教育部 “国内外高等教育教材比较研究”项目之一

《中美一流大学物理教育比较研究》项目结 项 报 告

南开大学外国教材中心2010 年 12 月

目 录

“ ”中美一流大学物理教育比较研究 项目结项一览表.................1

表一 项目基本情况.............................................................1表二 项目完成的总体情况.....................................................3表三 项目经费支出情况........................................................5

“ ”中美一流大学物理教育比较研究 项目结项报告....................6

“ ”一、构建 中美一流大学物理教学信息库 ....................................61. 中美一流大学物理教学的信息搜集整理.................................................6

2.“ ”中美一流大学物理教学信息库 的平台建设..........................................7

3.“ ”中美一流大学物理教学信息库 的实际用途及完善措施......................8

二、中美一流大学物理教育教学的理论研究..................................91. 中美高校物理教育理念之比较.................................................................9

2. 中美高校物理教育内容之比较.................................................................9

3. 中美物理教育教学之目的和模式的研究.................................................9

4. 国外经典物理教材评介的研究...............................................................10

5. 国外物理教育培养拔尖创新人才的经验介绍.......................................10

“ ”三、 中美一流大学物理教育比较研究 的实施方案........................111. 组成强大的项目研究队伍，为完成项目提供人员保障.......................11

2. 协办和参加相关的学术研讨会，了解国内外物理教育教学与教材研

究的最新进展，提高项目的研究水平.................................................11

3. 开展广泛的研究活动，积极撰写学术论文...........................................13

4. 细化研究内容，延伸项目研究...............................................................14

四、项目经费使用情况........................................................15

附件：..................................................................16

“ ”一、 中美一流大学物理教学信息库 的页面...............................17二、公开发表、录用待发论文文稿...........................................18

1.物理教学中让学生感知科学探索过程 ,提高认知水平,培养物理思维能

1

力.............................................................................................................17

2.美国大学文科物理经典教材特色述评....................................................22

3.2010年国外大学物理教学与教材研讨会（会议纪要）.......................25

4.什么是石墨烯...........................................................................................29

5.哈佛大学物理教育状况研究....................................................................37

6.麻省理工学院物理教育状况研究............................................................47

7.美国一流大学文科物理经典教材的特色与启示....................................59

8.真空中两个点电荷间电势为零的点及其产生的场强............................69

9.“ ”中美一流大学物理学教学信息数据库 的构建与实现........................78

10.辅助物理教学系统的设计......................................................................84

11.哈佛大学理论物理专业教材评介研究..................................................90

12.哈佛大学《粒子物理》教材评介与分析..........................................100

13.PDCA循环在大学物理教学中的运用...............................................107

三、成型论文文稿...........................................................1111.美国著名高校物理教育模式与特色分析及其借鉴意义探讨.............112

2.中美一流大学物理教育现状浅析.........................................................122

3.应用型大学基础物理课程分层次教学的探讨.....................................129

4.关于通过《大学物理》课程培养工科大学生创新能力的思考.........132

5.哈佛大学《大学物理学》(第三版)教材评介......................................139

6.麻省理工学院理论物理专业教材评介与分析.....................................149

7.麻省理工学院物理教育理念和教学方式探析.....................................160

8.美国高校有效提升人才培养质量的措施分析.....................................168

9.哈佛大学提高和保障物理教学质量的举措分析.................................178

10.哈佛大学物理专业拔尖人才培养模式探讨......................................188

11.MIT教材《An Introduction to Modern Astrophysics》评介研究.......195

12.杰出物理学家的成才之路与其所受高等教育的关联分析................202

四、“中美理工科大学物理教育力学部分比较研究”项目立项通知.......209五、在“2010年国外大学物理教学与教材研讨会”上的专题报告......210六、“中美一流大学物理教育比较研究”项目申请书及立项通知..........212

2

3

“中美一流大学物理教育比较研究”项目结项一览表表一 项目基本情况

项目名称 中美一流大学物理教育比较研究项目经费 批准经费：9 万元；已拨经费：9 万元；支出：77280.5 元

批准时间 2009 年 12 月计划完成时间 2010 年 12 月

实际完成时间 2010 年 12 月

项目组主要成员及分工姓 名 单 位 专业职务 承担项目任务情况张 毅 图书馆 教授、博导 项目负责人，总体负责项目的研究宋 峰 物理学院 教授、博导 项目负责人，总体负责项目的专业研究

穆祥望 图书馆 研究馆员 负责项目的组织、协调等工作，信息分析、数据库策划与建设

季纳新 物理学院 副教授 负责信息搜集、分析，以及项目中专业研究的协调工作

张立彬 图书馆 副教授 执行项目的具体实施方案，组织外国教材的评价与研究

禹宣伊 物理学院 副教授 执行物理专业方面的教育教学研究董 蓓 图书馆 馆 员 负责数据整合、数据库的构建

赵雅洁 图书馆 馆 员 负责信息发布和数据库网页设计主要阶段性成果序号 成 果 名 称 成果

形式 署名人 刊物年期、出版社和出版日期、使用单位

1物理教学中让学生感知科学探索过程,提高认知水平,培养物理思维能力

论文宋 峰 ，李 川勇 ， 王慧田

发表于国家核心刊物《大学物理》2009 年第 12 期

2 美国大学文科物理经典教材特色述评 论文

张 立彬 ， 杨军 花 ，李广平

发表于《中国大学教学》2010年第 11 期

1

32010 年国外大学物理教学与教材研讨会（会议纪要）

教 育 部南 开 大学 外 国教 材 中心

发表于《物理与工程》2010 年第 4 期

4 什么是石墨烯—介绍 2010 年诺贝尔物理奖 论文 宋 峰 ，

于音拟发表于《大学物理》2011 年第 1 期

5 哈佛大学物理教育状况研究 论文张 立彬 ， 郑先 明 ，李广平

拟发于《大学物理》，录用论文编号:100382

6 麻省理工学院物理教育状况研究 论文张 立彬 ， 梁启 锐 ，李广平

拟发于《大学物理》，录用论文编号:100668

7 美国一流大学文科物理经典教材的特色与启示

论文张 立彬 ， 李广平

拟发于《大学物理》，录用论文编号:100704

8 真空中两个点电荷间电势为零的点及其产生的场强 论文

周 家岐 ， 张功 ， 宋峰

拟发于《大学物理》，录用论文编号:100592

9 “中美一流大学物理学教学信息数据库”的构建与实现 论文 董蓓 拟 发 于 《 图 书 馆 工 作 与 研

究》，2011 年第 1 期10 辅助物理教学系统的设计——物

理教学数字图书馆建设初探 论文 赵雅洁 拟发于《图书馆工作与研究》

2

表二 项目完成的总体情况

3

1.构建“中美一流大学物理教学信息库”中美一流大学物理教学的信息搜集整理。从 2009 年 12 月立项开始，主要对选定中美

各十所一流大学的物理学教育教学信息进行了搜集，为本项目的研究奠定了资料基础。信息搜集的主要方法有：（1）利用网络和电子资源对所研究的中、外各高校的物理学

教学信息进行系统地搜集和整理；（2）通过我校在国外进修的教师、校友、海归人员或者来访的美国教师或学生等了解美国高校物理学的一些教育现状；（3）对国内一流高校，通过参观访问、座谈，或者借助参加国内教学会议交流的机会向相关教师了解情况。

“中美一流大学物理教学信息库”的平台建设。选用 TRS(Text Retrieval System)信息发布检索系统,作为建设平台。采用 B／S三层体系架构，数据记录按照中国和美国进行分类导航、分页显示。通过对概览页面和细览页面的分别设置，提高系统性能。数据库具备简单检索和高级检索功能，用户可以按照自己的需求进行字段组合检索、二次检索，还可以进行历史结果再检索，提高二次检索的效率，实现更为准确的检索。系统采用内置安全机制控制访问，能够控制合法用户有效访问内容，对敏感信息的 URL加密传输，保证信息的安全性。

“中美一流大学物理教学信息库”的实际用途及完善措施。数据库的建设基本达到项目预期的目的，其功能有：（1）可检索上述中美各高校物理学的专业名称、课程名称、课程代码、课程类型、课程对象、课程描述、学时、学分、学期以及教学大纲、教材、参考书等重要的字段信息，为国内高校物理课程的设置、教参书籍的选用等教育教学改革提供参考。（2）可比对中美高校物理人才的培养目标、物理课程的设置情况、实验实践教育情况、以及教学参考资料使用情况。（3）可了解中美高校物理学本科教育的现状与国际化的发展趋势。（4）可分析中美基础物理课程分层次教学情况，进而探讨美国一流大学因材施教、培养拔尖人才的举措，对我国拔尖创新人才的培养具有重要的借鉴意义。

“中美一流大学物理教学信息库”存在的缺憾。主要是尚待完善，即要更新现有的字段信息，还需补充有关未搜集到的字段信息。在建库过程中完成 2篇论文：其一是董蓓撰写的“中美一流大学物理学教学信息数据

库的构建与实现”；其二是赵雅洁撰写的“辅助物理教学系统的设计——物理教学数字图书馆建设初探”。2.中美一流大学物理教育教学的理论研究

中美高校物理教育理念之比较。选取了中美物理教育强校，针对中美高校物理教育的情况分别探讨了它们的特点，分析了国内外高校物理教育的不同之处。在比较中揭示出美国一流高校独特的办学特色和理念；我国大学物理演示实验教学有自己的一些特色，但是，实验数量少、自制教具少、多以购买为主，整体上还没有普遍地得到真正的重视。美国高校的教学目标通常把培养学生对物理的兴趣放在第一位，而我国是把掌握系统的基础知识放在第一位。我们建议我国物理教学今后应注重培养学生对物理学的兴趣，并作为整个物理教学的基点来组织实施。

4

续表二 项目完成的总体情况

中美高校物理教育内容之比较。从中美一流大学的课程设置、教学内容和结构等方面入手，具体分析了中外一流高校物理教学的课程设置情况和物理教育教学的特色。通过研究建议：我国物理课程内容应吸取国外教育理念，不断更新教育方法，实现实验教学日常化，考核制度多样化，教育目标国际化等。

中美物理教育教学之目的和模式的研究。对以哈佛大学、麻省理工学院为代表的美国一流大学的物理教育状况、教育模式及特色进行了分析研究。通过美国大学物理教育模式的研究，发现能够对我国的物理教育有一定的启示。重点关注了文科物理教育这个环节，研究了美国一流大学在文科物理方面的优秀成

果，并进一步介绍了美国高校文科物理经典教材《Conceptual Physics》。通过对文科物理课程设置、文科物理教材的编写模式的研究，进一步对我国的文科物理建设提出了许多建设性的建议。我们研究的目的就是向世界一流大学学习，探索科学合理的教育新模式，实现科学素质教育和人文素质教育的互补，具体要做到文理互补、文理相通。另外，本项目研究也从一定程度上完善并丰富了我国开设文科物理课程的意义。

国外经典物理教材评介的研究。项目组择要分析了哈佛大学经典物理教材、麻省理工学院经典物理教材等。通过对上述教材的分析和评介，对所评介教材有了更深一步的认识，建议把这些优秀教材在编排上、内容上的优点借鉴到我国的物理教材撰写中，进一步提高我国物理教材的编写水平。

国外物理教育培养拔尖创新人才的经验介绍。分析了美国高校有效提升人才培养质量的举措，研究认为良好的学术氛围、多样化的本科教育、优秀的师资力量和先进的硬件设施、新颖独特的教学模式等是有效提升人才培养质量的关键。研究的目的是要借鉴美国的成功经验和有效举措，为我国拔尖创新人才培养计划添砖加瓦。

5

表三 项目经费支出情况支出类别 合计

（元） 主要支出内容说明合 计 77280.

51．数据采集费 2970.8 电子文献搜集、走访相关人员、小型座谈等2．会议费 22000 协办三次物理学术会议3．调研差旅费 22659.

4 参加有关物理学术会议4．设备购置

和使用费 4679.9 科研用电脑、录音笔、U盘等5．论文版面费 7270

6．印刷费 未结账7．学生助研津贴 3600 项目组成员和外援研究生的科研补贴8．评审费 8000

9．管理费 4050

10．交通费等 2050.4 调研用车费用

项目经费支出需要特别说明的问题：

截至目前，项目经费余额 12719.5 元，主要由于项目一些支出没来得及

在学校财务结账日（12 月 20日）之前结账。拟列支项为：学生助研和调研费

约 4000 元、论文版面费 4000 元、资料费 2000 元、印刷费 1000 元、差旅费

2000 元等。

单位审核意见：

6

本项目结项报告内容属实。

负责人（签章） 公章

年 月 日

“中美一流大学物理教育比较研究”项目结项报告2009 年，教育部颁布了“国内外高等教育教材比较研究”项目申请指南，

12 月，南开大学申报的“中美一流大学物理教育比较研究”项目获得批准。这

一项目由南开大学外国教材中心与南开大学物理学院合作，经过一年的研究，

于 2010 年 12 月如期完成。项目成果主要包括：一、“中美一流大学物理教学

信息库”；二、有关中美大学物理教育教学研究的科研报告、学术论文等 25 万

字；三、后续研究课题，项目名称为“中美理工科大学物理教育力学部分比较研

究”。下面将从这几个方面予以具体汇报。

一、构建“中美一流大学物理教学信息库”依据官方学科排名资料，在中国和美国分别选择目前物理学排名处于前十

7

位的大学，对这些高校物理学教育情况进行了对比研究。项目负责人之一张毅教

授亲自主持该项工作，项目组成员季纳新、张立彬和研究生韦晨、于音、王莲莲

负责数据库的信息搜集；穆祥望、董蓓、赵雅洁负责数据组织和整合，以及数据

库的构建、网页设计与建设。1.中美一流大学物理教学的信息搜集整理从 2009 年 12 月立项开始，主要对选定中美各十所一流大学的物理学教

育教学信息进行了搜集，为本项目的研究奠定了资料基础。按 2007、2008 年两年的物理学专业排名的中、美两国各 10 所一流名校如

下 （ 美 国 排 名 出 处 ： http://school.liuxue.net/paiming/paiminginfo/

2218.sht

ml ； 中 国 排 名 出 处 ： http://edu.sina.com.cn/kaoyan/2009-01-

15/1605184136.

shtml）：美国的高校有麻省理工学院（MIT）、斯坦福大学、加州理工学院、哈佛大学、

普林斯顿大学、加州大学伯克利分校、康奈尔大学、芝加哥大学、伊利诺伊大学厄

本那-香槟分校、加州大学圣塔芭芭拉分校（2007、2008）。中国的高校有南京大学、中国科技大学、北京大学、清华大学、复旦大学、浙

8

江大学、中山大学、南开大学、上海交通大学、武汉大学（2007-2009）。信息搜集的主要方法有：（1）利用网络和电子资源对所研究的中、外各高

校的物理学教学信息进行系统地搜集和整理；（2）通过我校在国外进修的教

师、校友、海归人员或者来访的美国教师或学生等了解美国高校物理学的一些教

育现状；（3）对国内一流高校，通过参观访问、座谈，或者借助参加国内教学

会议交流的机会向相关教师了解情况。收集全中美各 20 所高校物理学教学信息，其字段信息总量应达到 6 万多

个。由于中外各高校网站建设没有统一的信息数据采集标准，再加上某些字段信

息常变化不固定，如美国高校多数课程的教材多为任课教师的讲义，因此，美

国高校物理专业的网站上多无固定的教材字段信息等。截止目前，项目组共搜集

近 4 万个字段信息，收集率近 70%。具体情况如下：美国麻省理工学院 101条课程信息，约 2000 个字段信息；

斯坦福大学 106条课程信息，约 2050 个字段信息；加州理工学院 54条课程

信息，约 1000 个字段信息；哈佛大学 96条课程信息，约 1850 个字段信息；

普林斯顿大学 36条课程信息，约 700 个字段信息；加州大学伯克利分校 64

9

条课程信息，约 1200 个字段信息；康奈尔大学 59条课程信息，约 1100 个字

段信息；芝加哥大学 70条课程信息，约 1300 个字段信息。中国南京大学 93条课程信息，约 1900 个字段信息；中国科技大学 263

条课程信息，约 5000 个字段信息；北京大学 98条课程信息，约 2000 个字段

信息；清华大学 129条课程信息，约 2600 个字段信息；复旦大学 88条课程

信息，约 1800 个字段信息；浙江大学 146条课程信息，约 2800 个字段信息；

中山大学 354条课程信息，约 6800 个字段信息；南开大学 210条课程信息，

约 4000 个字段信息。2.“中美一流大学物理教学信息库”的平台建设项目组根据项目的立项意义、研究内容、预期目标等情况,制订了“中美一流

大学物理学教学信息数据库”的总体思路。在数据整合的流程与标准上，参照

CALIS 教参系统的有关标准，并充分考虑系统的可扩充性和可持续发展，最终

达到在线提供物理学课程信息和教学参考资源信息查询的目的。该数据库选用 TRS(Text Retrieval System)信息发布检索系统,作为建设

平台。采用 B／S三层体系架构，数据记录按照中国和美国进行分类导航、分页

10

显示。通过对概览页面和细览页面的分别设置，提高系统性能。数据库具备简单

检索和高级检索功能，用户可以按照自己的需求进行字段组合检索、二次检索，

还可以进行历史结果再检索，提高二次检索的效率，实现更为准确的检索。系统

采用内置安全机制控制访问，能够控制合法用户有效访问内容，对敏感信息的

URL加密传输，保证信息的安全性。在数据库结构的设计上，依据教学信息资源的相关信息点，本系统采取对

其内容进行全面描述。建库字段包括：学校名称、学校代码、课程名称、课程代码

课程内容简介、课程大纲、开课学院及专业、教师、总课时、学分、教材、参考书等。

在建库策略上引入了TRS的B+树索引和倒排索引,这两种类型的索引相辅相成,

互为补充，从而使数据库较好地解决了键值的插入、溢出、删除、查询速度和空

间使用率等问题。3.“中美一流大学物理教学信息库”的实际用途及完善措施2010 年 6 月项目中期检查后，项目组成员对“中美一流大学物理学教学

信息库”进行数据调试、页面修改、信息补充等工作，逐步完善数据库，目前已

基本完成，其网址为：http://202.113.20.161:8080/was40/wjzxdb/wjzx.htm。

11

该数据库的建设基本达到项目预期的目的，其功能有：（1）可检索上述中美各高校物理学的专业名称、课程名称、课程代码、课程

类型、课程对象、课程描述、学时、学分、学期以及教学大纲、教材、参考书等重要

的字段信息，为国内高校物理课程的设置、教参书籍的选用等教育教学改革提供

参考。（2）可比对中美高校物理人才的培养目标、物理课程的设置情况、实验实

践教育情况、以及教学参考资料使用情况。（3）可了解中美高校物理学本科教育的现状与国际化的发展趋势。（4）可分析中美基础物理课程分层次教学情况，进而探讨美国一流大学

因材施教、培养拔尖人才的举措，对我国拔尖创新人才的培养具有重要的借鉴意

义。数据库仍存在着一些缺憾，主要是尚待完善，即要更新现有的字段信息，

还需补充有关未搜集到的字段信息。我们下一步拟采取两种途径进行完善：

（1）更加广泛地通过多种途径与有关学校联系、索求信息；（2）更多地寻找、

走访留学生和访问学者等。

12

在建库过程中项目组成员也都记录了工作心得，期间，项目组成员穆祥望

指导完成了 2篇论文：其一是董蓓撰写的“中美一流大学物理学教学信息数据

库的构建与实现”；其二是赵雅洁撰写的“辅助物理教学系统的设计——物理

教学数字图书馆建设初探”。

二、中美一流大学物理教育教学的理论研究项目组紧紧围绕“中美一流大学物理教育比较研究”项目的计划内容，开

展了上述中美一流大学在物理教育方面的比较研究，主要内容如下： 1. 中美高校物理教育理念之比较选取了中美物理教育强校，针对中美高校物理教育的情况分别探讨了它们

的特点，分析了国内外高校物理教育的不同之处。在比较中揭示出美国一流高校

独特的办学特色和理念，譬如哈佛大学重视学习方式和解决问题的方法的教育

理念、麻省理工学院实用知识的教育价值观以及耶鲁大学的自由教育理念等。国

内高校的物理教育一般分为课堂教学和演示实验教学。我国大学物理演示实验教

学有自己的一些特色，但是，实验数量少、自制教具少、多以购买为主，整体上

还没有普遍地得到真正的重视。美国高校的教学目标通常把培养学生对物理的兴

13

趣放在第一位，而我国是把掌握系统的基础知识放在第一位。我们建议我国物理

教学今后应注重培养学生对物理学的兴趣，并作为整个物理教学的基点来组织

实施。2. 中美高校物理教育内容之比较从中美一流大学的课程设置、教学内容和结构等方面入手，具体分析了中外

一流高校物理教学的课程设置情况和物理教育教学的特色，对比结果：（1）

在课程入门的难易程度上，国外的物理知识比国内的要容易一些。（2）在层次

设置的渐进程度上，国外的整个课程层次设置面窄、进程快，而在国内，本科阶

段教育面宽、量大，在实用教育方面存在一定差距。（3）在研究生培养上，我

国更像是本科教育的延伸，只是在知识面上有所变窄，深度加大。通过研究建议

我国物理课程内容应吸取国外教育理念，不断更新教育方法，实现实验教学日

常化，考核制度多样化，教育目标国际化等。3. 中美物理教育教学之目的和模式的研究 项目组成员对以哈佛大学、麻省理工学院为代表的美国一流大学的物理

教育状况、教育模式及特色进行了分析研究。通过美国大学物理教育模式的研究

14

发现能够对我国的物理教育有一定的启示。在我国物理学高等教育改革方面，建

议应注重崇尚学术自由、营造严谨治学的学术氛围、通识教育与专业教育相结合

重视实践学习、制定独具特色的物理教学模式等。在课堂教学上，应该抓住机会

向学生讲授科学家们是如何探索科学问题的，包括探索过程中的思维方法、试验

过程。让学生感知科学探索过程，提高学生的认知水平，激发学生的学习兴趣，

掌握正确的思维方式和科学方法，不失时机地培养学生的创新能力、实践能力。项目组还重点关注了文科物理教育这个环节，研究了美国一流大学在文科

物 理 方 面 的优秀成果，并进 一步介 绍 了 美 国 高校文 科 物 理 经 典 教 材

《Conceptual Physics》。通过对文科物理课程设置、文科物理教材的编写模式

的研究，进一步对我国的文科物理建设提出了许多建设性的建议。诸如，在文科

物理编写方式上应打破理科局限，注重人文教学；坚持以人为本，重在授人以

渔。在编写内容上要力求简洁完整，避免复杂冗长；不能忽视物理实验，要利用

物理实验，培养动手能力。我们研究的目的就是向世界一流大学学习，探索科学

合理的教育新模式，实现科学素质教育和人文素质教育的互补，具体要做到文

理互补、文理相通。另外，本项目研究也从一定程度上完善并丰富了我国开设文

15

科物理课程的意义。4. 国外经典物理教材评介的研究项目组择要分析了哈佛大学经典物理教材、麻省理工学院经典物理教材等。

涉及到的 教 材 主 要 有 以下几本 ： 《 An Introductory Course in Modern

Particle Physics：Quarks and Leptons》、《Quantum Computation and

Quantum Information 》 ； 《 An Introduction To Quantum Field

Theory》、《String Theory》（两卷）、《Superstring Theory》、《Particle

Physics ： A Comprehensive Introduction 》 、 《 Physics for Scientists &

Engineers》(Third Edition)、《Particles and Nuclei》（Fifth Edition）、《A

First Course in String Theory》、《Quantum Mechanics》；《Modern

Quantum Mechanics》、《An Introduction to Modern Astrophysics》等

等。通过对上述教材的分析和评介，对所评介教材有了更深一步的认识，建议

把这些优秀教材在编排上、内容上的优点借鉴到我国的物理教材撰写中，进一步

提高我国物理教材的编写水平。

16

5. 国外物理教育培养拔尖创新人才的经验介绍项目组分析了美国高校有效提升人才培养质量的举措，研究认为良好的学

术氛围、多样化的本科教育、优秀的师资力量和先进的硬件设施、新颖独特的教

学模式等是有效提升人才培养质量的关键。研究的目的是要借鉴美国的成功经验

和有效举措，为我国拔尖创新人才培养计划添砖加瓦。

三、“中美一流大学物理教育比较研究”的实施方案 自 2009 年 12 月承担“中美一流大学物理教育比较研究项目”起，项目

组成员在两位项目负责人的指导下，积极开展工作，有分工、有合作，如期完成

项目任务。教育部资助经费共计 9 万元，2010 年 9 月已全部到位。截止目前，

项目组基本按照既定的实施方案开展了一系列调查研究工作。其措施为：1. 组成强大的项目研究队伍，为完成项目提供人员保障在项目进行的整个过程中，南开大学外国教材中心承担了具体组织实施落

实的任务。自 2009 年 12 月项目立项后，中心立即组织所有项目组成员，召开

“项目研究任务分工会议”，进一步明确各自的分工、任务要求以及时间进度安

排。鉴于项目是由图书馆和物理学院共同承担的，故本项目组又分为两个研究小

17

组：以图书馆为中心的研究小组由项目负责人张毅馆长负责，包括图书馆内五

名骨干成员和相关物理专业师生；以物理学院为中心的研究小组由项目负责人

宋峰教授负责，包括物理学院的教师、博士生、研究生等七名专业人员。张立彬

副教授为两小组的联系人。两小组多次召开碰头会，汇报各自分工任务进展情况

提出问题，共同商讨，不断完善想法。2010 年 7 月，做了一期《项目工作通报》

发到项目组全体研究人员手中，以督促项目的研究进展，要求高质量地圆满完

成任务。在项目研究过程中，项目组成员作了大量的调研工作，也吸引了北京、天津

一些高校有兴趣的老师、研究生，他们纷纷加入到本项目的研究队伍中来，扩大

了学术影响。如：北京联合大学基础部姚淑娜教授，天津大学理学院的吴亚非副

教授，天津师范大学物理学院的王明霞副教授，南开大学泰达应用物理学院的

张心正博士生导师、李威博士，南开大学物理学院的李川勇博士生导师、姚江宏

博士生导师、李玉栋博导、涂成厚博士，南开大学泰达应用物理学院和物理科学

学院的研究生李广平、郑先明、郭丽梅、朱美玲、张功、马志远、梁启锐、王莲莲；

以及美国宾州里海大学物理系的研究生尹炜恺等。截止 2010年 12月结项，参

18

与本项目研究的人员达 30余人。2. 协办和参加相关的学术研讨会，了解国内外物理教育教学与教材研究的

最新进展，提高项目的研究水平在项目研究的实施过程中，协办了三次相关学术会议。（1）2010 年 5 月，教育部高等学校物理基础课程教学指导分委员会主办了

“2010 年国外大学物理教学与教材研讨会”，我们项目组协助机械工业出版社

承办该会议，并参与整理会议资料等工作。在会上，还作了题为“教育部南开大

学外国教材中心的建设与服务”的专题报告，向来自美国哈佛大学、密歇根大学

德国卡尔斯鲁厄大学著名物理学家，以及来自国内北大、清华 86 所高校的骨干

教师、4 个出版机构的代表共 157 人等展示了教育部外国教材中心和南开大学外

国教材中心的建设与服务情况，介绍了我们承担的“中美一流大学物理教育比

较研究”项目的研究成果。（2）2010 年 9 月，协办了由南开大学承办的“中国物理学会 2010 年秋季

学术会议”，在“物理教学”专题分会场，张立彬副教授做了题为“麻省理工

学院物理教育理念和教学方式探讨”的学术报告，并介绍了教育部外国教材中

19

心建设与服务情况，以及开展的“中外高等教育教材比较研究”工作状况。（3）2010 年 11 月，协办了由全国高等学校教学研究会物理学科委员会、

教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会、中国物理学会教学委员会、高

等教育出版社共同主办的第六届“大学物理课程报告论坛”。通过协办相关学术会议，直接宣传了外国教材中心的资源和数字化服务的

状况，大大增强了“中心”的社会影响力。同时也使项目研究被更多的物理学专

家关注，这家学者们也对我们项目的研究进行了不同程度的关心、帮助和指导。项目组成员在研究过程中还参加了三次学术会议，进一步了解了国内外物

理教育教学与教材研究的最新进展，扩大了视野，进而不断提高了物理教育教

材研究水平。参加的具体会议是：2010 年 6 月，参加了科学出版社召开的“大

学文科物理教材选题与编写会议”，该会旨在培养大学文科学生的科学素养和

动手能力。2010 年 8 月，参加了中国光学学会主办的“中国光学学会 2010 年

光学大会”，该会交流了我国光学和光学工程最新的研究成果；2010 年 8 月，

参加了在内蒙古大学召开的“教育部高等学校物理基础课程教学指导分委员会

华北地区协作组 2010 年高校物理教学研讨会”。通过参会，项目组成员积极与

20

参会专家进行沟通，介绍项目情况，听取专家们对外教中心工作和项目研究的

建议，也进一步了解了物理教学改革和教学研究的进展。3. 开展广泛的研究活动，积极撰写学术论文项目组在研究过程中，共计撰写论文 25篇，其中已发表 3篇、录用待发

10篇、成型论文 12篇。其细目如下：公开发表和已录用论文（包括一篇会议论文）：（1）宋峰，李川勇，王慧田《物理教学中让学生感知科学探索过程,提高认

知水平,培养物理思维能力》，发表于国家核心刊物《大学物理》2009 年第 12 期。（2） 张立彬，杨军花，李广平《美国大学文科物理经典教材特色述评》，

发表于国家核心刊物《中国大学教学》2010 年第 11 期。（3）教育部南开大学外国教材中心《2010 年国外大学物理教学与教材研

讨会（会议纪要）》，发表于《物理与工程》2010 年第 4 期。（4）宋峰，于音 《什么是石墨烯—介绍 2010 年诺贝尔物理奖》，拟发表

于《大学物理》2011 年第 1 期。（5）张立彬，郑先明，李广平《哈佛大学物理教育状况研究》，拟发表于

国家核心刊物《大学物理》，录用论文编号:100382。

21

（6）张立彬，梁启锐，李广平《麻省理工学院物理教育状况研究》，拟发

表于国家核心刊物《大学物理》，录用论文编号:100668。（7）张立彬，李广平《美国一流大学文科物理经典教材的特色与启示》，

拟发表于国家核心刊物《大学物理》，录用论文编号:100704。（8）周家岐，张功，宋峰《真空中两个点电荷间电势为零的点及其产生的

场强》，拟发表于国家核心刊物《大学物理》，录用论文编号:100592。（9）董蓓《“中美一流大学物理学教学信息数据库”的构建与实现》，拟

发表于国家核心刊物《图书馆工作与研究》2011 年第 1 期。（10）赵雅洁《辅助物理教学系统的设计——物理教学数字图书馆建设初

探》，拟发表于国家核心刊物《图书馆工作与研究》。（11）张立彬，李广平《哈佛大学理论物理专业教材评介研究》，拟发表于

《2010 年国外大学物理教学与教材研讨会论文集》，机械工业出版社，2011

年版。（12）张立彬，谢亚平《哈佛大学“粒子物理”教材评介与分析》，拟发表

于《2010 年国外大学物理教学与教材研讨会论文集》，机械工业出版社，2011

年版。（13）禹宣伊，宋峰，季纳新，王莲莲《PDCA循环在大学物理教学中的

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运用》，两岸三地大学物理教育学术研讨会，2010 年 7 月 31日-8 月 2日，北京。

已成型论文：（1）涂成厚，张立彬，张毅《美国著名高校物理教育模式与特色分析及其

借鉴意义探讨》。（2）李威，张立彬《中美一流大学物理教育现状浅析》。（3）姚淑娜《应用型大学基础物理课程分层次教学的探讨》。（4）吴亚非《关于通过“大学物理”课程培养工科大学生创新能力的思

考》。（5）张立彬，尹炜恺《哈佛大学“大学物理学”（第三版）教材评介》。（6）张立彬，朱美玲《麻省理工学院理论物理专业教材评介与分析》。（7）张立彬，郭丽梅，张毅《麻省理工学院物理教育理念和教学方式探

析》。（8）张毅，张立彬，李广平《美国高校有效提升人才培养质量的措施分

析》。（9）张立彬，张功《哈佛大学提高和保证物理教学质量的举措分析》。（10）张立彬，马志远《哈佛大学物理专业拔尖人才培养模式探讨》。

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（ 11 ） 张 立 彬 ，暴鹏程 ，马志远《 MIT 教 材 “ An Introduction to

Modern Astrophysics”评介研究》。（12）赵雅洁，穆祥望《杰出物理学家的成才之路与其所受高等教育的关

联分析》。4. 细化研究内容，延伸项目研究通过对中美大学物理学教育教学的分析研究，充分借鉴先进的教育理念，

为我国物理学教育提出可供参考的建议和可持续发展的教学模式，为推进国内

教学与国际接轨起到促进作用。随着项目研究的深入，项目组成员不断产生新的

思路和想法，不断细化研究内容。在项目研究基础上，禹宣伊副教授又主持申报

了教育部高等学校物理基础课程教学指导分委员会 2010 年度的“高等学校教

学研究项目”，题为“中美理工科大学物理教育力学部分比较研究”。这是“中

美一流大学物理教育比较研究” 的后续研究项目，于 2010 年 10 月成功立项，

项目批准号为 WJZW-2010-11-hb，项目完成时间为 2012 年 7 月。另有在研题目若干：如《中美物理学高等教育理念比较研究》、《中美一流高

校物理类专业和非物理类专业物理教育的特色》、《美国物理学经典教材评介研

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究》、《中美物理学高等教育方法之比较》、《中国物理学优秀教材建设的参考标准

和可持续发展的模式研究》、《MIT 物理专业拔尖人才培养模式研究》、《MIT 基础

物理分层次教学与拔尖人才的培养》、《中美一流高校<大学物理>经典教材比较

研究》、《中美一流大学文科物理教育比较研究》、 《中美一流大学物理专业课

程设置的比较分析》、《美国一流大学“大学物理”课程分层次教学研究》。

四、项目经费使用情况本项目经费计 9 万元，分别于 2010 年 3 月和 9 月两次拨款。截至目前项

目经费支出主要有项目管理费、会议协办费、会务差旅费、设备购置费、论文版面

费、学生助研津贴、外援调研费等。目前支出共计 77280.5 元，余额 12719.5

元。具体列支为：项目管理费 4050 元；会议协办费 22000 元；差旅费 22659.4 元；设备购置费 4679.9 元；论文版面费 7270 元；学生助研津贴 3600 元；

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数据采集费 2970.8 元；交通费等 2050.4 元；专家评审费 8000 元。项目经费余款的原因，主要由于项目一些支出没来得及在学校财务结账日

（12 月 20日）之前结账。拟列支项为：学生助研和调研费约 4000 元、论文版

面费 4000 元、资料费 2000 元、印刷费 1000 元、差旅费 2000 元，共计约

13000 元。

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附件：一、“中美一流大学物理教学信息库”的页面二、 公开发表、录用待发论文文稿三、 成型论文文稿四、“中美理工科大学物理教育力学部分比较研究”项目立项通知五、在“2010 年国外大学物理教学与教材研讨会”上的专题报告六、“中美一流大学物理教育比较研究”项目申请书及立项通知

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附件：一、“中美一流大学物理教学信息库”的页面

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二、公开发表、录用待发论文目录：1.宋峰，李川勇，王慧田《物理教学中让学生感知科学探索过程,提高认知

水平,培养物理思维能力》，发表于国家核心刊物《大学物理》2009 年第 12 期。2.张立彬，杨军花，李广平《美国大学文科物理经典教材特色述评》，发表

于国家核心刊物《中国大学教学》2010 年第 11 期。3.教育部南开大学外国教材中心《2010 年国外大学物理教学与教材研讨会

（会议纪要）》，发表于《物理与工程》2010 年第 4 期。4.宋峰，于音 《什么是石墨烯—介绍 2010 年诺贝尔物理奖》，拟发表于

《大学物理》2011 年第 1 期。5.张立彬，郑先明，李广平《哈佛大学物理教育状况研究》，拟发表于国家

核心刊物《大学物理》，录用论文编号:100382。6.张立彬，梁启锐，李广平《麻省理工学院物理教育状况研究》，拟发表于

国家核心刊物《大学物理》，录用论文编号:100668。

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7.张立彬，李广平《美国一流大学文科物理经典教材的特色与启示》，拟发

表于国家核心刊物《大学物理》，录用论文编号:100704。8.周家岐，张功，宋峰《真空中两个点电荷间电势为零的点及其产生的场

强》，拟发表于国家核心刊物《大学物理》，录用论文编号:100592。9.董蓓《“中美一流大学物理学教学信息数据库”的构建与实现》，拟发表

于国家核心刊物《图书馆工作与研究》2011 年第 1 期。10.赵雅洁《辅助物理教学系统的设计——物理教学数字图书馆建设初探》，

拟发表于国家核心刊物《图书馆工作与研究》。。11.张立彬，李广平《哈佛大学理论物理专业教材评介研究》，拟发表于

《2010 年国外大学物理教学与教材研讨会论文集》，机械工业出版社，2011

年版。12.张立彬，谢亚平《哈佛大学“粒子物理”教材评介与分析》，拟发表于

《2010 年国外大学物理教学与教材研讨会论文集》，机械工业出版社，2011

年版。13.禹宣伊，宋峰，季纳新，王莲莲《PDCA循环在大学物理教学中的运

用》，两岸三地大学物理教育学术研讨会，2010 年 7 月 31日-8 月 2日，北京

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什么是石墨烯*

---2010 年诺贝尔物理奖介绍宋峰 于音

（南开大学物理科学学院，天津 300071）摘要：2010 年，Andre Geim 和 Kostya Novoselov凭借着在石墨烯方面的创新研究而获得了诺贝尔物理学奖。石墨烯是一种单原子层结构的碳纳米材料，具有特殊的优异的力学、电学和光学性质，无论在物理学、化学，还是信息领域、能源领域以及器件制造等方面，都具有巨大的研究价值和应用前景。本文介绍了石墨烯的概念、结构特点和性质，以及Andre Geim 和 Kostya Novoselov 教授的创新工作，总结了石墨烯的各种制备方法以及表征方法，指出了了石墨烯在不同领域的应用现状，展望了该材料的应用前景和研究价值。关键词：石墨烯，结构，性质，制备，表征，应用

AbstractIn 2010, with the innovations in the study of graphene, Andre Geim and

Kostya Novoselov won the Nobel Prize in physics. Graphene is a kind of carbon nano material with single atomic layer, which has special excellent mechanical, electrical and optical properties. Besides, this new material involves a huge potential in the fields of physics, chemistry, information, energy, and device manufacturing. This paper introduces the structure and properties of graphene, and the innovations in the study of graphene by Andre Geim and Kostya Novoselov .The characteristics as well as problems of various preparation methods and characterization of graphene are analyzed. Moreover, the applications of graphene in various fields are summarized and its future development and research value is prospected.Key words ： graphene ； structure ； poperty ； preparation ；characterization；application

1. 引言拿破仑曾经说过：“笔比剑更有威力”，他说这话的意思是指舆论比武力更厉害。

不过，他绝对没有想到铅笔芯中确实包含着地球上强度最高的物质！我们知道，铅笔芯的原材料是石墨，而石墨是一类层状的材料，即由一层又一层的二维平面碳原子网络有序堆叠而形成的。由于碳层之间的作用力比较弱，因此石墨层间很容易互相剥离开来，从而形成很薄的石墨片层，这也正是铅笔可以在纸上留下痕迹的原因。如果将石墨逐层地剥离，直到最后只形成一个单层，即厚度只有一个碳原子的单层石墨，这就是石墨烯。石墨烯的厚度只有 0.335 纳米，比纸还要薄一百万倍，把 20 万片石墨烯叠加到一起，也只有一根头发丝的厚度，但是它的强度却比钻石还要坚韧，同时，作为单质，它在室温下传递电子的速度要超过任何一种已知的导体。* 国家自然科学基金 J0730315 和教育部 2009 年度研究项目“中美一流大学物理教育比较研究”资助

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但在过去很长的一段时间里，科学家们从理论上一直认为这种纯粹的二维晶体材料是无法稳定存在的，一些试图制备石墨烯的工作也都没有取得成功。直到 2004 年，英国曼彻斯特大学的物理学教授 Andre Geim 用一种简单易行的胶带分离法制备出了石墨烯[1]。这一新型材料的问世引起了全世界的研究热潮。2010 年，Andre Geim 教授和他的学生 Kostya Novoselov凭借着在石墨烯方面的创新研究而获得了诺贝尔物理学奖。

那么，石墨烯具体有什么特殊的结构和性质呢？它是如何被制备出来的呢？它有什么应用呢？首次制备出这种材料的 Geim又做了哪些贡献呢？ 2． 石墨烯的结构和性质

石墨烯仅仅是一个原子的厚度——或许是宇宙中最薄的材料——并形成了高质量的晶体格栅。石墨烯是由碳原子六角结构（蜂窝状）紧密排列构成的二维单层石墨，是构造其它维度碳质材料的基本单元[2]。它可以包裹形成 0 维富勒烯（Fullerene，也译作福乐烯，是在 1985 年发现的继金刚石和石墨之后的第三种碳元素的晶体形态，又名球碳与芙，或者巴基球和巴克球（Buckyball））；它也可以卷起来形成一维的碳纳米管(Carbon Nanotube ，是具有石墨结构、并且按一定规则卷曲形成的纳米级管状结构的孔状材料)；同样，它也可以层层堆叠构成三维的石墨。迄今为止，研究者们仍没有发现石墨烯中会有碳原子缺失的情况，但是在 2007 年，Meyer[3]等人观察到石墨烯的单层并不是完全平整的，它的表面会有一定高度的褶皱，单层石墨烯的褶皱程度明显高于双层石墨烯，并且褶皱程度会随着石墨烯层数的增加而越来越小。一些研究者认为，从热力学的角度来分析，这可能是由于单层石墨烯为降低其表面能，由二维形貌向三维形貌转换，或者也可以认为褶皱是二维石墨烯存在的必要条件之一。但具体的原因还有待进一步研究和探索。

另外，石墨烯中的各个碳原子之间的连接十分柔韧，当对其施加外部机械力时，碳原子面就会弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了该材料结构的稳定性。同时，这种稳定的晶格结构也使石墨烯具有优秀的导电性，石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温环境下，即使周围的碳原子互相发生了挤撞，石墨烯中的电子受到的干扰也会非常小。

作为单质，石墨烯最大的特性是它在室温下传递电子的速度比已知的任何导体都快，其中电子的运动速度可以达到光速的 1/300 ,大大超过了电子在一般导体中的运动速度。另外，它也是目前已知材料中电子传导速率最快的材料 , 其室温下的电子迁移速率可高达 15000cm2/(V. s)[4]。同时，科学家们还发现单层的石墨烯具有很大的比表面积,可达到 2600 m2/g[5]。另外，石墨烯还具有突出的导热性能[6]、优异的量子隧道效应、 零质量的狄拉克费米子行为及特殊的半整数量子霍尔效应[7] 。3．Andre Geim 和石墨烯的发现

Andre Geim（安德烈.海姆）教授出生于俄罗斯的索契，曾在 Moscow Physical-technical University 学习，1987 年他在俄罗斯科学院固体物理学研究院获得了固体物理学的博士学位，毕业后到英国诺丁汉大学学习了两年微电子技术并工作。1994 年，他到荷兰奈梅亨大学工作，2001 年，又到英国曼彻斯特大学任教并担任介观科学与纳米科技研究中心的负责人。目前同时受聘于英国曼彻斯特大学和荷兰奈梅亨大学 。Kostya Novoselov（康斯坦丁.诺沃肖洛夫）1974 年出生于俄罗斯的下塔吉尔，具有英国和俄罗斯的双重国籍。2004 年 Kostya Novoselov在 Andre Geim 的指导下于荷兰奈梅亨大学获得了博士学位。

Geim 教授喜欢用古怪的方法来做科研。1997 年，他用磁场来克服重力，使得一只青43

蛙被悬浮在半空中，为此他获得了 2000 年的搞笑诺贝尔奖(Ig Noble)。他曾经将他的宠物，一只叫 Tisha 的仓鼠，列为“磁性悬浮陀螺仪探索地球旋转”这篇文章的共同作者[8]（请注意文献[8]的作者署名），并坚持认为仓鼠 Tisha 为悬浮实验做出了贡献，为此，他向学校申请授予 Tisha 博士学位。在 2007 年，他的实验室模仿壁虎和蜥蜴，发明了一种微结构安装的有粘附性的支架。

Geim 认为最重要的科研技巧就是利用任何可用的研究设备和手边的仪器尝试做一切新事物。他称作这个为“乐高学说”：“你有许多不同的事物，你要严格利用你所拥有的来创建新事物。”在石墨烯的研究上，Geim也是采用了最简单的手段取得了最有价值的结果。Geim 认为碳纳米管是材料研究的重大领域之一，他想做一些这方面的研究。他设想将石墨块分离至 10或 100层薄，然后再研究它的性质。但是要达到这么小的微层，不是一件容易的事情。偶然中他发现了一种简单易行的新

方法。首先将石墨分离成较小的碎片，从碎片中找出较薄的石墨薄片，然后用普通的塑料胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二。不断重复这一过程， 会得到非常薄的并粘有胶带纸的薄片，最后用溶液溶解胶带，直到得到极度薄的石墨薄片——称为“超薄的碳膜”，这种碳膜只有 10层原子的厚度。为此人们戏称Geim 是用铅笔和胶带来获得诺贝尔物理学奖的。 2004 年 10 月，Geim 和 Novoselov 等人在美国《科学》杂志上发表了题为“电场对原子厚度的碳薄膜的影响”的论文[1]，报告了有关“超薄碳膜”的发现，目前该论文是材料物理中被引用次数最高的一篇文章。4． 石墨烯的主要制备方法

石墨烯的诞生推翻了科学界的一个长久以来的错误认识——热力学涨落不允许任何二维晶体在有限的温度下存在。现在，石墨烯这种新型的二维晶体材料不仅可以在室温下存在，而且可以非常稳定的存在于普通的环境下。目前，科学家们可以通过物理方法和化学方法两种手段来制备石墨烯，物理方法主要包括：机械法、取向附生法、加热 SiC 法等；化学方法主要包括：氧化还原法、化学气相沉积法等。物理方法，是从具有高晶格完备性的石墨或者类似的材料来获得，得到的石墨烯尺度都可以达到 80 nm 以上。而化学方法是通过小分子的合成或溶液分离的方法获得，得到石墨烯尺度仅为 10 nm 以下。下面分别介绍几种主要的石墨烯制备方法。4.1 机械法

机械法是从较大的晶体上直接剪裁石墨烯薄片。2004 年，曼彻斯特大学 Geim 教授利用这种方法从高定向热解石墨上最早剥离出了单层石墨烯[1]。另外一种制备方法是用一种材料膨化或者引入缺陷的热解石墨进行摩擦，体相石墨的表面会产生一些絮片状的晶体，在这些絮片状的晶体中也含有单层的石墨烯[9]。 此外，还有许多其它新的机械方法出现，比如机械压力法、滚动摩擦法等。但机械法的缺点是筛选出单层的石墨烯片层比较困难，其尺寸也不易于控制，无法可靠地制造出长度足以供应用的高质量的石墨烯，而且产率较低、成本较高，无法大规模的工业化生产。 4.2 取向附生法

这种方法是在单晶衬底上生长出一层与衬底晶向相同的单晶层。其中，采用最多的是气相外延工艺法。近年来,利用这种方法可以成功地制备出高定向的石墨烯[10]。具体过程是：先让碳原子在温度达到 1150℃的环境下渗入到钌基质中，然后将其冷却至850℃后,之前所吸收的大量碳原子就会浮到钌基质的表面，于是镜片形状的单层的碳原子“孤岛”会布满整个钌基质的表面，最终它们可生长成一层完整的石墨烯。第一层覆盖约 80％以后，第二层便开始生长。底层的石墨烯会与钌基质产生强烈的交互作用，

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而第二层之后就几乎与钌基质完全分离，只剩下了弱电耦合效应，因此可以得到单层的石墨烯。但采用这种方法制备出的石墨烯片层厚度往往不够均匀，而且石墨烯和基质之间的黏合效应也会影响碳层的性质。另外采用这种方法制备石墨烯时所使用的基质钌是一种稀有金属，对石墨烯的大规模生产制备会有所限制，并且成本较高。4.3 加热 SiC 法

这种方法是通过加热单晶 6H-SiC脱去 Si[11-15]，在单晶(0001) 面上分解出石墨烯单层。具体步骤是：先通过氢气或者氧气刻蚀处理样品，然后将所得到的样品在高真空(1.33* 10-8Pa)下通过电子轰击加热到 1000℃，用来除去其表面的氧化物。利用俄歇电子能谱确定样品的表面氧化物完全被移除后，再将样品加热至 1250-1450℃后恒温 10-20min，便可以形成极薄的石墨层，使用这种方法可以可控制地制备出单层[16]或者多层[17]石墨烯。由于石墨烯表面的电子性质受 SiC衬底的影响很大. 与机械法得到的石墨烯相比, 加热 SiC 法制备出的石墨烯可以表现出比较高的载流子迁移率, 但是却无法观测到量子霍尔效应。另外，通过对原料 SiC 的裂解温度、速率以及环境的控制，可以对石墨烯的结构和尺寸进行调控，但是制备出的样品的均匀性仍有待验证，而且由于样品的厚度由加热温度决定，制备出大面积的具有单一厚度的均匀的单层石墨烯片层仍然比较困难。4.4 氧化还原法

主要包括 Hummers[18]Brodie[19]和 Staudenmaier[20]三种方法, 一般是通过最常用并且比较安全的 Hummers 法进行制备石墨烯。具体方法是：以石墨粉为原料,将天然石墨与强酸和强氧化物反应生成氧化石墨，经过超声分散制备出单层的氧化石墨（氧化石墨烯），然后加入还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团，如羧基，环氧基和羟基等，由于单层氧化石墨是电绝缘的，因此还需要进行退火处理使其恢复导电性，最后得到石墨烯。这种方法制备石墨烯的缺点是：经过强氧化剂氧化后的石墨并不一定能够完全被还原，还原后的产物大部分都会折叠成团聚物，并且可能会残留部分环氧化物集团，同时也会导致石墨烯的一些物理和化学性质的损失，尤其是石墨烯的导电性。但是这种方法的制备过程比较简单并且成本较低，可以大量的生产石墨烯，同时还可以制备出石墨烯的衍生物，从而扩大了石墨烯的应用范围。4.5 化学气相沉积法

这种方法的具体过程是：将平面基底(如金属薄膜、金属单晶等，已可成功用于Ru(0001)[21], Pt(111)[22], Ir(111)[23]等多种金属基底表面制备石墨烯)置于高温且可分解的前驱体气氛(如甲烷、乙烯等)中, 通过高温退火处理使碳原子沉积在基底表面形成石墨烯片层, 然后用化学腐蚀法去除金属基底，便可以得到独立的石墨烯片层。通过选择基底类型、生长温度、前驱体流量等参数可调节控制石墨烯的生长速率、厚度、面积等。目前，利用这种方法已经可以制备出面积达平方厘米级单位的单层石墨烯或多层石墨烯[24]。4.6 其他方法

石墨烯的制备方法除了上面介绍的几种常用的方法外，还有电化学方法（25）、电弧法（26）、有机合成法（27）、热膨胀剥离法（28）等。5. 石墨烯的表征方法

石墨烯的表征方法主要包括采用光学显微镜(OM)、 拉曼光谱（Raman）、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、 X射线衍射(XRD)、原子力显微镜 (AFM)等进行观测。利用这些表征方法，可以帮助我们观测到石墨烯的层数、片层尺寸、合成过程、形貌等信息。

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通过前两种方法，我们可以高效无破坏地辨识出石墨烯的层数和片层尺寸，通过后三种方法，我们可以更直观具体地了解石墨烯的合成过程和形貌。 5.1 光学显微镜（OM）

将单层石墨烯附着在表面有一定厚度（约 300nm）的 SiO2层的 Si晶片衬底上，即可以在光学显微镜下观测到该样品的层数和片层形状。这主要是因为单层石墨烯、Si晶片衬底、空气对光的折射率均不同，于是会产生干涉现象，并且由于石墨烯的层数不同，明暗条纹会显示出不同的深浅颜色，根据不同的深浅颜色就可以大体判定出石墨烯的层数和片层形状。5.2 拉曼光谱（Raman） 由于拉曼光谱的形状、宽度和位置与其测试的物体层数有关，因此拉曼光谱为判断石墨烯的层数提供了一个高效率并且无损坏的表征方法。

石墨烯和石墨本体都在 1580cm -1( G 峰) 和 2700cm-1 (2D 峰) 2 个位置有比较明显的散射峰，因此我们可以由这两个峰值来判定石墨烯的层数。以附着在 Si晶片衬底上的样品的拉曼光谱为例，相比石墨本体，石墨烯 2D 峰的强度大于 G 峰强度，并且不同层数的石墨烯的 2D 峰位置会略有移动；当层数为 1-4层时，2D 峰和 G 峰的强度比与层数呈线性关系，由此我们可以判定石墨烯的层数[29]。其次，经洛伦兹拟合后，石墨烯的 2D 峰是单峰，而石墨本体的 2D 峰则会分裂为几个次峰，这也是石墨本体与石墨烯的区别方法之一。另外，样品的拉曼谱线也会随衬底材料和样品温度的不同而发生变化。5.3 高分辨透射电子显微镜（HRTEM）

在高分辨透射电子显微镜下，可以清楚地观察到石墨烯呈现出半透明的轻纱片状结构[30]，由此可以大致估算出石墨烯的层数和片层尺寸。高分辨透射电子显微镜的使用为石墨烯的表征提供了一个简单快速的表征方法。5.4 X 射线衍射(XRD)

利用 X射线衍射可观察到石墨烯的合成过程, 从而对每一步反应进行监控，便于了解其内部晶格结构。5.5 原子力显微镜（AFM）

利用原子力显微镜可以清晰的反映出石墨烯片层的尺寸、厚度以及形貌，因此成为了表征石墨烯片层结构的最有力、最直接、最有效的方法之一。6．石墨烯的应用

地球上很容易找到石墨原料，再通过各种制备方法便可以得到石墨烯，石墨烯在物理学、化学、信息、能源以及器件制造等方面，都有巨大的应用前景。

石墨烯最明显的应用之一是成为硅的替代品。由于散热原因，硅基的微计算机处理器在室温下每秒钟只能执行有限数量的操作，从而大大限制了其工作速度。然而在石墨烯中电子的运动几乎不受任何阻力，因此产热量极小，而且石墨烯良好的导热性质 [6]也使得它可以快速散热，从而可以大幅度的提高工作速度。目前硅器件的运行速度已达到GHZ范围，而石墨烯器件制成的计算机运行速度可达到 THz，因此这种材料可用于高效的 THz 的晶体管或纳米量级的微电路板的制造，用来生产未来的超级计算机。

石墨烯还可以用来制造超级电容器的导电板[31]，由于石墨烯具有非常大的比表面积[5]，而且不像多孔碳材料电极那样需要依赖孔的分布，这些结构和性质的优势都使得它成为了最有潜力的电极材料，据研究者介绍，用石墨烯做成的超级电容器会具有较一般材料大得多的能量存储密度。同时，石墨烯以其独特的物理、化学和机械性能也为复合材料的开发提供了原动力，

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一些研究者正在试图将石墨烯作为塑料的填充物来研究一些合成材料，作为混凝土材料的填充物以加强韧度。石墨烯较高的导电性和透光性也可以被用于制造透明电极、液晶显示、触摸屏、有机光伏电池以及 OLED 等[32,33]。此外，石墨烯用来做传感器也是很重要的产业方向之一。 不同于一般材料，石墨烯的

整个体积都暴露在空气中，所有原子都在其表层上，这一特性使得它可以很有效地探测吸附分子[34]，信号的灵敏度相比于一般的材料可以提高几个数量级以上。并且由于碳原子的键长是自然界最短的键长，结构非常稳定，因此，石墨烯可能成为化学和生物传感中非常有前景的材料。

目前，石墨烯是人类历史上已知的强度最高、尺寸最薄并且结构最稳定的材料，这使得它不仅可以用于制造出纸片般薄的超轻型飞行器和无比坚韧的防弹衣，甚至有人设想用石墨烯制造“太空电梯”缆线。研究人员称，制造出一根从地面连向太空卫星、长达 23000英里并且足够强韧稳定的缆线是实现“太空电梯”的关键环节，经过美国研究人员证实，石墨烯凭借其独特的结构和优异的性质完全适合用于制造这种“太空电梯”的缆线。7． 总结与展望

石墨烯是当前物理与材料科学中一颗迅速上升的新星，成为了继富勒烯和碳纳米管之后的又一个里程碑式的新材料。短短几年间，石墨烯的优异性能逐渐被挖掘和开发出来，带给了人们无限的惊喜。目前对石墨烯的性能应用研究主要集中在电学性能，在高导热性和高强度等方面还有很诱人的前景。在研究石墨烯的过程中，我们也可以扩大研究领域，挖掘出石墨烯的衍生物等。同时，如何改进石墨烯的制备方法使其大规模高质量地生产也是我们面临的挑战之一。现在，Geim 教授已经把壁虎课题放在一边而重点研究这个被认为是当前物理与材料科学中最热门的材料——石墨烯，2007 年，Geim在接受美国《科学》杂志采访时表示，“研究石墨烯，每年都可以获得一个新的成果，一个新的研究子领域会带来一个新的火花。我要在这个领域投入更多的成本。”哈佛大学教授 Bob Westervelt 评论道，“石墨烯是一种令人兴奋的新材料，具有非同寻常的属性。未来会十分有趣。” 诺贝尔奖评审委员会认为，石墨烯可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域，同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破。

参考文献[1] Novoselov KS，Geim AK, Morozov SV, et al. Electric field effect in atomically thin carbon films [J]. Science, 2004, 306: 666-669.[2] Geim AK, Novoselov KS. The rise of graphene [J]. Nature, 2007, 6: 183-191.[3] Meyer JC, Geim AK, Katsnelson MI, Novoselov KS, Booth TJ, Roth S. The structure of suspended grapheme sheets [J]. Nature, 2007, 446: 60-63[4] Zhang YB, Tan YW, Stormer HL, et al. Experimental observation of the quantum H all effect and Berry’s phase in grapheme [J]. Nature, 2005, 438: 201-204.[5] Chae HK, Siberio- Perez DY, Kim J, et al. A route to high surface area , porosity and inclusion of large molecules in crystals [J]. Nature, 2004, 427: 523- 527[6] Hirata M, Gotou T, Horiuchi S, et al. Thin-film particles of graphite oxide

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哈佛大学物理教育状况研究张立彬 1，郑先明 2，李广平 2

（1.南开大学外国教材中心，天津，300071；2.南开大学应用物理学院，天津，300071） 摘要：通过对哈佛大学物理教育理念、专业设置、课程体系、教材选用情况和教学方式的分析与研究，认为本文可为中国大学的物理教育改革提供一些科学的参考和启示。在我国物理学高等教育改革方面，建议应注意崇尚学术自由、营造严谨治学的学术氛围、通识教育与专业教育相结合、注重实践学习、制定独具特色的物理教学模式等。

关键词：哈佛大学；物理教育理念；课程体系；物理教材；教学方法；启示中图分类号： ；文献标识码： A ；文章编号：100382

哈佛大学（Harvard University）成立于 1636 年，是全美最古老的大学之一，先有哈佛，而后有美利坚。如今的哈佛大学是群英荟萃、人才辈出的第一流著名学府，对美国社会的经济、政治、文化、科学和高等教育都产生了重大影响，对世界科学研究做出了突出的贡献，是全球排名第一的综合性大学，其校徽和校训的文字，昭示了哈佛大学立校兴学“求是崇真”的宗旨。[1]

本文试图通过对哈佛大学物理教育理念、专业设置、课程体系、教材选用情况和教学方式的分析研究，探索其培养创新型杰出人才的方式、方法与模式规律，对中国大学的物理教育改革提供一些科学的参考和启示。1、哈佛大学物理教育理念

科学的教育理念是一种“远见卓识”，它能正确地反映教育的本质和时代的特征，科学地指明教育前进的方向。由哈佛学院时代沿用至今的哈佛大学校徽上用拉丁文写着Verities 字样，意为“真理”，追求真理作为哈佛校训，既是衡量和判断学校教育发展方向的重要尺度，也是哈佛大学的核心教育理念。随着社会的不断发展，哈佛大学也将遇到新的问题，面临新的挑战。[2]在始终坚持学术性的基础上，哈佛大学不断更新自身的办学理念，使大学不仅适应时代的要求，而且引领社会的发展，从而保持了生机与活力。[3]独立思想是哈佛大学教育教学的第一原则。严格的学术规范又是独立思想得以科学论

证的重要保证。在物理科学领域，只有拥有追求科学的独立学术思想，养成严谨的学风，50

才算是具备了做科学研究的基本素质，从而为进一步的深入研究和创造发明奠定坚实的学术基础。哈佛大学的环境不只允许、而且鼓励人们从自己的特立独行中寻求乐趣，相应地，教学也从以知识传授为基础转变为教师指导下的学生自我教育。哈佛教授也自觉地把独立思想原则落实到教学的每一个具体环节，他们创造了平等、轻松和无拘无束的课堂气氛以最大限度地激发学生独立创造和思想探索的积极性。学生花在课堂之外的时间更多的是他们独立探寻未知的事物。

