美国与英国四大力学课程的比较及启示

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1、美国与英国“四大力学”课程的比较及启示张立彬（教育部南开大学外国教材中心，天津300071）刘学文（南开大学物理科学学院，天津300071）[内容摘要]根据英美高校物理学排名，笔者搜集了几所著名大学的四大力学课程及其教参等信息，在此基础上，比较了英美著名大学四大力学课程的培养目标、教学内容、教材及参考书、教学方式、课程学时、考核方式、师资力量等。通过比较发现两个物理学教育强国的四大力学教学的特点和国内教学的不足，本文可为国内四大力学课程教学的改善提供一定的启示与借鉴。[关键词]：四大力学课程；英国大学、美国大学；教学方式；课程比较理论物理中的“四大力学”由《理论力学》、《热力学与统计物理》、

2、《电动力学》和《量子力学》组成，它是本科生在普通物理的基础上，为了进一步将对物理的感性认知提高到理性认知而必须学习的基础理论课程，在物理学专业本科生的基础课教学中占有核心的地位[1]。理论物理本身具有概念抽象、数学工具覆盖范围广的特点，其中理论力学以分析力学为核心，以系统的理论体系描述了粒子的机械运动，同时它引入了全新的物理概念（如作用量、拉氏量等），这为学习其它理论课程提供了铺好了道路。在热力学与统计物理中，热力学总结了物质的宏观热现象（如压强、温度、体积的变化，系统间能量的转换等），而统计物理则从微观粒子的角度对宏观热现象作出了解释（微观粒子的统计表现）。电动力学以麦克斯韦方程为核心，以

3、完美的理论形式，高度概括了与电和磁相关的物理现象（如电磁波的传播）。而量子力学则讲述了支配微观世界的规律，由于在21世纪人类对自然界的探索将更多、更深入地在微观的层次进行，量子力学是至关重要的。本文通过讨论和比较英美两国著名大学的四大力学课程教学情况，分析它们的课程培养目标、教学内容、教材及参考书、教学方式、课程学时、考核方式、师资力量等因素，旨在发现其教学特色，为国内四大力学课程教学的改善提供启示及思路。一、英美两国四大力学课程的比较与分析1.培养目标——基础知识的积累我们知道，四大力学是大学本科物理学习的核心内容，课程的讲授便成了本科物理教育的重中之重。前面介绍了四大力学的基本概念，下面

4、我们着重讨论一下美国大学、英国大学的四大力学课程的培养目标。英美各个高校要求本科学生通过四大力学的学习，打下坚实的物理学基础，达到对物理世界基本规律的理性认知是基本目标。首先，在理论力学的学习过程中，我们用分析力学（即拉格朗日力学和哈密顿力学）的观点处理牛顿力学问题，使学生产生从感性到理性、从归纳分析到抽象推理能力的升华[2]；其次，电动力学主要研究了电磁场的基本属性、运动规律以及电磁场和物质的相互作用问题。在经典物理范围内，通过学习电动力学，优美的麦克斯韦理论会使学生更深刻的理解电和磁的世界；再次，热力学与统计物理讨论了热运动的宏观理论并且用统计的方法去处理复杂的微观系统，将物质的宏观性质

5、看成是大量粒子运动的统计表现。经过学习热力学与统计物理，学生应掌握描述含大量粒子系统的物理规律的工具，并体会到处理热力学系统全新的思路；最后，量子力学的学习会使我们超越经典力学的范围，来到一个全新的物理理论之中，一系列的量子力学原理（比如态叠加原理、海森堡不确定性原理等概念）会使我们的认识发生彻底的改变。两国的四大力学培养目标大同小异，以美国麻省理工学院为例，学生通过四大力学课程的学习应更加深刻的理解物理世界，对时间-空间问题、物质-能量问题、从亚原子到宇宙尺度的认识、以及从简单到复杂系统的物理刻划都要有明确的理解[3]。在学习四大力学之时，也是学生用更多的数学语言进行分析物理世界的过程，四

6、门学科中都要求学生具备一定的数学分析、微分方程、线性代数等数学基础[4]8。这样，在经过四大力学的学习，学生需要具备一定的数学分析能力，从而能够在严密的逻辑基础上对物理对象进行精确的数学描写。2.课程内容的比较分析四大力学包含的内容繁多，但学习重点明确，以下列举了美国麻省理工学院与英国剑桥大学的四大力学课程的基本内容，见表1。表1麻省理工学院和剑桥大学四大力学课程主要内容课程麻省理工学院[3]剑桥大学[5]理论力学介绍经典力学主要内容，包括欧拉-拉格朗日方程、哈密顿运动方程，散射问题，微扰问题，诺特定理，同时涉及相对论内容和经典电动力学。课程内容主要包含物体的轨道运动，刚体动力学，正则变换，

7、连续体力学等热力学与统计物理包含了随机变量问题，概率论，微观物质及热力学平衡，统计力学的基本假设，热力学定律，磁学、热辐射、固体中电子运动等物理现象的统计描述。经典热力学与统计力学的导论课程，包含了基本热力学定律，气体的动力学统计理论，输运现象，相关的天体物理方面及“软”物质统计力学的讨论。电动力学包括了电磁场基本原理，静电、磁场，电磁场运动问题，麦克斯韦方程，电磁波辐射，物质的电磁性质，守恒定律等。内容包括