美國與英國“四大力學”課程的比較及啟示

美國與英國“四大力學”課程的比較及啟示

張立彬（教育部南開大學外國教材中心，天津 300071）
劉學文（南開大學物理科學學院，天津 300071）

[內容摘要] 根據(jù)英美高校物理學排名，筆者搜集了幾所著名大學的四大力學課程及其教參等信息，在此
基礎上，比較了英美著名大學四大力學課程的培養(yǎng)目標、教學內容、教材及參考書、教學方式、課程學
時、考核方式、師資力量等。通過比較發(fā)現(xiàn)兩個物理學教育強國的四大力學教學的特點和國內教學的不
足，本文可為國內四大力學課程教學的改善提供一定的啟示與借鑒。
[關 鍵 詞]：四大力學課程；英國大學、美國大學；教學方式；課程比較

理論物理中的“四大力學”由《理論力學》 、《熱力學與統(tǒng)計物理》 、《電動力學》
和《量子力學》組成，它是本科生在普通物理的基礎上，為了進一步將對物理的感性認知
提高到理性認知而必須學習的基礎理論課程，在物理學專業(yè)本科生的基礎課教學中占有核
心的地位[1]。理論物理本身具有概念抽象、數(shù)學工具覆蓋范圍廣的特點，其中理論力學
以分析力學為核心，以系統(tǒng)的理論體系描述了粒子的機械運動，同時它引入了全新的物理
概念（如作用量、拉氏量等），這為學習其它理論課程提供了鋪好了道路。在熱力學與統(tǒng)
計物理中，熱力學總結了物質的宏觀熱現(xiàn)象（如壓強、溫度、體積的變化，系統(tǒng)間能量的
轉換等），而統(tǒng)計物理則從微觀粒子的角度對宏觀熱現(xiàn)象作出了解釋（微觀粒子的統(tǒng)計表
現(xiàn)）。電動力學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://120pk.cn省略1036字，正式會員可完整閱讀）……　
2.課程內容的比較分析
四大力學包含的內容繁多，但學習重點明確，以下列舉了美國麻省理工學院與英國劍
橋大學的四大力學課程的基本內容，見表1。

表1 麻省理工學院和劍橋大學四大力學課程主要內容

課程
理論力學

熱力學與統(tǒng)計物
理

電動力學

劍橋大學[5]
課程內容主要包含物體的軌道運動，剛體動力學，正則變換，連續(xù)體力學等

經(jīng)典熱力學與統(tǒng)計力學的導論課程，包含了基本熱力學定律，氣體的動力學統(tǒng)計理論，輸運現(xiàn)象，相關的天體物理方面及“軟”物質統(tǒng)計力學的討論。
內容包括麥克斯韋方程，電磁波、光、電磁場、電磁輻射以及相對論。

量子力學

麻省理工學院[3]
介紹經(jīng)典力學主要內容，包括歐拉-拉格朗日方程、哈密頓運動方程，散射問題，微擾問題，諾特定理，同時涉及相對論內容和經(jīng)典電動力學。
包含了隨機變量問題，概率論，微觀物質及熱力學平衡，統(tǒng)計力學的基本假設，熱力學定律，磁學、熱輻射、固體中電子運動等物理現(xiàn)象的統(tǒng)計描述。
包括了電磁場基本原理，靜電、磁場，電磁場運動問題，麥克斯韋方程，電磁波輻射，物質的電磁性質，守恒定律等。
課程包含量子力學相關實驗介紹（光電效應等），薛定諤方程，波粒二象性，海森堡不確定性原理，氫原子問題，量子力學的形式化表示（狄拉克符號），算符，角動量，自旋，散射問題，微擾理論，玻恩近似等

內容包含波粒二象性，薛定諤方程，
算符，自旋等。

由以上列表得知，劍橋大學的理論力學以及量子力學的課程內容較麻省理工學院少，
但課程的主體部分基本相同。
通常英國大學的課程量要比美國大學少，這與他們的教學方式息息相關，英國大學中
教師要求學生課后查閱大量的相關文獻資料（將在下面詳細討論），并且參加大量的專題
講座，通過這樣的方式進行知識的補充。
3．學期制度及課時安排——自主學習
一般，英國本科生學制為三年或四年，學生可根據(jù)自身的意愿選擇。每學年分為三個
學期。以2010-2011學年某英國大學為例，大體安排為：秋季學期（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；春季學期（共9周）：1月17日-3月25日
上課；3月26日-4月20日，復活節(jié)放假；夏季學期（共9周）：4月20日-6月25日上課，考
試，學年結束[6]。
通常美國大學學制要比英國大學學制長，一般為四年制，每學年會分春夏秋冬四個學
期，其中春秋兩季時間較長，例如春季學期從1月中旬到4月下旬，秋季學期從8月下旬到
12月。大部分課程會選擇在春秋兩季學期來開設。
對于英國的學期制度特點，學生每年有相對較短的時間（大約30周）在校學習，所以
學生將有更多的_時間，主要目的是要充分發(fā)揮學生的自主學習能力。在暑期假期中，
學生們可以充分利用三個月的時間參加社會實踐活動，為日后就業(yè)或深造培養(yǎng)實踐能力[6]
。而美國大學每學年會設置時間較短的夏、冬季學期，國內所謂的“小學期”，在小學期內
學生可以參加各種科研項目、各種學術講座等等。
下面我們來討論四大力學的學時問題，本文列舉了伊利諾伊大學香檳分校的四大力學
課程信息表[7]，見表2。

課程名稱
理論力學I
理論力學II
熱力學與統(tǒng)計物理
電動力學I
電動力學II
量子力學I
量子力學II

由上表看出每學期上課時間為15-16周，每門課程學時45-60小時。其中在每個星期的3-
4小時課時中，部分為課程講授時間，部分為討論時間（所占比例很大）。同時不難發(fā)現(xiàn)美

表2 伊利諾伊大學香檳分校四大力學課程信息表
學期
課時
秋季（1-15周）
3學時
秋季（1-15周）
3學時
春季（1-15周）
4學時
秋季（1-16周）
3學時
秋季（1-16周）
3學時
秋季（1-16周）
4學時
秋季（1-16周）
4學時

國高校一般會將同一課程分為I、II兩個部分，分兩個學期進行講授，這樣做法使每門課程
的時間跨度變得很大，學生可以通過之后的冬季、春季學期對知識進行整合、理解、以及
拓展。
比較而言英國大學的課程安排中，授課時間會更少，其余時間留給學生自學、完成作
業(yè)、做實驗和開展討論，課堂外，學校要求學生參加大量的課程講座，學生通過聽講座的
形式來擴充知識、加深對已學理論的理解。
總之，兩國大學四大力學在課時方面稍有不同，但相同之處在于兩國高校會利用較多
時間進行課后討論，這一方面值得國內大學借鑒。
4．教材的使用——經(jīng)典名著
教材以及參考書是學生接收信息和知識的主要載體，亦是教師教授知識的主要工具，
所以教材及參考書的選取是教學過程的重要的環(huán)節(jié)，下面是牛津大學和麻省理工學院的四
大力學教材及參考書的詳細情況，分別見表3和表4。

課程

表3

教材

牛津大學四大力學教材及參考書詳細列表[8]

經(jīng)典力學

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

量子物理

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

熱力學與統(tǒng)計物
理

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