学术自由是哈佛大学人才培养和科学研究的重要前提。哈佛大学具有严格的学术规范，同时又为学子提供了一个自由的、丰富的、不拘一格的学术环境。引入学术自由精神的哈佛原校长艾略特曾指出：“（一位哈佛教授）在他的领域内是主人他既可以采用一种纯粹的讲座

收稿日期：2010-08-06 ；修回日期：2010-08-27 本文系教育部 2009 年度研究项目“中美一流大学物理教育比较研究”的阶段性成果之一。[作者简介]张立彬（1964—），男，河北石家庄人，教育部南开大学外国教材中心副教授，现主要从事信息文化、信息技术与物理学外国教材研究。方法,也可以要求学生翻译、‘背诵’或回答问题。他既可以严格课堂纪律,他既可以培养学生与社会广泛联系,也可以不讲课堂以外的任何东西。因为他的学生中有不同的观点和背景—宗教的、政治的和社会的—所以,他将自然而然的给予其他人享受的同样的自由。”学生有选择学习的自由,有拒绝参加礼拜的自由,有平等地竞争学期奖学金的自由,有选择自己朋友的自由。哈佛大学各系的界限并不是俨然不可分的，物理系的学生还可以从事音乐创作与表演，可以参加戏剧团排演等。其实行的选课制和学分制正是基于学术自由的理念。通识教育是哈佛大学的一大教学特色，为培养优秀杰出人才打下了基础。通识教育使

学生受到广博的教育，其目的在于使学生学会使用抽象的概念或学过的知识在各种领域理解、解决具体问题，在不同领域给学生某些练习实践的机会，使学生更好地界定和理解他们自己在当今世界的经验。哈佛大学通识教育有着悠久的历史,历经艾略特、洛厄尔、科南特和罗索夫斯基的不断发展,为了与社会、知识、文化发展相协调也在不断改革。历史上哈佛大学物通识教育总共经历的五次改革，最近一次改革在 2007 年 5 月，是对哈佛 30 多年来本科通识教育第一次彻底的修正。[4]学生必须学会质疑,学会反思,学会批判地、分析地思考,学会有效处理不同的历史瞬间和文化形式是此次改革的根本目标。

一流的师资力量是人才培养、科研进步的保证。哈佛大学非常重视教师质量，其师资队伍可以说是世界上最好的。[5]以学术为导向的聘用制度，始终保证哈佛大学教授的一流水平。本科教学全部由教授承担，要求有成就的资深教授、诺贝尔奖金获得者及优秀青年教授讲授核心课与专业课。哈佛大学原校长科南特就曾提出过“大学者，大师荟萃之地也。如果学校终身教授是世界上最著名的，那么这所大学必然是最优秀的大学。”

以人为本的教育教学宗旨。在很早的时候，哈佛大学就制定了以人为本的教育教学宗旨，建立了平等的师生关系，以社会发展需要和追求个人特性为依据确定培养目标。在物理学中强调学术和科研工作重要性的同时，重视多样化的优秀教学和个性思维的发展，培养学生思考问题、分析问题、解决问题的能力，鼓励且支持学生将自己独特的科研思想与见解研究发展下去，走出一条自己科学研究的道路。2、哈佛大学物理研究机构和物理专业情况

哈佛大学物理系是哈佛比较大的一个系，有十八个专业方向共 96门课程。出现过 10

51

位诺贝尔奖得主。[6]他们是 Percy W.Bridgman（珀西·布里奇曼，1946，发明高压产生仪及 其 对 高压物 理领域的贡献） 、Edward Mills Purcell （爱德华 ·米尔斯 ·珀塞尔 ，1952，对核磁场精密测量的研究）、Julian Schwinger（朱利安·施温格，1965，在量子电动力学基础研究做出杰出贡献）、 John Hasbrouck van Vleck（约翰 ·凡 ·弗莱克，1977，对磁性和无序系统电子结构基础理论研究做出贡献）、Sheldon L.Glashow and Steven Weinberg（谢尔登·格拉肖和史蒂芬·温伯格，1979，对基本粒子间统一弱电磁相互作用理论研究的贡献）、Nicolaas Bloembergen（尼古拉斯·布洛姆伯根，1981，对激光光谱学发展的贡献）、Carlo Rubbia（卡洛·鲁比亚，1984，对 W 和 Z玻色子的发现做出决定性的贡献）、Norman F. Ramsey（诺曼·拉姆齐楼，1989，发明分离振荡方法及其在氢脉泽和其他原子钟的应用）、Roy J. Glauber（罗伊·格劳伯，2005，对光学相干的量子理论的贡献）。

哈佛大学建立了多个物理研究中心，具体有：超冷原子研究中心（CUA）[7]；纳米材料研究中心（CNS）[8]；哈佛大学史密森天体物理中心（CFA）[9]；原子、分子和光学物理理论研究所（ITAMP）[10]；粒子物理和宇宙学实验室（LPPC）[11]；材料科学与工程研究中心（MRSEC）[12]；纳米科学与工程研究中心（NSEC）[13]；罗兰研究所 [14]。

哈佛大学十八个专业方向分别为天体物理学和天文学；原子、分子和光学物理实验；原子、分子和光学物理理论；生物物理学实验；生物物理学理论；计算物理学；凝聚态物理学实验；凝聚态物理学理论；环境建模和风险评估；高能物理实验；高能物理学理论；超弦理论；高压物理实验；物理学历史；低压物理实验；数学物理学；介观物理学实验；介观物理学理论；核物理学。

纳米科学、粒子物理学以及天体物理学是哈佛物理学中的强势学科，在校内建立了多个相关的物理实验室和研究中心。其中宇宙学和粒子物理最为突出。哈佛大学的宇宙学和粒子物理实验室引领前沿的粒子物理和宇宙学观测实验研究，并为研究生和本科生提供教育研究，以及为博士后提供的 ATSAS 实验研究。实验室下又分出好几个领域的研究小组，如ATSAS Group、Dark Energy Group、CDF Group、Dark Matter Group、Neutrino Group 等等。3、哈佛大学物理课程设置情况

哈佛大学全日制本科生的培养任务由哈佛学院（拉德克利夫学院于 1999 年 10 月开始由本科教学机构改为研究机构）承担，共设有 46 个专业领域。哈佛学院通常要求本科生在一年级结束时选择专业。选专业时学院指定一位教员进行指导。学生也可以将两个专业的课整合为一个联合培养的专业，或自我设计自己的专业提请教授委员会批准。哈佛大学的课程按“全课程”（ full-courses,从秋季学期持续至春季学期的课程）或“半课程”（half-courses，即秋季或春季学期课程）来计算的。不同专业的学生人数差别很大，大的专业有五六百人，小的专业只有十几个学生；不同专业要求学生学习的课程数量也不同一般来说，本科生必须修满 16 门“全课程”（相当于 32 门学期课程）并至少取得及格成绩才能毕业。[15]

在课程设置的内容上，主要表现出“宽基础、综合化、重实践”的特征，通识教育与专业教育相平衡。本科生所修的全部课程（约 32门学期课程）中，一般的课程（16门左右的学期课程）为专业课，1门（学期）课程是大一新生必修的“说明文写作”(Expository Writing)课，8门课程为必修的“核心课程”(Core Curriculum)[16]，要求学生从八个学科领域中的每个领域选择一个用字母表示成绩等级(one letter-graded)的半课程。其余约 8门的课程可以根据自己的学术兴趣任意选修。

52

哈佛大学物理系本科生的主修课程包括：力学导论和狭义相对论；电磁学导论；波动现象；力学；电磁学；力学与狭义相对论；现代科技中的凝聚态物理；探索物理实验；量子电子学和现代光学；统计力学和热力学；现代实验；固体物理导论；当代研究课题等等必修学分 11至 16 half courses。选择主修是非常重要的决定，需询问及搜集各项资料，方能做出适合自己的判断。所以学校顾问(Advisers)扮演相当重要的角色，提供多元的协助，帮助学生做出决定。每个学生在第一年下学期必须与顾问作深入讨论，且此讨论须留下书面资料。顾问计划办公室(Advising Programs Office)也会为新生举办认识各个主修领域的各项活动，以协助同学了解。当同学确定主修后，须与主修单位的课程代表讨论主修习期计划，此学习计划须在大二上学期 12 月第一个星期一前缴交，此方能完成选择主修程序。完成选择主修程序并缴交学习计划后，仍可填写变更主修申请单(Change of Field of Concentration form) 进 行 更 动 。 哈 佛 亦 提 供 不 同 形 式 的 学 位（ multipletracks ） ，如同学可以 选择进阶的荣誉资格学位（ Honors-eligible programs），不同于基础学位，必须撰写论文或修习进阶课程。4、哈佛大学物理专业教材选用情况

哈佛大学物理教学一般是选择经典的物理教科书作为教材。大多数教科书都是出自世界一流大学或知名出版社，如哈佛大学出版社、剑桥出版社、普林斯顿大学出版社和Springer 出版社等等。表 1列出了哈佛大学部分物理课程、课程代码、教材及参考书选用情况。[17]

表 1：哈佛大学部分物理课程、课程代码、教材及参考书选用情况课程名称 课程

代号 教科书 参考书

流体力学与扩散学 6053 《科学与工程物理学》(第四版)

《向量和运动》；《运动与动量》；

《力与动量》；《能量》；《粘性运动与

布朗运动》

入门力学和狭义相对论 1984 《经典力学导论》 David Morin.

《大学物理》11版 Young&

Freedman； 《经典力学导论》

（疑难解答）波动学 8676 《物理现象中的振动与波》第三版或更

高《物理中的振动与波》第四版或更

53

高；《波动学》 ；《振动与波》；《波

动物理》

力学 2068 《经典力学》T. Kibble.

《经典力学中的理论方

法》V.Arnold； 《力学原理》

G.Gallavotti； 《经典力学》H.

Goldstein, C.

Poole, and J.

Safko；《经典力

学》R.Douglas

Gregory；《力学科

学》E.Mach；《力学导论》D.

Morin, 等等

当代科技与凝聚态物理 4654《固体物理》N. Ashcroft and D.

Mermin.

《固体物理学》N.

Ashcroft and D.

Mermin；《纳电子学与信息科学》R. Waser.

粒子物理学 5431 《粒子物理》, Abraham Seiden,

Pearson 出版社, 2005；《粒子物理中的测量理论》, 第三版第二卷, I. J. R. Aitchison and A. J. G.

Hey, Taylor and Francis,

《弱相互作用中的测量理论》, 第二版 W. Greiner and

B. Müller,

Springer,出

54

2003/2004；《夸克与轻子》, F. Halzen and A. D.

Martin, Wiley 出版社 1984；《测量理论与现代物理导论》 E. Leader

and E. Predazzi, 剑桥大学出版社,

1996.

版，1996；《轻子与夸克的弱相互作用》, E.

Commins and P.

Buchsbaum, 剑桥大学出版社,1983；

《强弱电磁交互作用理论》, C.

Quigg,

Westview 出版,1983.

粒子场论 I 8050

《量子场论导论》,M. Peskin and D.

Schroeder, Addison-Wesley 出版社, 1995.

《量子场理论》S.Weinberg

；《量子场理论》, M.

Srednecki,剑桥大学出版社,2007；《量子场势阱》,

Clarendon,

1986.

统计物理学 1157《统计力学》，R. K.

Parthria，Elsevier 出版社.

《统计物理》 E. M.

Lifshitz and L. P.

Pitaevskii,培格曼出版社；

《粒子统计物理》 Mehran Kardar,

剑桥大学出版社弦理论导论 2012 《弦理论》，Joseph Polchinski, 剑桥 《弦理论与 M 理

55

大学出版社，1998；《超弦理论》第一卷M. B. Green, J.H.

Schwarz and E. Witten，剑桥大学出版社，1987.

论》，Katrin

Becker, Melanie

Becker, and John

Schwarz, 剑桥大学出版

社，2007)；《坚硬外壳内的弦

理论》,Elias

Kiritsis, 普林斯顿大学出版社，

2007；《弦理论中的第一课程》Barton

Zwiebach,剑桥大学出版社，2004.

…… …… …… ……

注表 1：上述数据资料主要根据哈佛大学校园网上的资料收集整理而成。物理专业类教科书通常具有内容全面、重点突出，清晰的物理插图说明、图表众多，数

学计算与推导过程详细，紧密联系最新科研进展，详细的参考文献等特点。非物理专业理工科类教科书通常具有内容广泛丰富，语言生动易懂，用通俗的方式讲解基本物理原理，由浅入深等特点。5、哈佛独特的物理教学方式

哈佛大学的物理教育经过不断的探索研究与教学改革，建立了属于自己的独特的教学方式。

5.1 案例教学。妙在引发思索，集思广益，考虑的方法不同，得出的结论也不一样。如一个经典的物理案例—“雨中行走，如何使淋雨量最少？”。通过建立模型分析，不同的模型得出的结果也可能不同。“答案不是唯一的”—这是案例教学的最大特点。该案例哈佛大学至今已有 5-6种不同模型的分析方法，考虑了风向、雨速、人体形状（面积）等众多因素，得出的结论不尽相同。通常来说，若你发现雨是从你前方打来的，那么跑得越快越好若雨是从后方或侧后方打来的，且速度较小，那么奔跑时也是越快越好；若雨是从后方或侧后方打来的，且速度较大，以致人站在雨中时，后背淋到的雨比身体其它部分还要多，那么奔跑时应使后背恰好不淋雨为最好。案例教学也可以看做是一种趣味教学，能够有效的调动学生思考积极性，引发学生的创新意识，广泛应用于各种教学领域。

5.2 运用互动讨论法教学。大胆为学生创造参与实践的机会，尽可能地将所有课程的

56

教学以互动的形式展开，使学生有机会与授课的教师以及同学就所学的东西展开讨论，且教学内容和方法紧密联系实际（Closeness to Practice）。哈佛大学著名物理教授 Eric Mazur（埃里克·马祖尔）发明了可以实现大班互动教学的方法（peer Introduction），其实际操作步骤也非常简单。[18]他曾经在大班课堂上提过这样一个问题，“给带孔的金属板加热后，请问孔的直径变大还是变小？”然后让每个学生通过手中的反馈器（一种小型教学互动仪器，上面有 ABCD 等各种选择按钮）选择答案并记录下来。第一步，让每个学生独立思考并选择答案，结果约有 31%的学生选对；第二步，让相邻同学相互讨论后选择答案，选对率为 42%；第三步，Mazur 教授亲自对问题进行讲解并和同学们相互讨论。学生就在这种讲述和相互讨论中进一步加深对问题的理解，课堂氛围非常活跃。这种教学方法不仅要求学生具有深厚的背景知识和扎实的功底之外，还必须有敏锐的反应和洞察能力。哈佛教师为学生设计课程，开设讲座，组织研讨，就学生的研究题目提出建议，为学生的实验方案或研究论文提供咨询，引导学生开展正式或非正式的讨论，把教学的重点通常放在培养学生的独立思考能力和分析问题、解决问题的能力上。

5.3 采用教研结合教学体系。哈佛大学物理系一直致利于教研结合，而世界上著名的高等学府，都既是教学中心，又是科研中心。事实表明，教师水平再高，也需不断进修。哈佛的教授们都有科研任务，高年级学生或成绩优异者也在学习的同时，允许从事一定的科研工作。给予学生一种学习的方式和解决问题的方法，把学生看作是处于实习阶段的学者和研究者，和教师一样要主动参与探索未知的事物或者检验现有的假设和解释。学院建立了完善的奖励制度，同时为实践学习大力配备优秀的师资力量及硬件设备，在校内建立了多个实验室和研究中心，给有志于物理科学研究工作的学生一个良好的科研环境和交流平台。

5.4 教师独立教学。哈佛大学物理教师通常都是自由选择教材，独立完成整个课堂教学，不考虑其他教师和其他学校的做法。在美国，讲授是不受鼓励的。一个好教师是能在课堂上最好地调动学生积极性、使学生参与学习活动的教师，有时教师故意说错话以便让学生纠正，培养学生的独立思考能力。哈佛教师注重演示和动手操作，倾向于在科学教学中使用归纳推理方法。他们引导学生从观察具体的经验事实开始，逐步逼近概念和理论。在教学过程中，利用日常生活中的实例，发展学生独立思考的能力，并要求学生参加动手操作活动，有些教师甚至引导学生做真正的科学实验研究。通过这种教学，学生对科学过程了解透彻，从而逐步掌握科学方法并形成科学精神。在哈佛，动手操作活动的目的是发现课本上以及课本外的理论和结果。因此，学生受到鼓励进行不同的实验，用不同的方法和材料，并得出不同的结论。6、对中国大学物理教育的启示

哈佛大学物理教育理念和独特的教学方式，对我国大学物理教育大有裨益，其启示主要有以下五点：（一）崇尚学术自由。即物理教学的重点应放在培养学生的独立思考能力、分析能力、批评能力和解决问题的能力上。我国的大学物理教育应该以学生探究活动为主线的研究型教学方法，使教学方式从单一的授受转向师生互动和同伴互学，调动学生的积极主动性，提高学生分析和解决问题的能力。（二）营造严谨治学的学术氛围。国内大学物理教育应该营造一种严谨治学、积极向上、培养创新型杰出人才的环境和氛围。我国的大学物理教育应鼓励学生对现有知识进行科学的怀疑和理性的批判，勇于提出自己的见解。鼓励教师与学生之间建立平等而密切的关系，使学生在与教师的思想交流和密切交往中发展智力，完善人格，推进学说。（三）通识教育与专业教育相结合。国内大学物理教育应该做到通识教育与专业教育相结合，知识、能力、素质全面协调发展。综合培养学生的创新意识和自学能力，达到专与博、严与活的高度和谐统一，从而实现通与专的结合。（四）注重实践

57

学习。我们知道物理学是一门以实验为基础的自然科学，它既是发展最成熟、高度定量化的精密科学，又是具有方法论性质、被人们公认为最重要的基础科学。因此在我国的大学物理教学中应尽可能多地开设有利于培养学生科学思维和创新能力的设计性、研究性和综合性实验，建设一批教学实验中心和校内外教学实习基地，以培养学生实践动手能力，鼓励并支持学生做“自己的实验”。（五）制定独具特色的物理教学模式。国内大学的物理教育可根据学校办学定位以及学校的人才培养目标，制定其独具特色的物理教学模式。如今，我们应结合国内大学实际情况，合理借鉴国外大学培养拔尖创新人才的有效教学模式，制定出属于自己的独特的物理教学模式。参考文献：[1] 哈佛大学主页，哈佛学校简介导读 http://www.news.harvard.edu/guide/[2]A Compact to Enhance Teaching and Leaning at Harvard-Harvard University Faculty of

Art and Science. Retrieved April 20,2009,fromhttp://www.tlataskforce.uconn.edu/docs/resources/

HarvardTaskForceOnTeachingAndCareerDevelopment_January2007.pdf[3]陈利民.办学理念与大学发展：哈佛大学办学理念的历史探析.中国海洋大学出版

社,2006:17-18.[4]Final Legislation for the Program in General Education-Harvard University Faculty of Art

and Science. Retrieved April 20,2009,fromhttp://isites.harvard.edu/fs/docs/icb.topic457677.files/

Harvard_FAS_Vote_Establishing_New_Program_in_General_Education.pdf[5]Morton and Phyllis Keller；史静寰、钟周和赵琳译.哈佛走向现代化：美国大学的崛起.

清华大学出版社，2007：697-698.[6]哈佛大学物理系网站 http://www.physics.harvard.edu/[7]MIT 与哈佛共建的国家重点实验室，超冷原子研究中心网站 http://cuaweb.mit.edu/[8] 哈佛大学纳米材料研究中心网站 http://www.cns.fas.harvard.edu/[9] 哈佛大学史密森天体物理研究中心网站 http://www.cfa.harvard.edu/[10]哈佛大学原子、分子和光学物理理论研究所网站 http://www.cfa.harvard.edu/itamp/[11]哈佛大学粒子物理学与宇宙学实验室网站 http://www.hepl.harvard.edu/[12]哈佛大学材料科学与工程研究中心网站 http://www.mrsec.harvard.edu/[13]哈佛大学纳米科学与工程研究中心 http://www.nsec.harvard.edu/[14]哈佛大学罗兰研究所 http://www.rowland.org/index.php[15]哈佛大学新生研讨课大纲 http://www.fas.harvard.edu/~seminars/courses.html[16]哈佛大学普通教育课程项目网站 http://isites.harvard.edu/icb/icb.do?

keyword=k37826&tabgroupid=icb.tabgroup92169[17]哈佛大学开放式网站课程，物理课程部分 http://www.registrar.fas.harvard.edu/

Courses/Physics.html[18]哈佛大学名师讲坛，埃里克·马祖尔简介 http://mazur-www.harvard.edu/

58

The research to physical education of Harvard

University

ZHANG Li-bin1, ZHENG Xian-ming2, LI Guang-ping2

(1.Foreign textbook center of Nankai University,TianJin 300071;2.Applied physics school of Nankai University ,TianJin 300071)

Abstract: From the analysis and research about the physical education concept,professional setting,course system,selection of textbooks and teaching mode of Harvard University, this paper will provide some scientific reference and enlightenment for physical education reform of Chinese university.In our Higher education reform in physics,we should advocate academic freedom,take construction of academic atmosphere, combining the general education and professional education,notice the practical learning and formulate their unique physical teaching mode etc. Key Words: Harvard University,Physical education concept,Professional setting,The course system,Physics textbooks, Teaching methods, enlightenment.

《大学物理》录用通知 张立彬 老师：

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您的论文“哈佛大学物理教育状况研究”（编号:100382）被我刊录用，请按照审稿意见和《大学物理》刊用稿要求进行修改。并请将修改好的刊用稿（WORD格式电子版）发回编辑部。若文中有插图，必须将插图再单独发一份 jpg或 tif格式的图形文件一起于 2010 年 9 月 30 日前发回编辑部邮箱。如有问题请与编辑部联系，否则视为放弃发表。

按照规定请您支付发表费 1200 元，特此通知。 致礼！

《大学物理》编辑部 2010 年 8 月 27日

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60

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麻省理工学院物理教育状况研究张立彬 1，梁启锐 2，李广平 2

（1.南开大学外国教材中心，天津，300071；2.南开大学物理科学学院，天津，300071） 摘要：通过对麻省理工学院物理教育理念、专业设置、课程体系、教材选用情况和教学方式的分析与研究，进一步明确了 MIT 物理教育的特点以及培养拔尖创新人才的模式，可对我国大学的物理教育改革提供一些科学的参考和启示.

关键词：麻省理工学院；物理教育理念；专业设置；课程体系；教材选用情况；教学方式；启示 中图分类号： ；文献标识码：A ；文章编号：100668

麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology, MIT）是美国一所综合性私立大学，有“世界理工大学之最”的美名.位于马萨诸塞州的波士顿，建校于 1861 年.从建校之初到蓬勃发展的今天，麻省理工无论是在美国乃至全世界都有非常重要的影响力培养了众多对世界产生巨大影响的人士，是全球高科技和高等研究的先驱领导大学，也是世界理工科精英的所在地.麻省理工之名蜚声海外，成为世界各地莘莘学子心向神往的科学殿堂.[1]1、MIT 的物理教育理念

麻省理工学院在全美乃至国际上享有很高的声誉，在这神圣的知识殿堂里，塑造了许许多多在世界各个领域内充满活力、敢于打拼，具有广泛而深远影响力的高、精、尖端人才.如此高的成就，除了好的师资，好的教学设备，关键还在于具有启发学生创造力、竞争力的学术氛围和独立、创新能力的教育理念.面对麻省理工在人才培养方面取得的成就，不得不让我们对其教育理念产生浓厚的兴趣，从而进一步对它的教育理念（与时俱进的教育灵魂）进行深入的剖析.麻省理工学院经历了一百多年的风风雨雨，教育理念的变迁大约经历了三个阶段. 1.1 学校初创时期的物理教育理念

19世纪初，美国开始进行了工业革命，工业革命的迅猛发展对科技人才的需求日益增

61

强，在这种背景下，备受感染的美国古典宗教学派开始成为束缚科学发展的桎梏，此时，麻省理工学院创始人罗杰斯提出创建一所超过国内任何一所大学的想法，他指出：这样一所学校不仅仅是能传授工艺技能，重要的是要为学生们将来在工业部门工作打好科学理论基础，

收稿日期：2010-08-08 ；修回日期：2010-9-12本文系教育部2009年度研究项目“中美一流大学物理教育比较研究”的阶段性成果之一.[作者简介]张立彬（1964—），男，河北石家庄人，教育部南开大学外国教材中心副教授，现主要从事信息文化、信息技术与物理学外国教材研究.社会责任；通过实践进行学习；通才教育与专业教育结合.[2]这四条原则在打破古典宗教思想束缚的同时，为美国乃至西方国家的教育提供了思想

指导和审时度势的创新思维.在这一办学理念的指导下，麻省理工学院从刚开始建校时的15 人，逐渐发展壮大，几年之间已经初具规模.而且人才培养上适应了美国当时的专业科技人才紧缺的国情，得到社会、国家的认可和赞誉.在这思想原则中，“有用价值”，“通过实践学习”，“通才教育和专业教育的结合”在麻省理工学院一直沿用、传承，被当今世界的各大高校、培训机构广泛借鉴.1.2 二战之后的物理教育理念二战结束时，MIT 已成为美国一所著名的研究型大学.但是，战争的结束，如何由军事

武器研究转型给MIT带来了全新的挑战.为了提高 MIT 的教育质量，时任MIT 副校长的吉里安受命对学校的教育方针，教学方法，培养目标和课程设置等展开调查，做了对 MIT战后发展起到划时代意义的 Lewis报告，提出了四条教育原则：教育为生活做准备；基础的价值；优秀和有限目标；教师的联合与合作.这四条原则为战后的 MIT指明了在战后高校发展所走的道路，即首先，教育是为生活做准备的！完全走出了二战时的高校科研，人才服务战争的模式，这种良好的教学理念随后被实践检验和肯定，从而也促进了美国高等教育的发展.其次就是重视基础，重视价值.虽然二战之后，科学技术飞速发展，知识的不断膨胀对课程设置带来了强大的压力，但MIT 始终坚持“更少才是更多”的原则，将教学的精力和关注度集中在精品的教学中指导课程的改革，MIT 的教育家们相信，随着信息革命的发展，大学所要做的不是向学生灌输尽可能多的知识.而是提供给学生坚实的理论基础，给学生坚实的理论基础，教会他们如何利用现有的知识去获得和应用新知识.再次，坚持优秀与有限的原则.二战后，MIT突出优秀和有限目标的原则就是突出麻省理工既有的优势，突出自身的特色，在激烈教育竞争中脱颖而出，保持其在美国高等教育体系中已有的地位.最后就是教师的联合与合作，MIT自建校以来，积极倡导致力于形成一种和谐的工作环境和一支合作的教师团队.二战期间，正是这种教师间的联合与合作保证了 MIT顺利完成联邦政府委任的一系列研究任务，形成了一支具有 MIT风格的统一的学院范围内的师资队伍.教师们在相互尊敬和他们共同合作下，保证了 MIT 教育教学和科研的高质量.[3]

62

1.3 1996 年面向 21世纪的物理教育理念在二战后的半个世纪里，MIT保持了积极的发展态势，面对社会的不断发展， 1996

年 7 月，韦斯特校长任命成立学生生活和学习专家调研工作组，对学校的教育任务及其实施情况进行全面系统地评估并公布其调查报告，在报告中专家组提出了三条新的教育原则教学，科研和校园社会三位一体的教育；强烈的愿望，好奇心即刺激；多样性的意义.在这三条原则，是对 MIT完整教育理念的深化，是面对社会不断变化的需求而努力营造一种新的教育环境的尝试，使得每个学生和教师都能保持自身的独立性，从而体现整个学校多样性.[4]

每每在社会和 MIT 的关键时期，先进，务实的教育理念的提出对 MIT 的成功发展都起到了关键作用.这种先进，务实的教育理念的提出对 MIT 的成功发展起到了关键作用.这种办学的前瞻性和教育理念的先进性是值得我国的高等院校借鉴的.三个时期教育理念的发展各有时代针对性，同时又有很强的历史延展性，这些教育原则虽然是针对特定的社会时代背景下提出的，但绝对不是权宜之计，他们不仅对当时，而且对以后MIT 的发展起到难以估量的作用，甚至时至今日也仍然在指导着MIT 的教育和科研工作，这种超前的办学精神也是值得我们学习的.2、MIT 的物理专业设置

麻省理工学院自建校一个多世纪以来，在培养人才方面，经过一百多年的努力实践，形成了麻省理工学院独具特色的优势专业、优势学科.麻省理工学院的物理学在全美乃至世界久负盛誉.从 20世纪初开始，麻省理工学院物理系就一直是重要的国家资源.在探索物质与能量的本质和宇宙动力学方面，麻省理工始终站在革命浪潮的中心.物理系教师中有三位是诺贝尔奖获得者，二十一位是美国国家科学院院士，物理学的几乎每个领域的带头人都有麻省理工的教师.科学与工程学界很多世界级的领军人物包括十位诺贝尔奖得主，都曾经在麻省理工学院的物理学课堂和实验室中学习过.麻省理工学院物理系是美国最大的物理系之一，研究项目包括粒子与核物理的理论与实验、宇宙学与天体物理学、等离子物理学、凝聚态物理的理论与实验、原子物理学和生物物理学.麻省理工学院的学生，无论是本科生还是研究生，都有机会在几乎任何领域从事尖端研究.麻省理工学院物理系的毕业生也遍布世界主要大学和学院，联邦研究实验室以及各种工业实验室工作.麻省理工的本科毕业生受到工业界和全国最具竞争力的研究生院的青睐.博士毕业生更是极受欢迎，无论是在博士后和教职工岗位上，还是在工业界都是如此.[5]

麻 省 理 工 学 院 的 物 理 学 专 业包含：天体 物 理 （ Astronomy ） 、 生 物 物 理（ Biophysics ） 、 计 算 物 理 （ Computational Physics ） 、 纳 米 技 术（ Nanotechnology ） 、哲学 （ Philosophy of Science ） 、 科 学历史（ History of Science）、科学教育（Science Teaching）等专业.天体物理专业主要包含太阳系系统，现代天体物理学和早期宇宙等研究方向，该专业

的实验教学主要着眼于掌握对天体的光学观测技术.生物物理专业包含了遗传学，生物化学，

63

生物物理学等研究方向，该专业的实验教学主要着眼于掌握一些生物类的入门实验技术.计算物理学的研究方向主要包含了计算机程序的结构与解释，数据分析，计算科学中的数学方法等研究方向，该专业实验教学主要掌握学院规定的物理教学实验.纳米技术专业的主要研究方向包含了固体物理，微电子处理技术，亚微米和纳米技术等研究方向，其实验教学主要是与贝尔实验室进行合作教学.哲学专业的研究方向主要包含了量子物理，量子力学，物理学中的哲学问题等研究方向，其实验教学主要是完成学院规定的物理教学实验.科学历史专业主要的研究方向有早期的宇宙，现代科学的产生，实验的演变历史等，其实验教学同样是完成学院规定的物理教学实验.科学教育专业主要包含物理教学，科学与数学的教与学的入门研究，其实验教学也是按照学院规定的物理教学实验.[6]这些专业的设置，打破了传统物理学的专业分类，体现了麻省理工学院的特色.这些独

具特色的专业的设置体现了 MIT 的有用价值，坚持基础教育，发挥优势专业的原则，虽然学科设置上没有特别之处，但是其物理学教育，物理学方面取得了全美乃至全世界举世瞩目的成就，除了强有力的师资，强有力的生源，与时俱进的办学理念，归根到底就是 MIT对于教育理念不懈坚持，因而潜移默化中，形成了 MIT 的特色，成为启发学生创造力、竞争力，培养充满活力、敢于打拼，具有广泛而深远影响力的高、精、尖人才的摇篮.3、MIT 的物理课程体系历经百年的探索与发展，今天的麻省理工学院已经形成了一个比较完善和科学的课程

体系.在当今这种知识爆炸的时代，不可能培养出精通所有学科的人才，MIT在课程设置上将通识教育提高到重要位置上来，主张教育不应该是狭隘的技术培养，而是应该提供一个平衡的教育.在MIT课程设置上，体现专业教育与通识教育相结合的特点，因此在课程设置上形成了课程内容紧跟科技动态和社会发展，多层次，相互交叉的跨学科课程.3.1 MIT 的通识教育

在MIT 的课程设置上，学科分布非常齐全，采取了通识教育与专业教育相结合的培养模式.其通识教育涵盖了人文、社会、自然科学的内容.MIT 的本科生要获得学士学位，必须完成 17门学院通识课程和自己专业规定的 180-193 个学分的必修课程.另外，8 个学分的体育课也是不可缺少的.见表一：MIT 本科生选课标准.

学院通识教育课程 必须完成的课程门数或学分

自然科学课程 6门（1门生物，1门化学，2门物理，2门微积分）

人文、艺术和社会科学课程 8门（包含 2门交流强化必修课）

实验课程 1-2门

64

限选课程 2门

总计 17门 200 学分

体育课程 8 分（必须通过游泳测试）

专业课程 180-192 学分（由各专业规定，包括 2门交流强化课）

表一：MIT 本科生选课标准.[7][8]

从以上课程可以看到，MIT 的通识课程的设置，既保证了学生在探索自然科学领域方面建立良好的基础知识构架和必要前提，又为学生对人文科学知识的广泛涉猎提供了条件.而在知识学习之余，不忘记对学生身体素质的重视和培养.这样全面发展的通识教育，为培养高素质的拔尖创新人才提供了全面、优秀的人才资源保障.3.2 MIT 的物理学课程设置

MIT 物理系为学生们设计的学习课程， 符合学院的总体要求，时时反映MIT 总体的教育理念和培育英才的宗旨.对于物理系的学生，除了上述提到的通识课程和必修课程，在多学科、多方位知识构架下，MIT坚持“更少就是更多”的原则，专注于基础学科，开设的特色物理基础课程有物理Ⅲ（科学技术限选课），微分方程（科学技术限选课），狭义相对论与经典力学, 经典力学Ⅱ，量子物理Ⅰ，统计物理Ⅰ，量子物理Ⅱ，量子物理Ⅲ，实验物理Ⅰ，实验物理Ⅱ，毕业论文等.

正是在紧抓基础学科，让基础学科建设更加集中、深入.麻省理工学院在物理教学上脱颖而出，其物理学相关教学资料、教学模式、教学方法多被全世界争相借鉴，收到全世界各大高校的盛赞.这样新颖的课程教育模式，是对 MIT 的教育理念做了深入、有力的诠释.4、MIT 的教材选用情况在教材选取方面，MIT 始终坚持自己的教学理念，在体现通识教育与专业教育相结合

的基础上，选取了世界公认的经典物理学教材，这些教材大多出自世界一流的大学或出版社，如剑桥大学出版社，Springer 等知名出版社，下表中列举出来MIT在物理学专业教育方面所选取的教材及相关的参考书等信息.见表二，MIT 的部分物理课程、课程代码、教材和参考书情况.

课程 课程代码 教科书 参考书

65

物理Ⅰ 8.01《大学物理》第十二

版，Young and Friedman.

《物理》卷一，第二版，Ohanian. Hans C,

1989；《工程科学物理》卷一，第三版

Ohanian.Hans C, and

John.T.Markert， 纽约，2007.

物理Ⅱ 8.02《工程科学物理》第二版

Giancoli. D. C.

《学习指导和学生用书》 Prentice Hall 出版；

《工程科学物理》 第五版 Serway

and Beichner.

量子物理 Ⅰ 8.04 《量子物理》 Eisberg and

Shankar《量子力学导论》Dirac.

量子物理 Ⅱ 8.05

《量子力学导论》第二版Griffiths.David J, Pearson

Prentice Hall 出版，2005.

《量子力学基础》Ohanian.

Hans, Prentice Hall 出版，1989；

《量子力学基础》第二版， Shankar，Ramamurti， New

York, Plenum 出版, 1994.

量子物理Ⅲ 8.06

《量子力学导论》第二版Griffiths.David J, Pearson

Prentice Hall 出版 2005；《量子力学》2卷Cohen-

Tannoudji and Claude,

New York, Wiley 出版 1977.

《现代量子力学》Sakurai.J. J,

Addison-Wesley 出版，1994；

《量子力学基础》第二版Shankar and Ramamurti,

New York, NY: Plenum Press,

1994.

电磁学 Ⅱ 8.07 《电磁学入门》第三版，Griffiths.David J,

Upper Saddle

《物理学》第二卷Halliday， Resnick，and Krane, New

York, John Wiley 出版, 2002；

66

River,Prentice Hall 出版,

1999.

《物理学》第二卷 Feynman. R.

P, Addison-Wesley 出版,

1970.

经典力学Ⅱ 8.09

《力学》第三版 Florian， Scheck, New York, NY:

Springer Verlag, 1999.

《系统的经典动力学》Marion. J,

and S. Thornton, Fort

Worth, Saunders College 出版, 1995；

《力学》第三版 Landau.L. D

and E. M. Lifshitz，New

York, Pergamon Press 出版,

1976.

实验物理学Ⅰ 8.13

可从实验室网站下载的资料P. R. Bevington and D. K.

Robinson，《物理中的数据处理与错误修正》McGraw-

Hill，2003.

《现代物理实验》Adrian

Melissinos, Academic Press,

1966 and 2003； 《物理实验艺术》John Wiley,

1991.

实验物理学Ⅱ 8.14

可从实验室网站下载的资料P. R. Bevington and D. K.

Robinson,《物理中的数据处理与错误修正》McGraw-

Hill，2003.

《实验物理艺术》Melissinos,

Adrian；《现代物理实验》Preston, Daryl and Eric

Dietz；《错误分析处理》 Taylor,

John.

狭义相对论 8.2

《狭义相对论导论》Resnick， Robert, New

York, Wiley 出版, 1968.

《相对论》Einstein, Albert， New York,Three Rivers 出版

1995；《相对论原

理》Rindler，Wolfgang,

Springer-Verlag 出版. 电磁理论 8.31

1

《电磁学》L. S. Levitov and

A. V. Shytov.

《经典电磁学》Schwinger， Julian, L. L. DeRaad Jr， K. A.

67

Milton and W-Y Tsai, Perseus

Book Group, 1998；《电磁学》Jackson.J.

D，Classical， Wiley 出版,

1998.

量子理论 I 8.32

1

《现代量子力学》Sakurai. J.

J, Addison-Wesley

publishers.

《量子力学》2卷，Cohen-

Tannoudji， Wiley-

Interscience publishers.

原子与光物理 I

8.42

2

《原子与光子的相互作用》Cohen-Tannoudji， Claude, Jaques Dupont-

Roc, and Gilbert

Grynberg. New York,

Wiley 出版, 1998.

《光量子学》Loudon, Rodney.

Weissbluth， Mitchel.

核子与粒子物理

8.70

1

《夸克与轻子》Halzen.F,

and A. D. Martin， New

York: Wiley Text Books,

January 1984；Griffith.D，《基本粒子导论》

新版， NY: Wiley Text

Books, March 1987.

Wong, Samuel.S. M， 《核物理导论》第二版 New York:

Wiley-Interscience, 1999； Sakurai.J. J，《现代量子力学》第二版Addison-Wesley Pub，

1994.

早期宇宙的粒子物理

8.95

2

《宇宙学》Steven

Weinberg， 牛津大学出版社.

《宇宙物理》Peacock, John.A， New York, NY: Cambridge

University Press, 1998.

广义相对论 8.96

2

《广义相对论导论》 Sean

，Carroll.

《广义相对论导论》Sean， Carroll， San

Francisco,Addison Wesley 出版, 2003；

《万有引力学》Misner，

68

Charles. W, Kip.S. Thorne

and John Archibald

，WheelerGravitation， W.H.

Freeman 出版， 1973.…… …… …… ……

表二：MIT 的部分物理课程、课程代码、教材和参考书情况[9]

麻省理工学院在科学领域取得的成就有目共睹，这些与麻省理工学院的基础学科建设，特别是教材建设有着密切的联系.比如麻省理工学院理论物理专业所选用的五本物理学教材，分别为《Particles and Nuclei》（粒子与核）；《Quantum Computation and Quantum Information》（量子计算与量子信息）；《A First Course in String Theory》（超弦理论基础）；《Quantum Mechanics》（量子力学·第一册）；《Modern Quantum Mechanics》（现代量子力学·修订版）.这些教材的共同特点有：问题新颖、习题难度适中、具有真实性、层次性、且与时俱进；风格多样、增加阅读趣味、以形象的语言阐述科学问题、讲解深入浅出、让更多读者对前沿的问题产生了浓厚的学习兴趣；资料丰富、文献经典广泛、引用文献具有时效性、广泛性、全面反映科学前沿的相关知识及应用；因材施教、满足各种需求、不仅条理清楚、还照顾不同读者的阅读习惯、满足各种读者的要求等.这些信息，对于我国大学物理学教育值得借鉴其教学经验，以期培养拔尖创新人才.5、MIT 的物理教学方式

1998 年卡内基教学促进会下属的博耶教育委员会发表了《重建本科生教育：美国研究型大学发展蓝图》，报告中指出“传统的讲课不应该是占支配地位的教学模式，大学应根据学校，教师和学生的特点，建立基于研究的师生学习模式，把大学生从传统的文化知识的接受者变为文化知识的探究者”.[10]这一观点一直被MIT 所支持并在实际中得到了应用：学院对学生的培养没有限制在课堂和校园内，而是创造各种机会让学生真正置身于社会，了解社会，参加到工作中去，通过实习，参观等机会，使校园学习与社会实践紧密结合，让学生了解到自己的价值并深刻感受到自身的社会责任，为日后投身社会建设做好了各项准备，是他们可以更加自然和良好地融入到社会中去.5.1 以研究为主体的教学模式自从 MIT 提出了以研究为主体的教学体系这一主张以来，针对本科生教育制定了形式

多样的教学方案.其中包括：本科生研究机会方案、独立活动期、媒体艺术与科学新生计划等.这些活动都是为了能将理论与实践相结合，打破传统的以教师填鸭式教学，学生被动学习的教学体系，建立以教师为指导，学生主动将所学知识用于实践中去的，以研究为主体的教学体系而设立的.比如实验性学习小组，本科生研究机会方案，讨论班，工程实习项目等，通过这些具有实际意义的教学活动，进一步激发了学生的创新意识，培养动手能力，并锻炼了坚毅的品质实践活动，这样建立起来的本科生自主研究实践的教学体系，让本科生可

69

以参与各种科研活动中去，更好的培养和造就科技创新的新生人才.5.2 注重全过程的人性化育人模式

以研究为主体的教学手法从根本上体现了 MIT 作为研究型大学在教学体系上的特征，但是学校并不是将学生教学机械的与研究项目联系在一起，而是重视整个教学过程的氛围和效果.在MIT，无论是老师还是学生，都遵循着“学习、研究和社区三者相结合”的理念，努力打造正式教学与非正式教学相统一的教学环境.如“本科生咖啡屋”，“学生宿舍指导教师制度”等活动和部门的设立，无处不在体现着学习、研究和社区相结合的教育观.学校的教师和管理人员，始终以学生为中心，随时准备为学生解决问题.这种教学手法突破了时间和空间的限制，达到将课堂教学、实验研究与课外活动、日常生活相融合的境地，使学生在轻松愉快的氛围下，最大化地实现了各种素质的提高.6、对我国培养拔尖创新人才的启示我国的一流研究型大学，在我国的高等教育体系中处于领头羊的重要地位，无论在社

会贡献、综合实力与教育功能上都属于国内一流水平，并且背负着国家军事、政治、经济发展的重担.研究探索麻省理工学院对物理学教育的实践经验，能使我国一流大学得到更大的提升，为我国建设高水平、国际化大学提供指导和借鉴.6.1 构建以社会需要与追求个性发展的培养目标

美国研究型大学的培养目标通常以社会服务和个人全面发展为基石，努力培养具有创新性精神和探索精神的人才.但在我国长期以来仍然以就业率为指标，培养专业对口人才，过于强调实用性人才教育，这样限制了我国的人才培养.因此当前我国研究型大学在培养人才方面应当充分发挥个人的潜力以适应社会各个方面的需求，注重探索精神和创新能力的培养，树立本科生的首创精神，把握研究型大学特有的注重探索精神和创新能力的培养，把握研究型大学特有的追求卓越的特性，为国家创新体系作出贡献.6.2 构建通识教育与专业培养相结合的课程体系

研究型大学常被称为是智力生态系统，在这个系统中，所有的成员都要积极参加进来，并保持平衡性和综合性.然而，在我国很多研究型大学课程设置还很不够科学，学科壁垒森严，只注重专业课程的培养而忽略通识教育的重要性，无法达到交叉学科的要求.所以我国一流大学应借鉴以通识教育为原则，打破课程设置的不合理，填补通识教育的不足，强调知识的广度，重视课程的深度，根据科技的新发展，将课程内容进行筛选，消除学科间的壁垒，广泛地开展学术交流，确立全球化的课程理念，取长补短的完善和推进课程体系建设.6.3 构建教学活动与科研实践相融合的教学模式

长期以来，我国的教学模式都是以单向的传播知识为主，学生被动接受，缺乏对创造性思维的开发和训练.另外，我国的大学不像美国研究型大学一样，给本科生创造与导师、研究人员共同从事科研的机会，老师与学生缺乏互动交流，一定程度上抑制了学生探索精神和创新能力的发展.MIT通过推行以研究为本的教育模式实现了教学与科研的有机统一，

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提升了人才培养的质量.对此，我国在建设研究型大学教育体系时，要充分利用研究项目和教师资源，积极组织学生参与教师科研活动，营造出研究人员与学生之间良好的合作氛围，促进教学与科研的双发展.只有将教学与科研紧密结合，才能使学生的实践能力、创造能力得到提升，才真正达到学以致用.

总而言之，构建合理的人才培养模式非一日之功，要将人才培养的模式提升到世界先进水平，还需要较长时间和更多人力物力的投入.相信通过对国外一流大学人才培养模式的深刻分析，可为我国大学培养拔尖创新人才提供借鉴与启示.

参考文献：[1] http://baike.baidu.com/view/1935.htm?fr=ala0_1 百度百科，麻省理工简介[2] 德里克·博克.走出象牙塔——现代大学的责任[M].杭州：浙江教育出版社，2001：8.[3] Eltinge Morison. Report of the Committee on Educational Survey[M]. The

Technology Press of the MIT, 1949：9.[4] Charles M. Vest. MIT: The Path to Our Future--_Report of the President

1997-98[EB/OL][5] http://emuch.net/html/200603/199111.html MIT 开放式课件[6]http://www.lib.nankai.edu.cn/wjzx/zwjx/Massachusetts%20Institute%20of

%20Technology.doc 南开大学图书馆整理源自MIT 开放式课件[7] http://web.mit.edu/catalogue/degre.intro.shtmlMIT 学院及课程设置介绍 [8] 史静波. 美国研究型大学本科生培养模式研究——以麻省理工学院为例. 大连理工大学

硕士学位论文， 2007.6.[9] http://student.mit.edu/catalog/m8a.html#8.01 MIT课程 8《物理学》设置介绍[10] 朱雪文译.博耶本科教育委员会重建本科教育：美国研究型大学的蓝图.全球教育展望，

2001:3.

Research to the Physical Education of MIT

ZHANG Li-bin1,LIANG Qi-rui2,LI Guang-ping2

The foreign teaching center of Nankai University,Tianjin,300071;

2.Physical college of Nankai University,Tianjin,300071)

Abstract: From the analyse and study about the educational

ideas,professional setting，course system ，Selected case textbook

and the teaching mode of MIT, we can get a further cognition of the

characteristics of MIT physical education and the mode of developing

the top-notch innovative personnel,we believe this can provide

reference and enlightenment to our physical education reform.

71

Key Words: MIT; physical educational ideas; professional

setting;course system; Selected case textbook ;teaching

mode;revelation.

《大学物理》录用通知

张立彬 老师：您的论文“麻省理工学院物理教育状况研究”（编号:100668）被我刊录用，请按照审稿意见和《大学物理》刊用稿要求进行修改。并请将修改好的刊用稿（WORD格式电子版）发回编辑部。若文中有插图，必须将插图再单独发一份 jpg或 tif格式的图形文件一起于 2010 年 10 月 8 日前发回编辑部邮箱。如有问题请与编辑部联系，否则视为放弃发表。

按照规定请您支付发表费 1350 元，特此通知。 致礼！

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《大学物理》编辑部 2010 年 9 月 8 日

付费方式:2、 邮局汇款: 100875 北京师范大学院内《大学物理》编辑部 张铭收,。

留言处请写明“稿号”。 例如：090123 发表费（或资料费、课题费）2、银行信汇: 开户行: 中国农业银行北京北下关支行 帐 号: 050601040016358 收款单位: 中国物理学会大学物理期刊社 也请写明汇款人姓名、稿号、开票项目注: 如果作者要求提前刊登,需另外支付 100 元的加快费。此款可与发表费一并开发票。《大学物理》编辑部联系方式：通讯地址：北京师范大学院内《大学物理》编辑部 邮编：100875电话：010-58808024 传真：010-58805411 E-mail：cop@bnu.edu.cn

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请将下回执表填好后随同刊用稿一起发回到编辑部邮箱作者姓名：张立彬，梁启锐，李广平 稿件编号：100668

邮寄发票、赠刊地址 天津南开大学图书馆张立彬收 邮编：300071

发表费：1350 元 加快费： 元 总金额： 元发票台头：南开大学请选择开票项目： 发表费 付款方式： 邮局汇款 汇款时间 2010 年 9 月 12 日E-mail：zhanglibin@nankai.edu.cn

联系电话（务必写上）：13702106881

美国一流大学文科物理经典教材的特色与启示张立彬 1，李广平 2

3.南开大学外国教材中心，天津，300071；2.南开大学应用物理学院，天津，300071）

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[内容摘要] 对美国一流大学文科物理经典教材—《Conceptual Physics》的特色进行了全面的分析与评价.本文认为，美国文科物理经典教材的编写模式，对我国高校文科物理教材建设具有一定的参考价值. [关 键 词] 美国一流大学；文科物理教材；概念物理；特色；启示中图分类号： ；文献标识码： A ；文章编号：100704

1 引言作为文科物理学的经典之作——《Conceptual Physics》（概念物理），从上个世纪七

十年代开始就一直为美国大学文科学生所钟爱.《Conceptual Physics》作为美国高校文科物理的经典教材，已经被美国许多知名大学，诸如哈佛大学、麻省理工学院、普林斯顿大学、斯坦福大学、哥伦比亚大学等 120余所美国大学选为教科书.近年来也被中国一些高校，譬如中国农业大学、中山大学、辽宁师范大学等选为文科物理教材.可见这部教材的扩散范围之广、影响之大.因此评价这本经典著作对我国教材建设，特别是文科物理教学具有借鉴意义.

本文赏析的是《Conceptual Physics》的最新版第十一版，[1]这一版是 2010 年新出版的，离上一版的出版已隔 4 年，依然是艾迪生-韦斯利（Addison-Wesley）出版公司出版发行的.

2 《Conceptual Physics》（第十一版）教材的特色2.1 引领科学兴趣，吸引读者眼球在《Conceptual Physics》（第十一版）的前言中，作者 Paul G. Hewitt 分别给学生

读者和教师写了一封信，这种奇特的方式一开始就给人带来了新鲜感，令读者有一种耳目一新的感觉.在写给学生读者的信中，Paul G. Hewitt说：“你不会领会到周围世界的奥妙所在，除非你懂得自然界的规律.而物理学就是学习这种自然界规律的，物理学完美地展示了自然界中的万事万物是怎样巧妙地、近乎完美的联系在一起的.”在信的最后，Paul G.

Hewitt给出建议，阅读这本书时，要注重在概念上理解物理，不要过多的羁绊于很多复杂的公式.最后发出号召：我们阅读本书，目的是享受物理，享受自然界的和谐美丽！

收稿日期：2010-9-15 ；修回日期：2010-10-28

本文系教育部 2009 年度研究项目“中美一流大学物理教育比较研究”的阶段性成果之一。[作者简介]张立彬（1964—），男，河北石家庄人，教育部南开大学外国教材中心副教授，现主要从事信息文化、信息技术与物理学外国教材研究。我们都知道，几乎每本 书 的前言都是讲述 本 书 知识的 作 用 ，来源等 等 ，而在

《Conceptual Physics》（第十一版）中，前言就是一篇优美的文章，Paul G. Hewitt不

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仅是位物理学家，更是一位文采飞扬的写作大家.Paul G. Hewitt 以《About Science》作为这本巨著的前言部分，既引领了读者的浓厚兴趣，又做到足够吸引大家的眼球.

在《About Science》这一章中，Paul G. Hewitt首先说了什么是科学？科学是知识的载体，它描述了自然界内在的规律以及这种规律产生的原因.接着讲述了科学在人类历史变革中的重要作用，可以看出，人类文明的发展离不开科学，科学是人类历史前进的动力之源.

Paul G. Hewitt 为了充分调动读者的兴趣，讲述了几个有趣的话题：如公元前三世纪的希腊天文学家、数学家和地理学家埃拉托色尼是怎样在远古时代就能“称出”地球的质量的、研究地球与月亮，地球与太阳之间的距离、测量他们之间的距离等等这些看起来并非“人力所为”的匪夷所思的壮举，首先引起读者对科学的一种“崇拜”，接着又说明了数学是作为科学语言的形式存在的，又讲述了研究科学的方法和做科研的态度，让读者有一种层层深入，就像是在欣赏一部电影，回味无穷.

最后，作者挑选了几个读者感兴趣的科学历史问题来供读者自己去查阅答案，在查阅答案的同时，读者肯定会了解到更多的关于科学的历史发展问题，这样有助于读者培养起浓厚的科学兴趣.

2.2 卡通图讲解知识，实物图展现实例几乎每本书都有插图，但并不是每本书都能做到像《Conceptual Physics》（第十一

版）这样目的明确，用处广泛.笔者对书中大量插图的教学功能作了探讨和思考，将其归纳为以下几个方面：2.2.1 导入教学情境，增强科学素养在课堂教学中，在传授重要物理知识之前，让学生进入相关知识的情境之中，对学生

轻松接受相关物理知识是非常必要的.内容丰富、形式活泼的图片很容易引人入胜，激发求知欲，从而让学生快速进入学习状态.在每一章的起始部分都会安排一些或卡通，或实物的图片来说明这一章即将讲述的内容.让人不用看内容，只看到这些画就能知道这章讲述的大概.科学素养包含信心、兴趣、品德、知识面、团结协作意识等多方面内容.增强科学素养有多种途径，而通过插图增强则是重要途径之一.如第七章第 114 页的运用太阳能发电的技术图片，第九章第 156 页的太空空间站图片，第十八章第 326 页的环美金字塔，第二十四章第 431 页中磁悬浮列车，第 555 页的电子隧道显微镜等等，所有这些都是用最新的实物图来说明，激发读者对科学自然的兴趣和对日常生活中科学的留意.

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图 1：太空空间站 图 2：磁悬浮列车2.2.2 展示物理状态,呈现物理过程 在物理教学中，经常需要进行状态展示，状态展示是教学中的基本环节，用插图展示状态，简洁明了.物理过程的呈现也是物理教学中的重要内容，通过插图呈现物理过程，形象直观.在《Conceptual Physics》（第十一版）中运用卡通图来展示物理状态，呈现物理过程是一大特色，如第 28 页用一个卡通人物站在称上来说明重力与支持力之间的关系，第 53 页用一个卡通人物来吃力地推地面上的一个物块，说明了推力与摩擦力之间的关系，还有用一个正在掉落的包袱来讲述重力与空气阻力之间的关系，第 56 页更形象的给大象“穿上”轮滑鞋，这样一个普通的人就很容易的推动这只庞大的大象了.呈现物理过程一部分的插图在书中第六部分《Light》发挥得淋漓尽致，在这一部分，每个物理现象的光路图都非常的详尽，比其他物理学书中的光路图都要详尽，都要清楚.其中不乏用实物图和卡通图来解释光线的传播路线，让人一眼就能看得一清二楚.第 464 页画出几个太阳与地球，月亮之间位置的图，这些图详细的说明了日食，月食的发生过程，让读者自己通过阅读这些话理解日食和月食随意翻开这本书，几乎都可以看到画得精美的卡通画，这些卡通画给人一种特别亲切的感觉.

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图 3：大象穿上轮滑 图 4：日食、月食示意图2.2.3 表达物理规律，解释物理原理

所谓物理规律（包括定律、定理、原理和定则等）是指物理现象、过程在一定条件下发生、发展和变化的必然趋势及其本质联系.反映物理规律的表达有多种方式，插图也是表达规律的重要方式之一，其中坐标图、结构图、示意图等很多具有此功能.如第 66 页的照片上是两个人互相拥抱（是作者和他妻子），用这样的照片来显示的是牛顿第三定律：“You

cannot touch without being touched ”借此说明牛顿第三定律的原理就是：力的作用是相互的.第 86 页用四幅小卡通图来说明动量守恒定律，当动量一定时，如果作用时间较长，就像前两幅图，小车是没有事的，但是如果作用时间较短，就像下面两幅图一样，小车就会受到很大的伤害.再有第 276 页，用一副照片做实物图，照片上显示的是某地冬天里的时候原本笔直的铁路弯曲的情形，用这幅实物图来说明了热力学中的热胀冷缩现象，冬天由于气温变低，造成了铁道“冷缩”现象.第 497 页插图中用了一副雨后彩虹的精美照片，旁边就把出现彩虹的原理图给描绘出来.第 578 页展现的是历史上第一张 X光照射的图片，在这里通过图形显示出当时是怎么用仪器做出这张图的.

图 5：动量守恒定律示意图 图 6：热胀冷缩示意图2.2.4 说明物理条件，化解教学难点

在探究物理规律或在分析例题与习题的过程中，都会遇到已知条件的说明问题，有的条件用语言表述显得冗长，用插图表达则显得简明.教材中的电路图、示意图、装置图、结构图等，很多具有此功能.如第 420 页几个比较卡通味的电路图不但给人一种眼前一亮的感觉，更重要的是详细的说明了各个物理条件是不同的，这比用文字说明还更有说服力，第579 页所画的关于磁场对于不同的粒子的影响，直接在图的相应位置标出关于这种现象的简约表示，让读者比照图再看着文字，更加易懂.在物理教学中，还有一些问题比较抽象，用语言表达难以讲清楚，学生也觉得难于理解，教师可利用插图来化解难点.教材中的照片、

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原理图、示意图、受力图、电路图、侧视图等，很多具有此功能.如第 43 页描述了竖直上抛这个在物理学的开始部分非常费解的一个问题，竖直上抛的几个重要过程中的点都在图中画了出来，让读者感觉到就像是亲眼目睹整个过程似的，对竖直上抛这个过程了解得非常清楚.第 238 页的插图详细说明了压力与面积的关系，压强与压力之间的关系，诸多难点就被几副图化解了.

图 7：卡通电路图 图 8：压力与压强的关系2.3 难易结合的内容分布，轻重分明的结构体系在这里我们做一个各部分内容的结构表格，来详细说明这种结构体系，见表 1.

表 1 《Conceptual Physics》（第十一版）的各部分内容安排内容 各章分支 页数 各节所占比例 各章所占比例前言 科学论述 16 100% 2.4%

力学

牛顿第一定律 17 9.6%

26.8%

线性运动 17 9.6%牛顿第二定律 15 8.4%牛顿第三定律 17 9.6%动量 18 10%能量 21 11.8%圆周运动 28 15.7%重力 21 11.8%

抛体和卫星运动 24 13.5%

物质性质物质的原子本质 16 22.5%

10.9%固体 16 22.5%液体 19 26.7%气体 20 28.3%

热学温度、热膨胀 16 24.6%

10%热传递 16 24.6%相变 15 23.1%热力学 18 27.7%

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声学振动与波 17 36.2%

7.2%声波 17 36.2%悦耳的声音 13 27.6%

电磁学静电学 22 30.1%

11.2%电流 20 27.4%磁场 16 21.9%

电磁感应现象 15 20.6%

光学光的性质 17 17.0%

16.6%颜色 14 14.0%

反射与折射 15 15.0%光波 18 18.0%光发射 18 18.0%光量子现象 18 18.0%

原子物理学原子与量子 11 20.8%

8.1%原子核放射性 21 39.6%核裂变与聚变 21 39.6%

相对论 狭义相对论 28 65.1%6.8%广义相对论 15 34.9%

由表 1可以很清楚的看出：《Conceptual Physics》中的重头戏是经典物理学，约占整个比重为 82.7%，而且经典部分难度也不大，适合文科生学习物理的特点.难易结合是文科物理区别于纯理科物理的一个重要特点，这里难度本身就很小，而且还在这个基础上分出了各个等级，适合于不同的学生.

