进的发展，我国的大学物理教材无论从观念上还是从内容上都有很大的变化．国内教材在借鉴美国教材联系前沿、激励创新、加强近代及习题方面都做了有益的尝试．

在更新习题、加强实际应用方面，国内教材也充分的体现，选编了大量联系实际的例题和习题．对这些习题和例题的分析与求解，能使学生更深刻地理解概念和规律，了解物理基础知识的重要实际意义.