2.4 立足于理，建瓴于文《Conceptual Physics》（第十一版）的起点较低，在这本书中首先强调了一个重要

理念即物理学既是科学也是文化.在人类的人文文化和科学技术文化两大文化中，后者的重要部分就是物理文化.物理教育的基本任务之一是传递物理文化 .因此，物理教育不应仅是传授物理知识，而且要突出物理教育中的文化特征，重视对学生探索、求实精神及科学审美观等 的 培 养 .一句话，就是 要重视对 学 生 科 学素质的 培 养 与 教 育 .按照上述 理念，《Conceptual Physics》以物理学史的发展为主线，以物理学发展史和物理学研究方法论作为其主要内容，从人文文化和科学文化的高度把有关的内容组织起来.编者在该书的编写中，充分体现了文理渗透的精神，注意加强物理学的人文色彩，并注意突出物理学的思想性和哲理性，立足于理，建瓴于文.[2] [3]

3 《Conceptual Physics》对我国编写文科物理教材的启示文科物理是高校实施文化素质教育的一门重要课程，对体现科学教育与人文教育的融

合，特别对提高非理工学生的科学文化素质起着重要作用.今天的物理学不仅在实用技术工

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程方面有着广泛的延伸，而且在人文精神方面也有着深厚的积淀.我们不仅可以利用它、理解它，而且也可以感受它、欣赏它，使之成为一门科学素质教养课.自然科学与人文科学由于内容上互渗、方法上互通、功能上互补、结果上互利，使得自然科学和人文科学的统一和一体化进程成为一个不争的趋势，这一趋势影响着社会生活的方方面面，从而也影响着教育发展的走向.通过阅读《Conceptual Physics》，得到对国内文科物理教材建设的一些启示，主要有以下几点：3.1 打破理科局限，注重人文教学.即要适当地向学生介绍科学史，不要把物理教材局限于只教给学生现成的定理，这样文科学生会没有兴趣.例如，在讲授牛顿三大定律的时候，先介绍一下牛顿的故事，激发学生的学习兴趣，然后再总结给出简洁的几条规律.学生不仅深入领会了牛顿三大定律的发现过程是现代科学方法的范例，也懂得了前辈为追求真理付出的艰苦劳动以及乐在其中的人文精神.[4]将学习物理的过程升华为欣赏物理的过程，以物理学的美吸引学生, 以物理学的真陶冶学生，以物理学家的事迹感化学生.物理学作为一门重要的基础学科,它所包含的大量的科学信息,物理学家辩证的科学思维方法,承前启后、勇于创新的精神,必将给文科学生以科学的启迪,使他们学会科学的思维方法,做到文理互补、文理相通,走上社会后为人类社会发展做出更大的贡献.

3.2 力求简洁完整，避免复杂冗长.即编写文科物理课程，不苛求全面、系统，但应具有一定的涵盖面和完整性，力求用通俗、简洁的语言描述物理现象和规律，避免复杂的物理推导和数学计算，避免以微积分为工具的数学推算.通过身边的物理、生活中的物理和最新科技发展中的物理来导入物理知识,使学生感悟和认识物理学的重要性，并懂得一些基本的物理原理.在介绍物理基础知识的同时，以系列专题讲座的形式，向学生介绍物理学在各个领域的应用，如纳米技术及应用，静电的防治及应用，激光原理与技术，现代能源技术，电磁波与现代通信，传感器与检测技术，超导与磁悬浮等，使文科学生对当代科技的应用和发展有基本的了解.[5]

3.3 利用物理实验，培养动手能力.一直以来，“实验室”似乎是理工科大学生的专有名词，而如今面对文科生，到底需不需要做实验？教材的编写应不应该加入实验的成分呢？答案是肯定的！物理实验对文科生来说有利于培养其思维能力，当今社会正大力提倡素质教育.对文科学生来说,素质教育的主要任务就是培养他们的科学素养,完善他们的知识与能力结构,而学生的思维能力理所当然是培养的重点,因为人的思维素质比文化素质更为能动,

是更重要的一个素质.文科生的知识结构特点影响了他们对自然科学抽象理论的理解力,与

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理工科的学生相比较,文科的学生注重理论化的学习多,实际动手能力较差.文科学生通过物理实验，可以培养严格、细致、实事求是、一丝不苟的科学态度，不管是对以后的工作还是生活，都将大有裨益.因此在编写文科物理教材时，不应该忘记实验的编写，一些最基本的实验应该写清楚，要注重实验的篇幅不应该过多，以每一章有一到两个为最好.

3.4 坚持以人为本,重在授人以渔.即文科物理教材作为融通文理的通识课程,应当坚持以人为本，重在授人以渔的教学理念，通过物理教学，充分发挥物理学的社会教育功能和思想文化功能，通过对物理学发展史上一些重大发现过程的介绍，向学生传播著名科学家的科学思想、科学方法和科学精神，着力提高学生发现问题、独立思考、分析判断的能力，不断激发学生的创新意识，培养学生终身学习的能力.只要教材在教学中善于发掘蕴含在物理学中的“真、善、美”,注重在认识论、方法论、科学思维和科学方法等方面给学生以坚持不懈的引导，就能够培养出适应新世纪迅速变化和激烈竞争的创新型人才.基于对文科物理重要性的深刻认识，秉承融会贯通科学文化与人文文化的教学理念，只要我们勤于探索，勇于实践，不辞劳苦，辛勤耕耘，不断改进教学方法，努力提高教学质量，善于用教师的科学激情去点燃学生的学习热情，就一定能够发挥出文科物理在开启心智、陶冶性情、引导创新、提高素质等方面的独特魅力.[6]

4 结束语如今，在高等院校实施课程结构综合化、文理渗透的教育趋势的推动下，全面展开人

文素质教育和科学素质互补性教育已经是迫在眉睫.我们始终相信愈发达的科学愈需要文理相通，这是给文科生开设物理课的根本意义所在.本文旨在通过评介文科物理的经典教材，向国际一流大学学习，探索科学合理的教育新模式，实现科学素质教育和人文素质教育的互补，可以说从一定程度上完善并丰富了开设文科物理课程的意义.希望能够为我国文科物理教材建设添砖加瓦！

参考文献[1] Paul G. Hewitt. 《Conceptual Physics》（eleventh edition）.Pearson press，2010:1-737. [2] http://cmp-hiedu.cn:8072/phy/ 《开设文科物理课程的初步探索》 .[3] Paul G. Hewitt, Christopher Chiaverina, Kenneth W.Ford 等 ， 《 Conceptual Physics 》(Teacher’s Edition). Pearson press,2009:1-940.[4] http://cmp-hiedu.cn:8072/phy/ 《浅谈开设文科物理课程的实践及意义》 .[5] http://cmp-hiedu.cn:8072/phy/ 《文科物理教学的四个结合》.

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[6] 李铁.谈谈高等院校文科类专业的物理教育[J].物理与工程:副刊,2001(8) :21.

Feature and revelation of art physics's classical teaching material in first-rate schools in America

ZHANG Li-bin1, LI Guang-ping2

1. Foreign textbook center of Nankai University,TianJin 300071;2.Applied physics school of Nankai University ,TianJin 300071)

Abstract: In this paper, we give a full analysis and evaluation to the art physics 's classical teaching material in first-rate schools in America--《Conceptual Physics》,we think of that the writing mode of this book will provide a great reference value to art physics's teaching material in our country . Key Words: first-rate schools in America; art physics's teaching material; conceptual physics; feature ;revelation

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《大学物理》录用通知 张立彬 老师：

您的论文“美国一流大学文科物理经典教材的特色与启示”（编号：100704）被我刊录用。

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《大学物理》编辑部 2010 年 10 月 29 日

《大学物理》编辑部联系方式：通讯地址：北京师范大学院内《大学物理》编辑部 邮编：100875电话：010-58808024 传真：010-58805411 E-mail：cop@bnu.edu.cn

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注: 如果作者要求提前刊登,需另外支付 100 元的加快费。此款可与发表费一并开具发票。-------------------------------------------------------------------------------

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联系电话：13702106881；寄正式发票时，务请一同寄来带章的录用通知！真空中两个点电荷间电势为零的点及其产生的场强1

周家岐 1 张功 2 宋峰 2

（ 1 南开大学环境科学与工程学院；2 南开大学物理科学学院， 天津，300071）摘要:以真空中的两个点电荷为研究对象，讨论了空间坐标系下电势为零的点所形成的轨迹，以及电势为零的点的场强大小及方向；并通过 MATLAB 进行数值模拟，验证了结论的正确。总结了空间场强求解的一般方法和要点,明确了场强的空间分布性。关键词：电势；场强；数值模拟中图分类号： ； 文献标识码：A ；文章编号：100592

1.电势和场强是电磁学中的重要的基本概念，也是学习的重点，很多论文都对此进行了研究[1-8]。不少教科书中都有这方面的例题和习题[9-11]，比如，求解和讨论真空中的两个点电荷电场中电势为零的点及该点的电场强度的分布。对此类题目，很多教材经常假定电势为零的点只是位于两个点电荷之间的连线上，实际上，电场中的电势为零的点并不局限于一条直线，而是在两个点电荷存在的三维空间内均有分布，且这些点构成了一定的轨迹。我1收稿日期：2010-07-12； 修回日期：2010-11-03基金项目：教育部 2009 年度研究项目“中美一流大学物理教育比较研究”作者简介：周家岐(1990- )，女，内蒙赤峰人，南开大学环境工程与科学学院环境工程系07级本科生。

84

们以不少教科书中都有的一个习题为例进行分析，问题如下：两个点电荷，电量分别为+4q 和-q，相距为 l，求电场中电势为零的点的位置及此点的电场强度。本着由易到难的原则，本文先讨论电势为零的点在两个点电荷间的连线上的分布情况，然后再讨论在平面上的情况，最后讨论空间的一般分布。2.理论推导 2.1.在两点电荷间的连线上 如图 1 所示，设无穷远处电势为零，两电荷间电势为零点距点电荷+4q 为 d，则距点电荷-q 为（l-d )。

由电势为零得：

（1）

（2）

即在距离点电荷+4q 为 处的电势为 0。该点处的场强大小为：

（3）

其方向沿两个点电荷连线指向-q。一般教材中给出的标准答案就是这个。2.2.在平面直角坐标系中 如图 2 所示，以两个点电荷（分别用 A、B 两点代表）的连线为 x轴，不妨假设 AB 方向为 x轴正方向。AB 中点为原点 O，A、B 点的坐标分别为（ ，0）、( ，0)。

图 1 直线上两点电荷位置示意图

+4q -qd l-d

A B

85

A

EA

B

M

EB

E 合y

图 3 平面直角坐标系中场强方向示意图

a

设电势为零的点为 xoy 平面上的任一点 M(x，y),其距 A 点为 d1，距 B 点为 d2, 显然有,由M 点的电势为 0得到：

所以 （4）由平面几何知识，我们知道：

代入（4）式，有 （5）

即平面直角坐标系中电势为零点的轨迹为以 C 为圆心，半径为 的圆，如图 2

所示：

A、B 两点在M（x，y）点的场强大小分别为：

86

y

M(x,y)

xA B C

+4q -q

图 2 平面直角坐标系中两点电荷间电势为零点轨迹

(6)

(7)

其方向如图 3 所示。根据几何关系和场强叠加原理，可以得到合场强的大小为：

（8）即M 点的场强大小与其在AB线上投影距AB连线中点距离的 次方成反比。

M 点合场强的方向与 x轴夹角为： 。2.3．在空间直角坐标系中建立空间直角坐标系如图 4，设点 M（x，y，z）的电势为零，则有：

或 （9）

则空间直角坐标系中电势为零点的轨迹是以（ ，0，0）为球心，以 为半径的球体，如图 4 所示。

87

A、B 两点在M 点的场强大小分别为：

（10）

（11）

由几何关系和场强叠加原理，求得总场强为：

（12）

即M 点场强大小与其在AB线上投影距AB连线中点距离的 次方成反比。

A

z

x

M(x, y, z)

y

B CO

RA

RB

88

图 4 空间直角坐标系中两点电荷位置示意图

下面我们来求合场强的方向。 如图 5，D、F 分别为 AM、AC 的中点， ，MH 平行于 AB，KG 平行于 CP，DG 平行于 E 合 所在的直线， ， ， ，

。则可以求出合场强与 x轴的夹角为 ，类似地，可以求出合场

强与 y轴和 z轴的夹角分别是 和 。

3.数值计算结果我们运用 MATLAB 数值模拟进行绘图，途径有二：一是根据所求得的解析式绘图；二

是从初始条件出发，在一定的区间上进行逐点搜寻。结果表明，两种途径得到的结果是一样的。这表明了上面的计算是正确的。下面我们以空间的三维情况为例，给出具体的电势和场强示意图。3.1 电势

EA

图 5 合场强方向示意图

A B O

M

C

D

KF

G

E 合EB

P

H

89

0. 04 0. 06 0. 08 -0. 020

0. 02-0. 02

0

0. 02

y/m

等势面

x/m

z/m

图 6 利用 MATLAB逐点搜寻电势为零的点的等势面

从 初 始条件方 程 （ 1 ） ： 出 发 ，这里取 q = 1.60218 * 10-19

C，π=3.1415926，真空介电常数 ε0=8.85419 * 10-12 C2/（J·m），l=0.1m。用 MATLAB 进行逐点 搜寻（取点范围 x:[-0.1m：0.001m：0.1m]，y: [-0.1m：0.001m：0.1m]，z: [-0.1m：0.001m：0.1m]），所绘图形如图 6 所示。我们直接从电势为零点的轨迹方程（5）：

作图，两者完全一致。3.2场强

(1) 大小：通过数值逐点扫描和由解析式 分别作图，结果一样。图 7

为场强大小随 x 的变化。

0. 02 0. 04 0. 06 0. 08 0. 111. 5

22. 5

33. 5x 10- 6

x/m

E

v

/m

0. 02 0. 04 0. 06 0. 08 0. 10

1

2

3

x/m

a/ra

d

图 7 场强大小随 x变化图 图 8 场强与 x轴夹角 a随 x变化图（2）方向：场强 E 与 x轴方向、y轴方向与 z轴方向的夹角，分别如图 8，9，10 所示

90

-0. 04 -0. 02 0 0. 02 0. 040

1

2

3

4

y/m

b/ra

d

-0. 04 -0. 02 0 0. 02 0. 040

1

2

3

4

z/m

c/ra

d

图 9 场强与 y轴夹角 b随 y变化图 图 10 场强与 z轴夹角 c随 z变化图

4.结论比较 2.2 与 2.3 场强大小的结果可知两个点电荷间电势为零点的场强的大小与该点在

AB连线上的投影距AB连线中点的距离的 次方成一定的关系；其场强的方向也具有一定的规律。实际上，平面直角坐标系中对场强的求解可以看作是 2.3 的一个特例--z=0 的平面上场强的大小及方向，而当 y=0,z=0时，就得到了 2.1 的结果。本文仅就两个点电荷为+4q 和-q 的情况展开讨论与计算，其他情况与之类似。通过本题的求解，一方面可以加深我们对与电场和电势的理解，知道电场与电势是在

整个空间分布的，另外一方面可以拓宽我们的思维，知道如何求解相关问题。

参考文献 [1]王福谦.两平行接地大导体板间线电荷的电场[J].大学物理,2008.12，26-28

[2]王树平,苏景顺.均匀外电场中无限长介质圆柱壳的场分布的计算和讨论[J].大学物理，2008.7，17-19

[3]江俊勤.也谈均匀带电细圆环的电场分布[J].大学物理,2007.11，39-42

[4]张国才,陈浩. 求解线电荷与导体圆柱形成电场的新方法.大学物理,2007.7，29-31

[5]谢宁.一维电荷分布系统的电场线[J].大学物理,2007.6，5-10

[6]丁健 , 王亚雄 ,全红娟 .在柱坐标系 中求解轴对称的静电 场 [J]. 大 学 物

91

理,2006.12，35-38

[7]李超,周云松.柱形分布的电荷产生的电势[J].大学物理,2006.5，60-63

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[9]徐斌富,章可钦,邹勇,潘传芳.大学基础物理(第二册)[M].北京：科学出版社,2007

[10]史斌星.大学物理实用教程[M].北京:清华大学出版社,2005

[11]金庆华,周宗文,郭儒.大学物理学[M].天津:南开大学出版社,2003

Points of zero electric potential between two point charges and their field strength generated

in a vacuum

                               ZHOU Jia-qi1 ， ZHANG Gong2 ， SONG Feng2

  (1 Environmental Science and Engineering， Nan Kai University

2 College of Physical Science ，Nan Kai University Tianjin 300071，China)

Abstract：For a system with two point charges, the trajectory when the electric potential is

zero is deduced in the whole space , Also we discuss the values and directions of field strength

under rectangular coordinate systems in the spots of zero electric potential. Numerical simulation

with MATLAB is made to verify the theoretical conclusion. The general approach for solving the

problem of electric potential and field strength is summarized.

Key words：electric potential；field strength；numerical simulation

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《大学物理》录用通知 周家岐 老师：您的论文“真空中两个点电荷间电势为零的点及其产生的场强” （ 稿件编

号 100592）被我刊录用。按照规定请您支付发表费 840 元，特此通知。 致礼！

《大学物理》编辑部 2010 年 11 月 3日

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请将下表填好后随同刊用稿一并返回编辑部作者姓名：周家岐，张功，宋峰 稿件编号： 100592 编辑：任

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“中美一流大学物理学教学信息数据库”的构建与实现董蓓（南开大学图书馆 天津 300071）

[摘要]本文介绍了“中美一流大学物理学教学信息数据库”开发的意义和背景, 就数据库建设方案、数据库开发与实现、数据库建设中的一些思考等方面作了相关阐述。[关键词] 物理学；专业教学；教学参考；数据库；TRS[中图分类号]G250.76 [文献标识码]A [文章编号]

Construction and Realization of the First-class Universities in China and the United States Physics Teaching Reference Resources Database

Dong Bei 【Abstract】 This article introduces “Construction and Implementation of Top Universities in China and the United States Physics Teaching Reference Resources Database” development of the background and significance, this paper elaborates on database building program, database development and implementation and some thoughts on the database construction etc.certain aspects.

【Keywords】physics; professional teaching; teaching reference; database; TRS

本文系教育部 2009 年度研究项目“中美一流大学物理教育比较研究”的阶段性成果之一。1.数据库开发的意义与背景 教学信息是重要的教学辅助资源，对于培养学生的自主学习与创新能力、提高教学水平以及创新教学模式等都具有积极的意义。我校物理学教学研究在国内

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高校中名列前茅，人才济济。《大学物理实验》课程被评为国家级示范精品课程《力学》、《光学课程》被评为天津市精品示范课程。物理实验中心被评为国家级基础物理实验教学示范中心。2009 年南开大学图书馆外国教材中心与物理学院共同承担了教育部“国内外高等教育教材比较研究”项目之一——《中美一流大学物理教育比较研究》， 目前项目在研中，已取得了多项前期研究成果，作为重要成果之一的“中美一流大学物理学教学信息数据库”不仅为本课题的理论研究奠定了数据基础，同时也为教学改革、教材建设与使用等方面提供一个信息参考平台。本文通过数据库开发的实践成果，对教学信息数据库的管理与运行模式进行了思考，在此提出来和同行们商榷。2.数据库建设方案2.1总体思路

中美一流大学物理学教学信息数据库拟在中国和美国目前物理学排名处于前十位的大学，以这些高校的物理学教学信息和教学参考资源为建库内容，并能对这些信息进行科学高效的管理，在线提供物理学课程信息和教学参考资源信息的查询。2.2平台选择 通过对系统的体系结构、索引机制、执行效率、信息采集和发布、数据库生命

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周期、平台支持的操作系统、组件和协议、信息检索的准确性和安全性以及结合本馆实际情况,我们采用了我馆已经购买的 TRS(Text Retrieval System)信息发布检索系统,作为建设和开发该系统的平台。2.3标准规范 在教学信息数据库的开发过程中,首先应制定数字化的规范标准,使入库数据的筛选、著录、标引有标准可依。课题组根据项目的选题意义、研究内容、预期目标等情况,参照CALIS 教参系统的建设标准制定了本馆数字化加工的流程与标准。同时充分考虑到系统的可扩充性和可持续发展的要求。2.4数据类型 随着高校教学改革的深化发展，各高校院系设置、专业方向细化，课程讲授侧重点不相同，课程深度不相同，所用教材也不相同。课程性质多样，通修课、必修课、公共选修课、专业选修课，适合不同学习目的的需要，这也必然要求教学信息资源在内容深度上加以区分。物理学教学信息库主要包括学校、院、系、学科、专业、课程名称、课程代号、课程类型(普通教育/专业必修/专业选修)、学分数、总学时、教师、教材与教学参考书目等基本信息项。2.5数据收集

中美一流大学物理学教学信息数据库拟在中国和美国分别选择目前物理学排名处于前十位的大学，以这些高校的物理学教学信息和教学参考资源为主要

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收集内容，充分发挥数字图书馆的技术优势，将相关学校的原生数字信息资源及相关的教学信息资源挖掘整合起来，从整体上统一揭示。3.数据库的开发与实现

数据库作为后台强大的内容处理引擎,为 Web服务器提供信息源。利用动态网页生成技术把数据库中的信息提供给用户。系统采用 B／S三层体系架构，数据库记录按照中国和美国进行分类导航、分页显示。通过对概览页面和细览页面的分别设置，提高了系统性能。数据库具备简单检索和高级检索功能，用户可以按照自己的需求进行字段组合检索、二次检索。系统采用内置安全机制控制访问能够控制合法用户有效访问内容，对敏感信息的 URL加密传输，保证了信息的安全性。

图 2 B／S三层体系架构3.1数据库结构的设计与建库策略 数据库结构的设计是把非结构化数据建立数据模型的过程,对数据库结构的设计要考虑到多方面的因素:数据特点、数据量、查询对象、各字段及属性的设计。本系统在对其内容进行描述时依据教学信息资源的相关信息点，建库字段包括有：学校名称、学校代码、课程名称、课程代码、课程内容简介、课程大纲、开课学

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院及专业、教师、总课时、学分、教材、参考书等。在建库策略上引入了 TRS 的 B+

树索引和倒排索引,这两种类型的索引相辅相成,互为补充，从而使数据库较好地解决了键值的插入、溢出、删除、查询速度和空间使用率等问题。

图 2 南开大学“中美一流大学物理学教学信息数据库”结构

3.2数据库的创建第一步:通过 TRS 平台管理员工具的创建数据库向导输入数据库名、拥有者名、说明信息、公共属性等信息。第二步:设置数据库的别名列表、使用语言、存放路径、存放位置、建库词典和索引标志等属性。第三步:设计数据库的字段结构及各字段的具体属性等。第四步:数据的筛选、格式规范化等。

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3.3数据的识别、标引、入库资源入库,利用计算机信息技术,批量或单个将物理教学资源按分类存入数据

库中,在录入时要对物理教学信息资源的所有属性进行预校验,确保物理教学信息资源库中的数据的精确性。针对采集来的相关资源,专业人员根据系统要求,先分别进行数据规范化和资源整合,再按照库结构与建库策略规定的格式分别直接导入至 TRS 数据库。

系统建设过程中,各学校院系学科的设立以及数据的录入和采集非常重要,然而在录入过程中,我们发现每个人录入的数据以及查找的教参信息来源都不尽相同,因此就造成了数据格式和内容的差异,给使用者查找和利用系统资源带来混乱。对于这个问题,图书馆课题组负责人经常组织课题参与建设者集中讨论,相互交流经验和方法,尽可能的统一格式,使得系统建设的更加完美和规范。3.4功能的开发

数据库作为后台强大的内容处理引擎,为 Web服务器提供信息源。通过 TRS

WAS 利用数据库技术和动态网页生成技术,进行数据库管理、动态发布以及检索功能的开发，为用户提供信息服务。3.41检索功能。这是数据库一项基本功能, 对已发布的教参元数据,用户输入检索词之后可以对整个系统的内容进行学校名称、课程名称、专业名称、教师等字段的检索；用户还可以按照自己的需求进行字段组合检索、二次检索。

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3.42 分类浏览、下载、打印。为方便读者查询，数据库内容可以分类浏览，检索结果下载、打印、编辑。

图 2 南开大学“中美一流大学物理学教学信息数据库”发布页面

3.5 数据库更新、维护 教学参考信息资源系统是一个系统工程，须立足于长期建设、持久维护的建设项目。图书馆要充分利用自身信息组织和发布的优势，与教学部门充分合作，制定长期的更新维护计划，以保障项目的可持续发展。4.数据库建设中的一些思考4.1 加强对教学信息参考资源的内容全面性、形式多样性建设目前我国高校图书馆的教学参考资源形式仅限于对书目的链接和文本形式的呈现。加强对教学参考资源内容全面性和形式多样性的建设，各类相关的图片、音频、视频资源也应该作为教学参考资源的一部分而开发建设，使用户在使用参考资源的时候，不再局限于单调、枯燥的文字，图文声像并茂的资源会提高用户的学习兴趣，也会大大增强学习效果。

100

4.2 加强交流与资源共享。 高校图书馆自我保障的管理模式在新时期教参信息服务中已很难满足教参用户的个性化需求。因此，必须加强图书馆之间的合作，实现资源共享，优势互补互利互惠，共同提高，改变传统服务方式，打破旧的管理模式。建立激励机制，激发馆员创新进取，使人力、物力、财力发挥最大效用。馆际合作可采用图书馆联盟、中心馆等形式。教参信息共建共享是信息社会发展的客观要求，也是图书馆可持续发展的必然趋势。4.3资源收集的问题 在教参资料的搜集方面，是通过与教务处、相关院系联系，或者通过搜集网络资源，获取相关信息的方式进行的，除此以外，还可考虑在图书馆主页上设立“教学信息资源推荐”专栏，教师可以通过该窗口向图书馆推荐目前在网上还没有的或者是已更改了的教参信息，以便工作人员及时更新教参数据，保持教参数据库使用的活力。4.4后期维护的问题 在教学信息数据库建成后，会有一个相对稳定的时期，但随着学校专业及课程的调整，教参书也在不断变化中，数据库的内容也要随之变动，如果不及时更新，教参系统将失去其教学参考价值，也就失去系统建设的意义。因此今后数据库的更新和维护是一个长期的工作。应建立一个长期的机制，不断充实和完善

101

数据库内容，使教参数据库发挥它应有的作用。

5.结束语教参具有强烈的针对性和参考价值，它有特定的读者群，是为满足特定研

究群体或学科和专业的需要而存在的。随着重点学科的建设和发展，图书馆也应随之建设和形成有关该学科的最基本、最完善、最权威的教参信息资源保障体系从而推动和促进该学科的进一步发展。

参考文献：1. 卢晓东.中美大学本科专业设置比较[J].比较教育研究, 2001(2):18-232. 周荣.论高校图书馆为学科建设服务的措施和模式[J].上海高校图书情报工作研究，

2006(2):18-203. 陈健，朱拓等.大学物理多媒体课件的研制和网上教学系统的开发[J]. 江南学院学报,

2001.6(2):102-1044. 唐承秀.Electronic Reserves System--基于Web的电子教学参考文献服务系统[J].图

书馆工作与研究，2004(1):50-525. 杨晶，张淑洁等.基于调查的“个性化”教学用书信息服务[J].图书馆理论与实践，

2006(6):116-1186. 胡少杰，张华铮.图书馆与高校本科教学工作水平评估[J].情报探索，2006.1(1):9-10

[作者简介]董蓓(1970-)，女，馆员，南开大学图书馆数字资源部,发表论文4篇。

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辅助物理教学系统的设计 ——物理教学数字图书馆建设初探

赵雅洁（南开大学图书馆，天津 300071）摘要：本文主要探讨教学型数字图书馆的构建思路，并以物理教学型数字图书馆为例，就其建设中的关键问题进行分析和设计，从而更好地为物理教学提供辅助作用。 关键词：数字图书馆，教学数字图书馆，物理教学

The design of auxiliary physics teaching System--Research on the construction of the teaching-Oriented physical digital library

Zhao Yajie ( Library, Nankai University, Tianjin 300071, China)Abstract: This paper mainly discusses the construction ideas about the teaching-Oriented

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digital libraries, and illustrates by the example of physics teaching, and focuses on the analysis and design about some key issues in this construction, thus provides an auxiliary role for physical education. Keywords: digital library，teaching-Oriented digital library，physics teaching

引言数字图书馆是一种拥有多媒体、内容丰富的数字化信息资源，是一种能为用户方便、快

捷地提供信息的服务平台[1]。目前高校数字图书馆及图书馆数字资源都是以研究型为主体，主要为科研服务。关于教学型的网络辅助服务还为数不多，但是教学物质资源仍是我国高校图书馆更是教学型高校图书馆的主体，所以作为丰富馆藏服务的有益补充，教学型数字化服务也是值得高校图书馆重视和建设的。本文主要以物理教学数字图书馆为例，就其建设中的关键问题进行分析和设计。通过建设教学型数字图书馆，为教师提供一种更优化的教学途径，为学生提供一个更丰富的物理专业课程教学资源库和更高效的信息查询与学习咨询平台。由传统的以教师“教”为主的教学方式变为以学生“学”为主，更好的起到对实际物理教学的辅助作用。1. 物理教学数字图书馆的建设目标1.1加强交流合作

物理教学数字图书馆可以强化教师与学生之间以及学生与学生之间的互动，教师和学生是一个学习共同体，建立和维护共同体的有效途径是沟通，通过建立这样一个网络平台，利用其良好的交互性和可控性，使师生之间、生生之间能方便的进行学习交流和及时沟通， 解决课程学习过程中遇到的困难和问题， 从而优化教学效果。物理教学数字图书馆也可以进一步加强物理各学科专业人员之间的交流合作，加强与兄弟院校之间的学术交流和与本课程有关的教学探讨，集聚我国的团队力量，在物理学科人才培养方面发挥更大的积极作用。1.2优化教与学

物理教学数字图书馆有助于学生根据自己的需要获取相应资源进行自学，从而打破以教师为中心、以书本和课堂为中心的传统教学模式，形成以学生为主体的自主学习新模式。从而也可以培养学生自己获取知识的能力，培养独立解决实际问题和研究新问题的能力，学会如何学习和思考，让学生更好地参与到教学过程中，实现教学相长的教学理念。 学生也可以根据自己的兴趣爱好，有系统、有重点地自学物理学其他专业的课程，增进对物理学科知识的系统理解，为将来进一步深造提前打下扎实的物理专业基础。1.3 实现资源共享

物理教学数字图书馆的终极目标就是实现资源共享。它能够跨越时间和空间限制，方便快捷地为师生提供信息服务。任何授权用户在任何地方都可以享受到其服务，提高了师生的学习效率。师生也可以将自己的教学成果等提交到数字图书馆中，供多个不同用户任何时段任何地点访问，使得全球资源共享变成现实。

104

1.4抽象问题形象化物理教学数字图书馆内容丰富全面、界面明朗友好、功能完备强大，包含了大量的多媒

体信息，比如数字模拟、动画、声像等。通过相应技术手段，将教学内容和难以理解的抽象知识以形象、直观、生动的形式展示给学生，从而调动学生学习的兴趣，激励学生参与教学的过程，充分发挥学生学习的主体作用，避免了学生由于对知识难以理解而产生厌烦情绪，让学生在活泼愉快的气氛中学习，体会成功的快乐，从而大大地增加学习物理的兴趣与决心。2. 物理教学数字图书馆的主要技术支撑2.1 数据库存储技术

物理教学数字图书馆存储的数据具有大数量和多样化的特性，其数据形式包括文本、图形图像、音频、视频等，对海量数据的存储和组织技术是数字图书馆的关键技术之一。这就需要科学应用数据库的分类、索引、存储技术，对于不同类型的数据建立相对统一的分类方法和索引机制，从而提高海量数据的检索效率和速度。现有数据库存储技术有以下三种：传统DAS(Direct attached storage-直接连接存储)和两种网络化存储方案：NAS (Network attached storage-网络连接存储)、SAN(Storage Area Network-存储区域网络)。这三种技术方案适用于不同的需要，各有优缺点，应合理选用或综合使用。2.2多媒体技术

为了更大体现教学信息的生动性，物理教学数字图书馆需要大量的多媒体数据来支撑，比如文本、图形图像、音频、视频等，遵循面向对象的数字化多媒体信息库。通过多媒体压缩技术（无损压缩、有损压缩），按照多媒体数据压缩编码标准（JPEG 、H. 261、MPEG），去除冗余信息，降低数据存储成本和规模。2.3 XML技术

资源标注、编目和描述是数字图书馆信息查找的基础，采用结构化的资源(XML)和资源描述框架(RDF)互相配合，将大大提高信息查找效率[2]。XML的自定义性及可扩展性使它可以描述文本、图像图形、声频、视频等各种数据类型的资源；XML是一种与平台无关的语言，能很容易地实现与其它类型的数据进行转换，从而可以实现异构数据的统一检索；XML基于内容的格式，可以准确地对信息进行描述，为检索提供强有力的支持，从而能提高检索的质量和速度[3]。所以，XML标准成为各种复杂异构数据交换的核心技术和未来数据定义的标准格式，它可以有效解决数字图书馆数字资源管理中存在的许多问题，也是物理教学数字图书馆数字资源管理的关键技术之一。2.4 资源数字化技术

物理教学数字图书馆资源数字化技术主要涉及数据采集、数字化加工、标引技术。采集来的物理教学资源可以按照国际标准的数据格式进行数字化处理。标准格式有：文本: 纯文本、XML、HTML、PDF；图片: TIFF、JPEG、GIF；图像: JPEG、JPEG2000；声音: MPEG、AC3、MP3；视频: MPEG-Ⅱ、Ⅳ。在对这些信息资源加工过程中，采用以DC标准为核心，与传统M

105

ARC相结合的方式对资源进行标引。在进行元数据交换过程中，支持RDF，VCARD 等多种形式[4]。标引技术还应支持自动标引、人工标引和元数据技术，使分散的异构网络用户能分享和再利用物理教学数字图书馆中的异构数据。2.5 分布式系统架构

物理教学数字图书馆要想得以广泛应用，必须具有高效性和可扩展性，这就需要有分布式的管理和控制机制。我们可以通过采用数据库层、应用服务层、用户界面层的三层体系架构，应用合理的中间件技术来解决这一问题。具体可以采用如J2EE, CORBA和.NET(DCOM)等技术平台作为开发工具来进行开发。2.6 信息组织策略

物理教学数字图书馆可以对信息资源进行元数据提取，将信息分为元数据和数字对象来进行组织。元数据是描述和管理数字对象的数据，数字对象是指数字化的文本、图片、声音、影像等数据。将信息资源库分为元数据库和数字对象库，二者通过唯一标识句柄相关联。并设置对元数据库和数字对象库的管理接口层，方便管理人员对数据的管理。3.物理教学数字图书馆的功能分析

物理教学型数字图书馆建设中包括功能模块多，通过关键标识、采用联合式或协调性技术完成模块之间的相互联系，各模块也可以单独调用。设计有 11 个基本功能模块，如下：3.1 教学资源可以制成物理教学信息数据库，其中包括子库设计如下：专家课件讲义库：存储知名学者教授以及本校教师授课的自编课件、讲义、实习指导等

信息的数据库。物理教材库：存储国内外知名大学及本校的物理课程所使用的各类物理教材信息。物理课程库：存储国内外知名大学及本校的物理课程信息，包括授课教师、学分、学时

等。参考书库：存储国内外知名大学及本校的物理课程所使用的各类教学参考书。这几个子库可以通过统一的数据库字段（比如学科课程）进行关联，并设计统一的检

索和浏览平台，方便用户查阅关联信息。3.2 数字化教学成果查询

对于外校物理教学成果，可以将外校相关资源链接到物理教学数字图书馆。本数字图书馆也需要自建一定的资源供查询。比如本校师生所著、所编、所译的物理学术著作；本校师生发表的物理学术论文和科研成果报告；本校召开的物理学术会议文献，如手稿、预印稿文献、回忆录等；教师外出参加物理学术会带回的文献；出国人员带回的物理文献资料以及价值的赠送资料等[5]。3.3在线咨询、专家问答该模块是物理教学数字图书馆中教师和学生联系的桥梁。该模块通过相应的IM技术，

完成学生就某些问题对老师的在线咨询以及离线问答。也可以通过发送和接受电子邮件、加

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入讨论组、论坛等，以此来强化学生与教师以及学生与学习伙伴之间的交互。该部分也可以增加读者意见和建议栏，把读者意见与答复情况公布于网上，在互动中提升物理教学数字图书馆的服务，提高师生对它的信任度。3.4 专家讲坛

国内外有众多知名物理专家学者，可以将他们多年的授课讲座制作成视频，让本校师生与知名专家学者零距离接触，开辟获取知识的捷径。采取的方式可以链接到比如“超星视频”等一些知名学科平台的授课视频，也可以自己有针对性地进行录制。对于本校教师授课信息比较方便获取，可以通过授权录成视频，供师生备课复习使用。

专家学者也可以建立自己的专业博客，将个人的授课经验、方法，专业思想、见地、看法、灵感，或者工作内容、过程、故事等做及时记录和发布，及时让同行或者学生来了解自己的授课方式、研究进展以及学科的最新研究方向和趋势，从而可以与专家进行沟通，达到共同进步。3.5远程教育

现代网络远程教育可以使学生突破时空限制，享受领域专家的亲自授课。通过计算机网络技术、多媒体技术、通信技术把物理课程传送到校园外的多个终端，具

体表现为网络远程教育系统教学和通信联系的教育形式，可以采用实时视频点播教学、实时视频广播教学、虚拟教室等形式来完成。在数字信号环境下进行教学活动，真正做到不受空间和时间的限制，教学方式由原来的以教为主变为以学为主，学生可以从所提供的丰富的教学资源中选用适用自己的。3.6 实验演示与模拟

物理是一门实验科学，学生不可能亲自体验每一次实验，有些实验只能是课堂上看老师演示，自己并不会操作或者不能全面掌握，物理教学数字图书馆中该模块的功能就是利用电脑模拟，再现实验装置、实验过程和实验现象，唤起学生对旧知识的回忆，有利于比较、加深理解记忆。 该模块通过模拟与仿真、超媒体等技术，综合采用各种媒体来呈现(如文字、动画、声音

和视频)，采用p2p技术来提高影像的传播质量和速度。对于不同的实验过程选择合适的媒体形式来表现知识内容，学生不仅可以自己选择重复看实验的每一个环节，也可以实际模拟操作，包括对实验环境的搭建，实验过程的介入等。比如利用Flash等进行一些简单的情境创设, 并按照物理实验流程为导向，引导学生不断思考，一步一步深入学习，最终掌握实验技能。3.7 各高校特色研究

对于本校以外的各知名高校的物理学科特色，可以通过链接或授权建立特色数据库；对于本校物理学科特色，可以针对本校重点专业及特色研究深入调查和挖掘，依托本馆资源和物理学院特色研究资料，根据学校教学的实际需求，开发和建立具有自身特色的数字化信息收藏体系。为师生提供主动的知识增值服务，比如专题检索、专题文献传递和专题知

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识管理等高水平服务。同时各学校在开发自己的物理专业特色数据库时，应当遵循统一的标准和规范，采用相近的软件开发平台和检索结构等，从而实现真正意义上的资源共享。3.8 WIKI

物理教学数字图书馆中的WIKI类似于物理教学过程中所使用的黑板，所有写在黑板上的内容都会被记录，每一用户都可以看到其他用户做过的所有修改。WIKI由于具有开放性，而且使用简单、方便，所以容易实现某一领域知识的汇聚与提炼，所以它很容易在师生的共同努力下做成一个物理专业教学知识库，从而达到丰富物理教学数字图书馆资源，并且通过互动来提升服务水平。比如对于物理学一些前沿性的、有争议的或者不完备的信息，可以通过WIKI进行扩展和探讨，或者可以帮助师生来对某个知识点进行共享和整理。师生也可以将自己的一些成功经验和奇思顿悟加入WIKI，提高师生的创新能力。3.9 用户定制

师生可以直接定制自己感兴趣或者所需的物理教学信息内容，一旦物理教学数字图书馆内容有所更新，系统将根据师生的定制信息适时或定期将新信息主动推送给师生，师生便可以即时看到自己定制信息的最新更新。该功能可以通过RSS技术来完成信息的推送服务。物理教学数字图书馆不仅可以将信息推送到用户桌面，也可以手机终端等移动设备做互联推送。3.10 用户管理

为了方便对物理教学数字图书馆的用户进行管理，需要对访问用户做一定的限制。可以采用角色访问控制技术，对用户赋予不同的权限，对不同权限的用户组赋予不同的角色。比如可以将用户角色总体分为三种，管理员、超级管理员、一般用户。管理员角色，可以完成对信息的收集、加工、录入、更新与维护等工作。对于一般用户只能执行资源检索和浏览的功能。超级管理员具有管理员和一般用户的所有权限，同时也可以对所有用户进行授权和管理。3.11 用户帮助通过该模块为用户提供使用系统的帮助。可以按照以下三部分建设：帮助说明文档：对用户如何使用物理教学数字图书馆和一些常见的问题进行说明。网站地图：对物理教学数字图书馆的门户网站制作的地图，可以帮助用户很直观的找

到自己想访问的内容。信息导航：通过对物理教学数字图书馆的用户进行分析，针对用户范围和需求，对资

源进行鉴别和筛选，并按照一定规则进行分类导航，使用户能够快捷明了的找到自己需要的信息。参考文献 [1] 李芙蓉.论数字图书馆与教学科研信息服务模式. 时代文学(理论学术版，2007(2):110-111[2]Resource Description Framework (RDF).http://www.w3.org/RDF

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[3]郑巧英，杨宗英.数字图书馆的发展和研究.大学图书馆学报，2000(1):7-10[4]黄波.信息资源数字化建设与应用技术.网络资源与建设，2003(1)：61-64[5]康忠民,邱春兰.本科教学型高校图书馆数字化资源建设的思考, 情报探索,2006(12):106-107[作者简介] 赵雅洁（1979—），女，馆员，南开大学图书馆技术部，主要研究方向为信息处理与数字图书馆。本文系教育部2009年度研究项目“中美一流大学物理教育比较研究”阶段性成果之一。

哈佛大学理论物理专业教材评介研究张立彬（南开大学外国教材中心；天津 300071）李广平（南开大学物理科学学院；天津 300071）

通过对哈佛大学理论物理专业五本教材的评介与分析，对国内理论物理教学中教材的编写进行了思考并提出参考意见。国内编写同类教材时，应做到顾及全面、因材施教；独立钻研、独立思考；循序渐进、稳步提升；灵活渗透、扩展知识；认真选题、层次练习；精美排版、完善印刷等等。

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关键词：理论物理 粒子物理 量子计算 量子信息 量子场论 弦论 超弦论

引言哈佛大学是世界顶尖学府，研究其使用的教材情况对推动我国高校教材建设具有重要

的借鉴意义。本文选取了哈佛大学理论物理专业使用的五本教材作为研究对象，并对其进行了评介分析。研究的 5 本理论物理教材分别是：美国威斯康星州大学的 Francis Halzen 教授和英国杜伦大学的 Alan D.Martin 教授合著的《An Introductory Course in Modern Particle Physics：Quarks and Leptons》；加州理工学院的 Michael A.Nielsen 教授和麻省理工学院的Isaac L.Chuang 教授 2000 年在 Cambridge University Press 出版的《Quantum Computation and Quantum Information》；斯坦福大学的 Michael E.Peskin 教授和 Daniel V.Schroeder 教授 1995年在Westview Press 出版的《An Introduction To Quantum Field Theory》；加利福尼亚大学的Joseph Polchinski 教授 1998 年在 Cambridge University Press 出版的《String Theory》（两卷）；剑桥大学 M.B.Green 教授、加州理工学院 John H.Schwarz 教授、普林斯顿大学 Edward Witten教授合著，1987 年在 Cambridge University Press 出版的 《Superstring Theory》。

一 、《An Introductory Course in Modern Particle Physics：Quarks

and Leptons》（当代粒子物理学导论：夸克与轻粒子）评介《当代粒子物理学导论：夸克与轻粒子》是由美国威斯康星州大学的 Francis Halzen 教

授和英国杜伦大学的 Alan D.Martin 教授合著的，这本著作共 396 页，是 1983 年在 JOHN WILEY &SONS 出版社出版的[1]。Francis Halzen 教授常年在威斯康星州大学物理系工作，他是著名的理论物理学家，他的研究方向是粒子物理、天文物理学，他于 1987 年在著名的阿曼达实验室工作，也曾经是 IceCube 工程的主要负责人之一。他在威斯康星州大学教授学生的同时自己在理论物理方面也有了更深的造诣 [2] 。Alan D.Martin 教授生于 1951 年 11 月 12日，逝于 2009 年 3 月 20日，生前是英国杜伦大学物理系的领军人物，常年奋斗在教学一线，为本书的出版积累了丰富的工作与教学经验 [3] 。

1.1 内容介绍1964 年，美国物理学家默里·盖尔曼和 G.茨威格各自独立提出了中子、质子这一类

强子是由更基本的单元--Quark 组成的理论。它们具有分数电荷，是基本电量的 2/3或-1/3倍，自旋为 1/2。现在人类只是大胆假设、科学求证，夸克是为了解释一些目前人类无法解释的现象而提出的可能存在的假设，但人类一直没找到夸克存在的直接证据。

《当代粒子物理学导论：夸克与轻粒子》的主要内容有十五章：第一章主要讲对粒子物理学的前瞻，这一章里主要讲述了世界是由什么组成的？夸克与颜色、掌管原子能相互作用的因素、弱相互作用、夸克与轻粒子、地心引力、实验学家对粒子物理学的观点、粒子物理学的先驱等。第二章主要讲述对称性与夸克，这一章里主要有对称性与组合部分，这一部分讲了物理学中的对称现象，给对称和组合一个明确的介绍、有限的对称组合、在夸克这一部分里主要讲了夸克与反夸克状态、三种夸克状态、重夸克、颜色因素等。第三章主要讲述反粒子，在本章中主要有以下内容：非线性量子力学、洛伦兹协变和四航道记法、克莱因-戈登公式、E<0 情况下的 F-S相互作用、非线性扰动理论等。第四章主要讲粒子物理的电磁学性质。主要内容有电磁场中的电极，粒子非自旋现象、原理。第五章主要讲述了狄拉克方程，此章的主要内容有狄拉克方程的协变形式、伴随矩阵方程、自由粒子自旋性、非粒子性、完全性相关性、近邻协变性等。第六章讲述自旋 1/2离子的电磁学性质，主要内容有电磁场相互作用、

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高能量中的螺旋形保持、光子、极化因素、大量粒子的极化现象、实际真实中的光子、QED 中的费曼定理。第七章主要讲述循环、归一化以及耦合常量化。在本章里的主要内容有分立电子的交换、高次序错误更正、兰姆变换、非规则磁性状态、把循环聚在一起：区域统一性、归一化等。第八章讲述强子结构。第九章讲述部分子结构。这两张内容相对简单，书中用的篇幅也较少。第十章讲述多色量子动力学，这一章里主要有以下内容：部分子模型、P 现象的物理学相互作用等等。第十一章主要讲述正负电子湮灭和 QCD 现象，内容有正负电子湮灭成强子现象、关于 Three-Jet 现象的讨论、QCD扰动现象。第十二章主要讲述弱相互作用理论、第十三章讲述弱电相互作用理论。由于这两章内容相近，因此紧邻讲述。在第十四章，讲述了对称性估计，这章的主要内容是讲述拉格朗日单粒子波方程、大量玻色子的估计问题等。在最后一章讲述了 W-S模型，主要有弱电相互作用理论、以及证明弱电相互作用是归一的等内容。

1.2 本书特色《当代粒子物理学导论：夸克与轻粒子》对于粒子物理的研究是一本非常有价值的参考

书，虽然其内容非常基础，大部分的讲解在其他参考书上都可以找到，但其整体知识结构的编排以及一些重要的解决问题的思想方法体现除了本书的独到之处。首先，本书的知识框架非常清晰。主要内容虽然有十五章之多，但每张之间都有承上

启下的关系，而且，每几个小章都组成一个系统的回归，让读者一目了然，非常有利于读者阅读。

其次，此书中的插图清晰，对读者深刻掌握和理解所述内容起到了至关重要并且不可替代的作用。另外图文并茂，大量的模拟的图形，能加深读者对基本概念的理解。再次，书中的公式推导方法独特，用一种不同的表达方式来说明夸克与轻粒子，更易

于理解。在公式推导上并不完全拘泥于数学的运算，而是与其表征的具体物理实际相结合在做到统筹兼顾的同时也能表述的很明确、到位，本书讲得透彻易懂，同时不失深度，难易适度。

《当代粒子物理学导论：夸克与轻粒子》自出版以来受到各界的广泛关注。该书内容涉及面广，知识结构完整，理论分析深刻，循序渐进，对基本原理、基础概念的介绍系统、严谨，注重理论分析和数学推导相结合，注重理论联系实际，便于读者在学习知识的同时，获得分析、处理问题的方法，了解当前夸克与轻粒子研究方面的最新进展。本书既可供需要深入学习理论物理学理工科院校理论物理、凝聚态专业的高年级本科生、研究生作为教材使用，也可供相关领域的研究人员和工程技术人员作为参考。二、《Quantum Computation and Quantum Information》（量子计算

与量子信息）《Quantum Computation and Quantum Information》（量子计算与量子信息）这本书是由

加州理工学院的 Michael A.Nielsen 教授和麻省理工学院的 Isaac L.Chuang 教授合著的 ，2000 年在 Cambridge University Press 出版 [4] 。Michael A.Nielsen 教授 1974 年 1 月 4日出生于澳大利亚，现住在加拿大。他 1998 年在新墨西哥大学取得物理学博士学位。他曾作为美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究员获得理查德 Tolman 奖，同时也是加州理工学院的教授，而且还是澳洲昆士兰大学外线理论物理研究所的一名教授[5]。Isaac L.Chuang 教授的研究方向是计算机科学与电气自动化，他工作在麻省理工学院的电子产品研究实验室，他领导的研究小组致力于研究量子化的超冷原子。这个小组试图从基础的物理系统、原子和分子来理解和创造智能化的科技信息[6]。这本著作于 2004 年引入中国，由清华大学赵千川教授翻译。赵千川教授 2000 年曾访问美国 Carnegie Mellon 大学，回国后终于把这本名著翻译成中文，

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并于 2004 年由清华大学出版社出版。2.1 内容介绍量子计算与量子信息的研究可以追溯到几十年前，但真正引起广泛关注的是 20世纪

90 年代中期，这期间发现了 Shor量子因子分解法和 Grover量子搜素算法，这两类算法展示了量子计算从根本上超越经典计算机能力和在信息处理方面的巨大潜力。量子计算与量子信息对人类社会最具影响也最为惊人的发现是：量子计算机能够迅速破解广泛采用的RSA密码系统。掌握量子计算能力的制高点已成为关系信息安全的重要课题，不少国家已纷纷开始启动和资助相关的研究项目。

《Quantum Computation and Quantum Information》介绍了量子计算和量子信息领域的迅速发展和其交叉学科的性质。本书共十二章，分为三个部分。叙述的基本原则是从具体到抽象，先讲述量子计算后讲述量子信息；先讲特殊的量子纠错码后讲量子信息论的一般结果先讲例子后讲一般理论。

第一部分概述量子计算与量子信息领域的主要思想和成果，并介绍了量子计算与量子信息所必需的计算机科学、数学和物理背景知识。第一章是介绍性的，介绍该领域的发展历史和基本概念，着重介绍了历史上的若干重要的未解决的问题。这一部分的阅读，读者即使不具备计算机科学或物理学背景也可以读懂。第二章和第三章给出了更深入、详细的背景知识，分别详尽的叙述了量子力学和计算机科学的基本概念。读者可以根据个人的需要来获取所需的量子力学和计算机科学知识。

第二部分详尽叙述量子计算。第四章描述量子计算所需要的基本元素，给出更复杂应用中要用到的基本计算。第五章、第六章描述两个已知的量子计算算法：量子 Fourier变换和量子搜素算法。在第五章还解释了量子 Fourier变换如何用于解决因子分解和离散对数问题，以及对这些结果的关于密码系统的重要性。第七章以在实验室中获得成功的几个案例说明量子计算机好的物理实现的一般原则。

第三部分讲述有关量子信息的理论：如何用量子状态表示和传送信息，如何对付经典信息和量子信息的损失。第八章描述了现实世界量子信息处理的量子噪声性质和对理解量子噪声非常有用的量子运算形式化。第九章描述精确量化两个量子信息相似程度的距离度量。第十章讲述量子纠错码，量子纠错码可以用来使量子计算免受噪声影响。第十一章引入基础信息论的概念——熵，并给出经典论和量子信息论中许多熵的性质。最后在第十二章介绍了量子状态和量子信息的承载属性，详尽描述这类系统传送经典信息和量子信息以及机密信息时具有的许多特殊性质等。

2.2 本书特色首先，《Quantum Computation and Quantum Information》有两方面的目的，首先介绍计

算机科学、数学和物理方面必要的背景知识，其中最重要的是具有一定的数学修养和希望了解量子计算与量子信息的愿望；本书的第二个目的是详尽叙述量子计算与量子信息的核心成果。本书可以用作多种用途，可以作为各类课程的基础教材，讲授量子计算与量子信息的短期基础讲座的课程。

其次，大量精美直观的各式图片也是本书的一大特点。图表具有直观的特点，能描述文字所不能描述的细节。作者为本书精心制作了大量图表，类型多样。读者可以通过这些图表更好更快地理解本书内容。再次，详细的参考文献，在本书的最后，列出了书中所用的参考资料，每个地方都非

常详细，方便了读者可以快速的查找到资料的源头。《Quantum Computation and Quantum Information》的社会评价非常高，有许多此专业的

研究人员在谈到选择哪本教材时，首选的就是这本书，而且也有很多相关方面的书拿这本书作为参考教材，引用次数非常高。《Quantum Computation and Quantum Information》完整

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系统的介绍了量子计算与量子信息的最新成果和基本知识。本书内容深入简出，层次分明它既可以作为一般有兴趣的读者了解该领域的入门读物，也可以用作各科的基础课程教材既可以供大学高年级学生和相关专业研究生学习使用，也可为相关领域的科研人员参考。三、《An Introduction To Quantum Field Theory》（量子场论导论）

《量子场论导论》这本经典教材是由斯坦福大学的 Michael E.Peskin 教授和 Daniel V.Schroeder 教授合著的，1995 年由Westview Press 出版，全书共计 842 页。这本经典英文教材 2006 年引进中国，由世界图书出版公司出版[7]。Michael E.Peskin 是一位著名的理论物理学家。他毕业于哈佛大学，在麻省理工大学获得博士学位，并在哈佛大学做博士后。1978年他曾在康奈尔大学肯尼思·威尔逊的指导下深造。1979-1980 年在法国 Detudes Nucleaires中心做访问学者。1980-1982 年在康奈尔大学做访问副教授。1982-1986 年是斯坦福大学SLAC 中心的副教授，1986 年至今，Michael E.Peskin 是斯坦福大学 SLAC 中心的教授 。2000 年，他曾荣获美国科学院艺术科学奖[8][9]。Daniel V.Schroeder 教授出生在路易斯密苏里州，1980-1984在 Carleton 学院攻读学士学位。1984-1990在斯坦福大学读研，并获得博士学位。他的主要研究成果是在斯坦福的直线加速器中心获得的。他在 Pomona 学院教授物理学约一年以后，到Grinnell 学院又工作了两年[10]。

3.1 内容介绍 量子场论是理论物理专业研究生的基础理论课，量子场论是集各家之言形成的著作。量子力学的大部分内容，可谓名家云集，其中有麦克斯韦的经典电磁场理论、爱因斯坦的狭义和广义相对论等。作者在撰写这本书时，十分推崇 Bjorken 和 Drell 所著的《Relativistic Quantum Field Theory》这部名著，希望这部书能够承袭他们的优良风格，把量子场论抽象的形式、宏观的解释和实际的应用理想的结合在一起，同时反映出自上世纪六十年代以来量子场论所取得的新进展，给读者提供像那部名著一样的深度和容易接受的全面的阐述。

《量子场论导论》是对量子场理论和经典模型几乎各个方面的介绍，内容详尽充实，这本书的价值在于任何读这本书的人可以不具备量子场理论的知识就可以从这本书中获得关于这个内容一个较详尽的理解。与同类教材相比，该书的内容更加详尽。全书共分为三个部分：第一部分集中介绍正则量子化方法、量子电动力学和费曼图。这

一部分由七章组成，分别是：绪论、Klein-Gordon 场、Dirac 场、互作用场和费曼图、量子电动力学的基础理论、发光修正导论和一些最新进展。第二部分讲述的是一些处理方法，着重阐述泛函方法、重整化和重整化群以及临界指数等问题。这部分内容又分为六章，分别是绪论、方程解决方法、归一化系统、归一化和对称型、归一化组、临界指数以及斯卡拉场理论。本书的第三部分共八章内容，详细讨论了非阿贝尔规范场。这部分具体包括强子结构的部分子模型、非阿贝尔规范场的不变性、非阿贝尔规范场的量子理论、量子场色动力学、算符运算和有效阈、异常扰动理论、规范场的自发对称断裂理论以及该理论的量子解释。在本书的结尾，作者用发展的眼光介绍了量子场理论的发展前沿，指出了量子场论的发展前景，收官完美。

3.2 本书特色首先，作为一本量子场论知识的导论，并不要求读者有这一课题的知识基础。本书的起

点较低，从最基本的出发点构建了整个完整的量子场理论，自成一套完整的体系，读者只需要有基础的物理学知识，就能通过本书学习而入门精通。

其次，作为一本教科书，本书很注重使其易懂和富于启发性，每个相关公式的推导和例题的分析解答都做到非常详尽。本书的推导步骤详细，过程严密。读者不需要借助其他参考书便能完全理解。而且，为了读者检查自己的掌握情况，在每一章的后面给出了几个精选的习题，使读者对深入理解本章的内容有很深的帮助。每个习题都在结尾部分给出了详尽

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的答案。《量子场论导论》自出版以来，得到了社会各界的强烈反响，得到大家的一致好评：斯

坦福大学直线加速器中心 I.I.Bjorken 教授曾说，这本书对于他来说是很厉害的竞争对手；加利福尼亚大学圣克鲁兹分校M.Dine 教授说，我用《量子场论导论》讲了几次研究生的课，他给学生提供了现代场论几乎所有的工具。它是唯一包括对于重整化和重整化群完全现代的 Wilson处理的场论教材。学生觉得它很好地满足从事QCD 和电弱理论研究的需要；芝加哥大学 J.Harvey 教授说，Michael E.Peskin 和 Daniel V.Schroeder完全采用现代的观点写了一本导论性的场论教科书。该书的难易程度适中，内容取舍合理，对于场论的工具和概念给出了一种适合于教学的介绍。它对于凝聚态、宇宙学和粒子物理专业的学生都是非常有帮助的。Michael E.Peskin 教授和 Daniel V.Schroeder 教授多年来在大学讲授量子场论，对于教学他们有切身的体会，他们合著的这本书除被哈佛大学采用外，还被美国的许多大学选用为一个学年的研究生课程教材，受到同学们乃至同行的普遍好评。这本著作的适用对象是理论物理专业的研究生，另外对于其他专业搞理论研究的研究生来说也是一本不可多得的好教材[11]。

四、《String Theory》（弦论）《弦论》这本经典教材由著名教授 Joseph Polchinski1998 年所著，Cambridge University

Press 出版，全书共两卷，其中第一卷计 402 页，第二卷计 531 页。Joseph Polchinski 教授 1980 年在加利福尼亚大学获得博士学位，先后在斯坦福大学线

性加速器中心和哈佛大学做博士后，1984 年在德克萨斯大学任教，1992 年至今，Joseph Polchinski 教授在加利福尼亚大学任物理学教授，而且是理论物理学会的永久会员[12]。

4.1 内容介绍弦论是理论物理学中的一个尚未被证实的理论。即认为宇宙是由我们所看不到的细

小的弦和多维组成的。弦理论是一个提出了不同于以往点粒子模型的理论，具有很强的超前意识。《弦论》共分两卷，这两卷内容给出关于弦理论最新，最全面的介绍。卷一：《An Introduction to the Bosonic String》，本卷在亚科夫回路积分和正形场理论的

基础上详尽描述了玻色理论。本卷的前四章重点介绍有关弦理论的中心思想，基础思想；研究亚科夫回路积分和正形场理论的工具以及弦理论的协变量子化。接下来的三章讲述了弦理论相互作用的普遍形式，以及对于树形级别与一级循环的细节处理方法。第八章涵盖了紧致化现象与许多弦理论物理的重要方面，比如 T二元性和 D振动性。第九章介绍比较高级的振幅运动，包括有限性和归一性的分析以及各种关于扰乱的思想。在本卷的最后给出关于回路积分方法的简略介绍。卷二：《Superstring Theory and Beyond》，本卷从关于超弦理论的论述开始，介绍了近

几年在超弦理论上的重大进展。在前三章介绍了Ⅰ型、Ⅱ型和异形超弦理论，以及它们之间的相互关系。接下来的两章重点介绍了关于强组合弦论有关的重大最新发现以及对于 D振动性的详细描述和它的动力学性质。这部分内容包括弦论二元性、M 理论以及黑洞熵理论。下面一章讲述了关于共形场论的经典例子。最后四章重点讲述四维弦理论，主要有两个目的：展现最简单的弦模型，即怎样用原始思想来匹对标准模型；搜集许多重要的、完美的关于空间对称性的的普遍结论。最后总结了费米子与超对称性的重要背景。

4.2 本书特色首先，这两卷都包含带有注释的参考章节、注释的理解，这样不仅会对阅读本书的同

学有莫大的帮助，而且对于一些重要的概念和理论等也有非常详尽的术语介绍。其次，本书的许多章节都有例题，使读者能对章节内所得到的公式加以具体应用，解

决实际问题。这些例题大多很简明，但都很有代表性，涵盖了整个章节的重点与难点。114

再者，本书还准备了许多习题，这些习题都包括了所在章节的重要内容，做好它们是对内容很好的掌握。

《弦论》自出版以来，它的社会评价非常高，有许多著名的教授在讲授弦论时都是首选这本著作，因此它在学术领域有很高的荣誉。

弦论要解决的问题是十分复杂困难的，如了解为何宇宙中有这些物质和交互作用、为何时空是四维的。因为没有其它任何一个理论在这个目标上的进展可与之比拟，弦论无疑仍是值得继续努力研究的。呈现在我们眼前的这本经典著作《弦论》更是人们在茫茫探索之路上的良师益友！《弦论》是研究生期间理论物理学专业必修的课程，要求读者具有基本的物理学知识。这本著作的适用对象面对各高校的研究生，也可作为大学教师扩展理论的参考教材。

五、《Superstring Theory》（超弦理论）《超弦理论》这本著作由剑桥大学的 M.B.Green 教授、加州理工学院的 John H.Schwarz

教授、普林斯顿大学 Edward Witten 教授三人合著的，全书 470 页，1987 年在 Cambridge University Press 出版[13]。

M.B.Green曾是伦敦大学皇家马德里学院的一名资深教授，目前工作于剑桥大学理论物理高能粒子物理小组，他的研究对象是弦论、基本粒子、量子重力和相关领域的量子场理论和统计物理学[14]。John H.Schwarz 于 1941 年 11 月 22日出生于北亚当斯麻萨诸塞州，哈佛大学毕业，加州大学伯克利分校获得博士学位，在普林斯顿大学从事博士后研究，目前是加州理工学院的教授，主要研究方向是物理学、数学、天文学[15]。Edward Witten 教授 1951 年出生于一个犹太族家庭，他是著名的理论物理学家，他的研究方向是万有引力与相对论关系。他在布兰迪斯大学获得历史学学位，后来进入威斯康辛麦迪逊大学深造，之后又转入普林斯顿大学攻读应用数学学位，在 2004 年物理学诺贝尔得奖者 David Gross 的教导下，他与 1976 年获得物理学博士学位。Edward Witten 教授是国际著名数学家与物理学家，现任普林斯顿大学物理学教授，查尔斯·西蒙讲座教授。1985 年获物理学最高奖—阿尔伯特·爱因斯坦奖，同年获国际理论物理中心颁发的狄拉克奖。1990 年获得被称为数学的诺贝尔奖的菲尔茨奖，1997 年获美国科学成就金奖。现为美国科学院院士，美国皇家学会外籍院士[16]。

5.1 内容介绍超弦理论属于弦理论的一种，也指狭义的弦理论，是物理学家追求统一理论的最自

然的结果。这里的“超”有超对称性的意思。为了将玻色子和费米子统一，科学家预言了这种粒子，由于实验条件的限制，人们很难找到这种能够证明弦理论的粒子。超弦理论作为最为艰深的理论之一，吸引着很多理论研究者对它进行研究。如果真是理论预言的那样，我们将有可能建立一种大统一理论，来描述我们的宇宙。《超弦理论》正是这么一本集大成的著作。

《超弦理论》第一卷共分七章：第一章是导论，主要有六小节，分别讲述早期的双重模型、双重模型的普遍性、弦理论、弦论的相互作用、弦理论的其它方面、本章总结。第二章主要讲述自由玻色子弦理论，分别讲述了经典的玻色弦理论、旧的量子力学协变理论方法（一）、光锥形体计量量子化（二）、本章总结。第三章主要讲述现代协变量子理论，在这一章里分别讲述了协变路径积分量子化、BRST量子化、弦理论世界中全方面的问题、弦理论的背景知识、本章总结。第四章讲述了弦理论中的超对称性。在本章中主要讲述了关于超对称性的经典理论、旧的协变方法量子化（二）、光锥形体计量量子化（二）、现代协变量子

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化、N=2 和 N=4时弦理论，在本章的总结之后创新性的加入了一小节阅读内容:超 Yang-Mills 理论，作为课外阅读内容。第五章主要讲述了弦理论中的超时空对称型。在本章中分别讲述了超对称性的经典理论及其量子化、超对称性的光谱学分析、关于协变量子化的备注、本章总结。在总结后本章给出两篇阅读材料供课外阅读：SO（2n）系统的性质、spin(8)克利福德代数学法。第六章主要讲述了非艾贝尔对称性的计量。在本章中主要介绍了开式弦理论、在弦理论中的当代代数学、异性弦理论，主要包括 SO（32）理论和 E8*E8 理论、环形压制理论、本章总结。在总结后有两篇课外文献，分别是 E8 理论的基础和模式组织。在最后一章讲述树形振幅理论，主要内容有玻色子开式理论、玻色子闭式理论、在 RNS公式中的超弦论、在超对称性公式中的超弦论及最后本章总结。

5.2 本书特色首先，《超弦理论》这本著作的重要特点是在每章的最后除了总结外，还有编者精心挑

选的关于本章的课外阅读材料。这些材料虽不是课堂上必须要讲述的知识内容，但是它们对于读者理解本章的内容，特别对关于本章中的疑难点的解答是大有裨益的。

其次，该书的各个章节都有大量的插图，使读者能对理论知识有更形象的理解，并直观地认识具体的实验装置及研究成果。各章的章末都有针对性的习题，方便读着检测自己的阅读效果，并加深对相关理论的理解。另外，本书还有一个不同于其它书很大的优点，在本书的最后部分有一个非常详细的

各章的文献目录，主要是在历史上关于弦理论中典型的观点和重要的讨论，了解这些历史问题对于理解弦理论的发展有很大好处，这也是本书的主要特色之一。

《超弦理论》自出版以来，受到社会各界的广泛关注，得到人们的一致好评。它的社会评价非常高，是许多讲授此课程的老师首选地教材。《Superstring Theory》是一本建立在读者具有弦理论的基础上来讲述的一门课程，一般在研究生期间，讲完弦理论的有关课程后在进行讲述，作为弦理论的一个扩展课程，因此本书要求读者的相关知识面比较高，通常要学过相关课程的基础知识，把本书作为知识的扩展来使用。六、对国内编写理论物理同类教材的启示6.1、顾及全面、因材施教目前国内同种教材种类比较多，但教材的重点和编写的水平也不尽相同。因此，在编

写或选用某一科目的教材时，应根据我国大学物理教学的现状。考虑到大部分大学中的理工学院把物理学作为大学公共课的实际情况，在教材编写上可以将大学理论物理分为两类课程，如A、B 两类，并提供两类课程的教学内容和教学要求，A类课程较 B类课程的教学内容要多，教学要求要高。即为了便于实施，在物理学院，实行 A类课程，在其他理工学院，按照要求实行 B类课程。另外还要考虑到我国幅员广阔，经济、文化、教育的发展很不平衡，教材要面对差异很大的各类学校和不同程度的学生，必须具有弹性，以便于教学中因材施教。具体可以在教材编写中将教学内容分为必学和选学两部分。必学内容是对全体学生的基本要求，也是全体学生经过努力可以达到的要求，应引导学生首先扎扎实实将它们学好。选学内容不作考查，由教师根据实际情况自行选择。总之，新教材力求掌握好教学要求和程度，增加弹性，这也是提高教学质量和教学效率的一个重要方面。

6.2、独立钻研、独立思考独立思考是有所发现、有所创造的前提。就学习过程而言，只有独立思考才能真正做到

对知识的理解，才能有效地提高思维能力。因此培养读者独立思考的能力和习惯，在教材中应该有所体现。具体体现在主干知识要讲好，派生性的知识不一定事无巨细全部写出，要给学生留有独立钻研、独立思考的余地。以往教材那种不分巨细，知识都“嚼碎”了“喂”给学生的传授方法不利于学生独立思考。能让读者自己概括、推理、证明的，应该尽

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量鼓励读者自己去做。另外适时总结，可以使学过的知识和方法系统化，而且总结本身也是一种方法的训练和能力的培养。另外教材的编写要有利于师生互动，教学是教师的教与学生的学的统一的结合。强调师生交流、构建互动的师生关系、教学关系，是新教材编写的重要理念之一。

6.3、循序渐进、稳步提升教学过程既是学生学习知识的过程，也是学生领会方法、提高能力和接受熏陶的过程。

无论是知识掌握，还是能力提高，特别是接受科学的熏陶和科研素质的培养，都不可能一蹴而就，要有一个符合学生认识规律的逐步积累的过程。拔苗助长不但长不起来，还容易挫伤学生的学习积极性，欲速则不达。因此在编写教材，特别是物理类教材时，特别应注意循序渐进，知识要逐步扩展和加深， 能力才能逐步提高。在教材的编写中，在教学内容的安排和讲述方式方面，都充分注意贯彻循序渐进的原则。

强调循序渐进并不是裹足不前，并不是说教材的编写不能有难度，而是由易入难。如果大多数学生都已理解和掌握了某一知识，而教学还在低水平上重复，这就限制了学生的学习积极性。循序渐进要求我们根据学生实际情况和认识规律, 分层次、有步骤地对学生提出恰当的要求，以提高教学的质量和效率。在这一点上，教材的编写显得尤为重要。

6.4、灵活渗透、扩展知识著名物理学家杨振宁曾多次对中美学生的学习特点加以比较，指出中国学生按部就班地

学习多，灵活渗透地学习少，应注意将二者很好地结合起来。在课本编写中，也要注意到这一点，试着采取灵活渗透的方式扩展知识面，引导学生逐步习惯于灵活渗透地学习。有些内容适合用渗透的方式学习，一开始不一定要求学生有深入的理解，经过一段熟悉、积累之后，逐步有所体会，再加以总结提高。对问题的理解、认识和运用都需要有一个逐步深入的过程。与世界上主要发达国家的教学内容相比，我国大学物理教学内容的知识面是比较窄的。在不增加课时、不造成过重负担的前提下，应尽可能多地扩展学生的知识面，以弥补学生知识面过窄的不足。教材中应设有“阅读材料”，供学生课外阅读。阅读材料中，有很多属于扩展知识面的内容。采取灵活渗透的方式学习，不必给出某些概念和术语的严格定义，让学生了解一个大意，知道有这么一回事，开扩了眼界，激发了兴趣，就达到了目的。

6.5、认真选题、层次练习安排好节后的练习和章后的习题，是编好教材的重要一环。教材中的练习题要注意题目

的针对性。每设一题必须明确目的、辨析概念、巩固知识、加深理解。章后的习题可以分Ａ、Ｂ两组，题目是对全章知识的深化和综合，还有与前面所学知识的综合。Ａ组为基本题，做到覆盖面大，突出重点，力求每道题都发挥它应有的作用。这是对全体学生的要求；Ｂ组为选做题，供学有余力的学生选做。要注意了练习题的编排层次，以利于循序渐进、因材施教。

6.6、精美排版、完善印刷一本好的教材，应做到从内容到形式都是完美的，这样读者在阅读时会觉

得这是本精心编制的教材。编排形式新颖、活泼的教材将有助于开阔学生的思维，加深对内容的理解。比如说在版式上，采用１６开本，并在每页的一侧留出一列空间，放置插图、旁批或留给学生利用。这样在视觉上和心理上都给出了较为宽

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阔的空间。在栏目的设置上，以有利教学为原则。为了突出重点，用不同的字体区分不同的内容；在演示实验、重要的公式和定律下，铺设彩色衬底，力求形式活泼、醒目又不“喧宾夺主”。

参考文献：[1] Francis Halzen 、 Alan D.Martin.An Introductory Course in Modern Particle

Physics：Quarks and Leptons. JOHN WILEY &SONS，1983：1-396.[2] http://icecube.wisc.edu/~halzen/[3]http://www.tributes.com/show/Alan-Martin-85697830[4]Michael A. Nielsen、 Isaac L.Chuang. Quantum Computation and Quantum

Information. Cambridge University Press，2000：1-390；1-279.[5]http://en.wikipedia.org/wiki/Michael_Nielsen[6]http://feynman.mit.edu/ike/homepage/index.html[7]Michael E.Peskin 、 Daniel V.Schroeder. An Introduction To Quantum Field

Theory. Westview Press，1995：1-842.[8]http://en.wikipedia.org/wiki/Michael_Peskin[9]http://www.slac.stanford.edu/slac/faculty/hepfaculty/peskin.html[10]http://physics.weber.edu/schroeder/#courses[11]Michael E.Peskin、Daniel V. Schroeder. An Introduction To Quantum Field

Theory. Westview Press，1995：封背面.[12]Joseph Polchinski.String Theory. Cambridge University Press ， 1998 ： 1-

402；1-531. [13] M.B.Green、John H.Schwarz、Edward Witten.Superstring Theory.Cambridge

University Press，1987：1-470. [14]http://www.damtp.cam.ac.uk/user/mbg15/[15]http://www.theory.caltech.edu/people/jhs/[16]http://news.xinhuanet.com/newscenter/2002-08/13/content_522800.htm

[作者简介]张立彬（1964—），男，河北石家庄人，教育部南开大学外国教材中心副教授 ，现主要从事信息文化、信息技术与外国教材研究，发表各类学术论文100余篇，其中被《新华文摘》全文转载或论点摘编4篇；李广平（1987—），男，山东东营人，南开大学物理学院研究生，光电材料研发中心，主要从事材料物理与化学研究。

本文系教育部2009年度研究项目“中美一流大学物理教育比较研究”的阶段性成果之一。

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哈佛大学《粒子物理》教材评介与分析张立彬 1；谢亚平 2

（1.南开大学外国教材中心， 天津 300071；2.南开大学物理科学学院， 天津 300071）

本文介绍了美国哈佛大学粒子物理课程使用的教材的基本情况。通过评介与分析，建议国内编写同类教材时，也应由名家撰写、文献丰富、善用图表、因材施教、及时更新、问题新颖、风格多样等。关键词： 哈佛大学 理论物理 粒子物理 教材评介 启示作者简介：张立彬（1964—），男，河北石家庄人，教育部南开大学外国教材中心副教授，现主要从事信息文化、信息技术与外国教材研究；谢亚平（1982--），男，湖南娄底人，南开大学物理学院研究生，从事理论物理研究。

《 Particle Physics ： A Comprehensive Introduction》 （粒子物理：综合导论）是美国哈佛大学物理系课程编号为 5341 的课程“Physics 248. Phenomena of Elementary Particle Physics ”（基本粒子物理唯像学）所选用的 教 材 。该课程还有三本 教 科 书 ，即《 Gauge Theories in Particle Physics》、《 Quarks and Leptons：An Introductory Course in Modern Particle Physics》和《 An Introduction to Gauge Theories and Modern Particle Physics 》。 本 文 评 介 的 教 材《Particle Physics： A Comprehensive Introduction》由前言、正文、附录、参考文献和索引五个部分组成，其中正文 13章，共 473 页。本书的作者是美国加州大学圣克鲁兹分校的亚伯拉罕·西顿教授。

一、作者介绍《 Particle Physics ： a

Comprehensive Introduction》由美 国加州大学圣克鲁兹分校的亚伯拉罕 ·西顿(Abraham Seiden)教授撰写。2005 年由美国安德森·卫斯理(Addison Wesley)出版公司出版。[1]亚伯拉罕·西顿教授是美国加州大学圣

克鲁兹分校粒子物理研究所的主任。粒子物理研究所是圣克鲁兹大学的一个独立的研究所，该所有 30多位博士学位的科学家，它的研究领域为粒子物理学，天体粒子物理学和神经生物学，以及由于粒子物理学的革新而衍生 出的 其他学科领域。自从1978 年以来，亚伯拉罕·西顿教授一直在这个研究所工作，1981 年至今，亚伯拉罕·西顿教授一直是该该研究所的主任。亚伯拉罕·西顿教授 1989 年被选为美国科学学会的会员，1995 年，他获得了圣克鲁兹大学自然科学领域杰出贡献奖。亚伯拉罕·西顿教授 1967 年在哥伦比

亚大学获得应用物理学学士学位，1970 年获得加州理工大学硕士学位，1974 年获得加州大学圣克鲁兹分校的博士学位。他的研究领域包括了夸克碎裂过程、深度非单散射，重介子的弱衰变亚，弱相互作用中的 CP破坏和混合，电弱理论的自发对称性破缺以及强子的碰撞过程。亚伯拉罕·西顿教授是现在世界上大多数粒子碰撞加速器中心探测器建设工程的领导者。这些工程包括帮助欧洲核子中心大型强子对撞机制造硅阵列探测器来跟踪粒子。在亚伯拉罕·西顿教授的工作领域，他

是高能物理领域的权威，他是美国斯坦福直线加速器和欧洲核子中心科学政策委员

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会的委员，大型微光探测引力波项目工程的委员。亚伯拉罕·西顿教授还是高能物理咨询委员会的成员，该委员会向美国国家自然科学基金会陈述意见。

二、本书的创作背景自从上个世纪四十年代以来，费曼、施

温格、朝永振一郎三个人提出量子点动力学以来，然后是高能加速器的运用，几十年以来，粒子物理取得了无以计数的科研成果。上个世纪七十年代，自从温伯格、萨拉姆和格拉肖三个人提出了标准模型以来，粒子物理又迎来了一个新的春天。通过无数的实验证明，标准模型在很多的情况下与实验符合的很好，但是，和任何理论一样标准模型也不是终极理论，它也存在某些不能解决的问题。这主要是中微子振荡和希格斯粒子的存在与否等问题。在标准模型下，中微子是无质量的粒子，但是实验上却观测到中微子有振荡现象。这说明它是有质量的，所以，标准模型必须修改。希格斯粒子通过和费米子之间的 Yukawa相互作用而使费米子改变质量，在标准模型下，希格斯粒子必须存在，但是，在当今的实验观察中，还没有一个能够观测到希格斯粒子的实验实例。此外，还存在一个重要的问题，即在低能情况下，微扰方法在强相互作用的计算方法中完全失去了效力，使得强相互作用的问题变得非常复杂，至今没有一套完整的理论来解决强子的衰变问题。本书在以上的背景下，重点描述了标准模型的主要内容，包括基本粒子和基本相互作用的理论。[2]

三、本书的主要内容这本教材涵盖了粒子物理中标准模型

下的基本概念和理论，标准模型的目的是了解亚原子结构以及其中的基本相互作用的理论，进而使人类对微观尺度有一个更加深刻的认识。标准模型通过一些基本的粒子来描述

三种基本的相互作用，这些基本粒子包括三代夸克和三代轻子以及传递相互作用的规范粒子。这些基本粒子已经被当今的自然

科学研究所揭示了，它们的存在已经通过加速器的实验证明了，标准模型已经被无数次实验被证明了它的正确性。[3]粒子物理课程一般在研究生的二年级

开设，在高等量子力学之后，和场论一般在同一年开设。通过多次课程实践经验的总结，本书作者在本书中自然地就列出了狄拉克方程的形式，以及基本的场论知识。同时，本书假定学生学习本课程的时候已经学习完了量子力学，包括角动量和克莱不登-高登系数。在场论方面，本书已经试图去阐述数学在解释物质中的作用了。这其中的物质是多自由度的，而不是单粒子的情形。在当今的粒子物理学中，本书可以写

下一些方程来推测它们的因果联系，或者是通过实验现象来研究理论体系。这本书的内容是选用后一种研究方法来研究粒子物理学，这要求使用本书的学生更多地了解我们的理论体系和理解标准模型下的证据。特别是在强相互作用的非微扰理论下的情况更应该如此。

本书可以作为一个学年的课程的教学任务，也可以作为一个学期的专题讨论版教材。例如，对于弱相互作用，前三章的内容可以调整，因为其他的课程已经讲述了。而对于夸克禁闭模型和强子理论来说可以更加简略地讲述。

本书的主要内容分为三大部分。第一部分主要是讲粒子物理的研究方法，通过高能加速器上的碰撞实验和宇宙射线中的观测实例，从而观测其中的粒子之间的散射截面和衰败宽度。然后，告诉读者如果计算粒子物理中的散射截面和衰败宽度。第二部分是讲述微观世界的三种基本的相互作用以及基本粒子。三种基本作用包括电磁相互作用，书中讲述了轻子和轻子、轻子和光子之间的相互作用；第二种相互作用是强相互作用，本书在讲述强相互作用时候，讲述了强子的衰变，介子的衰变，以及强子的分类，强相互作用中的同位旋破坏和对称性研究方法等等；第三种相互作用是弱相互作用，本书在这里讲述了重介子的弱衰变，弱相互作用中的混合和 CP破坏现象。

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第三部分是讲述了当今高能粒子物理的科学进展，主要是大动量转移的碰撞实验，在高能情况下，量子色动力学是可以用微扰方法来计算的，在大动量转移情况下，强相互作用具有渐进自由的特性，本书还在这一部分讲述了 LHC 的研究情况以及二十一世界的粒子物理研究领域并对未来的高能物理进行了展望。

四、本书的学术价值本书虽是作为一本研究生教材，但其

学术价值却很深入，由于作者的工作和学术背景，本书学术价值的重心在唯像研究。本书着重讲述了现在各加速器实验室的各种实验进展。比如，在 3-5GeV 能区，主要是 C 物理现象。北京正负电子对撞机所进行的实验，粲偶素物理一直在现在中高能物理的一点难点，因为在粲物理能区，由于耦合常数过大，整个微扰理论失效。本书在讨论粲物理问题主要是应用非微扰方法，这也是现在解决粲物理问题比较有效的方法。在 9-12GeV 能区主要是 B 物理，现在B 物理的加速器主要有日本的 B 工厂等，现在 B 物理能区的主要研究方向是弱混合和 CP破坏，本书在弱相互作用这一章中重点讲述了弱混合和 CP破坏，这是最新的研究成果。另外还有中微子物理，也是当今粒子物理科学的前沿，本书也讲述了中微子的振荡，这是中微子有质量的间接证据，也是标准模型外所不能解释的问题。本书虽然为教材，但是对于这样的科学前沿问题做了深入的探讨，这是本书的一大亮点。[4]

五、本书的主要特色5.1 内容全面。本书作为一本高年级本

科生和研究生的粒子物理教材，书中的内容涵盖了强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用三大基本相互作用。书中沿着历史的顺序，先是介绍了电磁相互作用，通过电磁相互作用给大家介绍了如何计算散射截面和衰败宽度。因为，电磁相互租用是现代物理学了解最深刻的基本相互作用，也是微扰计算最为精确的物理过程。然后，本书

又介绍了强相互作用，强项互用因为低能情况下微扰计算失去了效力，所以只能用非微软的方法来对付强相互作用。最后，本书介绍了标准模型下的电弱相互作用。[5]

5.2 物理图像清晰。作为一本唯像理论的粒子物理教材，本书没有过多的量子场论和重整化，而是直接通过费曼图，传播子理论讲述了三大基本相互作用。场论中的物理过程强调的是数学的严谨，但是缺少了清晰的物理过程的描述。本书弥补了这样的缺陷，重在强调物理过程，其中本书的传播子理论很清晰地描述了粒子的产生和湮没的过程。

5.3 数学计算过程详细。本书作为一本导论性质的粒子物理教材，但是，其中的数学过程却很清晰明了和详细。相对于佩斯金的《高能物理导论》而言，本书的数学过程详实但是不繁琐。其中佩斯金的《高能物理导论》主要讲的是试验中观测到的物理现象和基本的物理理论，数学计算的结果比较简略，这对于初学者是一个比较困难的过程，因为初学者往往很难理解高能物理中的计算过程。本书对于散射截面和衰败宽度给出了较为详实的计算过程，这很有利于初学者。

5.4 图表众多。物理作为一本以实验为基础的实验科学，最强调的是和实验的同步，为了说明复杂的物理过程，本书引用了很多的图表来阐述其中的物理过程，其中有散射费曼图，还有一些模拟图。通过以上几种图表，读者可以清晰地知道其中的物理行为。散射截面的图表最为说明其中的问题了，这也是现代高能物理研究的一个重要的方法，本书为了阐述清楚其中的计算结果，引入了很多的图表来说明情况，给人一种清晰、明朗的感觉。

5.5紧密联系最新科研进展。本书成书于 2004 年，是适合于 21世纪的前沿科学的教材。本书在讲述基础科学的同时，也融入了最新的关于高能物理的进展。其中，本书着重讲述了强子的衰变，弱相互作用的CP破坏和中微子振荡等最新的科学进展。其中，弱相互作用中的 CP破坏是 1998 年的诺贝尔物理学奖获奖的课题，中微子振

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荡是 2000 年诺贝尔物理学奖获奖的课题。本书通过最新的科研动态和基础理论的联系启发读者，这是本书的一个鲜明的特色。

5.6结构严谨，重点突出。本书开篇先讲实验上的怎么观测到高能物理的现象，然后，讲述如果计算散射截面和衰变宽度。这是我们认识自然世界的的方法，这些基础的东西在本书中虽然不是重点，但是是必须的。之后，本书着重讲述了三种基本相互作用的理论。这是本书的重点，也是我们认识自然世界的内容。本书作为一本唯像的粒子物理教材，也没有重点讲述重整化群的方法，因为，那是一般场论教材的内容通过以上的轻重有别的指导思想完成的本书的结构明朗，沆然一气，学完本书之后学生能够基本掌握粒子物理学科的基本知识。

六、适用对象与社会反映本书出版以来，受到的各类读者的广

泛好评，本书的主要读者群为物理系的研究生和高校的教师以及各研究所的研究员。因为本书与最近的科研进展紧密联系，本书的出版全球谷地的读者带来一种新的气息，受到广大专家学者以及学生的高度评价。

美国休斯顿大学的 Lawrence Pinsky教授曾称：“我早就觉得应该有一本关于当今粒子物理领域的教材了，我很欢迎这本重要的新的教材的出现。”美国加州理工大学物理系研究生 John TD Jones则称： “我用这本书做教材，它的数学演算很明朗，我在这本书中了解到了粒子物理中的基本的计算过程。”卓越亚马逊的一位网友评论：“作为一名初学者，这本书从基本的费曼图说起，然后再到最新的科学前沿这是 一本非常适合 初学者的粒子物理 教材。” 中国南开大学物理学院博士研究生王晓鹤评介本书说“通过这本书，可以了解粒子物理学的最新进展和新的科研方向对于指导我的博士论文很有裨益。”

七、对国内大学编写同类教材的

启示本书为美国著名大学的教材，对于中

国的高等教育教材建设有着很大的启示作用，主要有以下几点：

7.1名家撰写。作者富有丰富的教学和科研经验，本书的作者亚伯拉罕·西顿教授是美国物理学会的会员，同时也是世界在建几个加速器探测器的指导者，他有着几十年的科研经验，对粒子物理的进展了解非常深入和透彻。能够把握住当今科研的动态，所以读者能从本书获得不少的收获。所以，我们中国的高等教育教材建设要上一个新台阶，必须也需要这样的大家来撰写教材。

7.2 文献丰富。丰富的引用文献，本书的引用文献有上百种，包括了粒子物理理论和实验的经典教材和论文。本书不仅列出了全书的参考文献，而且在每一章都给了这一章所需要的参考文献，本书的索引也是非常多，有几百条之多，这样给了读者很大的便利。而反观中国国内的一些教材，参考文献只有十几本，没有分章地列出本章的参考文献，而且没有索引，这样给读者带了很大的不便。所以，以后国内的教材也应该分章列出参考文献，在书后列出索引。

7.3善用图表。本书在书中列出了很多的数据图表，这些图表通过横向和纵向的数据对比，使晦涩深奥的物理问题通过图表清晰地阐述清楚。在当今的实验方法来研究微观粒子都是通过加速器的对撞实验，然后测量反应的散射截面，共振态的能量来说明其中的物理规律，在微观世界里，我们没有直接的方法来了解其中的相互作用的基本规律，所以，只有运用间接的方法来了解微观世界的物理规律。通过图表可以使读者对实验过程的趋势有一个整体的印象，更加准确地了解其背后的物理规律。

7.4. 因材施教。本书是美国教材的一个个例，通过这个个例我们可以看到美国教材的特点，那就是根据本课程的特点来量身定做地编写教材。本书是一个粒子物理的教材，侧重在物理图像和基本相互作用的

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直观理解，但是，作为粒子物理中的重要的重整化理论，本书没有深入的涉及，而是，把重整化理论放在量子场论来重点讲述。

7.5 及时更新。当今科技日新月异，作为教材也在讲述基本理论的同时，也应该考虑到当今科技的最前沿的进展。这本书作为哈佛大学的教材给了我们中国高校教材建设一个重要的启示，那就是教材也是不断更新的，应紧跟时代科技的前沿。

7.6 问题新颖。作为一本优秀的教材，本教材的课后习题非常合理，难度适中，而且，具有启发性。这是，美国优秀教材的

一个重要的特点，学生在学习基本知识的同时，能够提出问题，这比只掌握课本内容而不思考问题要强一下，所以，一本好点教材一定要有好的启发性。

7.7 风格多样。作为一个理科教材，当然不必要语言非常华丽、优美，但是也应该不干涩，在不失科学性、准确性的同时，也应写得语言流畅、理解通顺。这是本书给我们的另外一个启发，阅读本书，并不晦涩难懂，而是一种优美的享受。所以，我们希望中国高校的教材也应该注意语言方面的问题。

八、本书的章节目录第一章：粒子物理教程1.1： 导论1.2： 我们测量的是什么？1.3： 相互作用的结构 第二章：怎么去计算散射截面2.1： 自由粒子2.2： 0自旋粒子2.3： 拉氏量密度2.4： 对称性与拉氏量2.5： 1自旋粒子2.6： 1自旋光子2.7： 1/2自旋粒子2.8： 特解的解释2.9： 态的时间态2.10：时间演化与粒子交换2.11：动量空间的传播子2.12：衰变率与散射截面的计算2.13: 粒子交换与汤川势2.14：量子场论第三章：轻子与光子的散射3.1： 相互作用的哈密顿量与轻子流3.2： 电子与 μ子的散射3.3： 正负电子对湮没成正负 μ子对的

散射3.4： 电子与电子的散射3.5： 正负电子产生正负电子的散射3.6： 轻子对与光子对的散射过程3.7： 微扰展开的高阶项，费曼规则3.8： 洛伦兹不变性与场论3.9： 散射矩阵的特殊对称性

第四章：强子4.1： 强相互作用的电荷结构4.2： 量子数4.3： 内禀对称性4.4： SU(2)群与 SU(3)群的生成元4.5： 颜色场之间的相互作用4.6： 颜色场的势4.7： 束缚态的大小4.8： 重子第五章：同位旋与味道的 SU(3)群，近

似对称性5.1： 轻夸克族5.2： 轻介子5.3： Breit-Winger传播子与介子的寿

命5.4： 矢量介子衰变5.5： 衰变的物理图像5.6： 三夸克重子态第六章：夸克的禁闭模型6.1： 夸克禁闭6.2： 重子的磁矩6.3： 介子与重子的质量6.4： 光子与矢量介子的耦合6.5： 赝标介子与矢量介子的辐射跃迁6.6： 赝标介子衰变为爽光子6.7： 本章小结第七章：颜色场的规范理论7.1： 局域规范不变性7.2: 标度无关性的矛盾7.3： 强项会作用的近似手征对称性7.4： 对称性自发破缺

124

7.5： 拉氏量中的夸克质量第八章：费米子的弱相互作用8.1： 弱规范群8.2： μ子的衰变8.3： Tau子的衰变8.4： 带电夸克流8.5: 带电的 π 介子衰变8.6： 奇异熟改变的夸克流与 K 介子衰

变8.7： 赝标介子的弱衰变的一般理论8.8： K 介子向两 π 介子的衰变的振幅8.9： K 介子向三 π 介子的衰变的振幅8.10：稀有的 K 介子衰变8.11：重夸克的弱衰变8.12：重夸克的有效理论8.13：本章小结 第九章：弱相互作用的混合现象9.1： 产生粒子的相互作用与探测9.2： 赝标介子的弱衰变的混合9.3： K 介子系统9.4： D 介子系统9.5： B 介子系统9.6： 中微子振荡第十章：电弱相互作用的规范理论与对

称性破缺

10.1： 弱中性流10.2： 中性流混合10.3： Z 介子的唯像理论10.4： 规范玻色子的自相互作用10.5：希格斯机制10.6: 温伯格-萨拉姆理论10.7: W、Z玻色子的质量修正10.8: 费米子质量的概述10.9: 马约拉纳中微子第十一章： 大散射截面过程11.1：过程的种类11.2：多极库伦散射11.3：电子与光子的辐射过程11.4：强子的单举过程第十二章：大动量转移的散射过程12.1：过程的种类12.2：正负电子对湮没成强子12.3：强子的结构和近距散射12.4：电子=质子深度散射的单举过程12.5：标度破坏率12.6：横向大动量转移的正负质子散射

过程的结论12.7：下一个边界第十三章：高能物理学

参考文献：[1] Abraham Seiden. Particle

Physics ： A Comprehensive Introduction, Menlo Park, CA : Addison Wesley Publishing Company，2005.

[2] Cheng,T.-P and Li,L.-F,Guage Theory of Elementary Particle Physics,Oxford: Oxford University Press, 1984.

[3] Peskin,M.E.and Schroeder,D.v. An Introduction to Quantum Field Theory, Reading MA: Addison-Wesley Publishing Company, 1995.

[4] Perkins,D.H, Introduction to High Energy Physics (4th edition), Cambridge: Cambridge University Press,2000.

[5]Itzykson,C.andZuber,J.-B.Quantum Field Theory. New York: McGraw-Hill, 1980.

本文系教育部2009年度研究项目“中美一流大学物理教育比较研究”的阶段性成果之一。

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PDCA循环在大学物理教学中的运用禹宣伊，宋峰，季纳新，王莲莲（南开大学物理科学学院，天津 300071）

摘要：物理学的基本理论渗透到自然科学和技术的各个领域，是其他自然科学和工程技术的基础。物理学更是培养学生逻辑思维能力的一门科学，物理学教育对于科学的持续进步至关重要。PDCA循环是全面质量管理体系运转的基本方法，是能使任何一项活动有效进行的一种合乎逻辑的工作程序。本文对在大学物理教学过程中如何运用 PDCA循环进行初步探讨。在大学物理课程教学过程中贯彻 PDCA循环对于实现全民科学教育与精英教育并举有重要意义。

物理学是研究物质的基本结构、基本运动形式、相互作用的自然科学，其基本理论渗透到自然科学和技术的各个领域，是其他自然科学和工程技术的基础。随着大家认识到针对全民而非理科生的更好的科学教育，对于科学的持续进步至关重要，大学物理课程不仅是绝大多数高校理工科学生的必修课，而且越来越多的高校增设了文科物理课程。另外，最近教育部实施的“拔尖人才”计划，旨在借鉴国际一流大学的创新教育理念和培养模式，希望在部分拔尖学生中培养出更为优秀的人才。在全民科学教育与精英教育并举的过程中，提高大学物理课程的教学水平和教学效率，无疑是一个重要的问题。

PDCA循环作为全面质量管理体系运转的基本方法，是全面质量管理所应遵循的科学程序，是能使任何一项活动有效进行的一种合乎逻辑的工作程序，特别是在质量管理中得到了广泛的应用。本文将对在大学物理教学过程中如何运用 PDCA循环进行初步探讨。

一、PDCA循环[1][2]

PDCA 循环是最早由美 国质量统 计控制之父休哈 特 （ Walter A.

Shewhart）提出的 PDS（Plan Do See）演化而来，由美国质量管理专家戴

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明（Edwards Deming）博士改进成为 PDCA模式，所以又称为“戴明环”。 PDCA 是英语单词 Plan（计划）、Do（执行）、Check（检查）和 Act（行

动或处理）的第一个字母。（1）P（Plan）包括方针和目标的确定以及活动计划 的制定 ；（ 2 ） D （ Do ）就是 具 体运作 ， 实 现 计 划 中 的 内容；（3）C（Check）就是要总结执行计划的结果，分清对错，明确效果，找出问题；（4）A（Act）是对总结检查的结果进行处理，成功的经验加以肯定，并制定指导意见便于以后工作时遵循，对于失败的教训也要总结，以免重现。对于没有解决的问题，应提给下一个 PDCA循环中去解决。

二、PDCA循环与教学过程教学过程如同产品的质量体系，教师就如同质量管理专家，学生则是教学

过程的作品，能否培养出高素质、创新型人才与教育质量体系密不可分。下面按照 PDCA循环包含的四个过程对一般教学过程进行阐述。

（1）P（Plan）：在这个阶段，教师首先要了解授课对象的特点、然后按照教学大纲制定教学计划，包括明确教学基本要求、教学重点和难点、制定教学进度，还要在参考教材的基础上，搜集教学辅助资料，编写教案等。在学期开始阶段，应向学生公布整体教学进程安排，引导学生尽早根据各自情况进行“P”

阶段对应的工作，从而有助于学生合理安排自主学习时间。（2）D（Do）：这个过程对应的是教学的主体过程，在这期间教师将执

行“P”阶段制定的计划，利用准备好的教学方法和手段对物理知识进行讲授，学生也会以听课、课堂互动等方式参与到获取知识的教学活动中。

（3）C（Check）：这个过程是对“D”过程的检验，主要存在形式是课后作业、测验等。其实，此过程又与“D”过程相互渗透，例如在课堂上随时以提

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问的形式或者课后答疑的方式都可以进行检验。（4）A（Act）：这个过程是教师和学生都要非常重视的关键环节。对于教

师来说要明确此次教学过程中的优缺点，保留成功的经验使其对未来的教学环节有所借鉴，找到存在的问题并分析其原因，并在下一个教学循环中进行解决，帮助学生真正掌握知识，对于学生来说要找到自己的薄弱之处，总结出有效的学习方法。

三、在大学物理教学中贯彻PDCA循环在大学物理教学过程中要贯彻 PDCA循环的理念，使得每经过一个循环，

教学质量就能提升一个台阶，在多次循环中改进教学方法，使得教学效果得到不断提升，从而使学生不但得到物理知识的教育而且能够成为具备良好科学素质的创新型人才，这是大学物理教育的最终目标。

（1）教学过程是一个复合循环过程，要互为补充，共同提高。[3]

每一个教学过程都有一个 PDCA循环，形成一个大环套小环，一环扣一环，互相制约，互为补充的有机整体，如图 1 所示。事实上每个阶段互相独立，却又互相融于其中。

比如小到一堂课、大到整个学年都要有一个“P”阶段。如果教学活动计划制定得不好，必然会影响到“D”过程的执行情况，也不会收获满意的结果。因此，制定计划除了要符合教学大纲基本要求，还要考虑到授课对象的专业特点和时代特征，注意在安排的教学内容中穿插能够激发学生兴趣的内容。

从整个学年这样大的循环来看，“P”阶段要重视绪论课的作用。之所以没130

图 1 PDCA循环上升示意图[1]

1—原有水平 2—新的水平

有将绪论课归为“D”过程，是因为绪论课是向学生告知课程整体计划的平台。绪论课不但要让学生了解到课程的主体内容，而且要能够达到激发学生的学习兴趣，增强学生学习物理的信心的目的。如果学生认为教师将呈上的是一顿饕餮盛宴，而且他有能力一口一口吃下去，那么他一定会带着期待和渴望来到课堂，只有这样，知识的传授才能够顺利进行。例如，如果授课对象是医学院的学生，不妨介绍一下物理学在现代医学诊断（X射线、B超、CT 等）和治疗（内窥镜、激光手术、光动力学疗法）中的应用；生物电与中医经络的关系；介绍体育工作者如何运用物理知识对刘翔的骨骼运动进行分析，从而指导他进行科学训练、纠正和完善跨栏动作的。这样的介绍会让学生感觉物理学很亲切，而且还会唤起学生的学习热情。

对于“D”过程，从总体上看，教师要注重将日常生活中的物理现象、近代科学技术、前沿课题或者教师科研工作中涉及到的物理学基础内容提炼出来，融合到各部分内容中，介绍科学家们对科学问题的探索过程，从而使学生对物理学习产生稳定而持久的兴趣，增强学生学习物理的信心，提高学生的探究能力，加深对物理知识的理解。从局部看“D”过程，对于每个知识点的教学实际都对应一个循环，要注意抓住重点、难点，针对不同的教学内容采用适宜的教学方法手段。另外，教师要有教学的热情和激情，在教学的舞台上，教师要利用屏幕、黑板、演示实验等多种形式，给学生呈上一场配合协调、完美的演出。

比如在光学部分的学习当中，利用彩色图片、动画模拟或者演示实验，围绕一些自然现象，例如天为什么是蓝色、云是白色、落日是红色，日晕、月晕现象的成因等，来说明光的散射、衍射现象。结合学生的时代特点，利用 3D 电影“阿凡达”作为切入点来分析光的偏振等。

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在讲授牛顿力学的向心力和宇宙速度的时候，可以把人类探索太空的历程讲授给学生。从前苏联宇航员加加林乘东方 1 号飞船升空，到中国的翟志刚首次实现太空漫步，随着时间的推移，我国的太空探索事业取得了巨大的进步。学生在产生很强的民族自豪感的同时，他们自然会在心中产生这样的疑问：飞船是怎么上天的？飞船在太空中是如何运动的？太空中与地球上有什么不同之处？物理定律还适用吗？等等。伴随着这些疑问，学生们自然会产生找到答案的愿望从而激发了学生的学习兴趣。通过上述过程，学生们可以感受到物理不只是单纯的枯燥的理论，利用物

理可以做很多有趣的事和伟大的事！这就可以增强学生的信心。有了兴趣与信心他们自然会对一些现象展开探索，从而加深对知识的消化和理解。

（2）教学过程是一个阶梯式上升的过程，要及时自查，稳步上升。在 PDCA循环中，一般前一级的循环是后一级循环的依据，后一级循环是

前一级循环的落实和具体化。每个 PDCA循环，都不是在原地周而复始运转，而是象爬楼梯那样，每一循环都有新的目标和内容，这意味着每经过一次循环，就会解决一些问题，水平会有新的提高，如图 1 所示。“C”过程和“A”过程是检验教学效果以及为后一级循环指明方向的重要环节。

“C”过程和“A”过程可以在课上和课后两个阶段并行。大学物理教学的主要形式是课堂教学，在课堂上（“D”过程中）及时检查是非常重要的环节。例如美国高校多采用 Clicker鼓励学生参与互动，这不但有利于提高学生的积极性，更重要的是可以使教师在第一时间掌握学生听课状况。如果没有此类设备不妨采用其它方法弥补。比如教师可以针对易错点和难点给出问题和几个备选答案，让学生当堂互相进行讨论或辩论，最后由教师分析正确答案以及错误原因，从而

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使学生积极参与到主动学习当中，并加深对概念的理解和认识。对于课后阶段，由于多数学生更愿意向同学请教，因此可以在学期开始将学生分组，让小组内成员进行互助学习，这对于及时发现问题以及提高学生的团队协作意识有很大帮助。另外，可以安排助教在固定时间在用于讨论的教室答疑，本学期我们课程组进行了此项尝试，助教可以及时地将答疑中遇到的问题反馈给教师，从而使问题得到及时解决。另外，“A”过程可以不局限于自己的教学过程。及时总结每次作业中的错

误，并在发作业的第一时间进行讲解；通过测验总结教学过程中存在的问题等，对于教学效果都会起到不断完善的作用。对于已有的好素材和他人的先进教学方法可以对适用的部分采用“拿来主义”，从而提升教学水平。

（3）教学过程是一个周而复始的过程，要永不停息，力求“完美”。PDCA循环的四个过程不是运行一次就结束，而是周而复始的进行，一个

循环结束，解决一些问题，未解决的问题进入下一个循环，这样阶梯式上升的。教学质量和教学水平的提升永无止境，随着时代的发展和科技的进步，教

学方法也变得多元化，只要不断基于 PDCA循环在教学中进行创新，在创新中进行循环，最终将培养出有想象力、创造力、科学素养和探索精神的学生。每一位教师的教学生涯是有限的，因此每一位教师应该做教学质量的助推

器，利用 PDCA循环提高自身素质、丰富教学方法和教学手段，在不断创新的同时做好传承者，为实现全民科学教育与精英教育并举做出贡献。

参考文献：[1] baike.baidu.com/view/205386.htm[2] www.hudong.com/wiki/PDCA循环[3] 宋峰，李川勇，王慧田.物理教学中让学生感知科学探索过程，提高认知水平，培

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养物理思维能力.大学物理，2009，28（12）：43-47.

三、成型论文文稿12 篇目录：

1.涂成厚，张立彬，张毅《美国著名高校物理教育模式与特色分析及其借

鉴意义探讨》。2.李威，张立彬《中美一流大学物理教育现状浅析》。3.姚淑娜《应用型大学基础物理课程分层次教学的探讨》。4.吴亚非《关于通过“大学物理”课程培养工科大学生创新能力的思考》。5.张立彬，尹炜恺《哈佛大学“大学物理学”（第三版）教材评介》。6.张立彬，朱美玲《麻省理工学院理论物理专业教材评介与分析》。7.张立彬，郭丽梅，张毅《麻省理工学院物理教育理念和教学方式探析》。8.张毅，张立彬，李广平《美国高校有效提升人才培养质量的措施分析》。9.张立彬，张功《哈佛大学提高和保证物理教学质量的举措分析》。10.张立彬，马志远《哈佛大学物理专业拔尖人才培养模式探讨》。11.张立彬，暴鹏程，马志远《MIT 教材“An Introduction to Modern

Astrophysics”评介研究》。12.赵雅洁，穆祥望《杰出物理学家的成才之路与其所受高等教育的关联分

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析》。

美国著名高校物理教育模式与特色分析及其借鉴意义探讨涂成厚（南开大学物理科学学院；天津 300071）张立彬（南开大学外国教材中心；天津 300071）

张 毅（ 南开大学图书馆； 天津 300071 ）[内容摘要] 通过对美国著名高校的物理教育理念及其模式特征的分析，明确了中美两国著名高校在此方面的差异。鉴于此，本文对中国一流高校物理教育的发展与创新模式进行了探讨。[关 键 词] 美国著名高校；物理教育；教育理念；模式；借鉴1 引言 二十一世纪国家之间的竞争主要是人才的竞争，高等学校作为人才的主要培养基地担负着国家兴盛的主要任务，可谓责任重大。当前，高等教育强国已经成为共识，正在成为进入大众化之后我国高等教育发展的新的战略目标。高等教育规模的扩展一定程度上满足了广大人民群众渴望接受高等教育的愿望和社会各行各业对高级专门人才的需求。与此同时，连续的扩招也带来了高校生源质量的下降，学校软、硬件的负载超重和国家政策支持的相对困难等后果。因此，高等教育的质量问题尤其是人才培养质量问题就尖锐的凸现出来了。如何提高高校的人才培养质量已成为教育界和社会各行各业广泛关注的焦点。 中国一流高校担负着培养具有原始创新能力的研究型、技术研发型高素质人才，在未来社会科技创新和经济发展中成为领军人物和关键性骨干人才，在中国的高等教育中有着非常

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重要的地位。物理学作为现代自然科学的六大基础学科之一，它研究的是物质的基本结构及其运动的一般规律，所以物理学的研究范围极其广泛，从基本粒子到整个宇宙，都是物理学研究的范畴，几乎包括所有学科的研究领域。物理学研究所建立的新概念、新的研究方法，以及由于物理学研究发展起来的特殊环境条件、测量和研究手段，不仅极大地促进了人类对自然界的认识，而且对其它学科和工程技术的发展也指明了方向。可以说，物理学的发展为其它学科的发展奠定了理论和物质基础，物理学的每一个大的革新都为其他学科的发展构建了一个新的技术平台。物理学理论的重大突破带来了三次产业革命，并导致了其它学科诸如信息科学、材料科学、农业科学、军事科学以及生命科学等学科的大发展[1][2]鉴于物理学对其他学科和技术的发展有着如此重要的意义，因此，加强一流高校的物

理教育对培养我国的创新人才有着非常重要和积极的意义。本文将从分析美国著名高校的物理教学特点及模式中获得一些参考信息，并针对我国的具体情况探讨物理教育的创新模式。2 中美一流高校物理教育理念和模式的比较 在当前的世界科技强国中，美国毫无异议可堪称“世界第一科技强国”，因此研究美国的物理教育具有典型性和代表性，而分析美国一流大学的物理教育则可为我们提供一些非常有用的信息，基于此，我们将对美国物理教育强校进行分析。同时我们也将选取国内的物理教育强校进行分析，针对中美高校物理教育分别找出它们的特点，分析国内外的不同之处。2.1 美国著名高校物理教育的理念和模式世界一流大学发展的历史经验表明， 要成为一流大学， 必须具有独特的办学特色和理

念。在这方面，美国著名高校如耶鲁大学、麻省理工学院（MIT）、哈佛大学等为我们树立了榜样，成为我们学习的经典案例。2.1.1 耶鲁大学的自由教育理念成就其世界一流大学地位耶鲁大学是美国历史最悠久、影响最大的大学之一。300 年来，她为争取个体的独立、

维护办学与学术的自由，即使付出再大的代价也在所不惜，造就了耶鲁独特的文化品格和恒久传统。在高等教育激烈变革的今天，耶鲁大学始终恪守自由教育的办学理念，注重本科教育，强调学院生活，以培养各行各业的领导者和有思想的公民为目标，自由教育的办学理念成就了耶鲁大学世界一流大学的地位，耶鲁大学的自由精神值得我们深入探讨和研究。耶鲁大学一直坚持办学自由，即不受政府及政治的干涉，其中在1763 年与1817 年，

因坚持自由办学、大学自治， 两次与康州政府产生矛盾，被政府孤立于世几十年却丝毫没有妥协。但是，实践证明，耶鲁大学不仅没有因为坚持自由教育思想而陷于困顿，反而因为其独特的性格而得到了社会的认可并成长为世界著名的一流大学。

对于自由教育理念，耶鲁大学前校长巴特利特·吉亚迈蒂曾对它进行了界定：“自由教

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育就是自由地探究思想，自由地表达思想，在探究真理的过程中将自己的思想与其他思想和精神进行联系的教育。自由教育的目的是培养深谋远虑、灵活运用知识、意志坚定、心胸开阔的人；培养对新事物反应敏锐、对使人类进化的传统价值负责的人。自由教育教会我们用理智的判断和仁慈来对待不同的事物和新事物。自由教育是为自由的教育，自由地主张自由的思想，并使所珍爱的思想保持常新的自由。”他认为，自由教育与那些政治设计者们所标榜的自由和保守的思想是毫不相干的。自由教育既不是灌输特定的宗教规则和正统政治思想的教育，也不是为立即从事一项职业做准备的教育。耶鲁学院所开展的教育就是纽曼思想中的那种“自由”教育[3][4]。关于自由教育的作用，耶鲁前校长小贝诺·施密德特认为：“自由教育解放了人的个性，培养了人独立自主的精神，它同时也增强了人的集体主义精神，使人更乐意与他人合作，更易于与他人心息相通”。他说：“我们用人文科学去教育人们渴求知识的感人价值在于我们坚信知识是工具，是力量，最重要的是它本身有价值”。[5]施密德特坚持自由教育要为社会服务，他认为名牌大学的学院教育不是为了求职，而是为了生活。耶鲁的物理学教育也体现着其特有的自由教育精神，在耶鲁大学，物理教育分布在物

理系和应用物理系。物理系提供本科和博士学位教育，物理系的老师大部分在本系任教，但是也有一部分老师还在耶鲁大学的其他院系任教，如应用物理系、天文系、力学工程系、分子、细胞及发展生物学系、化学系、分子生物物理及生物化学系、数学系、哲学系、计算机科学和数学系以及地质和地球物理系。应用物理系旨在培养在科学、技术的前沿从事科研和工业界工作的学生，培养从本科到博士的学生。教学和科研主要集中在凝集态物理的基本问题、光学中的物理问题以及这些概念和技术在工业中的实际应用。这种在基础科学和实际应用上的平衡使它的课程高度交叉，和物理、化学、电气、力学、化学和生物医学工程有强烈的关联。应用物理系的部分老师还在物理系任教，而且还有其他院系的老师在本系任教[6][7]。耶鲁与其他研究型大学不一样的两条公认理念:一是保证本科教育，二是注重培养领导

者。耶鲁大学培养领导者的教育目标与其始终坚持的自由教育的理念是一脉相承的。要成为具有影响力的领导者，必须具有远见卓识、冷静稳重的性格、丰富的判断力和理解力、开阔的心胸以及独立而批判的思维能力。而耶鲁大学的自由教育正是要培养具有以上性格品质的人才。作为耶鲁大学的本科生，他们学生会得到世界闻名的通识文理教育，强调交流技巧的重要性和了解科学技术的社会、政治、经济等分支。由于耶鲁大学物理系和应用物理系的老师的具有不同的学术背景且跨学科任职，有很宽的知识面，这一方面为学生创造了非常好的学术氛围，另一方面学校的对老师任职方面的自由也成为物理教育及学术研究的动力之源。2.1.2 实用知识的教育价值观成就麻省理工学院的“世界理工大学之最”

麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，缩写：MIT）是美国一所综合性私立大学，有“世界理工大学之最”的美名。经过近 140 年的发展，现已有学生

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近万名，并且已被世界公认为与牛津大学、剑桥大学、哈佛大学等老牌大学齐名的、以理工科为主的、综合性的世界一流大学，《纽约时报》笔下“全美最有声望的学校”。

MIT 的教学理念：[8]（一）、实用知识的教育价值观。MIT 开设的课程“适于培养机械师、土木工程师、建筑

师、矿冶工程师和实用化学师”。学院还聘请了一些有创新意识的教授，如埃利奥特、爱德华·C·皮克林，他们带来了新的教学方法和模式。正是学院的办学宗旨和这些革新者使 MIT成为埋葬僵死学术的一座“坟墓”，也成为新思想、新方法和新活力的源泉。社会所要求的知识越来越多，MIT 的教育重点也时刻在变，但“有用”始终是 MIT 的核心。也正是这一价值观使MIT把重心放在有利于促进科技发展的领域。

（二）、社会责任感。为社会的利益而发现和应用知识是 MIT 的中心使命。1873 年以前，机械工程一直是 MIT 的第一专业，之后与土木工程易位。这是因为当时美国有成千上万英里的铁路需要铺设，还要开凿隧道、修筑桥梁、兴建公共设施，这都需要大批训练有素的工程技术人员。此外，在一战期间，MIT还广泛增设专业，开展与战争有关的科学研究 。MIT 为报效祖国办起了培训陆军和海军飞行员、航空工程、无线电工程师以及其它人员的专业，广泛开展与战争有关的科研工作。1940-1946 年，MIT 建立了微波雷达研究机构，1951 年又建立了林肯实验室。这与 1940 年前经济萧条时期美国工业发展趋势也是大有关系的。1972 年，为寻求解决震撼世界的能源危机新途径，能源实验室在MIT应运而生，有65位教授和许多研究生参与了这项工作。

（三）、通识教育与专业教育相结合。MIT虽然是一所著名的理工学院，但它并不忽视人文学科的教育。罗杰斯院长在 1865 年建校之初，为学院规定的宗旨之一便是：提供一般的教育，使其在数学、物理、自然科学、英语和其它现代语言以及心理学和政治学的基础上，为学生在毕业后能适应任何领域的工作做好准备。在MIT，通识教育与专业教育相结合，为本科生提供了一种平衡的教育。MIT 认为仅发展熟练的技术是不够的，高等教育应使个体有能力和有效地参与集体文化。因而一种整合的教育计划仍是 MIT 本科教育的原则。在MIT，“越少是越多”指导着本科生课程的设置，给予学生基础知识以帮助他们进行终身的自我教育。更好地学习和掌握有限的基本概念与专业主题比掌握一堆事实更有助于培养未来的专家。尽管内、外部的压力要求MIT拓宽课程，但MIT仍强调基本原理，不增加课程量。与此同时，MIT 对整体课程也不断地进行评定和修改。

麻 省 理 工 学 院 的 物 理 学 专 业包含：天体 物 理 （ Astronomy ） 、 生 物 物 理（ Biophysics ） 、 计 算 物 理 （ Computational Physics ） 、 纳 米 技 术（ Nanotechnology ） 、哲学 （ Philosophy of Science ） 、 科 学历史（ History of Science）、科学教育（Science Teaching）等专业。天体物理专业主要包含太阳系系统，现代天体物理学和早期宇宙等研究方向，该专业

的实验教学主要着眼于掌握对天体的光学观测技术。生物物理专业包含了遗传学，生物化学，生物物理学等研究方向，该专业的实验教学主要着眼于掌握一些生物类的入门实验技

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术。计算物理学的研究方向主要包含了计算机程序的结构与解释，数据分析，计算科学中的数学方法等研究方向，该专业实验教学主要掌握学院规定的物理教学实验。纳米技术专业的主要研究方向包含了固体物理，微电子处理技术，亚微米和纳米技术等研究方向，其实验教学主要是与贝尔实验室进行合作教学。哲学专业的研究方向主要包含了量子物理，量子力学，物理学中的哲学问题等研究方向，其实验教学主要是完成学院规定的物理教学实验。科学历史专业主要的研究方向有早期的宇宙，现代科学的产生，实验的演变历史等其实验教学同样是完成学院规定的物理教学实验。科学教育专业主要包含物理教学，科学与数学的教与学的入门研究，其实验教学也是按照学院规定的物理教学实验。[9] 这些专业的设置，打破了传统物理学的专业分类，体现了麻省理工学院的特色。这些

独具特色的专业的设置体现了 MIT 的有用价值，坚持基础教育，发挥优势专业的原则，虽然学科设置上没有特别之处，但是其物理学教育，物理学方面取得了全美乃至全世界举世瞩目的成就，除了强有力的师资，强有力的生源，与时俱进的办学理念，归根到底就是MIT 对于教育理念不懈坚持，因而潜移默化中，形成了 MIT 的特色，成为启发学生创造力、竞争力，培养充满活力、敢于打拼，具有广泛而深远影响力的高、精、尖人才的摇篮。2.1.3 重视学习方式和解决问题的方法的教育理念成就哈佛全球第一的美誉

哈佛大学（Harvard University）成立于 1636 年，是全美最古老的大学之一，先有哈佛，而后有美利坚。如今的哈佛大学是群英荟萃、人才辈出的第一流著名学府，对美国社会的经济、政治、文化、科学和高等教育都产生了重大影响，对世界科学研究做出了突出的贡献，是全球排名第一的综合性大学，其校徽和校训的文字，昭示了哈佛大学立校兴学“求是崇真”的宗旨。[10]

“哈佛大学给予学生的是一种学习的方式和解决问题的方法。”在谈到哈佛的教学理念时，在美国哈佛大学担任校长十年、现任哈佛名誉校长的陆登庭先生表达了这样的观点。谈到学习知识方面，陆登庭指出，大学应该教学生一些知识、理论，作为他们研究的基础，教会学生采用怎样的学习方式解决自己的问题。他说：“在哈佛大学，昨天老师给了学生一本书，今天就会问他有什么想法，而不是采取那种简单的考试。”他同时强调学生在哈佛会有很大的自由度，自由选课，从事不同的研究，使他们采用热情的方式来学习，学校提供给他的应该是研究的课题和方向，提供大量的信息资源(包括网上的和教职工共同采集的)，指导学生做出自己的决定并保持足够的目标持续学习。当记者追问哈佛给学生学习如此大的自由度，如何解决学生专业划分问题时，陆登庭先生笑了笑，说：“看来你还不了解美国的大学。”“在美国，每个大学生在毕业前不在某一个固定的专业学习，实际上他们进行的是一种全面的学习。”陆登庭说。 他进一步解释，在哈佛我们并不关注学习和今后工作的关系，学习法律医学的学生不仅要学习某些集中的课程，也要涉猎人文科学，从社会科学中得到一些哲学启示。实际上我们要做的就是让学生学到不同的课程、知识和解决问题的方法，有能力继续学习。[11]独立思想是哈佛大学教育教学的第一原则。严格的学术规范又是独立思想得以科学论

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证的重要保证。在物理科学领域，只有拥有追求科学的独立学术思想，养成严谨的学风，才算是具备了做科学研究的基本素质，从而为进一步的深入研究和创造发明奠定坚实的学术基础。学术自由是哈佛大学人才培养和科学研究的重要前提。哈佛大学具有严格的学术规范，同时又为学子提供了一个自由的、丰富的、不拘一格的学术环境。通识教育是哈佛大学的一大教学特色，为培养优秀杰出人才打下了基础。通识教育使学生受到广博的教育，其目的在于使学生学会使用抽象的概念或学过的知识在各种领域理解、解决具体问题，在不同领域给学生某些练习实践的机会，使学生更好地界定和理解他们自己在当今世界的经验一流的师资力量是人才培养、科研进步的保证。哈佛大学非常重视教师质量，其师资队伍可以说是世界上最好的。[12]以学术为导向的聘用制度，始终保证哈佛大学教授的一流水平。本科教学全部由教授承担，要求有成就的资深教授、诺贝尔奖金获得者及优秀青年教授讲授核心课与专业课。以人为本的教育教学宗旨。在很早的时候，哈佛大学就制定了以人为本的教育教学宗旨，建立了平等的师生关系，以社会发展需要和追求个人特性为依据确定培养目标。在物理学中强调学术和科研工作重要性的同时，重视多样化的优秀教学和个性思维的发展，培养学生思考问题、分析问题、解决问题的能力，鼓励且支持学生将自己独特的科研思想与见解研究发展下去，走出一条自己科学研究的道路。

哈佛大学全日制本科生课程包含四方面内容：通识教育八大领域（a.美学的和阐释的理解、b.文化和信仰、c.实证和数学推理、d.道德推理、e.生命系统科学、f.宇宙物理科学、g.世界社会和 h.世界中的美国，占 25%）、其他要求（写作能力占 6%，外语能力 3%）、主修（34%-50%）和选修课程（19%-25%）。选择主修是非常重要的决定，需询问及搜集各项资料，方能做出适合自己的判断。所以学校顾问(Advisers)扮演相当重要的角色，提供多元的协助，帮助学生做出决定。每个学生在第一年下学期必须与顾问作深入讨论，且此讨论须留下书面资料。顾问计划办公室(Advising Programs Office)也会为新生举办认识各个主修领域的各项活动，以协助同学了解。当同学确定主修后，须与主修单位的课程代表讨论主修习期计划。在课程设置的内容上，主要表现出“宽基础、综合化、重实践”的特征，通识教育与专业教育相平衡。本科生所修的全部课程（约 32门学期课程）中，一半的课程（16门左右的学期课程）为专业课，1门（学期）课程是大一新生必修的“说明文写作”(Expository Writing)课，8门课程为必修的“核心课程”(Core Curriculum)，其余约 8门的课程可以根据自己的学术兴趣任意选修。[13]2.2 中国著名高校物理教育的理念和模式

国内高校的物理教育一般分为课堂教学和演示实验教学。课堂教学的形式国内基本差不多，一般采用多媒体或板书的方式来进行讲解，有时也会结合其他的新型电子教学方式来进行辅助教学。国内大学物理的演示实验教学，比较出色的如清华大学，将演示实验分为三类:课堂演示，走廊演示和趣味演示。课堂演示是演示实验的主体，紧密配合教学，其中实物演示近190 个，另外通过自拍和外购组织了200 多个录像片，还有一些教学软件和一整套大学物理的投影片和幻灯片；走廊演示18 个，主要是力学方面，是对课堂演示实

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验的再现、补充和扩充；趣味物理演示有50多个，也是作为扩充和提高，由于其趣味性而归为一类。其演示实验都有相当的难度，并且还建立了规范的管理制度。另外北京大学、南开大学等也在物理实验教学方面有自己的特色。物理学实际上是一门实验科学，因此教学中的演示实验对促进学生理解物理概念、掌握物理规律有着十分重要的作用。互联网上有很多介绍国外大学物理演示实验教学的网站，有一些相当出色，如美国加利弗尼亚州立大学伯克利学院的物理演示实验网站、北加利弗尼亚州立大学的物理演示实验网站以及马里兰大学的物理演示实验网站。对比于所了解的一些国内大学的物理演示实验教学现状，期望能找出差距，明确努力的方向。 国内大学物理演示实验教学特点：[14] (1)规模不大，演示实验少而精

与美国一些大学动辄数以百计的庞大演示实验数量相比，国内大学物理演示实验的规模不大，一般在100 多个左右，有的只有几十个，但是具有少而精的特点。这些演示实验一般涉及到大学物理的各个板块，特别是对力学、光、电磁及近代物理中比较难理解的概念和规律的演示。

(2)以购买为主，自制教具少在网上了解的十多所大学的演示实验中，除了课件中用各种软件做的演示实验及部分

自制演示教具外，其余所用的演示设备、素材多以购买为主，很少有学校提到自己制作演示实验用具。

(3)开放性的演示实验教学开放性的演示实验教学应该是国内大学物理演示实验教学与国外大学相比最大的特色。

清华大学、北京大学、南开大学等都有自己特色的演示实验，如清华的走廊演示和趣味演示实验，南开大学有物理演示实验教学和第二课堂，通过开展实验课题开发、科技创新、科普宣传等多种方式向本科生开放演示实验，已建成集多种教学模式和教学功能于一体的物理演示实验教学基地和实验实习基地。还有一些学校采用其他方式将演示实验在课外对学生开放，这种开放性的演示实验教学最大优点是使学生亲身体验和观察那些因课内时间不足而没有做的演示实验，是一种符合我国国情的做法。我国大学物理演示实验教学有自己的一些特色，如课外对学生开放，但是，从实验数量少自制教具少、多以购买为主这些特点来看，大学物理演示实验教学还没有普遍地得到真正的重视，从演示实验网站的形式来看，国外大学的演示实验网站从教学出发，呈现的是一个个具体的演示实验，而国内的演示实验网站，除了部分一流大学外，多数只有一些介绍性的文字，只是让别人了解做了这项工作(即有演示实验) ，这也从一个侧面反映出一些学校对演示实验教学的态度。对比中美大学物理演示实验教学现状，两者之间还存在着一定的差距，其原因很多，但其根本在于是否重视，重视了就自然会动脑筋设计简便实用的演示，想办法解决困难，而重视程度的不同则是源自于教学理念的区别，即在思想上是否真正认识到演示实验的作用。

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3 中美两国高校教育理念和物理教学目标的差异中美两国在教育理念上有什么不同？杨振宁曾说“中国的教育态度与美国的教育态度

截然不同，最大的区别是中国偏重于灌输式教育。中国学生的根基非常扎实，这是优点，但也有缺点，中国的学生面对新事物总有畏缩心理，与美国学生比起来，创新意识较差。”“中国与美国式的教育，不能讲哪一个好，哪一个不好，要因人而异，在教学过程中，对于中国学生，应该让他们多创新，对于美国学生，应该让他们打好基础，这样互相弥补，是最恰当的。换一种说法，对天资高的人，美国教育会好一些，而对于大多数的学生，基本上讲，中国的教育哲学是比较好的。”他说。“我的结论是中国传统的教育体制没有完全改变的必要。对于体制存在的缺点有修正的方法，对于上了大学的学生，尤其是那些特别聪明的学生要允许他、鼓励他跳跃式地发展。我想，让这两个方向同时进行也许是最合适的选择。” [15]

教学目标体现了对一门课程的教学的基本要求，教学目标要体现一个未来公民的基本素质，有利于学生的未来发展。本科教育作为培养人才的整体素质的关键一步，是一个系统工程，教学除了要培养学生具有良好的文化科学素质、心理素质和思想素质之外；更要培养学生在未来社会生活中的生存能力。其中“学会与他人交流，学会运用知识表达自己的观点”是生存能力的一个重要方面。在我国的教学目的中，尽管涉及面很广，但很多要求显得很空洞，不是让人感到遥不

可及，就是让人感觉一时无从下手，而一些一目了然，对学生的未来生活学习有直接作用的东西在其中却没有得到反映。相反美国的教学目标是从学生的切身利益出发，让人感觉很实在，比较直观，教师的教学也有明确的方向，在教学中也就容易考虑学生的个性特点，对教学有切实的指导作用。从上文列举的三个美国高校例子可知美国的教学目标中把培养学生对物理的兴趣放在第一位，而我国是把掌握系统的基础知识放在第一位。从我国物理教学的实际情况来看，更应把培养学生对物理学的兴趣放在第一位，作为整个物理教学的基点。4 中国一流高校物理教育的发展与创新模式分析4.1 教材内容和形式的创新

目前国内的物理教材大部分都是一样的，从教材的结构到内容安排几乎都是一个模式，而且教材经历较长的时间也几乎没有什么改动和添加的内容。这样虽然在编写教材时比较省事，但是对老师的教与学生的学都带来了一些影响。比如我们的教材经历了几十年虽然内容没有变，但是随着多媒体及新型教学演示方式的改变，可以对教材的插图和一些比较抽象的图像、内容进行多角度和多维的演示及剖析，使得学生在抽象的理解时，更能有一些具体的物理图像，这样对教与学都会事半功倍。因此需要尝试一些教材内容及其表现形式（纸质、电子以及动态演示）的创新，即建立立体化的教材模式。因此，现阶段，在充分利用国内优秀物理教材的同时，多借鉴国外优秀教材及其表现形式，最终编写出适合中国人自己的优秀物理教材，并在教材的内容和教学形式上进行创新，果真如此，物理教育会

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更加容易，相信学物理的人会更多。在内容呈现方式方面，美国教材有以下一些特点形式活泼、图文并茂。教材的编写时刻注意发挥学生的主观能动性，培养学生的动手能力、合作精神。学生的主体作用和教师的主导作用得到了极大发挥。中国教材与美国教材相比除了版面不够活泼外，概念的呈现方式上也存在“灌输”的嫌疑，就连实验也不例外。动手不多，探索更少，过快地进入抽象概括、建立模型阶段。因而培养出来的学生头脑中有高度抽象的模型，但对概念本身的意义理解不深，抽象演绎能力尚可，发散思维、归纳总结能力不足，解决实际问题的能力较差。4.2 教学模式的创新我们需要始终围绕以培养优秀物理人才为目标，以物理基础知识为载体，实现知识、

能力、素质协调发展的大学物理课程目标。构建课内与课外相结合、理论与实践相结合、知识与能力素质培养相结合与鼓励学生个性化发展相结合的教学模式。

物理学从横的方面说，包括理论和实验；从纵的方面看，物理学经过经典到近代的发展，认识不断深化，应用不断扩展。因此，针对物理学的不同教学内容和要求，建立立体化教学的模式，既要对抽象的东西进行详细的讲授，又要尽可能的采用其他的手法对抽象的东西进行可视化或具体化，寓教于乐，使物理教育脱离枯燥乏味的印象。具体来说，重视理论，强化实践，注重实践能力培养。在对物理理论内容的课堂讲授之外，大力发展课堂演示实验，另外针对对物理知识有探索欲望的学生，可以开设演示与创新实验，任由学生自我设计和发挥，通过教与学的融会贯通和良好反馈，从而加强物理理论与实验课程的联系。自从 MIT 提出了以研究为主体的教学体系这一主张以来，针对本科生教育制定了形式

多样的教学方案。其中包括：本科生研究机会方案、独立活动期、媒体艺术与科学新生计划等。这些活动都是为了能将理论与实践相结合，打破传统的以教师填鸭式教学，学生被动学习的教学体系，建立以教师为指导，学生主动将所学知识用于实践中去的，以研究为主体的教学体系而设立的。比如实验性学习小组，本科生研究机会方案，讨论班，工程实习项目等，通过这些具有实际意义的教学活动，进一步激发了学生的创新意识，培养动手能力，并锻炼了坚毅的品质实践活动，这样建立起来的本科生自主研究实践的教学体系，让本科生可以参与各种科研活动中去，更好的培养和造就科技创新的新生人才。4.3 注重全过程的人性化育人模式

以研究为主体的教学手法从根本上体现了 MIT 作为研究型大学在教学体系上的特征，但是学校并不是将学生教学机械的与研究项目联系在一起，而是重视整个教学过程的氛围和效果。在MIT，无论是老师还是学生，都遵循着“学习、研究和社区三者相结合”的理念，努力打造正式教学与非正式教学相统一的教学环境。如“本科生咖啡屋”，“学生宿舍指导教师制度”等活动和部门的设立，无处不在体现着学习、研究和社区相结合的教育观。学校的教师和管理人员，始终以学生为中心，随时准备为学生解决问题。这种教学手法突破了时间和空间的限制，达到将课堂教学、实验研究与课外活动、日常生活相融合的境地，使

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学生在轻松愉快的氛围下，最大化地实现了各种素质的提高。4.4 建立“以学生为本”、培养“通才”和注重人文素质和科学素养统一的教育理念

美国著名大学的培养计划和教学大纲的编制，都非常重视学生的兴趣、爱好和意愿，在课程设置和每类课程的选择范围上，也充分体现出“以学生为本”的思想，都非常重视学生的全面发展，为学生提供了人文、艺术、社科、体育、科学基础、技术以及实验等必修课程、限选课程与非限选课程。无论是必修课还是选修课，供学生选择的范围较大，为学生按照个人的兴趣和爱好发展提供了较大的空间。

MIT 设置了学院统一的必修课程(GIRs)。GIRs包括科学必修课程、实验必修课程、人文艺术社科必修课程以及科学技术的限选课程共 17门 204 学分，而各系设置的专业基础课程和专业课程共 180-198 学分，GIRs课程的学分高于专业基础课程和专业课程的学分。由此可见，MIT更加重视培养“通才”，为学生夯实宽厚的知识背景。国内如清华大学、北京大学、南开大学等也都开设了人文社科课程和数理化生等基础课程，而且占有相当比重注重为学生打好坚实的基础，体现了对人文素质教育的重视程度以及他们注重培养学生人文素质和科学素养的统一。但是，国内一流高校在借鉴国外先进教学理念和经验的同时，也应该加快开发出适合中国国情的创新教育理念和课程设置，同时让设置的课程能够较好的付诸实施，以更好的为培养我国优秀科学技术人才服务。参考文献：1. http://www.hudong.com/wiki/.2. 贾利群，王喜中，张耀宇.物理学对自然科学发展的促进作用.安阳师范学院学报，

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[作者简介]涂成厚（1976—），男，河南信阳人，南开大学物理科学学院博士、讲师，主要从事光学研究。张立彬（1964—），男，河北石家庄人，南开大学外国教材中心副教授，主要从事信息文化、信息技术与物理学外国教材研究。张毅（1957—），男，南开大学图书馆馆长，文学院教授、博士生导师、“长江学者”。本文系教育部2009年度研究项目“中美一流大学物理教育比较研究”的阶段性成果之一。

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中美一流大学物理教育现状浅析李威 1，张立彬 2

（1 南开大学泰达应用物理学院，天津，300457；2 南开大学外国教材中心，天津，300071）

[摘 要] 从中美一流大学的课程设置、教学内容和结构等方面入手，比较中美一流大学物理教育的现状。具体分析了中外一流高校物理教学的课程设置情况和物理教育教学的特色。本文对我国大学物理教育具有一定的借鉴意义。

[关键词] 中美一流大学；物理教育；课程设置；教学特色；启示1 引言物理学作为一门基础科学，正在受到越来越广泛的关注。尤其是近二十年科学技术的

发展，更使物理科学成为万众瞩目的焦点，并渗透于自然科学的各个领域。物理学作为一门核心科学，研究自然界的最基本形态。它是一些新学科、新技术出现的源泉。2000 年 12月柏林的第三届世界物理学大会指出：“物理学是其他科学（如制药、生物、化学、地球科学等）和绝大部分技术发展的直接的或不可缺少的基础，物理学曾经是、现在是、将来也是全球技术和经济发展的主要驱动力”[1]。然而，一个具体研究课题和探索方向的改变可以根据实际的需要，在十几年或几年的时间内完成，以适应社会发展的需要，达到解决科学问题或突破关键技术的目的；而作为这一切基础的物理教育要想完成这一更新却极为艰难。因为一套完善的教育体系的形成需要几十年甚或几代人的不断积累。本文将从中外物理教育的课程安排和特色设置上探讨中外物理教育上的差异，试图分析作为所有技术基石的物理教育的现状，并探索在如今这个飞速发展的社会中，国外成功的物理教育如何去适应技术飞速发展的需求，国内的物理教育应该怎样借鉴国外的经验以促进我们正在进行的教育体制改制。

2 中外物理教学的课程设置情况循序渐进是教育中一贯遵循的原则,在专业性教育极强的物理教育中,各种知识的储备

对更高深知识的学习是必不可少的。因此，极富层次性的课程安排是物理教育中共同的特点。中外一流大学都一致把力学、热学、光学、电学四大基础学科作为物理入门教育的基础，然后再进一步安排更深层次的课程。然而，在层次教学基础上的课程设置却各有不同的特点，这与中外的教育特色分不开，

也与中外国情密切相关。2.1 入门课程的难易程度差异由于国外更强调的是兴趣教育与素质教育，所以在大学阶段选择进入物理课程学习的

学生往往具有不同的物理知识储备。另外，各洲的文化背景与学术特色也在一定程度上影响着学生的知识层次和偏好程度。所以为了接纳不同地域不同背景的学生，国外大学的物理初级教育更偏重于兴趣培养。比如加州理工学院在刚进入学校的新生中开展物理探索实

验来培养学生兴趣；康奈尔大学讲授“天为什么是蓝的”等科普性质的课程，在吸引学生注意力的同时把物理思想和物理兴趣灌输到学生的思想中，以便学生全身心投入到物理的学习中来。尽管国内也存在同样的地域差异问题和文化背景不同的情况，但国内基本使用统一的高中物理教材，在高中的物理教育方面基本有着一样的基础，所以在大学物理入门教育的层次上比国外要深一些。另外国内的大学精英教育思想的传承也使得国内大学教育在层次设置上直接面对高级知识储备人才，所以在课程设置上更注重物理知识的灌输，而在一定程度上兴趣教育方面有所薄弱。总之，在入门层次上，国外的物理教育比国内的要容易一些。

2.2 层次设置的渐进程度差异对于高水平的大学，最后的目标都是培养在国际上处于领先水平的高层次物理人才，

这就要求在最后的物理培养水平上保持世界领先的地位。且当今及时便利的国际交流情况使得地域上的差异日趋减少。既然入门的层次国内外存在一定差异，在达到共同目标的同时，在层次渐近的设置上就一定存在差异。国外大学一般定位于素质教育与精英教育相分离的原则，这个最后分离的关键由学生自己来掌握。对于本科阶段的培养基本处于高级科普的阶段，目的在于通过大学阶段物理的学习，掌握尽可能多的知识，并于现代社会的应用相结合。这也切合大多数社会人的生活实际。如哈佛、伯克利分别把生物医学及纳米科学作为本科阶段的重点课程引入，又以极其简单的语言涉及其原理和在现实生活中的应用，却对高深的进一步突破不做过多的探讨；这在一定程度上补充了学生在步入社会后对现实技术的掌握和驾控能力，又不占用太多的精力去学习于日常生活中无关而只用于科学研究的高深知识。使学生能在有限的学习时间内掌握尽量多的与现今高科技的日常生活中紧密相关的知识。而对于要进一步进入物理行业工作的研究生，则针对所选专业方向的不同，进行专门的专业教育。由于美国为工业化国家，所以其一流大学也基本是技术为主导的研究方式。致使专业设置的专业性极强，这就使得其科研工作者可以集中时间和精力，来在自己专业方向上进行更加深入的学习。如有必要，研究生和本科生可以共享部分课程，如哈佛、加州大学等，以补充在专业学习中一些基础物理的缺失。这在国内以工科为主的院校也存在，如清华大学、上海交通大学等。而对于普遍的国内高校，精英教育的遗传基因使得培养中的知识层次保持线性增长。在知识层面上也保持不变，基本上所有的物理知识都在提高。在教学时间和精力有限的情况下，这在一定程度上压缩了实用知识的拓展。同时，国内研究生教育的专业区分也不够明确，学生的专业选择存在一定的盲目性，往往实际学习时的专业和思想准备中的知识储备存在着相当大的差异。这就使得在学习相关专业的知识时有跨跃感，甚或出现完全不适应所学专业而停止学业的情况。总之，国外在课程层次设置上，本科阶段教育注重知识的宽度和适用度，层次渐近平缓；研究生教育注重课程的专业性和精尖性，面窄进程快。国内的本科阶段教育面宽、量大，在实用教育方面存在一定差距；在研究生培养上更像上本科教育的延伸，只是在知识面上有所变窄，深度加大。综其根源为教育理念的差异导致。

2.3 课程设置上社会责任教育方面的差异物理学是一门可以改造世界的科学，它也是一把“双刃剑”。事实促使人们对科学技

术的本质进行反思，开始感悟科学技术的实施需要与人文和社会可持续发展的战略相联系因此，考虑社会的可持续发展，培养面向未来的全面型人才的“STS 教育”理念在课程设置中得以充分体现[2，3]。具体而言，就是国外物理教育在设置课程时注意体现科学解决理论问题，技术解决应用问题，科学和技术结合造福社会的教育观；具有多元性、开放性、人文性、前瞻性、互动性和统合性的特征。多元性就是课程的设置内容来自多种思想，不再局限于传统的物理的自上而下的思维方式，充分吸纳别的学科的思路，如生物的、化学的自下而上的思维方式；开放性就是课程设置时同时融入生物医学、工程技术中非传统物理的因素；人文性就是课程设置中包括物理美学、物理学史等培养物理学在社会发展中所应具有的荣誉感的课程；互动性体现在课程教学中的学生和老师的互动和课程内容中理论与应用的互动及理论学习和实际技术问题的互动；综合性体现在以上的各个特征有机的结合在一起，达到物理思想与社会责任感教育、人格培养“无缝链接”。总之在课程设置上注意结合物理探究的培养、物理方法的传授的同时，加入了物理技术史、物理科技前沿、物理相关生活科普等有助于培养社会责任的内容，达到“科学-技术-社会”的科学教育与人文教育相整合的目的。

2.4 课程设置上互动性和前沿性方面的差异基本教育理念的转变，人才的培养以及服务于社会的教育功能在课程设置中得以全面

的体现。为了适应现在学生自主观的加强，培育式的交流教育相对灌输式的讲授教育，其占有的比例正在增加，各种工作室（studio）和讨论班（seminar）课程在各大学都有出现，并占有几乎 10%的比例[4，5]。这种注重学生与老师处于平等地位的交流和互动的授课形式在对培养学生的兴趣和对知识的消化理解方面都有相当可观的改善。在服务于社会方面，把课程设置的现代化作为一贯的原则。现代物理在国外一流大学的课程比例基本在40%以上，例如，粒子物理、核物理、空天物理、生物医学物理、纳米物理等等。总之，“教育与社会与科学技术的同步前进”在成功的物理教育中得到了体现。

3 中外一流高校物理教育的特色作为传世百年的名校，各个学校的教育都有属于自己的特色。而物理学科作为基础学

科中的重中之重，几乎都与传世名校有着同样的历史传承，凝聚着各个学校的灵魂。在强调高校建设国际化的同时，保留自己的鲜明特点也是高校得以传世的重要因素。

物理教育的分化与社会的发展密不可分。一切教育发展与知识的传承都是为人类文明服务的。随着文明发展和社会进步，作为广义的物理学科正在社会应用中分化为不同的细节，作为物理学传承的物理教育在继承各自特色的同时也经历着改变，其中以高校的物理教育最为明显。高校物理教育不仅担负着传承文明的责任，更是发展文明的重要方面，因此，高等物理教育的特色在一定程度上影响着文明发展的方向。

3.1 成功高校的物理教育都是通才教育与精英教育兼顾

伴随着社会的发展，要保证良好生活质量的社会人需要掌握越来越多的知识，尤其是作为文明基础的物理学的知识。在高中及高中以前的有限学习时间内，基本不可能掌握这些知识。所以，以往通常认为是精英教育的大学物理教育正在逐渐地适应科学社会与技术社会的需求，转变为现代意义上的“通识型人才”教育平台。通俗地说，大学物理教育正在由原来培养科学家的模式变为培养合格社会人的模式。这在国外高校的课程设置改革中展露无遗。越来越多与人们日常生活密不可分的应用物理基础内容正在走入大学课堂。在讲授四大力学的同时，各种实用技术如新兴的纳米科学、生物医学等也在成为大学物理教育有机组分，不仅面向物理专业的学生，还面向所有进入大学的学生，甚或面向整个社会，如耶鲁大学的社会公开课程。这些课程在一定程度上既实现了全民的进步；也培养了具有广博学识的可塑性极强的人才，有利于在社会生活中向不同的方向转型。另一方面，精英人才的培养又是保证文明得以发展的根本，所以精英人才培养是且只是大学物理教育所能担负的责任。近半个世纪以来，由于知识的爆炸，再像以前一样培养通识型精英人才已经不可能；同时，各技术细节及学科门类的细分也要求在精英型人才的培养上的精益求精。所以在精英型人才的培养中，各一流高校根据自己的特点经营着自己所占有优势的一片小天地。国外的一流大学都有着明确的目标，在担负着通识型人才培养工作的同时独树一帜地培养带有自己烙印的精英型人才，在顺应时代的同时，不改变自己的根本。国内的知名高校大多数也已经意识到这一点，明确了自己的社会责任。总之，国际知名的一流高校作为整个教育系统的风向标，都在坚持自己的通识教育的社会责任的同时，各具特色地培养着传承文明的精英人才，双管齐下，共促社会的发展。

3.2 国际一流高校的物理教育都各具鲜明的特色如人一样，每个高校都有自己的灵魂，即自己鲜明的特色。一套完整教育体系的建立

并非一朝一夕，每一个成功的物理教育体系都凝聚着无数知名和不知名的物理工作者的血汗，这些心血都或多或少改变了或正在改变着这个社会。MIT 的学必至用，哈佛的学术自由，伯克利的面向社会等，都是传承至今的物理教育理念。这些教学特色又多多少少受到学校历史的影响。哈佛、斯坦福以及中国的南开、北大等老牌的理论教育理念或综合型大学的物理教育更注重学术的传承与发展，注重文化形式及物理思想的培养，在精英教育方面更倾向于培养理论科学家。而MIT、加州理工及国内的清华、科大等更注重实用技术，在科研向生产力的转化方面有独到的运营经验。后一类在物理的课程设置和更新上更贴近于社会技术的实际发展。还有一些名牌学校处于两者之间，如普林斯顿，中国的复旦、南京大学。可以把以 哈 佛 为代表 的 学校称为 科 学 （ science）派，把以 MIT 为代表 的称为技术（technology）派。现在不好评价哪一种类型的发展更好一些，不过在科技成果向生产力转化周期越来越短的今天，技术派在发展上明显占有优势，无论是在师资力量和社会影响力上。

3.3 国际一流高校的社会责任感教育上物理教育的社会责任感体现在心智健全的人才培养及社会功能的知识传承两个方面。

物理教育是典型的培养人智商的专业性教育，然而作为均衡的社会人，情商的教育也不容忽视。所以一流高校的物理教育必须包含情商培养的内容。心智的健全发展是一个合格人才的重要标志。近年来，各校的物理课程中不约而同地设置了与情商培养相关的课程，如哈佛的“物理荣誉”教育、南开的“美与物理学”。这些课程在培养学生物理兴趣的同时又从另一角度培养了学生的审美等人生观的发展，是传统物理教育中的一支奇葩。另外，物理教育也变得更加注重为社会服务。这一点以技术型高校为代表，并正成为所有高校的风向标，尤其以伯克利的纳米系统课程及 MIT 的信息系列课程为典型。所有这些努力，都是为了把物理教育做成指引社会发展的前沿灯塔。

4 对我国高校物理教育教学的启示物理与数学一起，一直被认为是传承社会文明的两个重要基础学科支柱，而物理又是

支持技术发展的重要基石，所以物理教育应该被深入思考，仔细研究。由于经济和观念的原因以及国情的不同，我们的教育方式不可能与国外完全一致。然而，“它山之石可以攻玉”，国外成功的物理教育对我国的物理教育有相当的借鉴意义。结合我国物理教育的现状，它对我国的物理教育有以下几点启示。

4.1 课程内容的更新。目前我国大学物理课程内容的更新已经在进行，但还不同程度地被以往体系制约着。在力学，热学、电磁学、光学、近代物理的内容组成上缺乏本质的进步，甚至“力学”大部分是高中内容的重复，微积分的应用比较陌生，思维不能完成从高中到大学的转变[6]。这与高中数学教育的不足有关，但也体现了课程设置中与高中课程的衔接问题。另一方面，相比国外的课程设置的“广而博”，国内的物理课程更注重“窄而深”[7]。这在一定程度上加大了社会所普遍需要的通才型人才的培养难度。所以在课程设置上应适当向广博方向发展，同时尽量化抽象为具体，调整课程结构。美国哈利德编著，张三慧编译的《物理学基础》畅销世界，虽然概念推理和我国教材比稍有逊色，但联系生活的题目设计和用实际图片展示抽象道理的方式得到普遍认可。邓小平早在 1977 年就强调“教材必须充进最先进的内容不可”[8]。在课本中附一些生动的图片既有利于激发学生的学习兴趣，增加内容在学生头脑中的感性理解；也有利于表现一些难点和难于用文字表达的知识以及近代科技应用的场景。

4.2 教育方法的改进。杨振宁曾指出，中国的教育，特别是物理教育要注意教学方法，不仅要注重演绎法，目前更为重要，也更为迫切的是要注重归纳法[9]。这就要求充分调动学生的积极性和教师进行互动，并在充分理解老师的思路的同时开放学生自己的思维。这对传统的老师一人讲的教育方式是一个挑战。我们的师生比例决定我们不可能像西方那样全部课堂讨论，但也要注意选择灵活多样的教学手段，同时也要开放老师的教学思想。不仅要让从事基础教学的老师打破常规去收集物理学在专业领域中的应用资料，还要让一流的从事科研业务的教授及他们科研进课堂。让学生走出去进入工厂生产第一线去学习。最终目的是搞清物理概念的来龙去脉和数学处理的过程，并让学生学会“从现象入手——用物理手段分析——用数学语言描述——建立模型——求解并推广应用”的完全学习过程[10]。

4.3 实现实验教学的日常化。物理是一门实验科学，理论与实验的结合是其基本特点。现阶段内国大学在资金实习和实验室建设条件上虽然与国外存在一定的差距，但也不能忽视实验在整个物理教育中的重要性。我们可以一方面精选出一批典型的物理实验在课堂上演示、讨论，促进和深化学生对物理概念、新知识的吸收[11]；另一方面让学生走进实验室，定期开放实验室，充分锻炼学生的思维、动手能力，并鼓励学生进行自主创新活动（如现在正在国内进行的大学生挑战杯科技创新）。

4.4 考核制度的多样化。国外很多物理课程已经实现了多样的考核制度，如论文考核、答辩考核、一学期四次或更多的考核及随机出题的应用考核等；而国内的绝大多数物理课程还都是期末一卷考核，多人一样考核。这种转变在以应试教育为主的中国实现起来，其阻力之大显而易见，不过仍可在小的范围内逐渐展开，灵活掌握。只有这样才能充分体现多元教育的优势，公平体现学生的学习能力、老师的教学效果以至培养的综合情况。

对教育的国际化，应清醒的认识到，国际化是教育理念而不是教育形式。我们应学习国外先进的教育理念：注重物理教育的社会功用，注重人才的全面培养，注重教育的深入与发展，注重物理教育的与时俱进。同时，我们也应慎重考虑我们的具体情况。我们的大学生数量正在疯狂增长，我们大学的物理教育也不再是精英教育，我们的教育方式与理念应向平民化延伸，并保持自己的特色，从而形成为独立发展的教育体系，而不是别人的“分校”，我们的社会责任在于促进现阶段中国的发展，不要盲目追求与世界接轨，为达到所谓的国际化而失去自我的发展方向。

5 结束语归根结底，教育是对人的培养。也许是东方人的理性思维完全不同于西方人的感性思

维方式决定了二者在教育理念与教育模式上必然存在差别，但互相学习与互相借鉴是永恒的真理。在新的历史条件下，在物理教育方面我们要“看齐国际，保持自我”。充分认清各方面成功教育的同时，深入分析和认识我们国情下的教育的历史责任，努力发展符合我们国情的教育模式，让物理教育乃至整个教育体系与时俱进，达到与社会和谐发展的目标。

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教师，1997（6）.[10]吴宗汉.关于日本未来大学物理教育走向研究的介绍[J].物理通报，2001（9）：

7-8.[11]沈晓明.浅谈大学物理教学改革[J].广西大学学报，1999（12）：38.

[作者简介]李威（1982—），男，辽宁建平人，南开大学泰达应用物理学院助理研究员、博士，现主要从事教育管理研究；张立彬（1964—），男，河北石家庄人，教育部南开大学外国教材中心副教授，现主要从事信息文化、信息技术与物理学外国教材研究。本文系教育部2009年度研究项目“中美一流大学物理教育比较研究”的阶段性成果之一。

应用型大学基础物理课程分层次教学的探讨姚淑娜（北京联合大学基础部，北京 100101）

[摘要] 根据“以人为本，因材施教，分类指导，强调应用”的教育理念，提出应用型大学的基础物理课程采取分层次教学、构建全新教学模式的设想，设计了大学物理课程群的设置方案，并对分层次教学提出了具体的实施意见。[关键词] 应用型；物理课程； 分类指导；分层次教学。  一、引言

在高等教育大众化形势下，针对面向职业的应用型大学的应用性人才培养，物理课程已经面临着严峻挑战，改革是势在必行之举。《大学物理》课程应该怎样进行切实可行、行之有效的改革？通过期中学生座谈、问卷调查等方式的调研、研究发现，那些一直困扰我们的很多问题，实际上都可归结为大学物理课程是沿袭了一贯的传统教学模式，没有与时俱进的适应社会的变革和时代的发展，没有适应社会各行各业对多样化人才需求的新形势。

为了全面提高大学物理教学质量，真正发挥大学物理课程在应用性人才培养中的作用，必须真正贯彻“以人为本，因材施教，分类指导，突出应用”的教育理念，打破长期以来一成不变的传统课程模式，实施分层次教学，构建一种全新的基础物理课程教学模式。

以全面提高大学物理课程的教学质量为中心，以实现课程四大功能（提升科学素质、培养创新精神和应用能力、为专业课程服务，满足学生终生发展需要）为目标，在实施分层次教学的实践中，要从课程设置、教学内容、教材建设、课堂讲授方法、学时分配、成绩评定、课程考核办法等等，进行一系列的配套改革与实践探索。二、分层次教学的课程设置

在课程设置上，把传统的公共基础课程《大学物理》分为三个层次：即专业特色层次、科学素质教育层次、高级物理层次。对于教学内容改革和教材建设，也是围绕这三个层次的课程展开。

第一层次：“专业特色物理”课程。是按照各学院的不同专业需求而“量身打造”。授课对象为工科类各专业学生。这类课程要淡化物理学科本身系统性，强调专业针对性。既要夯实必要的基础知识，更要体现专业特色。“专业特色物理”课程可以安排在一年级的第二学期，使学生们在刚刚接触大学物理时，就体会到该课程对专业学习的重要性，因此引起重视，努力学习。

例如：针对汽车专业可以开设《汽车物理》课程，它是专为满足汽车服务、汽车维修及汽车研发等相关专业的本（专）科学生而设置的。可以在质点力学、刚体力学、振动与波动的部分，分别讲授汽车的驱动、汽车行驶阻力、汽车的防抱制动、汽车的减震、汽车噪声

测量等问题；在热力学部分，讲授汽车常用内燃机；在电磁学中，讲授汽车的半导体点火系统；在光学中，讲授光的视觉生理，光学器件及其应用；还可以讲授汽车常用传感器的原理及应用。类似的“专业特色物理”课程还可以有《机电类物理》（重点是机械运动和电磁运动）、《光波导物理》（重点是光波导理论和光纤技术应用）、《环境物理》（重点是环境声学、环境电磁学、物理污染及防治等）。

第二层次：科学素质教育课程。是针对工科学生和非工科部分专业学生的科学通识教育课程。教学内容要体现“浅、宽、新、用”特色。（浅：淡化数学推导和演算，注重基本知识、基本原理和规律的介绍。不要求学生运用高等数学解决物理习题。宽：一是拓宽物理科学的知识面，避免与中学内容重复。二是对学生的能力要求，不再限于解答物理习题，而是通过课堂讨论、课外思考、制作多媒体课件、设计小实验和撰写论文等多种作业形式，考查学生对知识的理解，训练学生课外阅读、获取知识、写作能力和动手制作的能力。新：增加一些 20世纪中期以来发展起来的新兴学科介绍，引进一些物理前沿和热点问题，使学生了解物理科学最新进展以及未来发展前景。用: 突出物理科学在日常生产生活中和高新技术中的应用，还要介绍一些物理污染的危害与防控知识。）

科学素质教育课程可以安排在二年级第一学期开设，授课对象可以是工科“普通班”学生和“非工科专业”部分学生。对于一般工科各专业学生来说，他们已经学完了“专业特色物理”，紧跟的科学素质教育课程会使他们感觉耳目一新，有新的收获。而对非工科专业的学生来说，科学素质教育课程也是“含金量高”的一门课程，补充了由于“专业限制”所欠缺的那些当代科学知识。

第三层次：物理高级课程。教学内容保持传统物理的“力、热、电、光、原”完整体系。针对工科各专业“重点班（高级班）”优秀学生开设。解决相当一部分优秀学生对物理课程感觉“吃不饱”的问题。为满足这部分有潜力学生的求知欲和成就感，可以组成重点班（高级班），有针对性的加以培养，提供给他们比较系统全面的大学物理知识，使他们在参加各种物理竞赛和物理实验竞赛时，能够充分发挥出物理特长。 三、分层次教学的课堂讲授方法

在各层次物理课程的课堂讲授中要体现方法创新。（1）要加强和扩展课堂演示实验，给教师配备比较丰富的教具，还要设计一些学生在课堂上能够亲身体验的实验。（2）要借鉴其他课程的成功的教学方法，引入案例法、发现法、讨论法等多种新方法，最大限度的调动学生们参与课堂活动的积极性，使课堂教学由“死板枯燥”变为“丰富生动”。（3）充分发挥多媒体教学的功能，电子教案绝不是板书搬家，要利用 CAI课件、DVD播放等教学手段，使授课方式丰富生动，吸引学生注意力，激发学生听课兴趣。还有一些不便于现场实现的课堂演示实验，可以通过多媒体课件的形式模拟播放出来。（4）作为课堂教学的补充和延伸，要逐步发展网络化教学。例如：网络答疑，网络提交作业、网络考核等。还可以把由于课内学时限制，未能完成的教学内容发布到网上，让学生自学，锻炼学生自学能力。为了提高网络教学效果，可以把学生的网络学习情况作为考核平时成绩的参考指标之一。

四、分层次教学的成绩考核办法在分层次教学中提倡成绩考核方式的多样性，根据不同层次类别的物理课程分别对待：

（1）对于专业特色层次的物理课程，要淡化对“求解纯物理题目”的考核，重点考核学生把物理基础知识灵活运用在专业上的能力。由于这类课程不是统考，所以任课教师具有更多的自主权、更加灵活的发挥余地。（2）对于素质教育通识层次的物理课程，除了传统作业形式的运用，还应包含课堂讨论、撰写小论文、制作多媒体课件、完成课程报告，期末笔试可以安排统考，总评成绩是根据上面几项综合评分。(3)对高级物理课程，课程考核的目的带有“选拔性”。由于生源是来自各班级的尖子学生（而且已经完成了专业特色物理的学习），他们的层次高，要求高。平时要注重培养灵活的思维能力，还要强化解题能力、设计实验能力和动手操作能力的训练。对他们的平时考核和期末考核可以采取“模拟物理竞赛”的形式，成绩只排名次，没有“及格”与“不及格”之分。这对他们参加各种形式的物理竞赛是有特殊意义的。五、分层次教学的教学计划

对于分层次教学新模式，三类课程的学期和学时安排建议见下表：课程名称 授课对象 学期（学时）安排 考试形式

专业特色物理 工科各专业学生 第 2 学期（60 学时）

开卷考试

科学素质教育物理 工科专业普通班学生、部分非工科专业学生

第 3 学期（60 学时）

闭卷考试

高级物理 工科重点班学生 第 3 学期（60 学时）

闭卷考试

 实施分层次教学是一个综合性课题，涉及到各学院教学计划的重新制定以及各种各样的问题。因此可以采取“三步走”的实施策略。第一步是“小范围试点”探索；第二步是“总结经验，发现并解决问题”；第三步是 “完善机制，全面铺开”。相信在各级领导的大力支持下，在全体物理教师的共同努力下，分层次教学的全新模式一定能够逐步建立并完善起来。

[作者简介]姚淑娜（1959—），女，北京市人，北京联合大学教授，博士，现主要从事物理教学研究、应用光学、激光科学与技术研究；

关于通过《大学物理》课程培养工科大学生创新能力的思考吴亚非（天津大学理学院 副教授 300072）

摘要：本文论述了《大学物理》课程培养创新人才中的不可替代的作用。用对比的方法，指出我国工科院校在本门课程中所存在的问题，提出笔者本人的建议。关键词：创新人才；教学研究团队；教学质量评价体系；创新理念；政策导向毫无疑问，一个国家的人才是否具有创新能力，标志着该国家未来的发展。而一个大

学能否培养出具有创新意识和创新能力的人才，是衡量这所大学教育水平的重要尺度。各个国家的大学都肩负着为国家培养高素质、高层次、高才能的人才的重任。培养和造就大批科学和技术的顶尖人才，培养具有开创精神和创新意识和创新能力的人才，是所有大学责无旁贷的义务和奋斗目标。然而，许多关心教育的人士，对我们目前教育的现状并不十分满意。世界级的大师钱

学森先生晚年时，就曾提出一个疑问：“为什么我们的学校为什么总是培养不出杰出的人才？” ①对此许多人都在思索，议论纷纷，提出的观点所谓仁者见仁，智者见智。

作为一名长期从事大学物理教育的，极为普通的一名教师，笔者也想通过自己的工作，谈些个人体会。目的在于参与，旨在抛砖引玉。

1.《大学物理》对培养创新人才的作用至关重要，不可替代从历史的角度出发，物理是少数几个领先科学之一。在中国的春秋战国时期，以墨翟

子为代表的墨家，就开始了对自然界中的一些物理现象的观察和记载，其代表著作《墨经》涉及了对力学、电学、磁学、几何光学的观察和研究。②在西方，大约于公元前 290 年左右，世界第一所大学的雏形——亚历山大图书博物

馆诞生了③。在这里，学者们开始了有组织的对自然界的研究，并将自然科学从以往哲学中提取出来，形成了以托勒密、亚里士多德为代表的最早的物理学，为后人的研究提供了方向。到了 1586 年左右，伽利略以自己的实验和《星际使者》、《关于太阳黑子的书信》、《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》等著作，使物理学正式成为一门的学科。从那时开始经过无数物理学家的不懈努力，到今天，人们对大到宇宙，小到原子核内部，都有了深刻的认识。同时，在物理基础理论的指导下，人们的发明更是数不胜数。物理学研究的本身，还积累了一整套完整的、科学的思维方式。教会人们如何对错综复杂的事物进行分析，而这套分析的方法本身就是一种科学。可能有人会说，发明家爱迪生没有什么知识，不是照样成为了一名伟大的发明家吗？

不错，爱迪生及他的发明都是伟大的。但是，没有学历并不等于他没进行任何其他形式的学习，更不等于他就比掌握雄厚基础理论知识的科学家更善于发明。与他同时代的，毕业于南斯拉夫著名的查理大学技术系的优等生，南斯拉夫人，尼古拉·特斯拉凭借他所掌握的扎实的物理知识和科学的研究方法，先通过理论设计和分析，然后进行试验，大大缩短了盲目试验所花费的时间。特斯拉一生在各个国家的所有专利，包括他所有未曾批准的专利和所有具有专利价值的各种发明，总共加起来有 700多项。而其中许多发明到今天，仍然启发着当代的许多科学家，成为超过爱迪生的最伟大的发明家。④

另外，著名科学家法拉第，从 1820 年到 1830 年花费了十年漫长的时间，历尽了千辛万苦，终于发现了电磁感应现象。但是，由于法拉第仅有小学三年级的正式学历，其它知识，都是在他于伦敦一家印书馆学徒时间自学而来。基础知识的欠缺，导致他根本没有可能将他所发现的电磁感应现象，上升到可以用数学形式表示的一个定律。不得已，他只好在 1832 年，将自己的一些想法写成备忘录，封存在英国的皇家院。直到 23 年以后的 1855 年，这个问题才让从英国剑桥大学毕业的优等生麦克斯韦给解决了。麦克斯韦凭借自己雄厚的理论基础，将法拉第所描写的充满力线的场引入到流体力学中，还第一次提出了位移电流和感应电场的，最好电磁场所引用的力概念，从而将电场和磁场无缝对接起来。最后以六个定律将电磁学所有内容囊括其中。不仅使电学和磁学第一次实现了大统一，而且预言了电磁波的存在和揭示了光学波动性的实质。⑤

而今天，无论是大规模集成电路，还是光导纤维，还是各种先进的引擎等，都是建筑在物理学基础理论之上的。不掌握扎实的基础物理理论，就没有高质量的科学发明和技术创新。不难得出一个结论：物理学发展的每一个脚印，都为随之而来的技术革命指明了方向，《大学物理》是工科所有课程中与创新能力提高最有关联的课程。套用牛顿的一句名言，可以说，几乎所有的技术革命，都是站在物理学巨人的肩膀上实现的。而《大学物理》课程就是奋力将巨人的肩膀交给学生，让学生不仅学会历代物理学家通过千辛万苦所得到的璀璨成果，而且，更让他们学会物理学家在研究世界过程中所积累的方法。

当今世界的科学和技术飞速发展，各种有价值的发明层出不穷，令人目不暇接，眼花缭乱。倘若只是逐项学习人家各个先进的技术，这样不仅被动，而且很难走在别人的前

面。有鉴于此，美国、欧洲等一些发达国家的一流大学，都十分重视基础课教学，其中也包括《大学物理》教学，除了给予足够的学时外，而且积极倡导一系列的教学改革研究。对比我国的工科大学，由于将英语过级考试当成衡量学生水平的硬性指标；也由于在工科研究生入学统考中取消了《大学物理》等，都导致许多工科院校不得不降低对《大学物理》课程的重视，《大学物理》课的学时成了首当其冲的被消减的对象。甚至在985这样的重点理工科大学中，能够保证 128 学时《大学物理》课程的专业为数不多。更为甚者，一些非211 的工科院校，将考研分别当成了学校的培养目标和部学生的奋斗目标。将大学教育当成了考研的补习班，研究生考什么，他们就重点学什么。因此出现了非 211 学校考生的考分甚至高于 211 学校考生的怪现象。这样考试方法，不仅严重削弱了其他基础课的教学，也必然会影响研究生的质量。重视英语学习，以便能从事更深入更广泛的学习和交流是很有必要的。但是，为此却

挤占培养科学素养和创新能力的《大学物理》课程就有失妥当。笔者认为，语言的学习除了课堂教学外，更应该强调于学生自学和借助社会力量。社会上许多语言教学机构，都是大学语言教育的补充。其实许多想有更高语言造诣的学生也已经选择了这个补充。但是，类似于《大学物理》这样的自然科学课程，目前社会教学却是无法填补的。笔者还认为应该改革研究生的入学考试，可以借鉴美国研究生的入学 GRE 中 GRE

subject 的测试方法，将包含《大学物理》在内的其它相关的基础科学融入于研究生入学考试中，从而增加各学校和学生的重视。有了主管部门和学生对《大学物理》的重视的前提后，就可以在提高《大学物理》的教学质量上有所突破了。

2.相对稳定的教学和研究团队，是提高《大学物理》课程质量的关键其实提高《大学物理》课程教学的水平和质量并不难，关键取决于有没有一支致力于此

的团队。俗话说：“事在人为”。 没有人去做，或者说没有人愿把它作为一种事业用心去做，任何事情要想做好都是不可能的。很多学校在管理和考核上，重科研，轻教学。其主要原因可能是两点：其一，迎合社会上对大学排位的做法。其二，科研工作便于考核。只要将被考核人在指定的期刊杂志上发表文章的数量，及其被检索文章的数量统计出来，就可以万事大吉。然而，对于考核教学水平的高低，质量的优劣，却始终没有一个可以数量化的，便于操作的标准。许多教学管理者尽管一而再，再而三地强调提高教学质量，但是究竟质量的标准又是什么呢？没有一个科学地考核教师教学质量和水平的标准，又何谈质量呢？笔者认为，缺乏科学地考核标准，是制约《大学物理》教学质量和水平提高的瓶颈。正因为如此，许多学校干脆取消了专门从事《大学物理》教学和研究的团队，实行兼职制，即在物理系中，从事各个学科研究的老师在科研同时，兼上《大学物理》课。这种方法不能说错，但是这样做本身，就无法保证有一支稳定的团队来专门从事该课程的教学和研究。也就是通常所说的，有的事没人去干。长此以往，课程建设和课程改革就是一句空话。然而，对比于国外一流工科的《大学物理》教育，我们不难找出自己的差距。例如美国许多一流大学在教学方法和教学手段上都做了大胆改革和尝试，例如：以学生为主的讨论教学模式；互动的

教学模式；案例教学模式；分层次教学模式等。美国阿肯色大学物理教授阿特·霍布森博士花费 35 年时间一直致力于物理教学，力图将最新的物理学展现给学生。他将新物理学与诸多社会热点问题结合起来，如臭氧枯竭、全球变暖、技术风险、能源问题、核动力、核武器、伪科学等。他所著作并四次再版的《物理学的概念与文化素养》成为美国十分流行并广受好评的物理教材之一。⑥所有这些都使教学更生动、更活泼、更有启发性，更能调动学生学习的积极性。所以说，保证一个比较稳定的团体，塌下心来，专门研究一下《大学物理》的课程建设，教学改革是有一定的必要性的。这个团队的工作应该包括：教材及教材的辅导材料的研究；教学方式和方法的研究，教学评价体系的制订和研究，物理学与社会热点问题的结合等。只有这样，才能让我们教学水平有个质的提高，只有这样，才能激发起学生学习物理的兴趣，也才能够让学生受到最好的《大学物理》教育。而保证这个团队的关键，又是需要相应的政策。政策是指引方向的路标。一所大学的所有指导思想、办学方针统统体现在实实在在的政策上。沿着政策指引的方向，既能得到实惠，又能体现工作的价值。

3.《大学物理》课程，要在培养创新能力同时培养严谨踏实一丝不苟的学风为了在教育上赶上和超过世界上的发达国家，为了提高我们的竞争能力，也为了弘扬

一种勇于创新的大学精神，在我们的大学教育中提倡创新的理念是十分正确和必要的。但是，在鼓励创新的同时，提倡一种严谨扎实，不浮躁、不虚夸，一丝不苟、精益求精、脚踏实地、实事求是的精神也是同样重要的。我们培养创新人才的目的是，一方面是要推动科学的深入发展，揭示出更多的客观规律；另一方面，就是创造出更为领先的技术，并使之转化为生产力，不仅造福人类，而且能在激烈竞争的商品经济中，掌握更多的主动权。然而，笔者却认为，在激烈的市场竞争中，要想掌握主动权，并非单纯依靠技术创新。而一丝不苟，精益求精的态度同样十分重要。就拿我们的制造业为例，无论是吃的、穿的、用的，许多是国外有的，我们都有，所有这些东西，无须创新。然而遗憾的是，对比国外的产品，我们有许多产品的质量却不敢恭维。小到一根针、一把指甲刀，一个耳塞机，一个螺丝钉…对比之下，我们的许多产品常常处于尴尬的窘地。同样是服装，世界名牌产品的价格，尽管价格比我国的产品要高出许多，但是，还是有许多消费者，尤其是年轻的消费者趋之若鹜。前两天在天津电视台的《都市报道》中提到某国产品牌的汽车，在低速行驶时，前轱辘竟然脱落。这个问题与创新无关。而是在加工细节上没有到位。许多国际知名品牌，很多都是从最简单的手工作坊起家，在瞄准人们的需求的同时，精工细作，精益求精，历经几代人的努力，不仅保留了一大批忠实的老客户，而且成为品质的保证。⑦许多有成就的科学家也是默默无闻辛勤工作若干年，才做出举世震惊的伟业。法拉第

为了探索电磁感应，整整研究了十年。这样的例子举不胜举。其实每个物理定律的发现无不体现着这种精神。反过来也可以说，没有这种精神，就没有科学的进步，就没有真正的发明创造。而这种精神也恰恰是我们的大学应该培养的。这就要求我们做到以下几点：首先，我们的教师应该踏踏实实将我们所从事的教学搞

好。美国教育家布鲁纳在所著作的《教育过程》⑧中说道：“教师也是教育过程中最直接的

有象征意义的人物，是学生可以视为榜样并拿来同自己做比较的人物”。 一个教师对待教学的踏踏实实的态度，不仅能够提高教学质量和教学水平，而且能够将严谨治学、一丝不苟、用心做事的精神传给同学。现在的大学生，其实对每位所接触过的教师都有自己的评价，当然，也会对他们世界观的形成，及今后的人生产生或多或少的影响。

其次，从事《大学物理》教师应该在传授知识的同时，要传授给同学物理概念的形成过程，特别是体现在物理概念中的逻辑思维能力。美国学者内斯特在《教育的荒地》中指出：“真正的教育就是智慧的训练…经过训练的智慧乃是力量的源泉”。⑨其实，传授物理知识的过程，就是训练科学思维的过程。

要做到这两点，依然依靠一个与之相适应的政策。要让教授基础课的老师热爱工作，具有应有的尊严，依靠正确的政策来使他们安心、热心。

4.创新能力应该有明确的理念科学是一把双刃剑，既可以造福人类，又能够给人们增添许多不必要的麻烦。而趋利

避害的关键，是那些科学家、发明家对待自己的研究和创造发明，要有一个明确的理念。例如：冰毒、原子弹、三聚氰胺、瘦肉精等，哪一个不是科学家的发明？然而，所有这些发明对世界、对人类害大于利。原子弹的发明，不能不说是当时顶尖的科技，然而，面对原子弹给人类带来的危害，发明人之一的爱因斯坦却痛心不已，抱恨终生。三聚氰胺添加入牛奶虽然大大增加了商品奶中蛋白质的含量提高了商品奶的产量，但是，却给许多婴幼儿成长造成极大地伤害。同时还极大地败坏国产同类产品的声誉。倒霉的不仅是那些食用这种牛奶的儿童，而是整个国产奶业。毋庸置疑，类似三聚氰胺，瘦肉精这种发明的理念就是惟利是图、损人利己。

有些国家的发明创造的理念，仅仅围绕着使其产品更为精细，质量更为严格上；有些国家发明创造的理念，放在更为人性化，更为方便、简洁上。最近，吉利汽车董事长李书福在上海举办的“2020：中国和世界的新纪元”主题论坛上，坦诚表示，他本人的造车理念，就与现在的沃尔沃管理层存在着分歧，沃尔沃管理层认为，当前世界汽车工业发展方向，就应该是小型、节能、环保、安全。而李书福则认为，为了适应现在的中国市场，就应该迎合客户需求，生产个性张扬的气派、豪华的大型乘用轿车，只要客户有钱买，沃尔沃就应该造，中国人喜欢大型车，讲究坐车的感觉。而沃尔沃却认为：不能造太大的车，太浪费了大了以后耗能就大，占地面积就大，材料消耗就大，就不节约了就不符合当前全世界汽车工业发展方向，就不符合他们必须要坚持自己的核心价值理念”。这就是理念上的分歧。⑩而物理学中的熵增定律，告诉人们，过度的消耗自然资源，过多的环境污染，都会加

快地球熵增加的速度，都会缩短地球的寿命，人类只有一个地球，保护地球更应该是所有科学家、发明家义不容辞的义务和不可推卸的责任。以此为理念，我们的所有的发明理念就只能是造福人类。而这种理念的理论基础，就是《物理学》，而围绕这种种理念的发明，去创造，还得依

靠物理学中的知识和方法。

5.良好的社会环境是培养大批发明家的关键曾经有过这样的口号：“足球要从娃娃抓起”，“计算机要从娃娃抓起”等，所有这

些口号，实际上从一个角度说明了后续人才的重要性，而后续人才的培养必须从儿童时就要给予充分的重视。有一句戏词，叫做：“栽什么树苗结什么果，撒什么种子开什么花。”也是倒出从小培养的重要性。而一个国家的科学发展事关国家的发展和兴旺、国家的安全、国家的尊严、国家的地位

及世界事务中的发言权。加上科学本身是一件十分艰辛、枯燥的工作，需要全心投入和巨大的付出，所以人才就显得更为可贵。

要想把更多的优秀青年吸引到科学研究的队伍，就需要有良好的政策导向。然而，现在社会中的种种物质分配的现状，成为家长为子女，青年为自己选择人生道路的一种很实际的导向，文艺界许多人士的成功，似乎为众多家长指明了培养孩子方向。有多少家长不辞辛劳地逼迫着子女早早开始文艺方面的严格培训，每逢假日，大街小巷时常会看到家长背着形形色色的乐器，带着幼小的孩子四处求学的身影。尽管艺术院校的学费很贵，但每逢这些院校招生，总会有大批考生蜂拥而至，彻夜排队。使得这些专业的挑选范围达到百里挑一，千里挑一，优中选优。除此之外，各种选美，什么快男、超女都使青年人趋之若鹜。究其原因，无非是物质利益的吸引和无意识的政策导向。套用春晚的一句台词：多少青年都梦想有个姓毕的老爷。当然，所有这些并不等于说不会再有优秀的青年喜欢学习理工科了。这样说未免失之

偏颇，并且与事实不符。然而，这些无意识的政策导向，使我们每年培养出来的理工科人才大批流向国外，有许多有作为的人，在有条件时，优先选择就业国外。他们今后的发明和研究成果将不再属于我们，他们取得的荣誉也不再属于我们。尽管我国政府出台了许多吸引留学人员回国的好政策，但是，要真正把那些最优秀，最有发展前途的留学人员吸引回国，仍需要下大力量彻底改变现有的物质分配方式，营造更适合科技人才生存和施展的环境。只有几个最优秀的人才，并不意味着就一定能把科学和技术搞上去，也并不意味着就

一定会出现令人瞩目的发明成果。相反，内在的摩擦力会耗尽所有的能量，而一事无成。物理中的气体的内摩擦原理也告诉我们，气体内的摩擦阻力 f 是与梯度成正比的：

（ 为比例系数），正所谓：“一个篱笆三个桩，一个好汉三个帮。”所有这些都说明团队在科学研究与创造发明中的重要性。再说，即使顶尖人才有远见卓识的想法，没有先进的技术加工手段和高素质的技术人才。要想把图纸变成实物依然会困难重重。所以说，重视优秀人才与重视科学研究和发明的团队同样重要。笔者也曾读过现代人穿越回古代的网络小说，感到，即使具备现在科技思想的人回到古代，他的作为也是十分有限的，

各种条件牢牢制约着他才能的施展，再好的设计没有与之相适应的加工手段都只能是纸上谈兵。我们除了损失一部分理工科的学生于国外外，还有很大一大批优秀理工科的后备人才

挤向公务员的大门口。当然，从某种角度来说，优秀理工科后备人才充实进公务员的队伍，并不是一件坏事。然而，从另一个角度说，长期下去，势必影响我国技术人才队伍的数量和质量。由于缺乏源源不断的优秀的，优秀的，理工科人才充实到科学研究和生产发明的第一线，长此以往，我国的发明和创造就是一纸空谈。理工科人才之所以纷纷去挤通往公务员的独木桥，纠其根源，不外乎是公务员的待遇及其稳定感、安全感等都强于其他行业。

为此，我们在制定政策时，应该尽量使从事研究和生产领域中的科学技术人才的待遇，尽可能地接近公务员。这样，就会吸引更多优秀青年投入到科学研究和技术创新的行列中来。大学的理工科才能有更大的选择余地，而做到，集社会精华而育之。我国的创新才有希望。综上所述，笔者认为，《大学物理》是培养学生创新能力的重要课程，有着不可替代性。

只能加强。为使我们的科学教育更上一层楼而共同努力。

参考文献：①朱邦芬.《对培养一流拔尖创新人才的思考》，《物理与工程》，P1.

②李增智等编著.《物理学中的人文文化》，科学出版社，P4.

③高福源.《亚历山大图书馆兴衰之谜》，新华网：http://news.xinhuanet.com/world/2010-08/01/c_12396385.htm.

④《百科百度》http://baike.baidu.com/view/966246.htm

⑤《百科百度》，网址：http://baike.baidu.com/view/2719229.htm.

李增智等编著.《物理学中的人文文化》，科学出版社，P160.

⑥《物理学的概念与文化素养》[美]Art hobson著，秦克诚等译，高等教育出版社..

⑦《日本中小企业：“职人气质”造就隐形冠军》，腾讯网：http://finance.qq.com/a/20080707/000531.htm

⑧（美）布鲁纳著，邵瑞珍译.《教育过程》，文化教育出版社，1982 年版.

⑨《教育的荒地》，《现代西方资产阶级教育思想流派论著选》，人民教育出版社，1980 年版.

⑩ 韩莹.李书福:沃尔沃和吉利将分开发展.新华网，2010 年 11 月 12日.

http://cv.ce.cn/zxz/ep/qydt/201011/12/t20101112_21963025.shtml.

[作者简介]吴亚非（1955-），男，天津大学理学院副教授，77级本科毕业至

今一直从事《大学物理》教学和研究工作。

哈佛大学《大学物理学》(第三版)教材评介张立彬（南开大学外国教材中心；天津 300071）尹炜恺（美国宾州里海大学物理系）

摘要：通过对哈佛大学理工科物理教材《大学物理学》的评介与分析，建议国内编写同类教材时参考该书的风格特色：图片精美，颜色鲜明；语言风格多样，吸引读者；知识点全面理论和实际结合；强调基础理论，结合前沿科学研究；及时更新，增加内容；循序渐进，权威人士编写等。关键词：哈佛大学；理工科教材；大学物理学；教材评介；借鉴与启示

《Physics for Scientists & Engineers》(Third Edition)(大学物理学)是美 国 哈 佛 大 学课程 编 号 为 5472 的课程 “ Physics 11b. Electricity,

Magnetism, and Waves” 所 选 用 的 教 材 。 《 Physics for Scientists &

Engineers》(Third Edition)由前言、正文、附录、索引四部分组成。其中正文共45章，544页。本书的作者是美国加州大学伯克利分校的Douglas C. Giancoli教授。[1]

一、出版与作者情况《Physics for Scientists & Engineers》(Third Edition)一书由Prentice

Hall（普伦蒂斯·霍尔）出版社出版。Prentice Hall出版社位于美国的新泽西州。全书正文544页，附录32页，附录以公式和参数为主。本书是由Douglas C. Giancoli教授于2000年撰著的。Douglas C. Giancoli是美国加州大学伯克利分校的教授，撰写了很多和大学物理学相关的书籍。比如，大学物理学的前三版、大学物理实验、物理学原理及应用、学生物理手册、袖珍指南和物理习题集等。Douglas C. Giancoli对物理学有很宽泛的认识，在编著书籍方面受到了读者的一致好评。[2]

二、本书的创作背景和主要内容物理学的发展经历了20世纪的突飞猛进，到了21世纪日益成熟。一本概括

所有物理学分支领域的书对于物理学专业和其它的理工科专业的学生来说是很重要的，这样能让他们从基础上了解物理学的知识，对物理产生浓厚的兴趣。

《Physics for Scientists & Engineers》是美国哈佛大学的物理学用书。第二版的《Physics for Scientists & Engineers》出版十年以后，作者Douglas C. Giancoli教授选择了在原有的基础上进行了改进。这次改进既体现在物理内容上，也体现在表述的方式上。结合这些年来物理学界的最新研究，使本书的第三版有了更多的亮点。

本书的内容主要包括了运动学（测量、物体的运动），动力学（牛顿定律、万有引力定律、动能定理、能量守恒定律、动量和角动量），流体力学，波动，声学，热力学（热力学定律），电磁学（电荷和电场、高斯定理、电势、电容、电流、电路、磁场、电磁感应、麦克斯韦方程组），光学（反射和折射、棱镜和光学器件、干涉），狭义相对论，原子物理，量子力学，固体物理，核物理，粒子物理和天体物理等。可以说这本书很全面地概括了物理学的分支，对于非物理学专业的理工科本科生和初步了解物理学的学者来说是一本很好的参考书。

三、主要特点本书的内容丰富、图片精美，用生动通俗的方式讲解物理学的基本原理，并

涉及大量在生活和工程中的应用，对经典物理和近代物理都有相当全面、系统的介绍。在第二版的基础上，第三版做了很大的改进。第三版分为三部分：传统的部

分包括经典物理和狭义相对论以及早期量子理论；扩展的部分包括现代物理，其中分成了九个章节；最后一部分是天体物理和宇宙学。3.1 排版方面的特点这本书在排版方面很特别，图片精美，颜色鲜明，对学生理解内容方面给

予了很大帮助。这本书在制作中用了大量不同的颜色。这不仅仅是为了吸引读者在另一个方面也能更好地描述和体现一些物理量和物理现象。比如说，射线和场还有矢量的定义，不同的矢量的颜色是不同的。第三版相对于第二版有更多的实验图像和表格，这更能帮助读者理解物理现象和理论。比如说，在光学部分，第三版中有大量的透镜成像。这本书中同样有很多的旁注，相对于其它的物理学书籍，这本书的旁注能提醒读者那些还会出现的物理量和很容易忘记的物理量。一

些很重要的定理和公式在这本书中体现的很好。定律一般会有明显的旁注或者被矩形的方框包围。一些重要的公式会加上很亮的背景，以作强调。这本书的每章开篇都会有一幅图，这样能很明显的告诉读者这一章的内容，也可以认为是这一章的一个总结，有的时候这也是对读者的一种挑战。3.2 内容方面的特点这本书的内容丰富，用生动通俗的方式讲解物理学的基本原理，并涉及大

量在生活和工程中的应用，对经典物理和近代物理都有相当全面、系统的介绍。具体来说：

介绍了新的发现：比如对行星围绕恒星转、哈勃太空望远镜、粒子物理和宇宙学（宇宙的年龄）等方面做了更新。

新加入了物理学课题：进行估量的新方法；越来越多的使用对称性；更多的表格表述密度、质量、体积等；空间曲线的万有引力以及黑洞；发动机效率无滑滚动和有滑滚动以及其他关于转动的细节；桥、拱门以及圆屋顶的受力；方波麦克斯韦分布的应用；奥托循环；自由膨胀中熵的计算；电介质在连接电容器和非连接电容器中的作用；接地避免电危害；三相AC；电磁波中电场和磁场的同能量；辐射压、电磁波；镜头和平面镜成像；组合棱镜；新的辐射标准；希格斯玻色子和超对称。

介绍了现代物理学：空间曲线的万有引力和黑洞；行星绕很远的恒星的旋转；相对速率的动能；核碰撞；恒星崩塌；星系红移和多普勒效应；原子的理论；热膨胀的原子理论；氢原子的质量；气体中的分子和原子；分子速率；能均分定律和摩尔比热；恒星的尺寸；阴极射线管；导线中的电子；超导；电子的发现和性质和荷质比；油滴实验；霍尔效应；电子的磁矩；质谱仪；选速器

磁物质中的电子自旋；光和电磁波发光；光谱。提出了新的教育模式：这本书通过提出一些很有意义的问题，激发读者对

各个知识点的思考，从而更清楚地了解物理学的知识。比如：利用对称性；哪个物体从山上滚下速度最快；洞的热膨胀等。重视知识点的应用：基本在每一章都有一小节是关于这章知识点的应用。这

也是这本物理学用书的一大特点。换句话说，这让读者重新去思考为什么学习物理这个问题。本书也在第二版的基础上加了很多其他的应用。比如说，电梯和秤锤；地球同步卫星；恒星崩塌；泰坦尼克；泵；汽车弹簧；减震器；阻尼器防止地震；电视和收音机；电容滤波器；光纤；相机；望远镜；显微镜；半导体等等。

四、学术价值《Physics for Scientists & Engineers》这本书虽然内容浅显，在专业程

度上不如其它物理学的专业领域书籍，但是在学术价值上也有其独到之处。这本书对于那些初涉物理学的本科生来说是一本很好的参考书。这本书很好地把理论和实际联系起来，让学生在学习物理的过程中找到乐趣，并不仅仅是枯燥的理论学习和研究。这本书中甚至还提到了很多最近出现的研究和应用，比如说安全气囊、防锁定制动系统、地球同步卫星、恒星崩塌、减震器、光子晶体光纤、电容滤波器等。以上提到的应用和研究都是很前沿的，而本书让那些初涉物理学的读者在学习基础知识的同时也了解到了物理学前沿的研究进展。相信这样的特点在引起读者兴趣的同时，也会推动物理学研究的进展。可以认为这也是此书的一大特色。五、适用对象

从读者的角度来看，这本书很适合于理工科和初涉物理科学的本科生，能够让他们理解物理界的美妙，激发他们对物理学课题的思考，很容易让读者对物理学产生兴趣。作为物理学的学生，也可以把这本书看成是自己知识体系的完善和回忆。这本书同时很全面的概括了物理学的各个分支，把理论和应用紧密结合，让人们认识到为什么学物理。读者通过阅读这本书也会认识到学科之间的联系。

实际上，中国的高校也可以试用这本教材，这样可以通过阅读原汁原味的英语，直接吸收国外原版书中先进的教育思想和注重实际应用、综合素质培养的教育理念，加深对物理学知识的理解。 六、对国内编写物理同类教材的启示由于我国和国外对物理学的研究确实存在一定的差距，从而不可避免地导

致在高校教材编写质量上有较大差异。教材的编写是一个艰辛努力的工作，也在一定程度上体现了最顶尖人才的能力。本书为美国著名大学的教材，对我国高等教育教材建设有着很大的启示，主要有以下几点：6.1 图片精美，颜色鲜明。不同鲜艳的颜色是对读者的一种刺激和注意力的

吸引。在教材的制作中运用大量不同的颜色，不仅能吸引读者，在另一个方面能更好地描述和体现一些物理量和物理现象。每一章的图片能很明显的告诉读者这一章的内容，有的时候这也是对读者的一种指引。6.2语言风格多样，吸引读者。语言风格多样是吸引读者深入阅读且适应不

同读者群的客观需要。现在国内的理论物理教材，在语言上过于刻板，缺少风趣我们可以吸收国外著名教材的不同写作风格，增加物理学教材的趣味性。这样能拉近读者与作者的距离，从而对读者知识的积累也是很好的催化剂。

6.3知识点全面，理论和实际结合。国内很多物理学的书籍只是一味的强调记住理论知识，从而用于做题，忽略了理论知识在实际生活中的应用。这本书基本在每一章都有一小节是关于这章知识点的实际应用。这也是这本物理学用书的一大特点。理论和实际结合能让读者认识到学习物理不只是为了做题，从而重新去思考为什么学习物理。6.4 强调基础理论，结合前沿科学研究。在基础物理理论书籍中，国内作者

可以提一些该理论在当今物理学界的前沿研究。这样能让那些初涉物理学界的读者在学习基础知识的同时也了解到物理学前沿的研究进展。相信这样的特点也在引起读者兴趣的同时，会推动物理学研究的进展。6.5及时更新，增加内容。这本书的第三版在2000年问世。相比10年前的第

二版，在各方面都有很大的改进和提高。考虑到出版过程中不可避免的错误和知识点的争议性，当今国内的高等教育需要作者定期对教材更新，这样能使读者得到最新的和最权威的知识。因而，教材内容要与时俱进，让读者在理论方法和实验手段上都能及时掌握最先进的知识。6.6 循序渐进，权威人士编写。这本书虽然只是一本综述性的理工科本科生

用书，没有太深奥的知识点，但是这本书的作者Douglas C. Giancoli教授却是物理学界的权威人士。Douglas C. Giancoli教授对物理界有自己独到的认识，也编写了很多非物理学专业的物理学用书。我国高等教育的教材建设要上一个新台阶，必须也需要这样的学术权威来撰写教材。

七、章节目录1. 介绍，测量和估量 4-8 问题解决——一个主要的方法

1-1 科学的本质 5. 牛顿定律的进一步应用1-2 模型，理论和定律 5-1 牛顿定律在摩擦运动的应用1-3 测量和不确定度 5-2 匀速圆周运动的动力学1-4 单位，标准和SI系统 5-3 公路曲线1-5 单位转换 5-4 非匀速圆周运动1-6 数量级：快速估计 5-5 依赖速度的力，收尾速度1-7 尺寸和三维分析 6. 万有引力和牛顿的推理2. 描述运动：一维运动学 6-1 牛顿万有引力定律2-1 参考系和位移 6-2 万有引力定律的矢量形式2-2 平均速度 6-3 地球表面的重力2-3 瞬时速度 6-4 卫星和无重力2-4 加速度 6-5 开普勒定律和牛顿的推理2-5 恒定加速度下的运动 6-6 重力场 2-6 解决问题 6-7 自然界中力的种类2-7 落下的物体 6-8 引力质量和惯性质量2-8 微积分的利用，变加速度 6-9 黑洞 3. 二维动力学；矢量 7. 功和能量3-1 矢量和标量 7-1 恒力的功3-2 矢量相加——图解法 7-2 两个向量的数量积3-3 矢量相减，标量和矢量相乘 7-3 变力的功3-4 矢量组成相加 7-4 动能和功能定理3-5 单位矢量 7-5 高速下的动能

3-6 矢量运动学 8. 能量守恒3-7 抛体运动 8-1 保守力和非保守力3-8 解决抛体运动问题 8-2 势能3-9 匀速圆周运动 8-3 机械能和机械能守恒3-10 相对速度 8-4 用机械能守恒解决问题4. 动力学：牛顿运动定律 8-5 能量守恒定律4-1 力 8-6 能量守恒解决问题4-2 牛顿第一定律 8-7 重力势能和逃离速度4-3 质量 8-9 势能图；稳定平衡和非稳定平衡4-4 牛顿第二定律 9. 动量和碰撞4-5 牛顿第三定律 9-1 动量和力4-6 重量和惯性力 9-2 动量守恒4-7 解决牛顿定律问题：自由体图 9-3 碰撞和冲量9-4 碰撞中的能量守恒和动量守恒 13-4 帕斯卡原理 9-5 一维弹性碰撞 13-5 压强的测量；表面和气压计9-6 非弹性碰撞 13-6 浮力和阿基米德原理9-7 二维和三维碰撞 13-7 流体运动；流速和连续方程9-8 质心 13-8 伯努利方程9-9 质心和平动 13-9 伯努利原理的应用9-10 变质量系统和火箭发射 13-10 粘度 10. 定轴转动 13-11 流管 10-1 角度大小 13-12 表面张力和毛细管

10-2 恒定加速度转动下的动能方程 13-13 泵 10-3 无滑滚动 14. 振动 10-4 角度的矢量本质 14-1 弹簧的振动 10-5 力矩 14-2 简谐振动10-6 转动动力学；力矩和转动惯量 14-3 简谐振子的能量10-7 转动动力学解决问题 14-4 匀速圆周运动的简谐运动10-8 转动惯量的测定 14-5 单摆 10-9 角动量守恒 14-6 物理摆和扭摆10-10 转动动能 14-7 阻尼运动10-11 转动和平动运动 14-8 强迫振动；共振10-12 滚动球体为什么会减速？ 15. 波动11. 普遍转动 15-1 波动的特点11-1 向量叉积 15-2 波的类型11-2 力矩矢量 15-3 波的能量传输11-3 粒子的角动量 15-4 动态波的数学描述11-4 粒子系统的角动量和力矩 15-5 波的方程11-5 刚体的角动量和力矩 15-6 重叠原理11-6 转动非平衡 15-7 反射和透射11-7 角动量守恒 15-8 干涉11-8 自旋 15-9 驻波和共振11-9 惯性力 15-10 折射11-10 科氏效应 15-11 衍射

12. 静力平衡；弹性和断裂 16. 声学 12-1 静力学——力的平衡 16-1 声音的特点12-2 平衡条件 16-2 纵波的数学描述12-3 解决静力学问题 16-3 声音的强度；分贝12-4 稳定和平衡 16-4 声音的来源；振弦和空气柱12-5 弹性力；压力和拉力 16-5 音质和噪音12-6 断裂 16-6 声波干涉和拍12-7 桁梁和桥梁 16-7 多普勒效应12-8 拱门和圆顶 16-8 冲击波及其产生的音爆13. 流体 16-9 应用；超声13-1 密度和具体重力 17. 温度，热膨胀和理想气体定律13-2 流体中的压力 17-1 物质的原子原理13-3 大气压力和表面压力 17-2 温度和温度计17-3 温度平衡和热力学第一定律 21-6 电场17-4 热膨胀 21-7 连续电荷分布的电场17-5 热压力 21-8 电场线17-6 气体定律和绝对温度 21-9 电场和导体17-7 理想气体定律 21-10 带电粒子在电场中的运动17-8 理想气体定律解决问题 21-11 电偶极子17-9 分子的理想气体定律 22. 高斯定理 17-10 理想气体的温度标准 22-1 电通量18. 气体的运动理论 22-2 高斯定理

18-1 理想气体定律和温度的分子解释 22-3 高斯定理的应用18-2 分子的速率分布 22-4 高斯和库仑定律的实验依据18-3 真实气体和相变 23. 电势18-4 蒸发温度和湿度 23-1 电势和电势差18-5 状态的范德瓦尔斯方程 23-2 电势和电场的关系18-6 平均自由程 23-3 等势面18-7 扩散 23-4 电子电压，能量单位19. 热量和热力学第一定律 23-5 点电荷和电势19-1 能量传导的热 23-6 电偶极子19-2 内能 23-7 任何电荷分布的电压19-3 比热 23-8 电压决定的电场19-4 热量测定——解决问题 23-9 静电场势能19-5 潜热 23-10 阴极射线管，电视电脑控制器19-6 热力学第一定律 24. 电容，电介质和电能储存19-7 应用热力学第一定律；计算功 24-1 电容19-8 气体的摩尔比热和能量平均分配 24-2 测定电容19-9 气体的绝热膨胀 24-3 串联和并联电容器19-10 热传导：传导和辐射 24-4 电能存储20. 热力学第二定律；热机 24-5 电介质20-1 热力学第二定律——介绍 24-6 电介质的分子解释20-2 热机 24-7 电介质的高斯定理20-3 可逆和不可逆过程；卡诺热机 25. 电流和电阻

20-4 冰箱，空调和热泵 25-1 电池20-5 熵 25-2 电流20-6 熵和热力学第二定律 25-3 欧姆定律20-7 有序到无序 25-4 电阻系数20-8 可利用能量；热寂 25-5 电功率20-9 熵和第二定律的统计解释 25-6 家庭电路的功率20-10 绝对零度和热力学第三定律 25-7 交流电21. 电荷和电场 25-8 电流的微观观点21-1 静电场；电荷和电荷守恒 25-9 超导体21-2 原子中的电荷 25-10 电动危害；漏电21-3 绝缘体和导体 26. DC电路21-4 诱导电荷；验电器 26-1 电动势和路端电压21-5 库仑定律 26-2 串联电阻和并联电阻26-3 基尔霍夫定律 31-3只含有电感L的AC回路26-4 RC电路 31-4只含有电容C的AC回路26-5 DC电流表和电压表 31-5 LRC系列的AC回路26-6 传感器 31-6 AC回路共振；振荡器27. 磁场 31-7 阻抗匹配27-1 磁和磁场 31-8 三相AC27-2 电流产生磁场 32. 麦克斯韦方程组和电磁波27-3 磁场中的力；磁感应强度的定义 32-1 变化电场产生磁场和安培定律27-4 电荷在磁场中运动的受力 32-2 磁场的高斯定理

27-5 电流线圈的力矩；磁偶极矩 32-3 麦克斯韦方程组27-6 应用：检流计，发动机，扬声器 32-4 电磁波的产生27-7 电子的发现和性质 32-5 电磁波和速度27-8 霍尔效应 32-6 光和电磁光谱27-9 质谱仪 32-7 电磁波的能量；坡印亭矢量28. 磁场的来源 32-8 辐射压28-1 直导线的磁场 32-9 收音机和电视28-2 两平行导线之间的力 33. 光的反射和折射28-3 安培和库伦的定义 33-1 光的模式28-4 安培定律 33-2 光速和折射率28-5 螺线管和环转体的磁场 33-3 反射；平面镜成像28-6 比萨定律 33-4 球面镜成像28-7 磁材料——铁磁体 33-5 折射28-8 电磁和螺线管 33-6 可见光谱和散射28-9 磁材料中的磁场 33-7 全反射；光纤28-10 顺磁性和抗磁性 33-8 球面镜的折射29. 电磁感应和法拉利定律 34. 棱镜和光学器件29-1. 感应电动势 34-1 薄透镜；光束追踪29-2 法拉利感应定律；楞次定律 34-2 棱镜方程29-3 运动中导体的感应电动势 34-3 组合棱镜解决问题29-4 发电机 34-4 棱镜制造方程29-5 反电动势；涡流 34-5 相机

29-6 变压器和传输功率 34-6 人眼；校正棱镜29-7 变化的磁场产生电场 34-7 放大镜29-8 感应的应用：声音系统，地动仪 34-8 望远镜30. 电感和电磁振荡 34-9 组合显微镜30-1 互感 34-10 镜头畸变30-2 自感 35. 光的波特性；干涉30-3 磁场的能量 35-1 波动和粒子；惠更斯原理30-4 LR回路 35-2 惠更斯原理和折射定律30-5 LC回路和电磁振荡 35-3 干涉——杨氏双缝干涉实验30-6 LRC回路 35-4 连续性31. AC回路 35-5 双缝干涉的强度31-1 介绍：AC回路 35-6 薄膜干涉31-2 只含有电阻R的AC回路 35-7 迈克尔逊干涉仪35-8 光强 39-5 一维薛定谔方程36. 衍射和极化 39-6 时间依赖薛定谔方程36-1 单缝衍射 39-7 自由粒子；平面波和波包36-2 单缝衍射的强度 39-8 势井中的粒子36-3 双缝衍射实验 39-9 隧道障碍36-4 分辨率限制；圆孔 40. 原子的量子力学36-5 望远镜和显微镜的分辨率；波长限制 40-1 原子的量子力学理论36-6 人眼的分辨率 40-2 氢原子：薛定谔方程和量子数36-7 衍射光栅 40-3 氢原子波函数

36-8 光谱仪和光谱学 40-4 复杂原子；不相容原理36-9 衍射光栅的峰值宽度和分辨率 40-5 元素周期表36-10 X射线和X射线衍射 40-6 X射线光谱和原子数36-11 极化 40-7 磁矩；全角动量36-12 大气中的光散射 40-8荧光和磷光37. 狭义相对论 40-9 激光和全息照相37-1 伽利略-牛顿相对论 41. 分子和固体37-2 迈克尔逊-莫雷实验 41-1 分子结合37-3 狭义相对论的假设 41-2 分子的势能37-4 同时性 41-3 弱结合37-5 时间膨胀和孪生子佯谬 41-4 分子光谱37-6 尺寸压缩 41-5 固体结合37-7 四维时间空间 41-6 金属的自由电子理论37-8 伽利略和洛仑兹变换 41-7 固体的能带理论37-9 相对质量和动量 41-8 半导体37-10 极限速度 41-9 半导体二极管和晶体管37-11 E=mc2；质量和能量 42. 核物理和反射性37-12 狭义相对论的影响 42-1 原子核的构造和性质38. 早期量子理论和原子模型 42-2 束缚能和核力量38-1 普朗克的量子假设 42-3 放射性38-2 光的光子理论和光电效应 42-4 Alpha衰变38-3 光子和康普顿效应 42-5 Beta衰变

38-4 光子相互作用 42-6 Gamma衰变38-5 波粒二相性；互补原理 42-7 核子数守恒和其他守恒定律38-6 物质的波特性 42-8 半衰变38-7 电子显微镜 42-9 衰变率和半衰期的计算38-8 原子的早期模型 42-10 衰变系列38-9 原子光谱：决定原子的构造 42-11 辐射时间38-10 波尔模型 42-12 辐射监测38-11 德布罗意假设 43. 核能：效果和辐射39. 量子力学 43-1 核反应和元素变化39-1 量子力学：一种新的理论 43-2 截面39-2 波函数和解释 43-3 核分裂和核反应39-3 海森博格的不确定原理 43-4 核聚变39-4 哲学意蕴；可能性VS决定性 43-5 辐射的伤害43-6 辐射的测量——放射量测定43-7 医学成像：X线断层摄影术，CAT，PET43-8 核磁共振44. 基本粒子44-1 高能粒子和粒子加速器44-2 粒子物理的开始——汤川粒子44-3 粒子和反粒子44-4 粒子间作用和守恒定律44-5 粒子分类

44-6 粒子的稳定性和共振44-7 奇怪的粒子44-8 夸克44-9 标准模型：量子色动力学和电弱理论44-10 大统一理论45. 天体物理学和宇宙学45-1 恒星和银河系45-2 恒星演化；恒星的诞生和湮灭45-3 广义相对论；重力和空间的弯曲45-4 膨胀的宇宙45-5 大爆炸和宇宙微波背景45-6 标准宇宙模型：宇宙的早期45-7 宇宙的未来？

参考文献：[1] Douglas C. Giancoli.Physics for Scientists & Engineers(Third Edition).Prentice Hall，2000：1-544.[2] Douglas C. Giancoli.Physics: Principles With Applications. Pearson Education, 2004：1-1040.

[作者简介]张立彬（1964—），男，河北石家庄人，教育部南开大学外国教材中心副教授 ，现主要从事信息文化、信息技术与外国教材研究，发表各类学术论文 100余篇，其中被《新华文摘》全文转载或论点摘编 4篇；尹炜恺（1989—），男，江西吉安人，在美国宾州里海大学物理系攻读硕士学位，主要从事激光和光纤的研究。本文系教育部 2009 年度研究项目“中美一流大学物理教育比较研究”的阶段性成果之一

麻省理工学院理论物理专业教材评介与分析张立彬（南开大学外国教材中心；天津 300071）朱美玲（南开大学物理科学学院；天津 300071）

[内容摘要] 通过对麻省理工学院理论物理专业所用五本教材的评介与分析，认为国内编写同类教材时，新编教材应注意：问题新颖，习题难度适中；风格多样，增加阅读趣味；资料丰富，文献经典广泛；材料适当，扩展学生知识；及时更新，增加实效内容；因材施教满足各种需求；图形描述，发挥图表功能等。[ 关键词] 国外教材；理论物理；粒子与核子；量子信息；量子计算；超弦理论；量子力学；现代量子力学引 言

教材是体现教学理念、教学内容和教学方法的载体，在深化课程教学改革、全面推进素质教育，提高人才培养质量方面发挥着重要作用。为进一步吸收、借鉴国外优秀的经典教材，提高国内教材建设的水平，为国家培养出急需的拔尖创新人才，本文对国外一流大学——麻省理工学院理论物理专业所用的五本经典教材进行了评介与分析。本文选定的五本经典教材分别是：德国物理学家 Bogdan Povh 、Klaus Rith、Christoph Scholz 和 Frank Zetsche 等教授联合撰写，2006 年由 Springer 出版社出版的《Particles and Nuclei》（粒子与核子·第五版）；美国加州理工学院的 Michael A.Nielsen 教授和麻省理工学院的Isaac L. Chuang 教 授 合著， 2000 年由英国剑桥大 学 出版社出版的 《 Quantum Computation and Quantum Information》（量子计算与量子信息）；麻省理工学院Barton Zwiebach 教授撰写，2004 年由英国剑桥大学出版社出版的《A First Course in String Theory》（超弦理论基础）；诺贝尔奖得主、法籍物理学家 Claude Cohen-Tannoudji 教授撰写，1977 年由Hermann 出版社出版的《Quantum Mechanics》（量子力学·第一册）；美籍日裔著名理论物理学家 J.J.Sakurai 的遗作，1994 年由 Addison-Wesley publishers 出版的《Modern Quantum Mechanics》（现代量子力学·修订版）。以下将一一介绍 ：

一、《Particles and Nuclei》（第五版）评介《Particles and Nuclei》 （粒子与核子·第五版）是由德国物理学家 Bogdan Povh

、Klaus Rith、Christoph Scholz 和 Frank Zetsche 等教授联合编写而成，第一版于

1995 年出版，此后又在 1999 年出版了第二版；2002 年出版第三版；2004 年出版第四版，本书是第五版，于 2006 年由 Springer 出版社出版。本版主要的修改是增加了中微子振荡和无中微子双 β衰变等最新实验进展介绍。[1]

Bogdan Povh 教授是著名的德国物理学家，主要从事粒子物理的研究工作，写了几十本关于粒子物理的书，对粒子物理以至于对理论物理的研究工作都具有很大贡献，是粒子物理方面的知名权威专家；同时，Klaus Rith、Christoph Scholz 和 Frank Zetsche也是德国著名的物理学家，正是因为有这么多著名专家一起编写了这本书且进行了多次修改才使得这本书成为初步认识粒子和核子方面的一流教科书。

1.1 内容简介《Particles and Nuclei》 （粒子与核子·第五版）这本书涵盖了主修物理学的大学生所

必备的粒子与原子核领域的基本知识。本书的重点是强调基本的物理概念。其中也介绍了许多相关的实验，但不拘泥于实验细节。随着实验和理论物理的进展，原子核、中子以及夸克这些微观粒子在上世纪已经得到充分研究。世界是由这些组分构成的，这些物质组分间的强相互作用即所谓的“标准模型”的观点，虽然颇具吸引力，但是还未经证实。一旦我们接受这个基本观点，将立刻面临这样一个问题：由于大系统中多体相互作用的复杂性，反映基本粒子间相互作用的基本定律也无法起作用，那么我们周围复杂的结构究竟是如何由它们构成的呢？鉴于此问题，本书对核与粒子物理作了明确的描述。本书第一部分，分析献身于解开事情的基础：这个部分表明用于揭露原子核和核子的基础性实验有一个相似的概念性基础，并且在少量初步组分和基本的相互作用之外揭示全部事实。第二部分，综合阐述基本粒子怎样被结合，构成强子和原子核。书中习题并不复杂，目的在于考虑学生对于粒子和核物理基本概念的掌握。这本基于海森堡大学授课教案编写的教材已被译为多种语言，成为本科高年级学生及研究生的标准参考书。

《粒子与核子·第五版》这本书分两个部分，共二十章。其中第一章是简短的导言。以后各章可分为两部分：第一部分是分析，把复杂的物质一步一步的剖析成有基本的组分和基本的相互作用组成，包括第二到第十二章的内容。各章内容分别是：整体性质；核的稳定性；散射；核的几何形状；核子的弹性散射；无弹性散射深度；夸克、胶子和强相互作用正负电子碰撞；波色子之间的弱相互作用；标准模型。第二部分是综合，把前面讲的基础知识和基础粒子组合成微观的系统或粒子，分析基础知识，包括第十三到第二十章的内容各章内容如下：夸克学；介绍从光夸克中制造介子；重子；核子相互作用；核子的结构；核子激发；核子热力学；在强相互作用下的粒子。

1.2 主要特点以下简要介绍一下《粒子与核子·第五版》这本书的主要特点。首先，此书讲解深入浅出，图文并茂。书中介绍的基本粒子都是很抽象的，例如介绍

夸克等基本粒子与基本相互作用时，如果只用枯燥的文字是很难让人理解的，所以教材中加入了很多形象的举例、实验与图表，让理论变得通俗易懂；此书中的插图图像清晰，使

读者能对理论知识有更形象的理解，并直观地认识具体的实验装置及研究成果，对读者深刻掌握和理解所述内容起到了至关重要的作用。随着人们对基本粒子的深入研究，大家不但需要那些描述现象、介绍理论应用的读物，更希望从本质上了解粒子的相互作用和基本机理；本书结束时还详细列举了书中引用过的近期文献，方便读者进一步了解相关领域的最新研究成果。总之该书图文并茂，大量的模拟的图形，能加深读者对基本概念的理解，使读者不会对这本理论性很强的书感到厌倦。

其次，及时更新再版。当今时代科学技术发展迅速，教材内容的更新迅速，最新文献的引用、最新研究进展的及时补充，成了衡量教材先进性的重要指标。这本书 1995 年出版第一版，此后又于 1999 年出版第二版；2002 年出版第三版；2004 年出版第四版，第五版于 2006 年由 Springer 出版社出版；第五版主要的修改是增加了中微子振荡和无中微子双 β衰变等最新实验进展介绍。再次，阐述生动形象。核子和粒子在我们的现实生活中是看不到的，所以它相对于其

他讲解宏观的知识是要有一定的难度。但是，该书对概念进行了形象的讲解，书中用精确的语言，形象的比喻讲解抽象的问题，让读者有一种形象的认识，能更好的理解抽象的问题，这是本书的一大成功之处。

1.3 社会反映与适用对象读者认为《粒子与核子·第五版》这本书是初步学习粒子和核子等微观粒子的必读的书，

讲解清楚、举例恰当、形象。每章后的问题即可以检查读者的对书中所讲知识的理解程度，同时还可以让读者学会思考问题，解决问题的方法。该书内容是麻省理工学院大学生第六学期所学的一门课程，它强调基本的概念，所以本书一般适合物理专业的学生，同时对于从事这方面研究的研究人员也是一个很好的参考。总之，本书对读者理解基本粒子无疑是一本很好的读物。

二、《 Quantum Computation and Quantum Information》（量子计算与量子信息）评介

《量子计算与量子信息》是一本物理学量子计算领域的名著，内容通俗易懂。其作者是美国加州理工学院 Michael A.Nielsen 教授和麻省理工学院 Isaac L. Chuang 教授，2000年由英国剑桥大学出版社出版，共 676 页。

Michael A.Nielsen 是研究量子方面的先驱，在新墨西哥大学读研，发表文献 50多篇，多年从事量子计算与量子信息的研究；Isaac L. Chuang 是麻省理工学院教授，他在不同的学校拿到了电力工程师、计算机科学教授和物理学教授等职称，现在麻省理工实验室超冷原子中心领导研究量子理论。[2]

2.1 内容简介《量子计算与量子信息》这本书全面介绍了量子计算与量子信息学领域的主要思想与技

术。量子计算与量子信息的研究可以追溯到几十年前，但真正引起广泛关注的是 20世纪90 年代中期，这期间发现了 Shor量子因子分解算法和 Grover量子搜索算法，这两类算

法展示了量子计算从根本上超越经典计算机计算能力和在信息处理方面的巨大潜力。与此同时，量子计算机和量子信息处理装置在物理上的研究，成为继计算机、生物计算机等之后的非计算体系的又一热点，量子计算与量子信息对人类社会最具影响、也是最为惊人的发现之一是：量子计算机能够迅速破解广泛采用的 RSA密码系统。所以掌握量子计算能力的制高点已成为关系信息安全的重要课题，不少国家已纷纷开始启动和资助相关的研究项目。到目前为止，该领域的高速进展与学科交叉的特性使得初学者感到困惑而不易对其主要技术与结论有综合性的认识。作者Michael Nielsen 和 Isaac Chuang 提出问题：计算与通信的最终物理极限是什么？他们在书中详细描述了这样的引人关注的事实：快速量子算法、量子远距传物、量子密码学与量子纠错技术，所附图表和练习内容丰富，深入讲解并分析了各个论题。

《量子计算与量子信息》这本书分三大部分，共12章，分别介绍基础知识以及量子计算和量子信息。其中，第一部分为基础知识，共三章内容，具体为：引言与概述；量子力学导论；计算机科学简介；本书第二部分介绍了量子计算，共 4章内容，也是全书的主体部分之一，具体有：量子线路；量子傅里叶变换及其应用；量子计算机：物理实现；本书的最后一部分即第三部分，介绍量子信息，共 5章，是全书的又一主体部分。具体有：量子噪声与量子运算；量子信息的距离度量；量子纠错；熵和信息；量子信息理论。[3]

2.2 主要特点首先，《量子计算与量子信息》通俗易懂。他在第一部分对量子机制和计算机科学给予

了指导性介绍，使得那些没有物理学或计算机科学背景的人对此也易于接受；作者在第二部分介绍了量子计算，并描述了量子计算机，它如何用来比通常“传统”意义上的计算机更快速地解决问题，以及其如何在生活中实现；第三部分深入探讨了量子信息学以总结全书内容，说明量子状态如何用来完成宏大的通信任务，并讨论如何使量子状态免受噪音干扰。[4]

其次，《量子计算与量子信息》的编排结构独特。本书在写作上定位为教材，因此照顾到广大读者在背景知识上的差异，尽可能以浅显和自成体系的方式叙述主要研究思路，力图深入浅出。在细节的处理上较好地保持了严谨性和启发性的折衷，特别是对一般专业的读者对量子力学方面较为生疏，本书大胆地采用了基于线性代数的公理化体系，大大简化了学习主题的途径，这与我国物理专业量子力学教学改革中的类似尝试不谋而合。[5]再次，《量子计算与量子信息》题材新颖。本书配有大量练习和问题。练习贯穿在文中，

是为巩固对基本内容的理解而设，除个别情况外，很容易在几分钟内完成这些练习；问题则安排在每章后边，用于补充一些由于正文篇幅限制，而未给出的有趣的新材料；问题常由几部分构成，目的是对特定的思路作一定深度的阐述，有几个问题在本书出版时尚未解决，这在叙述时作了说明；每章以整章主要结果的概要结束，并以“历史和进一步阅读的材料”为一节给出整章的主要思路、参考文献和推荐的阅读材料。另外，本书特点还有：系统性——覆盖计算机专业主干课程和非计算机专业计算机基

础课程；先进性——著名计算机专家近两年的最新著作，内容体系先进。 2.3 社会反映与适用对象读者认为本书是一本引用率相当高，介绍量子信息和量子计算相当权威的书；内容深

入浅出，层次分明，参考文献丰富，只要你具备大学数学水平就能够读懂。该书完整系统地介绍了量子计算与量子信息的最新成果和基本知识。它既可作一般有

兴趣的读者了解该领域的入门读物，也可用做大专院校的教材，或供大学高年级学生和研究生自学使用，对相关领域的研究人员也有很大的参考价值。

三、《A First Course in String Theory》（弦理论基础）评介《弦理论基础》是物理学领域的名著之一，通俗易懂地介绍了弦理论的基础。其作者是麻

省理工学院 Barton Zwiebach 教授，2004 年由英国剑桥大学出版社出版，本书共有558 页。

Barton Zwiebach 是麻省理工学院物理学教授，他出生在秘鲁，在加州大学攻读硕士和博士，1983 年拿到博士学位，之后继续在加州大学读博士后。1987 年在麻省理工学院担任助教，1994 年拿到永久教授职称，Barton Zwiebach 教授对物理上的弦理论和粒子物理有很深的研究，他的主要贡献在弦理论方面：他的早期工作是开弦的场理论，后来又研究了闭弦理论。这本书是 Barton Zwiebach在麻省理工学院教学时用的，同时也是他编写的一本书。[6]

3.1 内容简介弦理论是理论物理专业中比较活跃的一个领域，但是弦理论又相对来说比较难以理解，

因为它是一个新兴的理论，还不太成熟，然而弦理论的基础概念是比较好理解的，而且是理论专业硕士生应该了解的。本书用最简单的、最通俗易懂的方式介绍弦理论。主要是介绍相对论、基础量子力学、基础统计物理等物理学研究生要学习的基础知识；书中所有的章节都有练习和问题，这些练习涉及到每个点，而且有些问题是有些挑战性的，有时甚至是一些新的观点；研究生要能解决每章的所有问题甚至更多的问题，要求学生接受一些新的知识，最后学生自己可以提出自己的观点，让学生学会思考，学会发现问题和解决问题。

《弦理论基础》分两部分，分别是基础和发展。第一部分是基础部分，共 13章，从第一章到第十三章，分别是：弦理论；狭义相对论；在不同的维数下的电磁学和引力作用；无相对论的弦理论；相对论粒子；相对论的弦理论；弦参数和经典运动；薄片文字电流；锥形光的相对论弦理论；锥形光场和粒子；相对论的量子粒子；相对论量子开弦理论；相对论量子闭弦理论；第二部分是发展，共包括十章，从第十四章到第二十三章，具体有：线规场；弦电荷和粒子物理；弦热力学和黑洞；闭弦的时间二维性开弦的时间二维性；弦理论电磁场；非线性电气力学和 Born-Infeld型电气力学；弦相互作用和黎曼表面；弦理论中的环形振幅。

3.2 主要特点首先，《弦理论基础》作为一本教科书，本书很注重使其易懂和富于启发性，每个相关

公式的推导和例题的分析解答都做到非常详尽。本书的推导步骤详细，过程严密。读者不需要借助其他参考书便能完全理解。

其次，《弦理论基础》通俗易懂。主要照顾到学生在背景知识上和知识储备上的差异，尽可能以浅显和自成体系的方式叙述主要研究思路，尽可能通俗易懂的讲述弦理论这个抽象的概念和理论，力图深入浅出；在细节的处理上较好地保持了严谨性和启发性的折衷，大胆地采用了基于介绍的体系，大大简化了学习的途径，这与我国物理专业教学改革中的类似尝试不谋而合。再次，《弦理论基础》习题难度适中，且具有代表性。本书配有大量练习和问题，练习和

问题贯穿在每一章中，是为了巩固学生对基本内容和概念的理解而设，但对一些练习可能有一定的难度，是为了培养学生的自学能力；问题则安排在每章后边，用于补充一些由于正文篇幅限制，而未给出的有趣的新材料。有些问题可能是至今还没有解决的，可以让有余力和有兴趣的学生查阅资料，去解决问题，让学生学会研究的一种方法。问题常由几部分构成，目的是对特定的思路作一定深度的阐述。

3.3 社会反映与适用对象读者认为本书是一本介绍弦理论基础知识很详细的一本书。内容深入浅出，层次分明，

通俗易懂，举例形象生动，对概念的理解到位，生动形象的介绍弦理论这个抽象的问题，公式推导详细，解决问题的方法独特，是一本很好的教材。

《弦理论基础》是介绍比较抽象的弦理论，所以主要适用于研究生的学习，也可用做大专院校和理工科院校的教材，对相关领域的研究人员学习基本知识也有很大的参考价值。

四、《Quantum Mechanics》（量子力学·第一册）评介《量子力学·第一册》由诺贝尔奖得主、法国籍物理学家 Claude Cohen-Tannoudji 教授

撰写。该书进一步深入浅出的介绍了量子力学，第一版 1973 年由Hermann 出版社出版，第二版 1977 年对第一册进行修改和扩展，也由Hermann 出版社出版，共 889 页。克劳德．科恩．坦诺奇（Claude Cohen-Tannoudji）生于 1933 年，是一名法国籍

物理学家。1962 年他从巴黎高等师范学院获得博士学位，之后开始在巴黎大学教授量子力学，并从 1964 年到 1973 年一直从事教学岗位，1973 年到 2004 年，他在法兰西学院担任原子和分子物理学教授，他的实验室设在巴黎高等师范学院物理系；自 1981 年他一直是法国科学院院士，并是包括美国国家科学院在内的全球许多科学院的外籍准院士。他获得的其他荣誉还包括法国国家科学研究院金奖、美国物理学会李利费尔德（Lilienfeld）奖、美国物理学会查尔斯．汤斯（Charles Townes）奖。1997 年他与朱棣文和威廉．菲利普斯（William Phillip）一起因“发展了用激光冷却和俘获原子的方法”而荣获诺贝尔物理学奖。克劳德．科恩．坦诺奇教授写过 200多篇理论和实验论文，研究了量子物理和量子光学的各类问题：光泵激与光位移、了解强射频或光场中原子行为的缀饰原子方法、量子干涉效应、共振荧光、光子相互作用、辐射修正的物理学解释、辐射力，激光冷却与俘获、玻色-爱因斯坦冷凝等。他应邀在欧洲、美国、加拿大、以色列、印度、中国、印尼、韩国和巴西

等国家的高校发表过一系列演讲。[7]4.1 内容简介量子力学在现代物理学中的重要地位是很明显的，现代的大学教育当然也要重视量子

力学的发展和学习。例如在法国，研究生第二年就进行量子力学导论或量子力学基本概念的学习，在研究生最后一年具体进行学习量子力学的基本概念以及量子力学的应用。这本书的编写是凭借教授量子力学几年的经验编写的。量子力学的学习应该把介绍与补充分开本书就是这样编写的。另一方面，每一章都有解释和讨论；补充是在每章后以题和课外阅读的形式给出，以方便有余力的学生深入理解量子力学。我们当然希望用量子力学的知识去解决具体的问题，所以第三章就是介绍早期量子力学如何解决具体问题的，同时在一开始我们是运用态函数与狄拉克方程来介绍的，这样避免波函数的象问题。总之，本书是Claude Cohen-Tannoudji 教授教量子力学几十年的实践经验编写的，他了解学生学习量子力学的具体问题，所以具有很强的针对性，对学习量子力学有很好的指导意义。

《Quantum Mechanics》共两部分，第一部分共七章，具体有：量子力学基本观点：粒子性与波动性，第一章的补充；量子力学的基本工具，第二章的补充；量子力学假设，第三章补充；假设的应用：自旋 1/2 的粒子，第四章补充；一维谐振，第五章补充；量子力学中角动量的基本性质，第六章补充；中心势场中的粒子，第七章补充。第二部分共七章，具体是：量子力学中散射理论的基本知识，第八章补充；电子自旋，第九章补充；角动量的运算，第十章补充；系统的扰动理论，第十一章补充；扰动理论的应用，第十二章补充；近似方法，第十三补充；全同粒子，第十四章补充。最后附录中包括量子力学用到的基本的数学知识。[8]

4.2 主要特点首先，《Quantum Mechanics》把基本概念的介绍与补充内容分开。基本概念是学生

要掌握的基本内容，也是量子力学的基本知识，介绍量子力学的基本内容时，思路清楚，推导严密；补充中有习题，是为了让学生加深对基本内容的理解，让学生能够学以致用，同时补充中还包括一些课外知识和研究量子力学的具体方法，它是教育学生如何学以致用学会发现问题和解决问题的能力。

其次，《Quantum Mechanics》的重要特点是在每章之后除了总结外，还有编者精心挑选的和本章相关的课外阅读材料，以补充材料的形式出现；这些材料虽不是课堂上必须要讲述的知识内容，但是它们对于读者理解本章的内容，特别对关于本章中的疑难点的解答是大有裨益的。再次，《Quantum Mechanics》的知识框架非常清晰。一开始从波函数基础理论入手，

介绍了量子力学的基本概念，比如：态函数、狄拉克方程等；接着介绍了量子力学解决哪些问题，如中心力场、全同粒子、电子自旋等；然后本书讲解了量子力学处理问题的简单方法：近似方法，让学生对量子力学有个完整的认识，有用量子力学解决问题的能力。 4.3社会反映与适用对象

读者认为《Quantum Mechanics》是介绍量子力学较权威的一本书，内容全面、推导思路清楚、讲解深入浅出，层次分明、参考文献丰富，是学习量子力学的最佳选择书目。

《Quantum Mechanics》是研究生学习量子力学的教材，当然本书也可以作为刚入学的学生当做入门的教材，它不要求读者熟悉量子力学的基础知识，所以既可以作为研究生深入学习量子力学的教材，还可以作为有兴趣的读者的课外读物，也可以作为研究人员的参考书。

五、《Modern Quantum Mechanics》（修订版）评介《Modern Quantum Mechanics》（现代量子力学·修订版）是美籍日裔著名理论物

理学家 J.J.Sakurai 的遗作，第一版由 Benjamin/Cummings 出版公司 1985 年出版。本书是修订版，是 J.J.Sakurai 的生前好友段三复教授根据遗稿修补完成的，由 Addison-Wesley publishers 出版社于 1994 年出版。修订版改写了原版的部分内容，增添了关于Bell相位和非指数衰变两个补编，以适应 J.J.Sakurai 一贯坚持的给学生以最新实验进展的相关知识的风格。

J.J.Sakurai 教授于 1933 年出生在日本东京，在 1949 年去美国读高中，他于 1958年拿到美国哈佛大学博士学位，后来在芝加哥大学物理院担任教授助教， 1964 年拿到终身教授职称，1970 年他到加州大学任职直到去世，在他有生之年写了关于粒子元素的理论物理文献 119篇，同时写了好几本关于量子理论和粒子理论的书。J.J.Sakurai 教授在欧洲粒子物理研究所很受欢迎，他不但对实验事实感兴趣，而且他对理论物理的研究和教学也很有兴趣，他认为很多理论物理的教学太窄，与实际有比较大的脱离，他坚持学生要学以致用。

5.1 内容简介《Modern Quantum Mechanics》作者 J.J.Sakurai 是一位杰出的理论物理学家和粒

子物理学家。本书对于量子力学概念的介绍与传统的做法不同，没有受制于量子力学发展的历史线索，力求从一开始就摆脱经典力学的束缚，它直接从量子力学特有的电子自旋的观测实验出发，围绕其状态的概率特征和叠加原理展开对于量子力学基本概念和基本原理的阐述；从空间平移、空间转动及时间演化等对称性变换出发，引入动量、角动量及哈密顿算符等基本力学量，讨论它们的本征值问题，诸如它们的运动方程及与经典力学的关系，从而直接切入量子力学的核心问题，这种被称之为“用量子力学方式来思考”的做法贯穿全书，是本书最引人瞩目之处。[9]

《Modern Quantum Mechanics》共七章，前三章是 J.J.Sakurai 编写的，后四章是J.J.Sakurai 的生前好友段三复根据他遗留下来的手稿续写而成。第一章是基本概念、第二章是量子动力学、第三章是角动量理论、第四章是量子力学中的对称性、第五章是近似方法、第六章是全同粒子、第七章是散射理论。本书虽然没有包含量子力学的所有的内容，但是应该说是一本很好的入门教材。[10]

5.2 主要特点

首先，《Modern Quantum Mechanics》该书第一章一开始就从 S－G 实验出发引入自旋，由此介绍态矢量空间和可观测量的概念，并在此基础之上介绍测量量，通俗易懂；第二、三章直接从对称性的角度引入动量，角动量的算符，并且以一个二分之一自旋量的自旋系统的例子贯穿这两个章节，使得读者能够从不同的角度看到物理问题的奇妙之处， 其联系相当紧密；而且该书在数学方面非常严谨，例如将一个自旋态 1/2写为旋量形式时，书中特意交代了不能用等号，而应该在等号上面加一点，因为态矢量空间中的态是不依赖于具体表象的。总的来说，读该书的前三章是一种享受，它能够让你有忘却时间的感觉。然而，相信每一个读过《Modern Quantum Mechanics》的人都会深深的为 J.J.Sakurai 的早逝而惋惜，也许正是因为上帝 知道了他在写这本书，出于妒嫉才在他只完成了前三章时就把他提前招走的；第四章对称性部分，在宇称和时间反演部分介绍得很详细，并且举了电偶极子 在不同宇称的态下跃迁的例子，条例比较清晰；第五章的亮点在于相互作用讲得很清楚，并且能够和前面的海森伯绘景类比，方便读者去理解； 紧接着时间部分讲得也不错，后面也能够给出很典型的例子（例如核磁共振、微波激射器）。最后总结一下，J.J.Sakurai 的这本《Modern Quantum Mechanics》，不管是从学习的角度，还是从欣赏的角度，都是非常值得一读的书。

其次，《Modern Quantum Mechanics》理论讲解深入浅出。该书在第二章就总结了全书的基本理论基础，其中最重要的就是算符的运算与表象、测量。在以后的各章中，理论讲解都十分详细，而且十分深入，有些章节的理论讲解还综合了从薛定谔方程出发的量子力学知识，进行推导；该书从最基本的物理学理论出发，经过一系列简明又清晰的推导，得出了许多量子理论的研究中经常用到的概念、理论；从这个角度说，该书非常适合做研究生课程的教材；对于学有余力的物理学专业本科生来说，阅读该书也有助于更深入地理解已学到的基本专业知识，并扩展自己的知识面。 5.3 社会反映与适用对象

国内已经出版了不少高等量子力学的教材，但与之直接对应的国外教材却并不多见，本书从其设定的读者对象、它的选材范围以及其深度与广度来看，都非常适合这方面的要求，如果从双语教学角度来考虑，它无疑也是理想教材的候选者。

《Modern Quantum Mechanics》内容涉及面广，知识结构完整，理论分析深刻，循序渐进；对基本原理、基础概念的介绍系统、严谨，注重理论分析和数学推导相结合，注重理论联系实际；便于读者在学习知识的同时，获得分析、处理问题的方法；了解量子力学方面的基本知识。本书可供需要深入学习理论物理、量子力学的理工科院校、应用物理专业的高年级本科生、研究生作为教材使用，也可供相关领域的研究人员作为参考。

六、对国内编写理论物理同类教材的启示总体而言，当前我国高校使用的教材质量与国外相比仍然有较大差异。教材的编写是

一个长期酝酿和准备且需付出艰辛努力的工作，如何改进教材的编写质量也是一个循序渐进的过程。但基于以上国际经典教材的分析，可以看出，在理论物理类教材的编写中以下

几点是值得注意和借鉴的。6.1问题新颖，习题难度适中。习题要有真对性、层次性，能照顾不同学习背景和学习

成绩的学生；同时问题的选择要与时俱进，多加入当今研究的最新进展，让学生学会思考问题。在这方面做的最好的主要有麻省理工学院 Barton Zwiebach 教授编写的《A First Course in String Theory》（超弦理论基础）和美国加州理工学院 Michael A.Nielsen教授 与麻 省理 工学 院 Isaac L. Chuang 教授 合著的《 Quantum Computation and Quantum Information》（量子计算与量子信息）。这些书中的问题涉及到各个层次，既有让基础不好的同学巩固知识用的简单概念型问题，又有为提高学生解决问题和学习能力而设的前沿性问题，以方便学有余力和感兴趣的学生学习有关知识。《量子计算与量子信息》这本书的每章后面都有作者精心挑选的习题和问题，来补充由于正文篇幅的限制而不能具体讲解的课外知识。

6.2风格多样，增加阅读趣味。语言风格多样是吸引读者深入阅读且适应不同读者群的客观需要 。在这方 面做的最好的 是 由德国 物 理 学 家 Bogdan Povh 、 Klaus Rith、Christoph Scholz 和 Frank Zetsche 等教授联合编写而成的《 Particles and Nuclei》 （粒子与核子·第五版）以及美籍日裔著名理论物理学家 J.J.Sakurai 编写的

《Modern Quantum Mechanics》（现代量子力学·修订版）。《粒子与核子·第五版》这本书有形象的比喻，用通俗的语言讲解了抽象的概念，把粒子与核子这种本来就很抽象的微观粒子用变化多端的语言给读者一个形象的认识。《现代量子力学·修订版》这本书从一开始就力图摆脱传统的以量子力学发展为主线来讲解，他从实验的检测开始讲解，深入浅出，读者反映阅读该书是一种享受。纵观国内理论物理教材，在语言上多过于严肃、刻板，风格相近。我们应大胆吸收国内外教材的不同写作风格，增加理论物理类教材的趣味性、可读性，让更多读者喜读、乐读以从教材中吸取更多养分。

6.3 资料丰富，文献经典广泛。本文所介绍的五本书都有丰富的参考资料，文献的选择经典丰富。丰富的参考资料是教材高质量的重要体现。教材的编写是一项系统工程，一本好的高校教材应该是截止教材出版时本领域科研人员研究成果的集体结晶，因而需要引用大量文献来体现这一点。引用文献的时效性、广泛性、经典性，通常代表着教材内容的全面性、系统性以及编者的理论视野和论述的深入程度。

6.4 材料适当，扩展学生知识。从这几本理论物理教材中，我们看出每本书并不是只讲解书本上的基础知识，更重要地是扩展了学生的知识面。其中由诺贝尔奖得主、法国籍物理学家 Claude Cohen-Tannoudji 教授撰写的《Quantum Mechanics》是这方面做的最好的一本书。本书最大的特点就是把正文与阅读材料分开，正文介绍基础知识，而阅读材料是供学有余力的学生了解最近发展研究状况而编写的，材料中有些是科学发展中的一些故事性的材料，也增加了学生阅读的兴趣。我国的很多教材也有习题和问题，但是习题和问题的选择不是扩展学生的知识面，反而增加了学生的负担，所以要注重选择一些阅读材料扩展知识面，增加学生的阅读和探索知识的兴趣。

6.5 及时更新，增加实效内容。其中这方面做的最好的是德国物理学家 Bogdan Povh 、Klaus Rith、Christoph Scholz 和 Frank Zetsche 等教授联合编写的《Particles and Nuclei》（粒子和核子），本书在 1995 年至 2006 年的 11 年时间里再版五次，且每版都有更新。常更新多再版是当今高等教育对现实的需要。高校教材面向的对象既包括高校教师、学生，还有同领域工作人员和科研人员等，因而，其内容要与时俱进，让读者不仅在理论方法上，还是在实验手段上及时掌握最先进的知识。这就要求好的教材，应及时更新以纳入最新研究成果，争取多版次以让更多的人从中获益。

6.6因材施教，满足各种需求。一本好的教材可以让读者达到事半功倍的效果，好的教材条理清楚、布局合理、由浅入深、循序渐进，同时照顾不同读者的阅读习惯、因材施教，满足各种需求。上述五本教材内容布局都是理论基础—分述+应用—分述+应用等—参考文献。但是法国籍物理学家 Claude Cohen-Tannoudji 编写的《Quantum Mechanics》（量子力学）（第一册）最大的布局特点是把基础知识与补充分开，补充是在每章后以题和课外阅读的形式给出，以方便有余力的学生学习理解量子力学。另外两本关于量子力学的教材《 Quantum Computation and Quantum Information 》 和 《 Modern Quantum Mechanics》是在每章后把习题和问题提出来，来让学生思考；同时《A First Course in String Theory》和《Particles and Nuclei》也是同样在每章的后面都有供学有余力和有兴趣的读者提出问题，让读者学会发现问题和解决问题的方法。我国物理类教材的编写几乎是同一思路和知识结构。但对不同的物理课程，应考虑学生有不同的知识结构，每个教授编的教材也要有自己的知识体系和思考问题的方法与特色，这样才能满足不同读者的需求。

6.7 图形描述，发挥图表功能。发挥图表的表述功能是编写高质量教材的基本要求。在这方面做的最好的是德国物理学家 Bogdan Povh 、Klaus Rith、Christoph Scholz 和Frank Zetsche 等教授联合编写的《Particles and Nuclei》 （粒子与核子·第五版）这本书。本书讲解深入浅出，图文并茂。本书所讲知识都是微观世界很抽象的东西，对他的研究也是用特殊的方法，所以书中无论是概念的讲解还是实验装置都配有清晰的插图，增加趣味性。本书使读者欣赏精美插图的同时，又掌握了抽象的概念和研究方法。物理类课程的核心是试验数据的获取、分析与处理，这就要求有大量的表格、图表来表述数据所反映的特征、数据变换规律。图表可发挥文字难于表述的功能，与文字相比，图表更直观、更客观。参考文献：[1] povh.particles and nuclei(5th edition).springer,2006:1-391.[2] http://youa.baidu.com/item/0f1f705fc4cb854e623259a6[3] Michael A.Nielsen, Isaac L. Chuang.Quantum Computation and Quantum

Information.Cambridge University press,2000：1-676.[4] http://item.eachnet.com/prd/1256021933574204_prd.html[5] http://www.haotushu.com/book/174244/[6] Barton Zwiebach.A First Course in String Theory.Cambridge press,2004:1-558.

[7] http://www.seu.edu.cn/s/3/t/123/a/12858/info.htm[8] Claude Cohen-Tannoudji.Quantum Mechanics(2th edit)(volume

one).Hermann press，1997:1-889.[9] http://phys.5d6d.com/thread-66-1-1.html[10]J.J.Sakurai.Modern Quantum Mechanics （ revised

edition）.Benjamin/Cummingspress,1994:1-500.

[作者简介]张立彬（1964—），男，河北石家庄人，教育部南开大学外国教材中心副教授，现主要从事信息文化、信息技术与外国教材研究，发表各类学术论文100余篇，其中被《新华文摘》全文转载或论点摘编4篇；朱美玲（1986--），女，河南商丘人，南开大学物理学院研究生，主要从事凝聚态物理研究。本文系教育部2009年度研究项目“中美一流大学物理教育比较研究”的阶段性成果之一。

麻省理工学院物理教育理念和教学方式探析张立彬（南开大学外国教材中心；天津 300071）郭丽梅（南开大学物理科学学院；天津 300071）

张 毅（ 南开大学图书馆； 天津 300071 ）摘要：从教育理念和教学方式两个角度对麻省理工学院物理教育进行了深入探究，进一步明确了麻省理工学院物理系培养拔尖创新人才的模式。其中，物理教育理念包括实用知识的教育价值观、实践教育理念、通识教育与专业教育相结合的理念、重视教学质量与育人质量的理念等。物理教学方式主要有重视和坚持实践教育、充分利用信息化手段等。通过分析，笔者认为我国大学物理教育的改革应注重学生科研能力的培养、注重自主和交互式学习方法、注重学生综合素质的培育等。关键词：教育理念；教学方式；实践教育；通识教育；培养质量；科研能力；综合素质

美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology ,以下简称MIT) 始建于 1861 年,是世界闻名的私立大学,而且是世界一流的综合性研究型大学。经过短短一百五十多年的发展，MIT 从一所默默无闻的技术学校发展成为一所闻名海外的世界一流高等学府，现已被誉为与哈佛、剑桥、牛津等老牌大学齐名的、综合性的世界一流大学，并获得“世界理工大学之最”的美名。

MIT 是以培养高级科技人才和管理人才为宗旨的综合性研究型大学，既是美国的科学研究中心，也是美国科学家、工程师和工业家的摇篮。它的建立与发展对美国科学技术的进步、社会的发展和工业生产力的提高都产生了至关重要的影响[1]。阿波罗登月计划的导航系统在这里设计完成, 四名传奇宇航员的月球漫步更是从这里迈出，美国星战计划的高级雷达电子装置在这里研制成功，集成电路和磁存储器在这里相继问世,世界上第一款电子游戏和第一个玩具机器人也是在这里诞生的，波士顿 128公路高科技园区在这里繁荣……除此之外，MIT 培养了 78名诺贝尔获奖者，也培养了像前惠普公司首席执行官卡莉·费奥丽娜（Carly Fiorina）、万维网之父蒂姆·伯纳斯（Tim Berners）、前联合国秘书长科菲·安南 (kofia. annan)等社会精英，美国国家研究协会更是把MIT在美国大学的知名度排为第一，《纽约时报》把MIT 评为“全美最有声望的学校”。[2]

在追求普遍学问、学科设置齐全的基础上，世界一流大学都根据各自的传统有所侧重，形成具有世界先进水平的特色学科。MIT 物理系在全美乃至世界久负盛誉，从 20世纪初开始，MIT 物理系就一直是重要的国家资源，其毕业生遍布世界主要大学和学院，联邦研究实验室以及各种工业实验室工作。本文从教育理念和教学方式两个角度分析探究 MIT 物理系取得如此大成就的原因，这对探索大学素质教育、培养创造创新型人才、培养未来知识经济的适用人才和敢与世界竞争的高科技人才是十分有益的；同时，这也为我国各大学物理教育制订培养方案和教学计划提供一种非常好的范例和参考。

1、MIT 的物理教育理念MIT 物理系取得令人瞩目的成就，主要原因是长期形成的独特而成熟的教育理念，例

如：实用知识的教育价值观、实践教育理念、通识教育与专业教育相结合的理念、重视教学质量与育人质量等。

1.1 实用知识的教育价值观MIT校、院长有特殊的办学意识，对办学育人、解决美国及世界问题有强烈的社会职业

性敏感。MIT拥有一流的人才资源、知识资源、技术资源，其使命是为科学、技术和其他学术领域增进知识，培养人才，以在 21世纪为国家和世界提供最好的服务。他们利用自己的优势解决公共问题、开展社会服务活动。[3]

MIT 物理系的价值观是“有用”，促进科技领域的发展，极大地提高了社会生产力水平，改变了人类的生活、生产方式。他们强调通过教学和学术研究来推动为国家和社会服务的职责。开设的课程适于培养社会所需的为国家、社会服务的人才，以推动国家和全世界的建设和发展。物理学几乎是一切工程科学的基础。物理学的成就直接发展了各种各样的工程技术，同时推动了 MIT 工程学院的快速发展。例如，机械、建筑科学就是经典力学原理的实际运用；电力、电子工业是电磁学发展的结果；光学特别是激光技术使得光纤通信、互联网、激光医学等蓬勃发展，在万有引力定律基础上发展起来的航天技术使得人类的足迹不断地向宇宙深处延伸。

1.2 实践教育理念

MIT 对人才的合作能力、创新能力、解决实际问题的能力非常重视，实践教育正成为一种制度化理念。MIT在其教育理念和使命中都渗透了加强实践教育的思想，并通过多种途径提高学生能力的培养。实践教育是指在人才培养的全部过程中贯穿实践教育的思想，通过课堂内外各个环节，全面构建完整的实践教育体系，提高培养学生的质量。[4]

MIT 物理系增加实用课程和实际训练，推动课程的实用化和科学化的改革，譬如增加实践教学课程，更新实验课、习题课、见习课的内容，增加它们的学时数。在课程教学中MIT 物理系不是一开始就讲授课程内容，而是先介绍课程内容在工农业生产和社会生活中的实际意义。在教学过程中，教师往往设定一些具体的问题让学生讨论，通过讨论寻求解决的办法，这样既巩固了知识，而且提高了学生思考和解决问题的能力。理论课教学结束以后，教师还要安排 2—3次见习课或实验课，鼓励学生用所学理论知识设计出具有创新意识的设计方案或实验报告。此外，还要布置一定的课后作业，这些作业往往是和生产或生活实际密切联系的，具有探索的价值，学生通过翻阅资料、调查研究、总结分析等提出自己的观点，要求这些观点具有创新性，学生完成作业的情况最终和该学科的考试成绩挂钩MIT 物理系的老师认为对学生仅仅通过课堂接受教育和训练是远远不够的，MIT 物理系也注重与外界尤其是工业界建立起广泛的联系，形成了大学与产业界之间的良性循环，为学生的学习和创业提供了良好的条件，他们励学生走出课堂、走出校门，参加各种创业活动。

1.3通识教育与专业教育相结合的理念MIT虽然是一所著名的理工学院，但它也提供一般的教育，使其在数学、物理、自然科

学、英语和其它现代语言以及心理学和政治学的基础上，为学生在毕业后能适应任何领域的工作做好准备。教育不仅仅是智力的发展，也是为生活做准备，因而，学生受教育的整体环境是非常重要的。

MIT 物理系越来越重视文科教育，目的是为了学生毕业后能顺利地承担高级工作。 MIT 物理系认为仅发展局部领域的知识是不够的，高等教育应使个体有能力和有效地参与集体文化，采取将通识教育与专业教育相结合的方法，为本科生提供了一种平衡的教育。同时，在MIT 物理系，“越少是越多”指导着本科生课程的设置，给予学生基础知识以帮助他们进行终身的自我教育，更好地学习和掌握有限的基本概念与专业主题比掌握一堆事实更有助于培养未来的专家。尽管内、外部的压力要求拓宽课程，但MIT 物理系仍强调基本原理，不增加课程量。与此同时，对整体课程也不断地进行评定和修改，而不是仅仅增加需要的零散饭。

MIT规定，学生如果要获得理科学士学位，就必须满足核心课程的学习要求。这个要求覆盖科学／数学和人文社会科学两大类。科学／数学包括化学、生物学、物理学、微积分以及实验室和科学选修课。人文社会科学课程要求在五个类别中选择三个完成，即“文学及原著研究”、“语言、思想和价值”、“艺术”、“文化和社会”、“历史研究”。应用物理学专业的学生必须选修物理学和工程学课程，同时，还要学习有关具体的应用物理课程。应用物理课程分三轨：固体状态与量子电子学、材料物理和医学镜像物理。所有三轨都包括入

门课程、必修核心课程、两学期独立研究三部分。入门课程安排在第一年，对应用物理有兴趣的学生该尽可能地学习数学、物理以及计算机应用等课程；专业理士学位申请资格课程主要是指入门课程以外的 10门课，其中 2门要经本科生学习部门认可，其他 8门分三轨设计为系列。学生要想获得理科学士学位，就必须达到理科要求。全校要求学习的理科课程之一就是物理。学校对物理的要求可以通过很多组合得以满足。例如，开在春季的物理Ⅱ包括实验及工具包，开在秋季的物理Ⅰ是为那些在高中时很少有机会学习微积分和物理的学生开设，而且这两个学期的科目序列可以调换。MIT希望毕业生对物理学的基本概念和方法有深刻的理解，同时学院的大部分学位计划都要求掌握这些概念和方法，这对他们塑造社会角色的意义非同寻常。这种课程设置方法，既保证了学校的总体规划，使所培养的学生有大致的发展方向，又照顾到学生个体的需求和特点，给了学生相对自由的发展空间，是高水平研究型大学人才培养的重要特征。[5]

1.4重视教学质量与育人质量的理念MIT 将育人规格定得很高，历届校长都严格坚持“先有一流的教师，后有一流的学生，

有了一流的教师和学生,最后才有一流大学”的现代大学教育制度理念，所以非常重视教学质量与育人质量。MIT 物理系在创办初期就遵循这一理念。

康普顿（Karl T. Compton）是美国著名的理论物理学家，于 1930—1949 年担任麻省理工学院第 9任校长，他从物理系入手，以物理系为突破口来加强基础学科；积极倡导和鼓励学术性科研，推行扩大研究生教育，提高本科生录取标准。他从哈佛大学聘任了年仅 29岁的理论物理学家约翰·斯雷特（John C. Slater）为系主任，斯雷特随之又聘任了乔治·哈里森（George Harrison）和格雷夫（Van de Graaf）等，从而大大充实了物理系的优秀师资力量。1931 年麻省理工学院物理系建立了光谱实验室，1932 年建立了伊斯特曼理化实验室。到 1937 年，麻省理工学院物理系跻身于全国优秀的三个物理系之列。这个理念一直延续至今，采取优惠政策和一切有效办法吸引有天赋、有学识、有成就的人才、专家、学者来校任教授工作，例如：丁肇中，因发现新的 J/ψ 基本粒子获得 1976 年诺贝尔物理学奖，现任麻省理工学院物理系正教授；弗朗克 ·韦尔切克(Frank Wilczek)，因发现了量子色动力学中的渐进自由获得 2004 年诺贝尔物理学奖，现任麻省理工学院物理系正教授。同时坚持这些一流教授承担本科教学及指导实践教学的传统，实现了学高为师的师道原则。对本科生及研究生的入学录取，也实行严格选拔制度，既考核学生学科成绩，又同时进行全面素质考查，包括生活能力、交际能力、动手能力等等，所以录取的学生绝大部分基础是最优秀的。正是在这种严格的人才培养条件下，MIT 物理系培养了多位诺贝尔奖得主，其中包括理察·费曼（Richard Feynman），1939 年获得麻省理工学院物理学士学位，因在量子电动力学方面取得对粒子物理学产生深远影响的研究成果而获得 1965 年诺贝尔物理学奖；乔治·斯穆特(George Fitzgerald Smoot III) ，1966 年获得麻省理工学院双学士学位(数学和物理)，1970 年获得麻省理工学院物理博士学位，因发现宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性而获得 2006 年诺贝尔物理学奖； [6]沃夫冈 ·凯特利

（wolfgang Ketterle），因在玻色－爱因斯坦冷凝物方面的创造，2001 年与他人共同诺贝尔物理学奖，现任麻省理工学院物理系正教授。[7]

2、MIT 的物理教学方式MIT 的教学改革非常成功，其极具特色的教学方式是坚持实践教育、创建信息化校园

以培养学生的探究精神和创新意识。2.1重视和坚持实践教育麻省理工学院的校训就是“Mind and Hand”，既学会动脑，也学会动手，在实践中

学习，在实践中创新，反映了 MIT 的创建者在实践中创新的教育理念和教学方式。它强调了在实践中教学和在实践中学习，强调了教学与研究相结合,坚持在办学中注重实践性和实效性，为解决世界的现实问题而培养人才。MIT 开设了大量旨在提高学生实践能力的活动，为丰富学生的学习生活，更为给学生提供更广阔的学习和实践空间。这是使得MIT在很短时间内就跻身全美著名高校的行列，人才培养质量也达到世界一流水平的因素之一。同时MIT 物理系也重视从实践角度培养学生，其人才的培养成为世界一流学科典范。

MIT 物理系开展了大量诸如本科生研究机会方案、实验性学习小组、独立活动期项目等教育教学活动，给学生们一个生动的实战性的第二课堂，学生们在这里可以学到在课堂上学习不到的知识，并获得实践能力。大胆为物理系的学生创造参与实践的机会，有效利用学生的在校时间，针对他们认为的难以理解的知识提供实践学习的环境，针对学生感兴趣的问题开展实践研究，为他们提供在实践中创新的机会。

2.1.1 本 科 生 研 究机会 方 案 (UROP ， Undergraduate Research Opportunity Program)

在美国，MIT 是第一所制定“大学生研究机会计划”的大学。1969 年，发明偏振片照 相 机 的 物 理 学 家 Edwin ·H·Land 为 MIT 制 定 了 “ 大 学 生 研 究 机 会 计 划（UROP）”。UROP 是以研究为基础的本科生同教师进行智力协作的计划，为参与者提供了优秀的教授、默契的团队、先进的实验设备等，给本科生提供广阔开放的、作为教师的初级同事参与研究的工作。UROP 计划是在一个学年中进行的, 是面向MIT全校的师生，并不设资历的限制，学生们只要感兴趣并具备一定的研究能力，就可以提出申请，可以在学校任何一个系里从事研究活动,并可获得一定补助。

MIT 物理系的学生可以参与任何学科间实验项目，也可以去参与其他任何院系的科学研究。具体参与科研形式是学生参与到教师的科研项目、学生自己提出项目方案这两种。他们可以向学校申请研究资助，然后在教师指导下就能开展独立的原创性研究。这种实践项目不仅学习物理方面的专业知识，而且扩展了其他专业、领域的知识，为本科生提供了一种平衡的教育。同时，在这种科研训练中，学生与指导老师之间是密切接触的，学生可以受到老师的科研思维、态度、工作标准等方面的熏陶，体现了一种科研素养的培训。

当然，其他院系的学生也参与物理系的科研项目，帮助他们获得未来学习发展所必须的物理知识、技能和方法，提高科学探究的能力，形成科学的价值观和实事求是的科学态

度，激发学生的创新潜能。2.1.2 实验性学习小组(ESG，Experimental Study Group)MIT 的“实验性学习组”项目主要是为本科新生提供弹性的、个别化的学术项目，是

一个创新的交互式学术团体，主要由教师、指导员、研究生和对小型社区的教学感兴趣的本科生参加，主要形式有小班级、研讨课、指导等。MIT在课程和活动设置上将参与实践置于很高的位置，学生必须参加这些实践性的课程和活动才能得到必需的学分。[8]

MIT 物理系注重理论课程与实践、研究环节相结合, 使学生能够将理论学习与实践应用和科学研究有机联系起来,给学生充分的综合实践和研究锻炼的机会。物理系几乎所有的核心科目都是通过 ESG 提供的，该项目鼓励师生开发理论与实践相结合的实验性研讨课。学生们不用参加大的课程和讨论课程，他们从吸引自己的不同学习方法中进行选择。他们还有机会参加教育性实验，包括亲自动手开发、试验性讨论班、在实验室工作和在职员指导下完成项目。ESG 培养了学生的感悟能力。[9]

2.1.3 “独立活动期”项目(IAP)     IAP 项目是指学生可以自由追求自己的教育兴趣与目标，此项目是为教和学的创造性与灵活性提供机遇而开设的。在 IAP 中学生可以参与许多科目，科目范围极其广泛，从民族舞蹈、印度烹饪到法语、造摩托车等等。MIT 物理系的学生可以参加很多传统学术日程上根本找不到的活动，例如：独立项目研究、精深的科目与研讨会、田间旅游、报告系列等。他们可从参与 IAP 中获得学分。[10]IAP这种教学方式摈弃了传统课堂的时间观、空间观与情境观的个性化的教学模式，给了学生和教师许多自由的空间,只有在这个自由空间里学生和教师、学生和文本、教师和文本才能敞开交流。 [11] 在教学中如何处理好控制与自由的关系问题，MIT 的 IAP 项目为我们提供了很好的样本, 只有在这个自由空间里，学生和教师、学生和文本、教师和文本才能敞开交流。

2.1.4 “ 地球视野”（Terrascope）课程此课程设计的初衷是放大 MIT 新生的视野，使之延伸到学校的围墙之外，这门课程基

于这样的理念：研究地球系统是调动学生对科学学习热情的有效方法。学生们通过创造性地运用概念，来解释我们这个星球中所发生的物理运动过程和物体发展变化的联系。这对于物理系的学生而言，无疑是一个理想的物理研究模型，有助于他们更深刻透彻地理解书本知识。[12]

2.2充分利用信息化手段MIT 是一所世界闻名的研究型大学，牢固树立了培养一流人才意识，培养创造创新型

人才，要求能够做到技术创新与社会创新。他们把绝大部分的时间、精力、资源和创新都投入教育校内学生，在这一核心努力方向上，技术扮演着越来越重要的角色。MIT 和微软共同建立了“信息化校园”的重大项目，其目的是利用计算机来改进学习或提高教育系统管理的有效性，把信息资源接入学生的电脑，充分利用信息化手段，形成新的教学方法。

MIT 物理系当然是“信息化校园”项目的直接受益者，信息化使改革和教育得到进一

步的完善，激励和支持了学生创新能力的培养，这些革新措施使MIT 物理系成为新思想、新方法和新活力的源泉。该项目的实践效果表明：无论从强度、参与程度还是从学习效果来看，充分利用信息化手段极大程度地丰富了学生的视野，培养了学生的创新思维。

“用从旁指引的导师取代高高在上的圣人” (replace the sage on the stage with the guide on the side)，这句话指出了大学教育的未来。MIT 物理教师谨慎地应用信息化技术，从而把精力更多地集中在学习的过程上，而不是信息的直接传达。物理系老师们精于讲课，他们将知识组织得井井有条，同时，灵活的教学模式、信息化设备激发了学生的探索欲望并增进学生对概念材料的理解。

在利用工作室学习（studio learning）方面，MIT 物理学院进行的主要努力以约翰·贝尔彻（John Belcher）教授领导的“TEAL∕物理”计划为先锋。“TEAL”是指“技术促进主动学习”（Technology Enable Active Learning）。例如：在电磁学方面采取了这种方式进行教学，教学采用了最新设计的设备，其首要目标就是在大量的新生入门科目中重新介绍动手实验；次要目标就是让学生更加积极充分地到投入到电磁学这门课程中，而不是局限于严格的讲课形式。在工作室教学中，讲课、口头回答和动手实验融为一体。在特别装备的教室里，学生九人一组，公用一张操作台。他们大量使用计算机模拟和演示，在临时讨论或解释中，常常用到白板。另外还有视频摄像屏幕，可以即兴或正式地展示与分享材料。[13]

MIT 物理学院对在这些教室上课的学生的表现与在传统课堂上的表现相比较，得出：在信息化的教室中，沟通了课堂与外界环境的联系，激发和提高了学生的学习兴趣，更容易使学生觉得科学和物理让人兴奋，充满激情，提高了他们在不断变化和扩大的环境中所需的灵活性和学习技能，同时也提高了学生的自学能力、应用能力和创造能力。

3、对我国大学物理教育的启示麻省理工学院在培养高水平创新人才和出高水平的创新科技成果方面的独特做法令人

耳目一新，MIT 物理系的教学理念及教学方式也堪称世界一流，我们在贯彻科教兴国国策、探索大学素质教育、培养创造创新型人才的同时,应借鉴其物理办学管理经验，大力推进教学改革、注重教学实效，不断提升中国各大学物理教学水平，为我国培养未来知识经济的适用人才和敢与世界竞争的高科技人才。

3.1注重学生科研能力的培养MIT 物理系在本科生培养方面一个突出的特点是强调其科研培训。物理学科本身揭示

的是自然规律，需要用大量的实践研究去揭示理解各种本质现象。本科生参与科研能真正启发学生对科研的爱好，激发学生的创新潜能，提高学生的科学探究能力，引导他们对科研进行深入探索的动机，培养他们的科研技能、思维方式以及形成科学的价值观和实事求是的科学态度。我国尽管有很多研究型大学已经有了这方面的举措，如开设了灵活多样的新生研讨课，但但相对而言，学生参与的程度仍然不够广。学生参与科研通过深入浅出的讲授以及灵活多样的师生间互动，能够真正启发他们对科研的爱好，引导他们对科研进行

深入探索的动机，激发他们的科研兴趣，培养他们的科研意识，只有这样才能达到高水平研究型大学对学生科研培养的目标。[14]

3.2注重自主和交互式学习方法MIT 物理系自主和交互式学习为我们提供了非常好的范例和途径，值得我们借鉴。允

许学生自主设计各种学习方案，如综合设计、研究项目等。方案的评审由指导教师、部分学生、用人单位组成的评审小组来进行，它既是学生接受帮助和指导的过程，又是促进学生独立思考、意义构建、交流表达和能力培养的过程。进行自主和交互式学习学生可以自行选定学习内容和学习方式、进行有目的、有针对性的学习，进而培养学生主动发展的能力。这种教学是一种开放自主、探究创造的学习过程，有利于调动学生的学习兴趣和积极性, 发挥学生的学习潜能,形成其有效的学习策略，开发学生诸如沟通交流、团队协作等人际交流技能。物理的学习过程是一种探索过程，我们应给学生创造环境，鼓励他们勇于实践，在实践过程中增强他们的创造意志力、产生自己的思考、张扬自己的个性以及激发好奇心和求知欲。

3.3注重学生综合素质的培育广博的知识基础和相对自由的弹性学习制度，是 MIT 物理系人才模式培养的总体特色。

这种人才培养模式满足了人才创新素质形成所必备的几个前提：一是要有开阔的知识视野多重认识和解决问题的视角；二是要尊重个体选择的个性化教育保障制度；三是要有独立的理性思考和善于做批判性思考的能力。MIT 的培养计划和教学大纲的编制,都非常重视学生的兴趣、爱好和意愿,在课程设置和每类课程的选择范围上,也充分体现出“以学生为本”的思想。MIT都非常重视学生的全面发展,为学生提供了人文、艺术、社科、体育、科学基础、技术以及实验等必修课程、限选课程与非限选课程，即课程结构中融合了自然科学、人文科学、社会科学三大领域的内容，充分体现了文化的多样性。无论是必修课还是选修课,供学生选择的范围较大,为学生按照个人的兴趣和爱好发展提供了较大的空间。课程学习要求刚性中有弹性，统一中又有个体自主选择的灵活性；要求学生同中有专、专中有通，由此可见MIT 物理系对人文素质教育的重视程度以及他们注重培养学生人文素质和科学素养的统一，不仅为学生夯实宽厚的知识背景，而且使得学生具备了一种涵养，一种作为学生应对未来社会生活所必须的理论素养、独立思考，特别是在广博的基础上的自我创新和自我发展的能力，逐渐形成相对成熟的专业化和面向社会服务的现代理念。所以，我们在人才培养过程中，应尽可能创造一种环境，既能使学生的潜能得到最大程度的释放，又能满足学校整体发展规划，最终实现各行各业领军人物的培养目标。

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[作者简介]张立彬（1964—），男，河北石家庄人，教育部南开大学外国教材中心副教授 ，现主要从事信息文化、信息技术与物理学外国教材研究，发表各类学术论文100余篇，其中被《新华文摘》全文转载或论点摘编4篇。郭丽梅（1986--），女，山西吕梁人，南开大学物理学院研究生，主要从事凝聚态物理研究。张毅（1957—），男，南开大学图书馆馆长，文学院教授、博士生导师、“长江学者”。

本文系教育部 2009 年度研究项目“中美一流大学物理教育比较研究”的阶段性成果之一。

美国高校有效提升人才培养质量的措施分析张毅 1，张立彬 2，李广平 3

（1.南开大学图书馆，天津，300071；2.南开大学外国教材中心，天津，300071；3.南开大学泰达应用物理学院，天津，300071）

摘 要：本文列举了美国高校在提高人才培养质量方面的举措，主要有浓郁的学术氛围、多样化的本科教育、优秀的师资力量和先进的硬件设施、新颖独特的教学模式等。这些措施对我国高校人才培养质量的提升具有一定的借鉴意义。关键词：美国高校；人才培养质量；学术氛围；本科教育；师资力量；硬件设施；教学模式

美国是当今世界上科学技术最发达的国家之一，也是世界上高等教育最发达的国家之一，这与它对教育的高度重视，对人才培养质量的稳步提升是密不可分的。特别是在第二次世界大战以后，美国的教育差不多每隔十年就进行一次较大的改革。美国高校在有效提升人才培养质量方面获得了相当多值得肯定的结果，具有自己鲜明的特色。1.浓郁的学术氛围是人才培养的摇篮 学术氛围是一个社会进步的风向标，浓厚的学术氛围对于熏陶大学生的创新意识、点燃其创新思维的火花、激励其创新的动力以及在创新实践能力的发展方面都会产生潜移默化的影响作用，从而不断地推动着社会的进步。[1]

美国高校是知识创新、传播和应用的主要基地，也是培育创新精神和培养拔尖创新人才的摇篮。高校在学术方面的主导地位以及所创造的校园学术氛围，无疑成了社会进步的风向标。创新是一个民族进步的灵魂，是国家兴旺发达的不竭动力。美国一流高校是高级知识分子云集的场所，尤其是世界一流院校更是聚集了许多世界最优秀的科学家，从而源源不断地产生新的科技成果，引领着世界科技发展的趋势和方向，以保证始终站在世界科技发展的第一梯队。据l946一l981年的统计，获得诺贝尔奖的科学及理论成果中有70%是在大学中产生的，特别是在世界一流的大学中产生的。诸如超导材料、纳米材料的发现、磁悬浮技术的产生等就是典型的实例。

美国高校，具有学科门类齐全；教学与科研结合密切；国际合作交流广泛的特点。特别是大学通过教学和科学研究活动，在塑造人的科学精神、培养拔尖人才方面有着得天独厚的优势。美国一流高校汇集着社会各界精英，他们知识渊博、思想活跃、创新能力强，因而对科学前沿的理论最容易领会，在将理论运用于实践的过程中也最能创造出新的原创性科研成果，他们的经历对大学生创新意识无疑会起到积极的陶冶作用。经过高等院校几年的深造，毕业生浸润在知识殿堂中，受先进科学理念和学术氛围的熏陶，培养了良好的创新意识。在走上工作岗位后这种熏陶仍然会起着潜移默化的作用，对塑造他们的可持续发展能力有着积极作用。因此，在这一点上高校的学术氛围功不可没。

美国高校是培育创新精神和各类创新人才的重要基地和摇篮，承载着科技创新与传播推广的重任。大学生是高等教育的主体，高校创设的学术环境氛围，对于风华正茂、进取性极强的大学生来说，有助于点燃他们创新思维的火花，对培养其创新精神和创新能力起到了推波助澜的作用。

大学是学术的殿堂，是学术自由和学术创新的殿堂。教授们在这座殿堂里充分地交流自己的学术思想，介绍绍自己的学术成果，报告自己的学术见解，吸取别人的学术精华，在先进科学文化的领域内积极开拓，所有的这些，都使学校浓郁的学术氛围就有了坚实的根基。

大学是育人的场所，对学生影响最大的是教师。教师通过自己对学术创新的不懈追求，和严谨的科学态度，营造出了一个个浓郁的学术氛围。所有这一切，使学生耳濡目染，同时也激活学生的创造能力，增长学生的创新精神。这正是优良的学术氛围所能够带给学生

的最好的礼物！[2]2.多样化的本科教育是人才培养的温床 美国高等教育非常重视本科教育。其本科教育教学把大学生的发展需要放在首位，将本科教育教学置于广阔的、深厚的学术基础之上，以厚重的文化底蕴陶冶大学生；围绕服务学生，满足学生的一切需要配备教职员工，配置办学资源；从学生一生的发展要求出发，课程的设置能保证学生毕业后具有可持续发展的潜力。[3] 美国大学的本科教育学制与我国大致相同．一般要求四年。前两年要求学习通识教育课程。后两年学习专业课程。美国大学并没有一个适用于全校全体本科生的统一的教学计划，也没有一个适用于各院系本科生的统一的教学计划，甚至没有一个适用于各专业本科生的统一的教学计划，他们所称的教学计划是一个由各类必修课、限选课和任选课所组成的、适应本科生各种学习需要的庞大的课程体系。一个本科生的教学计划主要包括低年级所必修的核心课程计划、高年级应当主修的专业课程计划以及任意选修的课程计划。有的大学还有不计学分的课程计划、培训课程或活动计划，由学生自愿参加。如斯坦福大学要求本科新生在人文入门计划、自然科学、应用科学、工程科学与数学领域、人文与社会科学领域、世界文化、美国文化与性别研究等领域修满9门课程，在自然科学、应用科学、工程科学与数学领域选修3门课程。但其中2门课程不得同属一个学科领域，在人文与社会科学领域选修3门课程，其中必须在人文科学和社会科学各选1门课程。在哈佛大学，一个本科生的四年教学计划要求修满32门各类课程。在各专业本科教学计划中，学生除了要求必修少量几门专业课外，绝大多数课程都只有数量和范围的要求，至于具体学习哪一门课程，完全让学生自己去选择。除了学校所设置的专业外，美国一流高校还允许学生独立设计个人专业，这为那些不能在学校已设置的专业中找到满足其学术兴趣、实现其发展目标的学生提供了一个学习发展的个性化选择。

教学计划是为实现培养目标服务的，美国大学本科教育把人的教育放在核心的位置。教学计划的出发点和内容，都体现了以人为本的理念。除了各大学要求学生完成的任选课外，不对学生加以限制，学生除了完全可以根据自己的兴趣和爱好选择外，由学生根据自己的兴趣、爱好和志向选择外，各大学还通过通识教育，来体现以人为本的教育理念。在美国，几乎所有的大学，都有详尽的通识教育计划。通识教育一般被定义为：主修和副修专业教育之外的，服务于学生认知、情感和社会化等方面发展的教育。实施形式有多种，最普通的形式是核心课程。多数大学根据自身的通识教育理念，开设一组或多组核心课程，要求本科生必修或限制性选修。如哈佛大学的核心课程，包括了外国文化、历史研究、文学与艺术、道德思维、数量思维、科学与社会分析等领域；斯坦福大学的核心课程，包括了人文概论计划、自然科学、应用科学、工程科学与数学等领域、人文与社会科学领域、世界文化、美国文化和性别研究等领域；耶鲁大学的核心课程包括了艺术、历史、文学、写作、数学、哲学、自然科学、社会科学、神学、多元文化等10个领域；麻省理工学院的要求则是核心科学课程、人文、艺术与社会科学课程、限制性理工选修课程和实验室工作。

在这种多样化的、灵活的本科教学管理下，特别是美国一流大学中，本科学生们有了更加广阔的发展空间。他们不局限于本专业知识的考核，外专业的知识融入本专业往往会产生事半功倍的效果。美国大学的本科生教育教学为提升人才的培养创造了一个适合他们平稳发展的温床，为毕业后学生走进社会増強了适应性。3.优良的软硬件条件是人才培养的基础3.1 高水平的师资力量吸引学生

作为一个学校设施的“软件”——师资力量，它的强弱对于学位课程的质量和声誉来说至关重要。“师者，传道授业解惑也”，美国大学深知：没有高水平的师资是不可能吸引足够的高素质的学生的，大学要实现可持续发展，必须有一批高水平的教师队伍作为保障为了建设高质量的师资队伍，美国大学都制订了严格的师资标准和招聘程序。美国大学教师的学历自不待言，拥有各学科专业的最高学位。教师的能力和经验也是足以胜任大学教学工作的，大学不会为教师的学历提升和能力提高买单。对于学问深厚、能力出众、声誉卓著的教师，大学往往给予终身任职，并许以高额薪金。美国大学教师每周的教学时数一般要求至少6课时，所以，一名教师通常都要承担两门课或每周6课时以上的教学任务。有的资深讲座教授，科研课题较多，研究任务很重，在得到特许后，每学期也必须至少承担一门课的教学任务。这样，大学就能够建设一支稳定的高水平的师资队伍，确保向大学生提供高质量的教育教学服务。

中国有句古语：名师出高徒。这是因为除了名师对高徒的提携及在传道解惑上的作用外，最重要的是名师在选择研究领域和研究方向上的洞察力和思维风格。名师能够把学生带到世界学术领域的前沿。一个学生从老师那里获得的东西并不是直接的知识或者某项技能，而是其思维风格和解决问题的方法。导师培养学生养成钻研的习惯，帮助学生找到学术的突破点、建立自信，提供科研所需的一切基础设施等等，这些都是一流人才的培养和成长不可缺少的。[4]

一流学者是大学发展的储备智力资源，一个学校创建成功的前提是学院或系必须有几名全国乃至全世界知名度很高的教授，这些教授必须做过大量的调查研究工作并具有带领更多同事和学生进行研究的能力。芝加哥大学校长哈伯在他的“哈伯计划”中提倡“以调查研究为主，以教学工作为辅”的教师政策，哈伯成功的使一大批知名学者来到芝加哥大学任教，这为芝加哥大学日后在全美乃至全球占领学术领先地位储备了必要的智力资源。哈伯认为：“最大程度的集结不同领域里有名气的学者，把这部分有着不同教育背景的人和思想体系聚集在一起，会大大促进大学的格局建设。”[5][6]雄厚的师资为美国大学的教学质量和科研发展奠定了坚实的基础，同时也为它们吸引

了许多优秀的学生，并且在一定程度上提高了学校的声誉，为学校吸引来了大量的科研资金，这些决定了一个学校的高度。拥有高水平的师资力量是一个学校在竞争中立于不败之地的首要条件，只有这样才能在激烈的人才竞争中吸引高素质的人才来此就读。3.2 先进的硬件设施滋养学生

作为一流学校除了要有高水平的师资力量外，还要有先进的“硬件”设施为学生服务，两者是缺一不可的。在美国，图书馆的质量在一定程度上代表了大学的办学水平。一所好的大学，必有一

座好的图书馆。哈佛大学图书馆是美国最古老的图书馆，也是世界上藏书最多、规模最大的大学图书馆。有5位美国总统、30多位诺贝尔奖金获得者曾在这里学习过。在四百多年的发展中，共拥有馆藏1500万卷。这些蕴藏思想智慧的综合性的馆藏资源，在哈佛师生的学习和研究中发挥着重要作用。图书馆的藏书量、书报杂志的种类、文献的学术价值等是衡量一座图书馆质量的主要指标。在图书馆的建设上，美国大学的经验主要表现在：第一，舍得投资。图书馆的采购经费常常是学校财政的主要开支项目。学校不仅重视主图书馆的建设，而且重视各学院和学系的分馆的建设。主图书馆与各分馆共同构成学校图书资料系统，成为学校主要的教育教学资源。第二，重视图书管理人员队伍的聘用。图书管理工作是一门专业性很强的工作。为了确保图书管理工作的连续性、稳定性，保证图书资料工作与学校办学宗旨和目标相得益彰，美国大学对图书管理人员实行终身任职制，赋予他们很高的地位和优厚的待遇，确保图书资料建设达到一个较高的水准。第三，尽可能为学生提供优越的图书资料服务。美国大学的图书资料大都实现了资源共享，不但校内图书资料系统实现了共享，所有院系的图书资料对全校每一个学生开放，而且同城大学之间也通常以协议的方式相互共享图书资料服务。为了照顾到学生查阅文献资料的需要，美国大学图书馆、资料中心的开放时间一般比较长，往往先于上课时间开门，晚于放学时间闭馆。有的图书馆甚至是24小时开放，最大限度地为大学生提供图书资料服务。随着科技的进步，网络的力量在科研中起到了举足轻重的作用，现代校园一个很重要

的硬件指标就是网络教育问题。在MIT，整个校园都被免费网络所覆盖，学生可以通过校园内的任何一台终端参与网络互动。计算机中心是近年来美国大学发展比较迅速的一个部门承担着越来越重要的教学任务。与图书馆一样，美国大学的计算机中心对所有师生开放。所有师生都可以在学校计算机中心或图书馆系统的任何一台电脑终端上查阅、打印资料，且一般是免费的。大学生在计算机中心可以做很多事情，中心并没有什么限制。他们可以在计算机中心上网，查阅文献资料。美国的网络资源库很发达，不论什么学科专业，各种学术文献应有尽有，师生对网络资源库的依赖性越来越强。他们可以在计算机中心撰写作业，与教师交流，寻求教师的帮助。计算机中心为了最大限度地发挥其作用，对学生使用计算机机没有时间限制。4.独特新颖的教学模式是人才培养的保障

一般来讲，在一门课的整个教学过程中，在使用讲授法的同时，教师大都会穿插使用答疑、小组工作、读书报告、社会调查、实习、实验等教学方法。就教学技术而言，在使用传统的板书、幻灯、投影等技术设施的同时，现代信息技术也开始为教师们所普遍采用。美国高校的教学经过不断的探索与改革，建立了独特新颖的教学模式。这些独特新颖的教学模式在培养人才方面起到了不可磨灭的作用。

4.1 以学生为主的讨论教学 美国大学本科教学的教室有大有小，大的可容纳50人上课，小的可容纳20人上课。教室的设备也有所不同。学术报告厅和大教室一般是固定的桌椅。报告厅和教室的教学设备比较齐全，配备有多媒体设施、投影仪等。中小型教室桌、椅都是可以移动的。根据教学的需要可以灵活组合。黑板(白板)是各类教室必不可少的，有的教室里两面墙上都装上了黑板(白板)。教学班规模通常都不大，一般课堂的规模为20人左右。由于教室的桌椅是灵活的，所以课堂组织形式也是经常变化的。一般来讲，教师们比较喜欢圆桌会议的形式，让学生呈弧形坐在自己的周围。这样能够方便教师与每一位学生交流，也便于学生相互之间进行交流。如果安排分组讨论或小组工作，学生们就顺势移动桌椅，在教室的各个方位形成不同的组合开展小组工作。

美国大学非常“信任”他们的学生，所以他们的优秀学生在这里能够得到充分的展示，而围绕这些优秀学生所建立的一种课堂教学模式也深受学生们的喜爱，即为以学生为主的讨论式教学模式。[7]例如在斯坦福大学里有相当一部分课程是完全以学生为主的讨论式教学。例如航空航天系的《空间飞行器设计》就是这样的课程：课程刚开始时讲台上站的不是老师而是学生，即这节课的主持人。如这节课讨论的主题是“新型小卫星的设计与研制”，则先由主持人将本次讨论的主题写在黑板上，此时教室里非常安静。然后，经过3到5分钟的独立思考，学生们便开始踊跃发言。第一轮的讨论是发散式的，几乎是想到什么就说什幺。没有先后顺序，没有逻辑联系，没有时间或其他任何限制，没有正误判断，也不是深思熟虑的方案。任何人的任何一个想法，一经提出就会由主持人写到黑板上。这一轮讨论大约进行了一个小时，几乎写满了一大黑板。当没有人再提新的建议时，进入第二轮讨论，这时，主要是将第一轮中的零乱的建议进行归类。因为有的问题属于交叉学科，很难明确归于哪一类，往往这一轮的讨论甚至是争论比较热烈。第三轮的讨论就是将各类问题进行排队，列出先后顺序，建立逻辑关系。当问题都明确后，最后讨论各研究小组的任务、分工、经费、研究进度等。通过一次或两次的课堂讨论，总体研究方案就基本确定了，更进一步的研究方案将留待下次课讨论。采用这种讨论式方法，斯坦福大学航空航天系的研究生仅用了5万美元就制造出了一颗小卫星，这不能不说是一个奇迹。4.2 独特的互动教学

美国大学非常注重课堂的互动教学，大胆为学生创造参与实践的机会，尽可能地将所有课程的教学以互动的形式展开，使学生有机会与授课的教师以及同学就所学的东西展开讨论，且教学内容和方法紧密联系实际。合作互动的学习方式对建构知识和培养学生的创新能力非常有效。为了促进学生有效地学习，教育研究者设计出了许多合作、互动的教学方法，其中最出名的莫过于哈佛大学工程和应用物理学院教授 Eric Mazur （埃里克·马祖尔）发明的 PI 教学法。[8]

PI 教学法可以实现大班的互动教学，其实际操作步骤也非常简单。通过使用专门设计的用于揭示学生错误概念和引导学生探究的概念测试题，借助于计算机投票系统，组织大

班的课堂教学，变传统、单一的讲授，为基于问题的自主学习和协作研究，有效地改变了传统课堂教学模式，特别是大班教学所带来的复杂问题。

埃里克·马祖尔教授用一种小型教学互动反馈仪，仪器上有 ABCD 等各种按钮可供选择，在教学时，他提出一个选择性的问题，然后让每个学生通过手中的反馈器选择答案并记录下来。首先，让每个学生独立思考并选择答案，结果约有 31%的学生选对；接着再让相邻同学相互讨论后选择答案，选对率为 42%；最后，马祖尔教授亲自对问题进行讲解并和同学们相互讨论。[9]

学生就在这种独立讲述和相互讨论中，进一步加深对问题的理解。这种教学方法不仅要求学生具有深厚的背景知识和扎实的功底之外，还必须有敏锐的反应和洞察能力。把抉择权完全交给学生，哈佛教师为学生设计课程、开设讲座、组织研讨及就学生的研究题目提出建议，为学生的实验方案或研究论文提供咨询，引导学生开展正式或非正式的讨论，把教学的重点通常放在培养学生的独立思考能力和分析问题、解决问题的能力上。

使用 PI 教学法时，教师可以通过学生对概念测试题的答题情况在课堂教学的课程中即使掌握学生对概念理解的能力程度。当学生讨论时，教师可以走到学生中间，或倾听或提问，来参与学生的讨论，了解他们的答案是怎么解释的，这些反馈信息使教师可以在课堂教学中第一时间做出相应的教学调整，从而使教学过程更有效。

PI 教学法坚持以学生为主体、教师为主导的教学理念。教师在教学过程中精讲教学内容中的重点、难点和关键点，启迪学生的思维，营造一个师生互动、生生互动的学习氛围，在传授知识的过程中，强调激励和鼓舞，引导学生之间的合作学习，获得新的认识产生新的思想。PI 教学法构建以问题引导学生自主学习的过程，教师在授课时尽量讲的少一些，更多的是引导学生去发现。PI 教学法的一个环节是要求学生在课堂教学中基于问题进行自主学习，独立解决和回答问题。PI 教学法重在鼓励学生合作学习，如果不与他人合作，势必缺少了解那些与自己立场、观点不同的机会，停留在以自我为中心的立场，其认知发展也将遇到障碍。PI 教学法特别为学生提供了在课堂上的合作学习的环节，让学生有机会去争辩，讨论与交流，在与他人的相互交流中，知识的了解才会变得更加完善。PI 教学法培养了学生批判性的思维，在讨论过程中，难免会遇到各种各样的问题答案，这时候该怎么取舍？每个人都要阐释自己的观点，倾听别人的陈述和批评，反思自己的观点，评价别人的观点，这就要用到批判性思维，有助于深入理解概念，培养了评价能力。4.3 案例教学

案例教学是针对生活中的一些场景，让学生把自己纳入案例情形，通过讨论或者研讨来进行学习的一种教学方法。教学中既可以通过分析、比较，研究各种各样的成功的和失败的管理经验，从中抽象出某些一般性的管理结论或管理原理，也可以让学生通过自己的思考或者他人的思考来拓宽自己的视野，从而丰富自己的知识。

案例教学的妙处在于引发思索，集思广益，考虑的方法不同，得出的结论也不一样。即案例教学的答案不是唯一的。如一个经典的物理案例—“雨中行走，如何使淋雨量最

少？”。通过建立模型分析，不同的模型得出的结果也可能不同。该案例要考虑到风向、雨速、人体形状（面积）等众多因素，得出的结论不尽相同。通常来说，若你发现雨是从你前方打来的，那么跑得越快越好；若雨是从后方或侧后方打来的，且速度较小，那么奔跑时也是越快越好；若雨是从后方或侧后方打来的，且速度较大，以致人站在雨中时，后背淋到的雨比身体其它部分还要多，那么奔跑时应使后背恰好不淋雨为最好。案例教学也可以看做是一种趣味教学，能够有效的调动学生思考积极性，引发学生的创新意识，广泛应用于各种教学领域。4.4 分层次教学 分层次教学，在教育理论研究上，始终就是一个颇受争议的话题。对它的研究可追溯到19世纪末 2O世纪初。它的出现，主要是为了解决传统班级授课制不易照顾学生个体差异的弊端，它是对教学组织形式的一次重要变革。[10]分层教学发展到现在，人们对它的研究早已突破了是否应该分层，分层是好是坏这些表面问题，而拓展到应如何分层，怎样分层才能更公平等深层次问题。

学生们不可能在相同的时间里，以同样的方法，学到同样的知识。在当今社会，这种差异愈加明显。分层教学，就是在教学的各个环节中充分考虑学生的差异性，针对学习程度不同的学生，提出不同的要求，使不同层次学生的个性都得到发展，学习水平普遍得到提高。这是一种为了使更多的学生在原有的基础上得到更有效、更合理的发展而实施的一种教学策略，充分体现了“以人为本”的理念。

分层次教学主要抓住以下几点：一、分层次教学要求把学生作为教学活动的主体，教师在教学中发挥主导作用，要做到“有的放矢”，就必须要了解学生，分析学生个体差异对学生进行合理划分层次，这是实施分层次教学的先决条件。对学生层次的划分，不能单纯地以学生的入学成绩机械地划分，而应根据学生的成绩、专业特点、兴趣爱好综合评判，以动态发展的观点确定学生在各阶段所处的层次。二、教学内容层次化。教学内容在学校教学中处于核心地位，教学内容安置与实施途径的适当与否同样直接关系到教学目标和效果的实现。目前，在分层教学实践中教学内容的实施途径主要有三种：(1)同内容、进度、同要求。(2)同内容、异进度或要求。(3)异内容、异进度、异要求。每个学生可以根据自己的情况，通过阅读、讨论、发表自己的见解，因人而异地逐步完成适合自己的学习目标。最后通过教师的讲解、点拨使学生的认识尽可能统一起来。三、评价层次化。分层评价就在分层教学过程中针对不同层次的学生，提出不同层次的评价要求，采用多样的评价方式。评价的主体应该是让学生融合到评价过程中。[11]

分层教学理论与实践研究所要解决的问题还有很多。毕竟“分层教学”本身是一种复杂的创造性劳动，是一种巧妙生动的教学艺术。随着教育理论和实践工作者的积极参与，个性及个性教育理论与实践研究的深入和教育教学评价理论与实践研究的科学化和系统化这些都将为分层教学提供广阔的未来发展前景。4.5充分运用多媒体手段教学

随着时代的发展、科技的进步，教学手段也趋于多元化，并不局限于单一的“黑板面对面”教学。美国作为一个科技强国，在教学手段的先进性方面自然会走在世界前列，在美国一流大学，多媒体教学和网络教学成为逐渐兴起的一种教学手段，它可以利用便利的多媒体技术和丰富的网络资源来进行教学，从而弥补如今面对面教学的不足。[12] 在美国，有的教师不仅通过幻灯片向学生授课，而且利用多媒体技术组织课堂教学。

一些大学正致力于开发相关的教学软件、更新网络设施、开展新技术培训、提供技术服务和典型经验示范等方式，支持和鼓励教师在课堂教学中运用新技术。其中网络教学技术运用最为常见。[13]

网络教学技术通常利用已经普及的电脑和宽带网络等硬件环境，依托专业的网络现场教学平台，实现异地同时的互动教学和学习。这种新的教学模式是“实地现场教学”模式的强有力的补充，是教育信息化和网络化的总体趋势和目标。由于经济的缘故, 美国一流大学的CAI 建设很先进。他们利用计算机模拟与高新技术相

关的实验, 用CAI 介绍最新的物理技术和物理前沿问题, 把大量物理抽象问题用动画演示。差不多每个高校都有功能齐全的多媒体教室, 便于教师和学生平时制作和开发一些CAI 学习软件, 供学生使用。

麻省理工学院率先向全世界公开了自己的教育资源课件，在其倡导下，许多大学纷纷加入到资源共享的行列，成立了开放教育资源共享组织，为教育资源的推广应用提供了有效的途径。他们将各课程的教学大纲、讲稿、作业考试以及实验做法以及教学录像等统统公开放在网上，称为开放课件(Open Course Were，简称OCW）或开放课程，供公众无偿使用。[14]

这种网络环境下的学习方式的基本出发点是自主探索学习，认为学生在解决实际问题中的学习要比教师单纯教授知识有效，思维的训练更加深刻，学习的结果更加广泛。探索式教学强调让学生在一定的学习环境中进行探究式学习，而探索式学习是指从科学领域或现实社会中选择和确定学习主题，通过主动地发现问题、搜集与处理信息、实验与交流等探索活动，在掌握科学内容的同时，理解和应用科学研究方法。因此，探索学习模式从本质上来说就是利用已有的资源系统进行主动探索学习。

在共享的优质教育教学资源库的支持下，学生走进了没有校园的名师堂，吸取百家之长。这样做突破了资源利用效率、效益的瓶颈。同时，教师可以根据具体的课程，选择合适的教学模式组织学生进行网络环境下的自主探索学习、讨论学习、协作学习。这种学习模式既可以充分发挥学校网络的优势，提高学生学习兴趣，又可以培养学生的创造性，提高学生分析、解决问题的能力，节约学校的资源。[15]

目前，我国高校的网络教学技术普遍存在着一些亟待解决的问题。譬如，物理学作为一门自然科学, 内容繁多, 许多概念抽象很难理解, 尤其是近代物理, 学生很难消化, 以致学生提不起兴趣。我国高校虽然配备了多媒体并进行教学, 但实质效果不尽人意。我们的多媒体课件多代替老师备课, 代替老师在黑板写字, 却很少用三维动画讲解一些复杂问题, 如混

沌效应、时空弯曲等。授课老师很少自己研发课件, 不能把难以观察的物理过程通过计算机绘图技术和动画技术变得直观和形象化。

美国的高等教育没有因数量的持续增长而导致质量的下降，而是长期保持了较高的质量水准。良好的学术氛围、多样化的本科教育、优秀的师资力量和硬件设施、新颖独特的教学模式等是有效提升人才培养质量的关键。我们要借鉴美国的成功经验和有效举措，为我国高质量人才培养计划添砖加瓦！参考文献：

[1] 徐军，陈兰新等.高校学术氛围对学生创新能力发展的影响作用.河北青年管理干部学院学报，2009（3）.

[2] 陈峥滢.现代大学要营建浓郁的学术氛围.有色金属高教研究，2000（5）.[3] 别敦荣.美国大学本科教学的经验和启示.临沂师范学院学报，2004（4）.[4] 朱邦芬.对培养一流创新人才的思考.物理与工程，2010（4）.[5] [美]威廉·墨菲，D.J.R.布鲁克纳编，彭阳辉译.芝加哥大学的理念.上海人民出版社，

2007.[6]郑彩华，杨旭.哈伯校长的办学理念及启示.中国大学教学，2010（8）.[7] 李东旭.对斯坦福大学的课堂教学模式的思考.高等教育研究学报，2000（4）.[8] 哈佛大学课堂名师简介：马祖尔 .http://mazur-www.harvard.edu/.[9]张萍，Eric Mazur.Peer-Instruction 哈佛大学物理课程教学新方法.中国大学教

学，2010（8）. [10]黄晓颖.国外分层教学的历史发展.内蒙古科技与经济，2004（17）. [11]赵慈爱.国外分层教学对我国外语教学的启示.教育与职业，2009（20）.

[12]李冰等．多媒体教学应用与教学改革创新[J]．电化教育研究，2000，（7）．[13]Wood, Patricia A. Outsourcing in Higher Education. ERIC Digest. ERIC Clearinghouse on Higher Educati-on Washington DC. ED446726. 2000.[14]丁兴富等.麻省理工学院开放课件运动评述.中国电化教育，2004（10）：74-

78.[15]James I. Penrod, Michael G. Dolence, and Judith V. Douglas, The Chief

Information Officer in Higher Education [R]. The Association for the Management of Information Technology in Higher Education, 1990.[作者简介] 张毅（1957—），男，南开大学图书馆馆长，文学院教授、博士生导师、“长江学者”。张立彬（1964—），男，河北石家庄人，教育部南开大学外国教材中心副教授，现主要从事信息文化、信息技术与物理学外国教材研究。李广平（1987-），男，山东东营人，南开大学泰达应用物理学院研究生，主要从事材料物理与化学研究。本文系教育部2009年度研究项目“中美一流大学物理教育比较研究”的阶段性成果之一。

哈佛大学提高和保障物理教学质量的举措分析张立彬 1，张功 2

（1.南开大学外国教材中心，天津，300071；2.南开大学泰达应用物理学院，天津，

300071）摘 要：探讨了哈佛大学提高和保障物理教学质量，培养一流物理人才的举措，诸如卓越的教学研究、高效的教学评价、全面的教师培养、科学的教学指导等。哈佛大学的这些全面、细致、具体、实用的举措对我国大学物理教学质量的提升具有一定的借鉴意义。关键词：哈佛大学；教学质量；教学研究；教学评价；教师培养；教学指导

“大学的物理系必须同时具备教学和研究双重职能”，正是在这样一个理念的指引下，哈佛大学物理系的教师和学生致力于开创性的研究和出色的教学，为哈佛一直以来雄踞世界高等教育的最高峰做出了重要贡献。在哈佛大学 43位诺贝尔奖获得者中，有 10位是物理系的教师。今天，新一代哈佛物理学家们继续致力于所有尺度物理学基本问题的研究，而将出色创新的教育机会留给那些才华横溢的本科生和研究生。也正是基于教学与研究并重的理念，哈佛大学在保证并提升物理教学质量方面做出了

不懈的努力。本文将对哈佛大学在教学研究、教学评价、教师队伍建设、教学指导等方面的举措进行分析，以求能够对提高我国大学物理教学质量提供一定的借鉴。1 卓越的教学研究——寻找科学高效的物理教学方法

哈佛大学拥有一个出色的物理教学研究团队——Mazur 研究团队，他们致力于各种物理教学方法和教育技术的研究，并将许多先进的教学研究成果应用于哈佛大学物理教学。1.1 Peer Introduction 教学法传统物理教学的问题在于它仅仅是对各种来自于教科书和讲义上的物理概念和知识的

陈述，学生只是被动地听，很少能够积极地参与到课堂中去。传统的物理教学就像是一个老师在一群消极听众面前的独白。在这种教学模式下，仅仅有极少数出色的教师能够使学生在一堂课中始终保持注意力，而要求学生通过讨论进行批判性的思考则更难。

为了解决这个问题，哈佛大学著名物理教授 Eric Mazur（埃里克·马祖尔）发明了可以实现大班互动教学的方法——Peer Introduction，并应用于哈佛大学基础物理课程中，该教学方法使用专门设计用于揭示学生错误概念和引导学生深入探究的概念测试题（Concept Tests），这些精心挑选的概念测试题使学生能够发现并纠正自己对物理概念的错误理解，在思考，回答，然后小组讨论的过程中，学生们真正学到了物理的主要思想。借助计算机投票系统（Computerized Voting System），组织大班课堂教学，变传统单一的讲授为基于问题的自主学习和协作探究，有效地改变了传统课堂的教学手段、教学模式。在大班课堂教学中，此教学法可实现学生自主学习、合作学习、师生互动、生生互动。这种教学法使学生真正参与到课堂学习中去，使学生的注意力集中在基本的概念上，

课堂中穿插着概念性的问题，称为概念测试题，目的在于揭示物理知识中的难点。学生有一到两分钟的时间思考然后阐述他们的答案，之后再花两到三分钟的时间以三至四人组成的小组的形式对答案进行讨论。这个教学过程促使学生通过讨论进行思考，使学生和教师能够在课堂结束之前评估自己对物理概念的理解，见图一。[1]

PI 教学法在哈佛大学的物理教学中取得了很好的效果，通过对比和标准化测试结果表明：PI 教学方法在促进学生深入理解物理概念和提高物理计算能力方面优于传统教学方法，见表一。[2]2000 年哈佛大学 Mazur Research Group，对在全世界使用 PI 教学方法的教师进行了大规模调查，获得的数据中，有 108名物理课程的教师表示定量测量过 PI 教学方法的有效性，其中 81%使用评价工具 FCI 评价他们的课程，有 11 个学院和大学提供了他们的数据，共涉及 30门课程，汇总数据分析的结果也支持上述结论。[3]值得一提的是：PI 教学法在几乎任何课程和班级中都很容易实施，它不要求课程的重

新安排，也不要求时间和金钱的巨大支出。所需要的只是概念测试题的搜集和准备并分配一定的课堂时间用于学生讨论。如今，哈佛大学的 PI 教学法已经广泛应用于其他大学并取得了相似的良好效果。

图一 PI 教学法法则[4]

表一：哈佛大学传统讲演式教学与 PI 教学成效之比较传统讲演式教学 PI 教学考题名称

年度 前测 后测 增益 年度 前测 后测 增益

FCI 1990 70 78 27% 1991-

1997

67-71 85-92 49%-

74%MBT 1990 66 1991-

1997

71-79

注：哈佛大学并未进行MBT前测，虽无法推算出哈佛在MBT的增益，但表中三项MBT与FCI后测的比值均非常接近（0.83-0.86）显示两项检测工具的一致性。Force Concept Inventory （ FCI ） （ Hestenes, Wells & Swackhamer, 1992 ） 以 及 Mechanics Baseline Test（MBT）（Hestenes & Wells, 1992）是两份来自美国的力学能力测试工具，是经过许多文献检验及修改的标准化考题，并广为物理教育学者采用，（eg., Hake, 1998; Savinainen & Scott, 2002; Willson, Ackerman & Malave,

2000）。FCI与MBT都是单选题类型，其中FCI着重于物理概念的理解，而MBT则整合物理概念题与简单的数学。1.2 性别与物理最近，女性在化学和生物科学中的表现越来越突出，然而，在物理科学中，女性仍然

处于劣势。一般来说，女生在大学物理课程学习中的表现不如男生，初等教育和中等教育的研究表明这种不平等源自初中和高中时期。那么，在大学物理课堂中应该怎样做才能扭转这种趋势呢？教学法真的能够改善物理教学中的性别差异吗？怎样才能让女性在物理课程学习中获得成功?

哈佛大学 Mazur 物理教学研究团队致力于研究在物理教学中如何促进女生的学习，改善物理学习中的性别差异。有关研究表明：在理科的课堂教学中，相比于竞争性的课堂气氛，女生在合作性的课堂氛围中表现的更好；而且，在使学生能够思考并回答问题的课堂教学氛围中女生学习进步更多。Peer Introduction 教学法显然符合这一点。 哈佛大学物理教学研究团队收集了多所大学在第一学期物理学导论课程的大量数据，这些数据包括学生背景、在考试中的成绩、最终等级等。在这些课程中，有些采用传统教学模式，有的采用 PI 教学法，通过对数据的分析显示：Peer Introduction 提供了课程中每位学生都要去思考的一种合作学习的环境，确实缩小了物理学习中的性别差异，这被认为促进了女学生在学习物理上的成功。[5]1.3 课堂演示教学课堂演示主要有两个目的，一是提高学生对演示概念的理解，二是增加课堂教学的乐

趣。然而，先前的研究发现课堂演示并不能促进学生对相关概念的理解。事实上，许多学生会改变对课堂演示的记忆以匹配他们的基本物理学思想。

哈佛大学物理教学研究团队研究了影响演示教学效果的因素，并寻找提高课堂演示教学效果的方法。他们认为：如果要求学生在观察演示之前预测结果，然后与其他同学讨论他们的预测结果，他们会更加积极地去思考物理过程，并且有机会去发现他们自己思考过程中的不一致性和弱点。为了研究这种策略是否能够促进学生对课堂演示的理解，他们将演示教学分为以下四种模式，在不同班级进行实验。这四种模式分别为：（1）没有演示；（2）展示、讲解（传统方式）；（3）预测（每个学生在观察演示之前预测结果）；（4）预测并讨论（每个学生在观察演示之前预测结果，然后与其他同学讨论他们的预测结果）。初步的分析显示：要求学生在看到演示之前进行预测的这种方法能够提高课堂演示教学的效果。进一步的分析正在进行中。[5]1.4 技术与教学自从1984年，哈佛大学就开始在物理教学中使用一些技术，1989年，物理教学研究

团队推出了一个交互式的软件包，这个软件包可以个性化地对一学年的物理学课程进行辅导总结。自从1990年，哈佛大学物理教学研究团队开始使用技术来改变物理教学。首先，他们启动了伽利略计划，这是一个包括 Peer Instruction 和 Just-in-Time-Teaching的教

学改革计划的开端，他们也开发了教室网络以帮助教师在PI教学中获得学生对问题的投票。现在他们正致力于开发各种基于网络的教学技术以帮助哈佛大学物理教师实施创新的

教学方法。比如ILT（交互式学习工具箱）是一个非常有效的学习管理系统，它帮助教师开发课程并监控学生的学习进程。他们正与其他致力于教学革新的研究人员合作，力图将ILT与完全交互式的教室系统集成起来，它可以使用各种各样的设备，从红外课堂表决器到手机，再到无线掌上电脑和笔记本电脑。其目的在于将基于笔记本电脑的交互性教室与基于服务器的课程和内容管理系统联合起来。[5]2 高效的教学评价——一个师生双赢的机制

目前，哈佛学院本科生教学评估主要是本科生教育委员会(CUE)评估。CUE 评估已经开始电子化，用于对教学人员的评估和奖励。

哈佛大学的教学评价可以追溯到 1925 年，Crimson首先请求学生评价一些大的课程，起先它作为学院课程的秘密指导。1973 年，哈佛大学本科生教育委员会决定把课程评价的程序正规化，于是在 1975 年设立了第一个课程评价，被广泛称为 CUE（Committee on Undergraduate Education）评价。2005 年，CUE 评价从原来的在课堂散发的纸质形式变为在线评价系统，在 2006 年哈佛学院和文理学院整合它们的课程评价系统的时候，又被改进成表格的形式。 之后CUE 评价又改名为 Q 评价，现在Q 评价系统每学期被用来评价接近 1000门课程和超过 2000名教师。Q 评价系统由文理学院注册办公室和它的研究与分析办公室运行。 在每学期的结束时，学生都会收到电子邮件让他们评价自己的课程，然后点击连接就

可以进行在线的课程评价。在学期结束后，Q 评价的结果被制成表格形式并且可以供教师查看，大多数课程的总结每年以 Q Guide 的形式刊登出来。Q 评价提供了学生对课程和教师很重要的反馈，Q 评价数据帮助学生选择课程、有助于哈佛大学补充课程指导，学校还会根据 Q 评价数据对某些班级进行监察。教师们都非常严肃地对待Q 评价（有超过半数的教师在Q 评价数据公布的一天内查看学生对他们所教课程的反馈）。[6]毫无疑问，Q 评价体系是一个双赢的机制：学生的评价被合计成Q Guide，教师可以

知道并辨别教学中存在的问题并从学生的视野中学习以改进教学。因此，Q 评价体系强化了哈佛大学的教学，最终是哈佛大学的课程教学质量得到提高。

基于 Q 评价，the Bok Center每学期都会举办一次特别的招待会，在招待会上奖励本学期在教学方面表现出色的教师。the Bok Center 会颁发三个奖项，分别是：哈佛大学荣誉教学证书、哈佛大学卓越教学证书以及 Derek C. Bok 奖。哈佛大学荣誉教学证书是奖励给研究生讲师和助教的，哈佛大学卓越教学证书是奖励给讲师和学生指导教师的。这两个证书的获得者将得到在Q 评价的 5 项绩点量表中超过 4.5 的综合评分。Derek C. Bok 奖是奖励给在本科生教学方面出色的研究生讲师的。每年有五个名额，奖励包括 1000 美元

的奖金和 David G. Nathan 博士（哈佛大学医学院著名教授）和他的妻子 Jean Louise Friedman Nathan赠送的礼物。另外，哈佛大学文理学院和物理系还会给教学出色的教师颁发其他奖项，诸如，

Roslyn Abramson 奖（初级教员）、哈佛学院教授职位奖（高级教员）、Thomas Temple Hoopes 奖 （督导学生工作的出色教员）、Joseph R. Levenson 纪念教学奖 （全体教员和研究生讲师）、Harold T. White卓越教学奖（物理系研究生讲师）等。[7]

哈佛学院也开发出许多替代性评估方法：比如，期中评估、同行评估(特别适用新任教师和研究生助教评估)、匿名在线反馈表(博克中心提供)、富有经验的导师(mentor)的观察(与奖惩不挂钩，帮助小组讨论课老师改进教学)。3 全面的教师培养——大学的真正进步依赖于教师

哈佛大学第 21任校长艾略特曾说：“大学的真正进步必须依赖于教师。”哈佛大学物理系之所以卓越，一个非常重要的因素是拥有一支一流的教授队伍。第 23任校长科南特说：“大学者，大师云集之地也，如果学校的终身教授是世界著名的，那么这所大学必定是最优秀的大学。”哈佛大学现任校长博克在回答“为什么哈佛能长期保持第一流学府的声誉”这一问题时说：“要使我们的学校始终保持前列，归根到底要有好的教授。”[8]

哈佛教授的聘任是面向全世界的，有一套复杂的考核系统和考核周期，要广泛征求校内、校外、以及世界范围内同一学科专家的意见。哈佛认为:“请全世界的专家对候选人进行评价，是保证每个领域都能找到最优秀人才的关键所在。在做出高级教师任命决策时，一定要认真考虑候选人所在学校最优秀教师对他的看法。”[9] 这种全方位的严格选拔保证了哈佛的教授都是世界一流的学者。另外，哈佛编内讲师，聘期为5年，期满不能升级者，便不再聘用。这条“非升即走”的原则，避免了无能教师的滥竽充数，平庸教师不求进取，杰出教师不得提升的弊端。除此之外，哈佛极力避免近亲繁殖，不直接从本校毕业生中留人任教。哈佛教师中确实约30 %是本校的毕业生,但其中很多人是到校外工作了一段时间,取得出色的学术成就后,又被“挖”回来的，有些在本专业领域出类拔萃的外校教师,被哈佛看中后,便直接聘来任终身教职。

哈佛大学物理系的教授都是世界范围内精选的顶尖级学术精英，其中有 10名诺贝尔奖获得者，他们都曾经或者正在承担着一定的教学任务，因为哈佛大学不能接受只研究而不任教的教授。

哈佛十分注重对物理教师的培训和指导，哈佛大学有一个专门指导本科生教学的机构，The Derek Bok Center，该中心成立于 1975 年，其目的是为了提高哈佛学院（哈佛大学本科生学院）本科生的教学质量，哈佛大学对该中心一如既往的支持反映了哈佛大学最初的办学理念：使研究和教学达到最高程度的兼容。The Derek Bok Center 真诚和免费地为教师（不管是教授，讲座教师，访问教师，兼任教学工作的研究生还是助教）提供各种各样的培训和资源以推动更好的教学。The Derek Bok Center当然也为物理系教师提供的各种资源和服务。包括教师培训，安排教学实习，提供资料和咨询服务，特别是教学

录像带的使用。借助于以往的教学录像带，新任教师可以一脉相承地并有批判性地继承和发扬课程教学。物理系还配有专门的教学顾问，他的职责是帮助物理系教师提高教学技能并帮助解决教学中的任何问题。现在的物理系常驻教学顾问是 Kirill Korolev，还有两位教学顾问是 David Hoogerheide 与 Jason Dowd。3.1微格训练在每学期开课前，即将给本科生上物理相关课程的研究生讲师将统一组织进行小组微

格教学训练。哈佛大学的微格训练教学还分为以下三种[10]：标准微格训练：教师的教学被录像然后回放并与物理学科的教学顾问进行一对一的单

独讨论；实验微格训练：一组新教师轮流在微格教室中讲课，物理系教学顾问和其他教师充当学生，教师在微格课堂上与其他充当学生角色的教师互动，之后听取他们的评论，发现教学中的问题和优点，还讨论使用哪一种教学方法更为有效；微格说课训练：每一位新教师对他们准备的一节课进行介绍并讲述他/她将怎样给学生上这堂课，然后他会得到教学顾问和其他教师的建议以改善自己的教学，并且获得再一次说课的机会。微格训练的目的是发现新教师们在课堂上的问题并在真正进入课堂教学前解决它，微

格训练还能帮助新教师在进入教室或实验室前克服紧张，另外，微格训练还能帮助某一门物理课程负责人在课程开始之前观察新教师的教学行为并给出指导。微格训练使每一位新教师受益，当然最终受益的是学生，因为他们不是新教师的课堂试验品，他们所听到的课程都是充分准备和训练之后的，这使得哈佛大学物理课程教与学更为有效。3.2 教学录像

The Derek Bok Center 为教师们提供免费课堂教学录像服务，借助于教学录像，物理教师在课后可以与有经验的物理课程教学顾问一起进行私密的讨论，这种讨论可以涉及课堂教学的任何方面。教师们也可以拷贝自己的教学录像自己保存下来。[11]3.3课堂观察

教师可以请一位资深物理教学顾问参观旁听他的课堂教学，并在课下与教学顾问进行私密地交谈，教学顾问会就教师的课堂教学细节方面加以分析和指导，从教学顾问的观察和交谈中，教师可以得知他的课堂教学是怎样被一个客观独立的教学观察者所感知的，他的课堂教学中存在哪些问题， 怎样更加有效地讲解物理概念，推导演算公式，怎样与学生互动，怎样让学生理解晦涩的物理概念和理论。这种举措显然对教学大有帮助。帮助教师更好地教学就等同于帮助学生更好地学习。

教学录像与教学观察各有优缺点，但它们都是提供教学反馈的十分有效的方法，教学观察更适合小班教学和不便进行教学录像的环境，或者在教师认为录像会分散学生注意力的情况。教师们可以选择对自己的课堂教学进行录像或者请物理教学顾问进行观察，也可以两者都选。值得说明的是，教学录像和教学观察都是私密的，不经教师的允许， Bok Center不会泄露任何教学观察和教学录像的信息给任何人。[11]3.4 个人教学咨询

哈佛大学物理教学顾问还可以向所有物理教师提供个人教学咨询服务，当然所有的咨询都是为教师保密的。咨询内容也许包括：教学技巧、课程设计、作业布置、论文和考试、课程和研究生讲师管理、领导技巧、学生作业的评价和反馈、大课质量评价、课程教学中的特别问题、Q 评价、教学录像和教学观察。[11]3.5 经典授课案例

哈佛大学 Bok Center 提供物理课程的经典教学录像，这些物理课程教学案例在教学技巧、学生互动、课堂组织、教学内容设计、概念讲解等等各个方面都堪称经典，现在的物理教师们可以从这些经典教学案例中借鉴一些东西以提高自己的教学水平。3.6 教学方法讲座

一些出色的教师和教学研究人员会把他的教学方法、技巧和研究成果与全校教师分享，他们被邀请做关于怎样教好某一门物理课程的讲座，供相关教师学习借鉴。这些讲座都有录像带供哈佛大学物理教师学习使用。例如，Eric Mazur 教授的讲座《从问题到概念：物理教学中的互动》讲述了 Peer Instruction 和 Just-in-Time teaching, 两种创新的物理教学技术，它们使用课堂讨论和立即反馈来提高学生的学习效率。 Robert Kirshner 教授的讲座《教宇宙学》介绍了怎样教授非科学专业的学生宇宙学课程。[12]4 科学的教学指导——做好教学的每一个环节

要取得最好的教学效果，就得做好教学的每一个环节，从课程设计，到课堂讨论，从课程评估到教学反馈，还有先进教育技术的应用。哈佛大学几乎在教学的每一个环节上都对物理教师进行了科学的指导。4.1课程设计

哈佛大学的每一位物理课程任课教师在新学期课程开始之前都要提交本课程的教学大纲并上传到该物理课程网站上供学生查阅。一方面，教学大纲可以让学生知道该课程的目的和大体情况，另一方面，教学大纲可以当作课程教师和学生之间的一种合约——据此可以期望作业安排和成绩评定，教学大纲还可以作为一种指导性的参考，学生和教师可以参考它来得知一些诸如课程安排和办公时间的信息，也可以把它作为课程教学法和课程内容的基础。一般来说，教学大纲应包含：学习目的，课程基本原理，课程基本信息，课程内容，学生任务，成绩评定方法，课程材料及获取途径，教学理念等。[13]4.2课堂讨论

哈佛大学的物理教学不像中国的大学物理那样的填鸭式教学，它注重教师与学生的互动，它把课堂教学的重点放在学生的“学”上，而不是教师的“教”，它注重学生的学习过程和学习效果，注重学生对物理概念的理解和掌握。基于此，课堂讨论式教学广泛地应用于哈佛大学的物理教学中。

哈佛大学要求领导课堂讨论的教师不仅仅要知道讨论的范围和讨论的去向，还要有能力去追踪和即兴评论课堂上讨论的一切。领导课堂讨论还要求教师了解每一位学生，并找

到方法对每一位学生的给予合适的回应。教师用问题、倾听、和回应与评论作为课堂讨论的基本架构。

哈佛大学 Bok Center向教师提供如何进行课堂讨论的大量资料，这些资料包括领导讨论的技术、方法、注意的问题，还有课堂讨论式教学方法的系统教程 [14][15][16][17]，其目的是提高教师领导课堂讨论的能力，除此之外，还向教师们提供物理课堂讨论课的经典录像带，供现在的物理教师借鉴。4.3课程评估

对课程和课堂教学进行评估不管对学生还是教师来说都很重要。一般来说当这种评估基于多种信息源时最为有效，评估的方法包括学生评价、小测验、考试、设置问题、作业等。当采用每一种评估方法时，哈佛大学建议教师们应该考虑以下问题：我的主要目的是什么？哪一点似乎使学生迷惑？怎样做的更好？我接下来该做什么？课程评估的三种简单而有效的方法：（1）对学生进行预测验，这样可以知道学生的

现有水平，并与课程结束时的表现进行比较；（2）做中期或者早期反馈，这样教师可以及早知道自己的教学和学生学习中的问题，并及时做出调整。（3）在下课时让学生写一个小报告或者做个小测验以便于学生们能够及时向教师指出他们仍然存在的迷惑。[18]这些课程评估的措施使得哈佛大学的物理教学更为有效。4.4 评级和反馈

评级和反馈是教师与学生最有效的沟通方法，是教师有效的工具，借助于他们，教师可以表达他认为学生应该学习什么并帮助学生朝着教师希望的目标前进。[18]

哈佛大学建议教师在评级和反馈中注意以下问题：（1）目的：在任何课程中都要告知学生评级和反馈的目的，是学习成效的测试还是

与其他学生的对比，或者与绝对标准的比较，学生在收到教师的反馈后应该做什么。总之，评级和反馈目的透明会帮助学生的期望和行动与老师达成一致。（2）清晰：不管采用什么样的课程评级标准，都要写进学期开始的教学大纲中，如果学生不知道评级的方法，评级将成为一种学生猜测教师的想法的游戏，而不会专注于学习课程的内容。同样，对学生的反馈也需要清晰地表达出来，比如表扬学生在哪方面做的比较好，他们还需要做什么，怎样取得进步等。（3）一致性：哈佛大学要求教师在整个课程的教学中都要保持评级标准的一致性，建议一门物理课程全体教师们一起讨论评级标准，同样，教授同一门物理课程的教师们必须在给学生的反馈的数量和类型（书面的，口头的，或者量化的）上取得一致。4.5 先进教育技术的应用与指导

为了使物理课程更加丰富多彩，哈佛大学特别重视先进教学设备的应用，比如课程网站、演示软件、交互式教学系统、课堂表决器以及其它的教学技术工具，并向教师提供这些先进教学工具的使用指导。[19]

个人课堂表决系统（Personal Response Systems）可以让学生实时地给出物理概念问题的答案，这帮助教师获得班级学生对物理概念理解的情况，如果许多学生对某一物理

概念仍然迷惑，教师就会再次讲解相关物理知识，直至得知学生的理解达到满意的效果 。1.1节提到，PI 教学法的关键在于大量概念问题的设计，哈佛大学 Bok center也给物理教师提供概念问题设计方面的指导。即使对于广泛应用的演示文稿（PowerPoint），BOK CENTER　都会对教师进行使用和制作指导。除此之外，哈佛大学文理学院技术团队为了推动先进教育技术的使用也像教师提供技术培训和咨询，帮助他们学会使用哈佛大学课程管理系统，协助教师开发在线多媒体系统和物理课程软件。通过以上的调查研究，我们不难发现：哈佛大学在提高和保障物理教学方面采取了诸多

行之有效的举措，这些举措全面、细致、具体、实用，正是基于这些举措，哈佛大学打造了一流的物理教学，培养出了一流的人才。显然，哈佛大学的这些举措对我国大学物理教学质量的提高是有借鉴意义的。

参考文献：[1] E.Mazur. Peer Instruction: A user’s manual. NJ: Prentice Hall,1997:10-16.[2]张 慧贞 .由哈 佛到逢甲：普通物 理互动教 学 的 实 施 与成效 . 科學教 育學刊 ，2003（4）：391-406.[3] Mazur Research Group.Methods: A six-thousand-student survey of mechanics test data for introductory physics courses. American Journal of Physics，66(1)：64-74. [4]张萍，Eric Mazur.Peer-Instruction—哈佛大学物理课程教学新方法，中国大学教学，2010（8）.[5]Mazur Research Group .http://mazur-www.harvard.edu/research[6]Q evaluation. http://q.fas.harvard.edu/harvardQ/about.jsp. [7]Teaching Award. http://bokcenter.harvard.edu/icb/icb.do?keyword=k1985&pageid=icb.page29684[8] 张家勇.世纪哈佛大学本科生课程改革的若干重点问题.辽宁教育研究，2007（8）：85～89.[9]向洪.哈佛理念.青岛出版社，2005：75-78.[10]Practice teaching. http://isites.harvard.edu/icb/icb.do?keyword=k1985&pageid=icb.page29686[11] Videotaping，Class observation，Consultations. http://isites.harvard.edu/icb/icb.do?keyword=k1985&pageid=icb.page29687[12]Lecturing. http://isites.harvard.edu/icb/icb.do?keyword=k1985&pageid=icb.page29696[13]Course planning. http://isites.harvard.edu/icb/icb.do?keyword=k1985&pageid=icb.page29695[14] Eds. C.R. Christensen, D.A. Garvin and A. Sweet. In Education for Judgment: The Artistry of Discussion Leadership：15-36.

[15]《the Arts of Questioning》http://isites.harvard.edu/fs/html/icb.topic58474/questioning.html.[16]《Techniques for responding》 http://isites.harvard.edu/fs/html/icb.topic58474/responding.html.[17] 《 Ten Strategies for Effective Discussion Leading》http://isites.harvard.edu/fs/html/icb.topic58474/Dawes_DL.html.[18] Grading & Feedback. http://isites.harvard.edu/icb/icb.do?keyword=k1985&pageid=icb.page29701[19]Clickers and other tech. http://isites.harvard.edu/icb/icb.do?keyword=k1985&pageid=icb.page29705

[作者简介]张立彬（1964—），男，河北石家庄人，教育部南开大学外国教材中心副教授，现主要从事信息文化、信息技术与物理学外国教材研究；张功（1987-），男，安徽阜阳人，南开大学泰达应用物理学院研究生，主要从事光子学与光子技术的研究。本文系教育部2009年度研究项目“中美一流大学物理教育比较研究”的阶段性成果之一。

哈佛大学物理专业拔尖人才培养模式探讨张立彬 1，马志远 2

（1.南开大学外国教材中心，天津，300071；2.南开大学物理科学学院，天津，300071）

摘 要：探讨了哈佛大学物理专业拔尖人才的培养模式，诸如严谨与灵活并重的遴选方式、广度与深度并举的学业方案、宽松与紧致共存的评价体制、合作与竞争同在的集群建设。上述举措对我国高校培养拔尖创新人才具有重要的指导意义。关键词：哈佛大学；拔尖人才培养模式；遴选方式；学业方案；评价体制；集群建设1 引言在人才尤其是拔尖人才培养方面，困难和挑战仍然很多，其中比较突出的是拔尖人才

培养模式创新的问题。拔尖人才既是社会的基石，也是科技发展的主力军。因此，关于拔尖人才培养模式的探索愈益引发国内外大学的关注，成为教育教学改革的重要问题。教育部发布的《关于加强研究型大学建设增强高等学校自主创新能力的若干意见》指出，“研究型大学是培养拔尖创新人才的基地，是自主创新的国家队，是培育和发展先进的创新文化的发源地”。进一步强调了研究型大学建设和拔尖创新人才培养的重要性。[1]

具体到物理专业，拔尖人才的概念内涵包括以下三个方面：一是有扎实的知识功底，以及由对物理的热爱而驱动产生的探索欲和求知欲；二是专有所长，在具体学科分支的研究中处于领军地位，形成有国际竞争力的学术团体；三是具有高尚的学术品格与人文气息具有社会影响力与社会认可度，即“学术大师”。哈佛大学物理系作为该校最重要的院系之一，以其千锤百炼过的培养模式，为世界输送了无以数计的顶尖物理人才。笔者在查阅资料的基础上，将它们归纳成如下几个主要方面，以资为鉴。2 严谨、灵活——谁能进入哈佛？

人才培养，主体是人才，选择人才的第一步是录取。哈佛大学作为美国最难申请的学府之一，其录取率仅约 7%左右，见表 1 。低下的录取率意味着高质量的生源，然而这里的“质量”并不仅仅是一个好看的分数。高水平大学理应荟萃各种人才，哈佛大学学生录取委员会深谙这个道理，所以哈佛大学的录取体系不拒绝各种偏才、奇才、怪才。而事实证明，这些人往往能够获得历史的垂青而获得诺贝尔奖，或成为大师级的人才。

年份(year)

申请数(applied)

录取数(accepted)

录取率(acc. rate)

2003 13366 906 6.8%2004 15861 1123 7.1%2005 18583 1189 6.4%2006 18881 1305 6.9%2007 18947 1183 6.2%2008 27462 1948 7.1%2009 29112 2046 7.0%2010 30489 2110 6.9%

表 1—哈佛大学近年录取情况（2003-2010）[2]哈佛大学的录取模式以两个词概括就是：严谨、灵活。哈佛的入学考试有 7.5 个分值指

标，其中，文化知识考试只占 1 分，其他还有研究能力、艺术技能等多项指标。一个学生如果某项才能十分突出，哈佛就派专家组通过笔试，面试、实际操作等方式评定其才能，评定后认为某项才能确实十分突出，即可进入哈佛深造。“哈佛大学不只问你过去学多少，更重视你的潜力，看你未来能学多少。”曾经担任过 10 年哈佛大学校长的陆登庭教授认为:一流的学生不能仅凭分数来评估。对于学生来说，书面的考试是很重要的，但不能代表所有方面，还有很多其他内容需要考察。像哈佛，它对学生在一些特定领域的考察有自己一套完整的评估体系。要成为一名哈佛的学生，陆登庭教授认为，不只是学习好，还要看他是否有创造性，仅有知识是不够的，创新精神，探索未知的好奇心，更是一流学生所必备的素质。另外，除了关心自身专业的领域，还要看他是否关心其他领域的东西，有没有广泛的兴趣。[3]

美国大学的录取工作是由各个院系完成的，每年的新生录取委员会由 6-8名系里的教授和副教授组成，他们通过对候选者申请材料的多方比较，从众多的平庸者之中遴选出数目有限的潜在的拔尖学生。这些比较与判断的标准往往非常多样化，并不拘泥于某项特定的“指标”，更多的是学生软实力的综合体现，其中思维的活跃度与创新性是标准中最重要的两个方面。这里有一个典型的例子。俄亥俄州雪克黑茨市哈沙维布朗高中的爱丽娜·奥聂思凯斯基一直关注着水污染，选定解决金属离子污染水作为自己的研究课题。在 3000 个 小时的屡败屡战后，她终于发明并申报了自动微电子化学传感装置控制电镀系统的专利技术。这一技术可以有效地减少电镀时排入水中的金属离子。她还是西门子—西屋科技竞赛地区决赛选手；英特尔科学英才半决赛选手；校世界事物联合国俱乐部主任；校报主编；疗养院志愿者资深协调人；丹麦人在二战纳粹大屠杀中帮助犹太人的历史的研究者。最终，她很顺利地被哈佛大学录取。[4]

对于物理系，哈佛大学每年会收到来自世界各地数以百计的申请者的申请材料，这些材料经由系里统一汇总，招生秘书先根据院里的招生要求整理出一份名单，列出本次申请中符合条件的 人 ，同时会将这些人 的申请材 料 分门别类，按每个 人 的姓名、 学校 、GPA、GRE 和 TOEFL成绩、感兴趣的方向等等分好。下一步的工作，就是等待教授的挑选。教授拿到申请材料之后，最感兴趣的部分通常只剩下 PS（个人陈述）和推荐信，它们分别以主观和客观的形式将该申请者硬性数据以外的所有软性创新能力展现给阅读者。教授们在充分比对这些材料的基础上确定最终的校园面试名单。[5]校园面试是招生的最后一个环节，面试官通常就是申请者选择的导师。与其说是面试，其实更像是一次面对面的聊天，内容可能涉及到任何的方面，包括学习心得、学业成绩、学术见解等，当然也有可能进行一次实打实的公式推导或者理论计算。教授们面试的原则只有三个字：“难倒他”，它被公

认为发现潜在拔尖人才最有效的面试准则。原因很简单，能否在短时间内对一个处于自己知识体系边缘的问题进行逻辑缜密且富于创造力的思索与批判是区分申请者潜在能力高低的重要因素。[6]当然，上面的流程并非完全死板，相反，教授在选择学生时的自由度其实相当之大。往往有学生在申请之前就心仪于某位教授，经常与他在信件中交流看法，甚至在有机会时当面请教。若教授觉得此人合乎自己的要求，他可以直接与系里点名要人，而完全不必担心那些稍微欠缺的硬件数据。正是得益于如此严谨灵活的录取方式，能够进入哈佛大学物理系就读的学生往往具有

非凡的数学头脑，理性思维能力和物理直觉以及创造力，而这恰恰是成长为一名物理拔尖人才所应该具备的品质。3 广度、深度——在哈佛学什么？

学业课程是教育教学活动的中心环节，是在校学生（尤其是本科生）知识的主要来源。课程的设置、选择、教授、考核等等无不直接关系着人才培养的质量。而拔尖人才的成长需要比普通学生更为严苛的环境，他们需要比通常人更多的课程选择自由度，以满足他们充分发掘自己学术兴趣与思维创造性的需求。同时，他们也需要比通常深入得多的专业讨论以及更高层次的学业交流，这是引导与刺激他们学术素养提升的催化剂，也是他们施展非凡创造力的理想舞台。所有这些都需要有一套针对性的培养计划来保证执行，下面分两方面具体阐述。

哈佛大学学业体制中对于知识在广度方面的拓展主要体现于它的“通识教育”。1978 年，哈佛大学推出《核心课程计划》。提出要将学生培养成“有能力有理性的人”，于是建立了一套涵盖“外国文化、历史研究、文学与艺术、道德推理、量化推理、科学、社会分析”等七个方面的内容，要求学生必须在每个方面各选一门课程，并设立核心课程独立的管理和师资实体。在这些核心课程的学习过程中，学生可以充分体验并认知人类组织、运用和分析知识的过程、方式以及手段，并从相应的学术实践活动中获得充分的创造性思维训练。[7][8]在具体到拔尖人才的培养时，上述“通识教育”的思想表现得更加突出，并且有它自己的特色，笔者将其称为“后通识教育”以示区别：一方面，它是“通识教育”理念的极度发展，同时，又存在通识教育所不具有的新内涵。

具体到物理系，对于思维活跃创造力十足的潜在拔尖人才，系里从不会给他们施加有可能削弱其学习选择自由度的约束，相反，院系会尽力为他们的兴趣服务，提供所有可能提供的一切资源以满足其旺盛的知识需求。反映在政策方面，就是哈佛大学允许他们从任何相应种类的课程中获取学生毕业计划所规定的学分值，唯一的要求只是填写一份由院系制订的申请表格。不仅如此，哈佛大学的交叉课程计划还延伸到了本市 (Boston, MA)以及周边丰富的大学资源之上，所有在哈佛就读的学生都可以在它的合作学校自由选修用以完成学业的学分。据笔者所知，哈佛大学物理系中有意在工程技术方面发展的学生大都在选修或旁听MIT（麻省理工学院，与哈佛仅一墙之隔）的相关课程，因为 MIT 的工程类专业教学比本校更为出色。[9]

为所有拥有清晰的学习计划的准拔尖人才提供如此宽松的课业环境和学习途径的做法：既保证了学分的获得，又能充分自由地进行知识建构。更为重要的是，这种协调状态下的知识建构会反作用于自我认知，有助于他们深化对自身优势与弱势的理解，并指明前进的方向。高度的自我认知从来都是一个人成长为拔尖人才所必须的基本品质之一，而这种自我认知必须建立在知识体系相对完整的构建之上。对应于学校制度，它应该为所有具有潜力的学生提供机会，以适应他们在追求自身完善的过程中对自我定位与目标实现的重估。事实上，有相当多的杰出人才都曾有过一次甚至数次转行，其中不乏诺贝尔奖金获得者。一个具体的例子是霍夫曼（Roald Hoffmann），他 1958 年获哥伦比亚大学 Classics 文学学士学位；1960 年在哈佛大学获物理学硕士学位；1962 年获化学物理学 博士学位；

1962～1965 年在哈佛大学工作；1965 年任康奈尔大学副教授；1968 年任化学教授，现任该校化学系主任，后因对分子轨道对称守恒原理的开创性研究，和福井谦一共获1981 年诺贝尔化学奖。[10]由文学到物理到化学，霍夫曼历经了两次对自己前途的重新考量，后一次便是他就读于哈佛大学物理系期间所做出的决定。哈佛大学物理系给予拔尖学生在选择专业时更多的自由，它集中体现在对知识构建与自我认知这一对相辅相成的概念的充分理解以及对学生自由选择权的最大尊重上，这是“后通识教育”在培养拔尖人才的教学实践中，比“通识教育”更能发挥其效能的部分。另一方面，在上述“后通识教育”的“广度”基础上，哈佛大学为所有拔尖学生提供

了深入探索知识以及发掘思维创造性的肥沃土壤。建立在选择自由上的“深度”教育策略使学生在追逐前沿领域的相关艰深知识以及由此展开有效的创造性思维的过程中，由传统的被动汲取为主导转化为以高度自我认知为前提的积极诉求。这种变化直接决定着拔尖人才培养过程的最关键部分。哈佛大学物理系的拔尖人才培养体系中与此方面相关的内容，一是积极推进高层次的学术交流并鼓励学生参与；二是配给专业导师，以课外研究组的形式提供“寓学于做”的良性学术平台。同时，上述两方面也并非各自独立，而是相互依托互为呼应的。

哈佛大学物理系作为全美顶尖的物理研究机构，从来不乏各种创新项目与基金计划以及与之相关的学术交流与研讨。物理系下辖的各个中心，包括生物物理、纳米系统、超冷原子、天文学、量子科学等，都有非常充足的资金以提供高度专业化的创新性研究机会，它们贯穿了从本科到博士后之间所有的学习阶段，并且以拔尖博士生培养为主要侧重点。与本科生相比，博士生培养的内容相对更强调前沿性和创新性，因此，需要相应的专业导师需要有较高的学术素质，能置身于学科前沿，密切追踪学术发展的新动向，及时为需要的学生提供新资料、新观点、新方法，以引导学生在一个专业方向的前沿上有所突破。[11]在以这种课题为主导的课外学习模式中，拔尖学生有各种各样的机会充分发展并发挥

自己的创新能力，通过对自我知识体系的不断挑战，将在开辟物理学前沿过程中遇到的学业瓶颈一一突破，从而实现由学生向学者的飞跃——这正是拔尖人才培养过程中最关键的一环。4 宽松、紧致——学的怎么样？

哈佛大学物理系拔尖人才培养体系中另一个重要的方面是它的学业评价体制。用两个词概括的话，就是“宽松”与“紧致”。这一对看似相反的概念其实并不冲突，前者主要涉及评价的内容的自由度，后者则主要体现在评价标准上，而这两方面的内涵和外延共同构成了一套科学合理规范的学业评价制度。

学业评价内容的宽松为学生在学业期间充分发挥自己的创造力提供了保证。每年，哈佛大学物理系都会进行各类奖学金与助学金的评定，该学年的学业评价分数占总评的很大比例，但通常我们关注的课程分数则只占整个学业评价内容的很小一部分。哈佛大学学业评价的名目相当繁多，除课程分数外，还包括课外讨论情况、学术进展、社团活动情况、道德操守评定等等。哈佛大学在学业评价中看重的不是具体做了什么事，而是在做一件事的过程中展现出了何种能力。看重分析解决问题的能力而不是事情本身，是哈佛大学在学业评价过程中所一贯遵守的原则之一。这一点在拔尖人才的培养过程中尤为重要。如前所述，拔尖人才之所以能够拔尖，一方面取决于他的智力基础与探求欲望，更重要的一方面是要“偏”。只具备前者的学生称得上是“好”学生，但他们很难成长为具有独立创新精神，能够独当一面的拔尖人才，原因就是缺少一种由“偏爱”发展到“偏执”的过程。而这种“偏”的性质在学业评价体系中的合理体现与评定，必须籍由一套基于能力考察而不是绩效考察的标准才有可能实现。虽然有着“宽松”的评价内容，但哈佛大学学习生活本身却一点也不宽松。所有的学

业评测都有着相当紧致的评定标准与执行准则，保证能够不偏不倚地为所有学生提供准确而公平的学业评定。在学业评价中，本科生与研究生的侧重点不尽相同，本文着重于分析与拔尖人才培养联系更紧密的博士（Ph.D）考核机制。

博士生课程一般分为必修和选修两种。他们在入学后要在导师的指导下，制订前两年内满足专业综合考试(Qualify，又称博士资格考试)所要求的选课计划。博士生一般应在前两年的四个学期内修完至少九门课，包括必修课和选修课，其中有两门课程要跨出本专业之外去选修，以拓宽知识面，适应未来的教学科研需要。每门课成绩都要达到“ B”等或更好。每年因课程成绩不合格而遭淘汰的学生占同一届学生总数的近 30%。然而，要达到“B”等并非易事，博士生每选一门课，就意味着每星期要读几百页文献，还要找出问题拿到课上去讨论。如果每学期选三、四门课，每星期阅读和思考的量就到了不堪重负的地步。但正是因为如此紧致的考核标准，他们对前沿成果的熟悉和对基本文献的掌握程度都大大超过国内水平。进行到第四学期末或第五学期时，博士生都要过综合考试的大关。它可以是平时在各学科的多次考试中累积成绩，也可以是连续几个半天的笔试，或者是一次性的两三个小时的口试。前两种考试可以有一定的选择科目和题目的自由，但如果 B 以下的成绩达到一定次数，就要被淘汰。综合考试失败，一般就意味着失去继续读博士的资格。但如果考试委员会同意，可以再考一次，再失败就被淘汰 了。在这个环节上的淘汰率为 15—20%。只有通过综合考试，才算博士候选人，才可做学位论文。一般应在考试通过一年内选定论文导师和指导委员会，提交选题报告，六年内应完成论文。学位论文写作的每一进展都应向导师报告，负责任的导师往往在学生每写出一章时，就及时审查并提出修改意见。完稿后由导师请两三个评阅人（答辩委员），开始准备答辩会。答辩会包括答辩人公开演讲、接受听众提问、答辩委员提问、评议、表决等程序，据悉，哈佛每年博士学位论文在答辩中未获通过者占 10%。[12]值得一提的是，学术伦理在整个学业评价体系中占有极大的比重。“追求工作的原创

性”作为神圣不可侵犯的信条，被每一个哈佛人铭记在心。原创性是所有学业评价中都会提及的字眼，它一方面反映着学生的道德操守，另一方面使学生更倾向于诉诸思维训练与创造力挖掘而非总结前人的成就，而这正是拔尖人才所应该具有的品质。在哈佛大学物理系课程的学习中，各类论文甚至课堂讨论均要求学生讲清楚哪些是自己的独到见解，哪些是引用别人的观点；论文的注释必须合乎规范，一般的作业也至少要有资料索引。学生作业和论文都要努力追求原创性，用二手资料东拼西凑非但不会通过考核，还会对自己其他方面的评分产生恶劣影响。不难看出，哈佛大学在做学业评价的过程中，无时无刻不贯彻着“紧致”这两个字，

从课程考核，到学术考核，以至伦理考核，这样近乎“严苛”的评价体系造就了具有学术独立精神、学术专业素养以及学术道德情操的一大批优秀拔尖人才。5 合作、竞争——与谁为伍？上面三点主要分析了学校在教学与学术环节等方面培养拔尖人才所采取的一些策略。

这些策略在时间的积淀下，已经化身为哈佛大学的灵魂并附着在每个哈佛教育工作者的身上，作为哈佛的“教育精神”而存在。不过，笔者认为还有一点非常值得我们注意，即由人才圈与人才链主导的集群化与竞争性在培养拔尖人才过程中所扮演的角色往往为类似上述“教育精神”的光芒所掩藏，以致尚未得到与其作用相称的关注与分析。实际上，人才圈与人才链的组织与运作从来都是拔尖人才培养中权重最大的因子之一。以拔尖人才带动拔尖人才培养，将“人——人”的集群元素融入到“人——校”的培养机制中，逐步形成以人才圈为主导的良性反馈链条，是哈佛大学能够永葆活力的最重要的原因之一。

人才培养中最需要强调的是拔尖人才的特殊性，从上面对于遴选方式、学业方案、考核要求的分析可以清楚地看出这一点。正是由于这种特殊性，他们更需要所谓的“人以群

分”，即创造专属于拔尖人才的“人才圈”。只有让拔尖人才置身于以拔尖人才为主导的群体中，让他们意识到竞争的无处不在与合作的迫在眉睫，通过与水平相当的人的交流，实现圈内成员间的互动与共振，从而给他们创造在共振中寻求自我突破以及在竞争中树立不屈信念的机会，而这恰恰是成功的拔尖人才所需要的学术构架与心理建设中关键的一环从这个意义上讲，人才圈是动因，为创造力的发展和实现提供肥沃的土壤；人才链是手段是拔尖人才培养的组织形式。

哈佛大学物理系作为世界一流大学的一流专业，其得天独厚的学术资源与校友资源，成为凸显拔尖人才集群效应的典范。所有哈佛校友资源的管理都由哈佛大学校友协会（Harvard Alumni Association 简称 HAA）来进行。哈佛校友协会 HAA（Harvard Alumni Association）由哈佛校友协会理事会（HAA Board of Directors）、大学监督委员会（University Board Overseers）和提名委员会（Nominating Committee）构成。[13]其三个下属分支在日常管理事务中相互协助、相互制衡，共同服务于全体哈佛校友，并通过哈佛大学与所有在哈佛就读的学生取得联系。

哈佛大学在培养拔尖人才过程中体现集群效应的方式：一方面是由校友资源主导的学术交流与就业指导；另一方面是以被培养者自身组织形成的学术团体为主导的学术讨论与交流。这两方面共同构成了哈佛大学现有的人才合作与竞争机制。

哈佛大学拥有 38位诺贝尔奖金获得者、32位普利策奖获得者以及不计其数的国家和地区性奖项、专业奖项获得者等。这些成就使哈佛在生物、化学、地质学、数学、物理、经济学、英文、历史、政治科学、社会学等领域成为“傲人”的“领跑者”。它拥有数不清的知名校友，他们横跨自然科学、人文科学等多个领域，在任何一个领域中都是享誉世界的佼佼者。以我们关注的物理专业为例，有 S·格拉肖、S·温伯格（因电弱统一理论，于 1979 年共同获诺贝尔物理学奖），尼利里斯·布鲁伯根（发明了激光分光镜，使人们可以在更高的精度下研究原子，于 1981 年获诺贝尔物理学奖），诺尔曼·拉姆西（因研究了分离振荡场，使人们能够精确测量原子和分子的各部分之间的相互作用，于 1989 年与华盛顿大学的汉斯·德美尔特、联邦德国的物理学家沃夫冈·保罗三人共同获得诺贝尔物理学奖），等等。[14]如此众多的杰出校友使哈佛大学在科技交流与学术资源的丰富程度上，名符其实地走在了全美甚至全世界的最前端，“哈佛大学不仅成为美国政府制定国内外政治、军事、外交政策的思想库，而且也成为各种学术流派和政治主张都十分活跃的场所。”[15]所有这些资源在哈佛大学物理系拔尖人才培养中都起着不可替代的作用，它们既保证了高频度高层次的学术交流，进而在学业期间为拔尖人才提供进一步获取知识的途径；又为这些人才将来毕业后的就业前途与职业发展提供极高的社会认可度。据悉，绝大部分美国大学都不会拒绝为哈佛大学物理系毕业的博士提供工作机会。进入哈佛大学物理系就读，便意味着踏入了一座繁星璀璨的殿堂，其丰富的学术资源与人际资源，为拔尖人才的发展提供了独一无二的理想场所。他们在人才链的提引与指导下，最大限度地发挥其潜力，逐步与相应的人才圈相融，并最终转化为圈中的一员，成为推动人才链转动的有效动力。如此高效的人才培养链条造就了哈佛大学，这所比美利坚历史还要悠久的高等学府今天的辉煌。6 结束语

总而言之，哈佛大学的拔尖人才培养政策与拔尖人才和准拔尖人才间的集群效应相互融合，相互渗透，二者一起造就了今天硕果累累的哈佛大学以及它的物理系。它的成功固然有着地缘历史方面的原因，但更重要的是其自由开放从不固步自封的姿态，通过积极寻求政策与文化上的改革，保持学校能够在日新月异的社会文化变迁中，随时适应并引领时代的潮流。参考文献：[1] 国家社会科学基金项目“研究型大学建设与拔尖创新人才培养”成果公报，全国哲学社

会科学规划办公室.[2] “Ivy League Admissions Statistics”，The Ivy Coach..

http://www.theivycoach.com/ivy-league-admissions-statistics.html “College Admits Record-Low 7 Percent”，Jillian K. Kushner. March 31， 2009.“Harvard Rejection Rate for Applicants Reaches Record (Update2)”.Brian K.Sullivan & Matthew Keenan.April 1，2008.

[3] 《美国高校录取标准灵活 哈佛大学招生文化知识只 1 分》，齐鲁晚报，2009-12-01.http://www.iqilu.com/html/edu/zhengce/20091201/130613.html

[4] 《让不可能成为现实：美国学生中的成功者的背后》，文汇报，2003-12-16.http://news.xinhuanet.com/edu/2003-12/16/content_1233549.htm

[5] “Applying to Harvard”，Office of Admission, Harvard College.http://www.admissions.college.harvard.edu/apply/index.html

[6] Harvard Interview: interview reports from those who have interviewed with Harvard.http://www.clearadmit.com/wiki/index.php?title=HarvardInterview

[7]《哈佛大学推进通识教育的四次改革》，转自《中国教育报》，2007-10-30.http://www.hlje.net

[8] Discussing the Core Curriculum: Strengths, weaknesses, and areas for potential change.FAS Communications, Andrea Shen, November 14, 2002.http://www.news.harvard.edu/gazette/2002/11.14/11-core.html

[9] How to Cross Register, Harvard Graduate Students Cross-Registering within Harvard.http://crossreg.harvard.edu/icb/icb.do

[10] Roald Hoffmann，from Wikipedia， the free encyclopedia.http://en.wikipedia.org/wiki/Roald_Hoffmann

[11][12] 牛大勇.哈佛大学研究生教育调查报告.http://gjs.ncepu.edu.cn/Html/eBook/ebookDetail_10212.html

[13] The boards of HAA.http://www.haa.harvard.edu [14]“哈佛大学”，百度百科.

http://baike.baidu.com/view/10504.htm#6 [15] 韩丹.哈佛大学校友资源管理探析.哲理，2009（3）.

[作者简介]张立彬（1964—），男，河北石家庄人，教育部南开大学外国教材中心副教授，现主要从事信息文化、信息技术与物理学外国教材研究；马志远（1987-），男，山西朔州人，南开大学物理科学学院研究生，主要从事宇宙学的研究。本文系教育部2009年度研究项目“中美一流大学物理教育比较研究”的阶段性成果之一。

MIT 教材《An Introduction to Modern Astrophysics》评介研究张立彬（南开大学外国教材中心，天津，300071）暴鹏程、马志远（南开大学物理科学学院，天津，300071）

1.本书的出版情况和作者简介《 An Introduction to Modern Astrophysics （ second edition ） 》

（《现代天体物理概论》(第二版)）是美国麻省理工学院物理系课程编号为8.901 的课程 “Astrophysics I” (天体物理 I)所选用的教材。本书于 2006 年由 Addison-Wesley 出版社出版，全书共 1278 页(含附录共 1400 页)，作者是韦伯州立大学的 Bradley W. Carroll 和 Dale A. Ostlie.

Bradley W. Carroll 是美国韦伯州立大学的物理系教授，他从加州大学欧文分校取得数学学士学位，之后在科罗拉多博尔德大学取得物理学硕士学位和

天体物理博士学位。Bradley 对天文学抱有终身的兴趣并且对头顶的星空怀有一种天真的好奇，

这导致他最终投身天文学领域。在Carl Hansen 和 John Cox 的指导下，他完成了题为脉冲星自转效应的博士课题。之后，他去罗切斯特大学和 Hugh Van

Horn 一起进行博士后研究，主要方向是中子星及其吸积盘的振荡。在这两所大学的熏陶下，Brad掌握了构造复杂天体物理系统简化模型的精髓。四年后，结束博士后研究的 Bradley幸运地得到韦伯州立大学的教职，更幸运的是，在那里碰到了 Dale Ostlie，两人在恒星脉冲领域都有专长并且见解相近。Bradley

十分喜欢和学生共同探索物理世界，这给他写这本书时提供了很大的帮助。Dale A. Ostlie 是美国韦伯州立大学理学院的院长，他于 1977 年在圣奥

拉夫学院取得物理和数学的学士学位，然后于 1982 年在爱荷华州立大学取得物理/天体物理的博士学位。之后先后在爱荷华州立大学物理系、约翰霍普金斯大学的空间望远科学技术研究所、贝茨学院物理系、洛斯阿拉莫斯国家图书馆理论物理组进行教学科研工作。从 1984 年起，在韦伯州立大学物理系进行教学科研工作至今。在本书的另一个作者Bradley W.Carroll来到韦伯州立大学后，由于在许

多领域尤其是恒星脉冲领域的共识和对教学的热爱，两人合著了本书。[1]

2.本书的创作背景和主要内容天体物理是天文学的二级学科，也是天文学和物理学的交叉学科。天体物理

是研究天体和其他宇宙物质的性质、结构和演化的天文学分支。天体物理学从研究方法来说，可分为实测天体物理学和理论天体物理学。前者研究天体物理学 中基本观测技术、 各种仪器设备的原理和结构，以及观测资料的分析处理，从

而为理论研究提供资料或者检验理论模型。后者则是对观测资料进行理论分析，建立理论模型，以解释各种天象。同时，还可预言尚未观测到的天体和天象。用物理学的技术和方法分析来自天体的电磁辐射，可得到天体的各种物理参数。根据这些参数运用物理理论来阐明发生在天体上的物理过程及其演变是实测天体物理学和理论天体物理学的任务。[2]

本书是天体物理学的一本经典的教科书，两位作者都是多年从事教学和研究一线工作。本书深入浅出，条理清晰地介绍并阐明了天体物理的相关基础知识和应用情况，是一本不可多得的天体物理入门级教材。

本书旨在仅用基本的物理知识向读者介绍整个现代天体物理的研究内容，并且，与通用的其他的天文学教材不同的是，本书更侧重天文现象的数学表达而不是仅仅进行描述性的介绍。同时，本书给学生很多应用自己所学的物理学知识去分析天文学现象的机会，对于那些物理基础薄弱的学生，本书也提供了相关章节介绍相关的物理学基本原理。

本书在第一部分介绍了天体物理学所需要的基础预备知识。这部分内容涉及物理和天文学的基础知识，并且作者是按历史的发展顺序进行介绍的。先介绍古希腊的天球坐标法，作者也同时介绍了古希腊的天文学和物理学，毕竟西方天文学的起源是在古希腊。这是天文学的基础。之后介绍经典天文学用的分析手段——开普勒定律和牛顿力学——天体力学，这是进一步使用其他模型进行分析的基础。之后的一节着重介绍光谱这一天体物理分析的有力工具并引入现代物理的前沿——量子力学。紧接着的一节介绍了狭义相对论的相关知识，它是在空间尺度以及极端条件下精确分析物理现象的基本工具。下一节则又从光与物质作用的角度进一步讨论光谱与量子力学，众所周知，电磁波探测是天文学主要的探

测手段，这一节的介绍也相应的涉及了电磁波的理论。最后一节则介绍观测的主要工具——望远镜，并介绍了天文观测领域的最新进展。与最新的科研进展密切相关也是本书第二版的特点之一。

介绍完预备知识之后，本书的下一部分从恒星物理学这一天体物理学的基础和主要分支开始介绍。本书没有从我们的身边的太阳开始，而是从更简单更易计算的双星系统开始介绍恒星，并且借助光谱分析。之后的两节从外到内细致介绍了恒星的结构和物理属性。之后又用太阳这个熟悉的例子让读者更好的理解之前的理论。下一节开始介绍恒星的演化过程——恒星的一生。从星际物质凝聚形成原恒星，讲到前主序阶段、主序星阶段，直到晚期的恒星脉动，最后讨论了不同质量恒星的不同结局，包括白矮星，超新星爆发形成的中子星（脉冲星）或黑洞，并在其中穿插热力学和广义相对论等相应的物理基础知识。最后以对密近双星系统这一特殊的双星系统的分析结束了本部分的内容。接下来的一部分开始介绍与我们密切相关的天体物理学分支——太阳系物

理学。与之前一样，第一节首先介绍了太阳系的演化过程，并且介绍了相关的物理性质。之后开始分别介绍太阳系的八大行星及其卫星，矮行星，彗星和柯依伯带天体，小行星，以及陨石。这一部分在给出相应数据公式的基础上还介绍了行星的发现历史和最新的观测进展，如对地外行星系统的研究。

本书的最后一部分介绍了星系天文学和宇宙学，从更大尺度上研究我们生活的宇宙。前两节先以我们居住的银河系为例介绍了星系的结构和物理属性，并在结构分类的基础上介绍了旋涡星系、不规则星系、椭圆星系等常见的星系。之后则介绍了星系的演化过程以及宇宙的大尺度结构的形成。在介绍了星系这一宇宙的重要组成结构之后，开始由活动星系引入对整个宇宙的研究。对宇宙学的介

绍也是从历史发展的角度先后介绍了牛顿宇宙观和相对论宇宙观，并介绍了宇宙微波背景辐射、宇宙的结构和宇宙的加速膨胀，最后对宇宙的早期演化做了简单介绍。更可贵的是，本书在附录里不仅给出了科学常数，单位换算和天文数据，

还提供了许多模型的 C++实现，也体现了计算机模拟在天体物理中的越来越重要的作用。3.本书的特点

本书作为天体物理学介绍性入门课程的教材，是两位作者多年教学经验的总结。本书透彻地反映了近十年来天体物理领域的巨变和革新。本书的第二版中更新了天体物理现象观测和理论分析最新的成果。概括起来，有如下三个特点：3.1 内容翔实，讲解细致入微，

本书作为一本入门课程教材，内容不仅覆盖了天体物理学的主要分支，还相应地介绍物理，天文等学科的相关知识。每节都会有相应的背景介绍和丰富具体的图例。对知识的解释也是十分具体。就本书第七章第一节双星系统的分类来说，在给出双星系统的定义后，详细的给出了六种双星系统的定义和之间的差别，并且从运行轨道，运行周期和互相之间的运动给出了三幅注释清楚地图示，并且举了一个例子详细地说明。3.2 数据具体，理论推导明晰 作为一个主要以观测和分析数据为基础的学科。天体物理学的许多理论和模型都是建立在实验数据上的。虽然语言性描述能让学生对现象有一个感性而容易理解的印象，但数据处理和计算才是真正能理解和阐释天文学现象的方式。本书对于物理模型数学上的推导并没有像其他的教材那样采取一带而过的处理方式，

而是详细而具体地写出推导过程，力求让学生在理解基础上学会。如在 Chapter 10 The Interiors of Stars 中对恒星内部平衡方程的推导，不仅步骤详细，而且配以清楚的文字说明和插图，非常便于学生理解。此外本书的习题充足，给学生很多练习的机会。3.3 贴近前沿，注重联系实际贴近前沿是本书一大特点。本书在讲解知识的同时，用了不少的篇幅介绍相

应的背景知识，最新科研观测成果和实际的应用。让读者能在现实的基础上学习相应的理论知识，并且不脱离实际。毕竟，天文学中实际观测是研究中很重要的一个方面。如在本书 Part I, 第 6节 Telescopes 中的最后一小节，介绍了巡天观测和虚拟天文台等当代最新的技术。

本书的每一章都是以一个未解决的天体物理问题开头，这样不仅紧贴前沿，还能激发学生的兴趣。4.本书的学术价值天体物理学作为天文学一个重要的分支，对天文观测起着理论指导的作用，

是物理学在天文学上的重要应用。天体物理学不仅在人类认识宇宙和自己的探索过程中起着重要作用，也有很大的实际应用价值。空间天体物理学，高能天体物理学，和太阳系天体物理学等分支在人类开发空间资源，有效避免灾害，宇宙航行和开发新能源等方面有着重要的应用。

本书作为天体物理学的入门课程的教科书，其翔实的内容，细致的讲解，具体的数据和模型，对培养天体物理学和天文学人才起了重要的作用。由于其内容广泛具体性，也可以作为天文学工作者的参考工具书。

本书是哈佛大学，加州大学伯克利分校，康奈尔大学，加州理工学院，芝加哥大学，普林斯顿大学等 103 所美国高校的天体物理学教材。5.本书的社会反映和相关评论

本书的第一版出版后，反响强烈。有超过一百所美国大学包括哈佛大学，加州大学伯克利分校等知名学府将此书作为教材。学生们也十分喜欢本书，亲切称它为”BOB”，即”Big Orange Book”(大橘书,因为本书的封面是橘色的)。《Physical Today》杂志 1997 年 5 月刊登载了华盛顿大学圣路易斯分校的Michael Friedlander 的评论：

“那些写过介绍性教材和教新生天文学课程的人应该放下手头的事来好好学学作者（指Bradley W.Carroll 和 Dale A.Ostlie）在编写教材上广阔的视野和合理的细节。”

《New Scientist》杂志 1998 年 3 月 28日刊登载了斯格菲尔德大学的 David Hughes 的评论：

“作者用清晰而精确的佐证创作了这 1325 页的巨作。许多课程内容都附有扩展阅读的建议，每章都设有丰富的习题。这是一本为天文学新生设置的专业课课本——没有那个大学的天文学学生能拒绝这样的课本。” [3]

6.本书对我国编写大学天体物理入门教材的启示天体物理作为天文学的二级学科，是天文学理论研究和观测的基础。在国外

天体物理作为物理学专业的一门专业课在诸如哈佛大学，普林斯顿大学等一百多所大学的物理系开设，为培养天文学人才提供了基础。而在我国，天文学专业作为本科生专业只在四所大学（北京大学、南京大学、北京师范大学和中国科学与技术大学）开设，并且在物理学各专业中并不开设天文学的基础课，这导致

我国在天文学方面的基础人才短缺，是值得人深省的事。通过阅读《An

Introduction to Modern Astrophysics》得到对国内大学天体物理入门课程教材的启示：6.1 注重物理基础，强调计算推演众所周知，物理的基础是数学，而天文的基础是物理。虽然天文学的主要研

究工作是天文观测，但对观测数据的处理和建立模型都需要物理理论作为基础。比如，进行光谱分析时就要涉及电磁学，量子力学和黑体辐射的相关知识。研究黑洞视界和黑洞质量时需要用广义相对论。进行恒星大气探索时，需要用热力学和统计力学的知识。可以说虽然天体物理的描述性内容较多，但作为一门理科，仍有许多理论

推导与计算。在编写教材的时候，应该注意这一点，不应忽视对天体物理相关的基础物理知识和方法的介绍。

本书把基础的物理概念和知识作为第一章天文学的工具放在书的开头，有助于学生理解后面章节的推导。6.2 力求图例翔实，注重图标信息天文学中有许多观测数据，照片分析和图像。进行数据对比和分析是天文工

作者的重要工作，也是教学的重点。许多天文现象和天体特性要通过数据的对比和分析，才能更好地理解。如本书在太阳系那一部分（section）中，在介绍太阳大气时给出丰富而具

体的数据，从大气光谱的分析，到各种元素的比例，细致入微到即使作为一个科研报告都绰绰有余。再如介绍木星时对木星大气的成分，内核的元素比例，光环的组成和各个卫星的组成元素及其比例都给出了详实的数据，让学生对科研

的艰难和严谨在一开始就有深刻的认识，并且培养了学生严谨治学科研的态度和用数据说话的习惯。这对我国同类教材的编写有很大的启示，不是仅仅做做样子展示一些实验

的数据，甚至有些数据都是错误或者是过时，而要展示给学生的是科研的真实面貌，实实在在地把看似枯燥无味的数据展示给学生，并通过对这些数据的分析向学生展示科学的结果和结论是怎么得出来的，教会学生分析处理数据和科学分析问题的思维方法。6.3 紧跟科学前沿，关注实际应用在本书的第二版前言中作者就通过最新的超新星观测成果，引入了最近十

年天文学中观测和理论的重大进展和发现，也导入了本书的编写目的和特色。本书还加入了电脑编程的章节，运用电脑程序帮助研究宇宙和星系的演化，运用电脑和现代信息手段进行研究是现代科学的重要科学研究手段之一。本书中既包括单机电脑程序问题的解决，总共给出了超过 500 个的电脑编程问题，也包括网上在线编程的部分。结合现代高新信息技术，是我们编写教材时应该学习的地方。恰当的电脑程

序问题的给出，也是一门学问。

7.章节目录：前言Ⅰ.天文学预备知识

1.天球 1.1 古希腊天文学

1.2 哥白尼的革命1.3 天球上的位置表示1.4 物理和天文

2.天体力学2.1 行星的椭圆轨道

2.2牛顿力学2.3 开普勒三定律2.4 维里定理

3.连续光谱3.1 恒星视差3.2 恒星星等3.3 光的波动性3.4 黑体辐射3.5 能量量子化3.6 恒星色指数

4.狭义相对论 4.1 伽利略变换的局限 4.2 洛伦兹变换 4.3 狭义相对论的时空观 4.4 相对论动量与能量

5.光与物质的相互作用 5.1 光谱线 5.2 光子 5.3 玻尔原子模型

5.4 量子力学和波粒二象性6.望远镜

6.1 基础光学

6.2 光学望远镜 6.3 射电望远镜 6.4 红外，紫外，X射线和伽马射线天文学 6.5 巡天观测和虚拟天文台Ⅱ. 恒星的性质7.双星系统和恒星参数 7.1 双星系统的分类 7.2 目视双星的质量测定 7.3 食双星和分光双星 7.4 寻找太阳系外的行星8.恒星光谱的分类 8.1 恒星谱线的形成 8.2 赫罗图9.恒星大气 9.1 辐射场的描述 9.2 恒星不透明度 9.3 辐射转移 9.4 辐射转移方程 9.5 光谱形分析10.恒星内部 10.1 流体静力学平衡

10.2 物态方程 10.3 能量来源 10.4 能量输运和热力学 10.5 恒星模型的建立

10.6 主星序11.太阳

11.1 太阳内部 11.2 太阳大气 11.3 太阳周期

12. 星际物质和恒星的形成 12.1 星际尘埃和气体 12.2 原恒星的形成 12.3 前主序星的演化13.主序星和后主序星的演化 13.1 主序星的演化 13.2 恒星演化的晚期阶段 13.3 星团14. 恒星脉动 14.1 脉动变星的观测 14.2 脉动变星的物理规律 14.3 脉动变星模型 14.4 非径向脉动变星

14.5 日震学和星震学15.大质量恒星的演化规律 15.1 大质量恒星的后主序演化过程 15.2 超新星的分类 15.3 核塌缩超新星 15.4 伽马射线暴 15.5 宇宙射线16. 恒星的归宿 16.1 天狼星B 的发现 16.2 白矮星 16.3 简并态物质的物理规律 16.4 钱德拉塞卡极限 16.5 白矮星的冷却 16.6 中子星 16.7 脉冲星17.广义相对论和黑洞 17.1 广义相对论 17.2 时空间隔和测地线 17.3 黑洞18.密近双星系统 18.1 密近双星系统的引力

18.2 密近双星的吸积盘 18.3 密近双星间相互作用的研究 18.4 半分离双星系统中的白矮星 18.5 Ia超新星 18.6 双星系统中的中子星和黑洞Ⅲ. 太阳系19.太阳系中的物理过程

19.1 太阳系简介19.2 潮汐力19.3 大气的物理属性

20.类地行星20.1 水星20.2 金星20.3 地球20.4 月球20.5 火星

21.巨行星21.1 巨行星的世界21.2 巨行星的卫星

21.3 行星环系统 22.矮行星

22.1 冥王星和卡戎22.2 彗星和柯依伯带天体22.3 小行星22.4 陨石

23.行星系统的形成23.1 系外行星系统的特点23.2 行星系统的形成和演化

IV 星系和宇宙24.银河系

24.1 天上的星星有多少24.2 银河系的形态结构24.3 银河系的运动规律24.4 银心

25.星系的性质25.1 哈勃序列25.2 旋涡星系和不规则星系25.3 旋涡结构25.4 椭圆星系

26.星系的演化26.1 星系互相作用

26.2 星系的形成 27.宇宙的结构

27.1 河外星系距离尺度27.2 宇宙的膨胀27.3 星系团

28.活动星系28.1 活动星系的观测28.2 活动星系核的统一模型28.3 射电瓣和喷流

28.4 利用类星体探索宇宙29.宇宙学

29.1 牛顿宇宙学29.2 宇宙微波背景辐射29.3 相对论宇宙学29.4 观测宇宙学

30.早期宇宙30.1 甚早期宇宙和暴涨30.2 宇宙结构的起源

参考文献：[1]Bradley W. Carroll, Dale A.Ostlie. An Introduction to Modern

Astrophysics (second edition), Pearson Addison Wesley[2]百度百科：“天体物理学”词条。[3]http://departments.weber.edu/astrophysics/Reviews.html

[作者简介]张立彬（1964—），男，河北石家庄人，教育部南开大学外国教材中心副教授，现主要从事信息文化、信息技术与物理学外国教材研究；暴鹏程（1990-），男，河北秦皇岛人，南开大学物理科学学院本科生；马志远（1987-），男，山西朔州人，南开大学物理科学学院研究生，主要从事宇宙学研究。

本文系教育部 2009 年度研究项目“中美一流大学物理教育比较研究”的阶段性成果之一。

杰出物理学家的成才之路与其所受高等教育的关联分析赵雅洁，穆祥望（天津南开大学图书馆 天津 300071）

摘要：文章探讨了杰出物理学家成才之道与所受高等教育的关联，主要阐述他们在成才路上的共同特点，从而总结出其所受高等教育体制中的几个共性因素。关键词：物理学家、高等教育、图书馆、通识教育、科学思维

The Relational Analysis on the success of outstanding physicists and their experiences of Higher Education

Zhao Yajie ( Library, Nankai University, Tianjin 300071, China)Abstract ： This article discusses the relationship between the success of outstanding physicists and their experiences of Higher Education ， mainly describes the common features on their road to success，and thus summarizes the common factors of the higher education system.Keywords：physicist，higher education，library，general education，scientific thinking

1．引言中外众多物理学家高尚的情操、坚强的意志、科学的方法以及永无止境的好奇心和勇于

开拓的创新精神等是人类宝贵的精神财富，成为我们丰富的教育资源。在肯定个别自学成才特例的前提之下，一般而言，物理学家受教育程度越高，往往其

掌握的相关知识与技能也越多。诺贝尔奖获奖人数里具有博士学位的科学家占科学家总人数的 88.3%[1]。因此在某种程度上可以认为，科学家的成才与其所受的高等教育有着不可分的关系。

本文对中外著名物理学家的成长经历（特别高等教育阶段）进行分析，发现他们大多

对科学研究有着极大的兴趣，有着超强的思维和良好的科研环境，有着优秀的导师、同学及合作者，而且他们勤奋努力、博学多知。成功的典范来源于合理的制度和科学的方法。本文从其成才足迹的这些共同特点，总结出其所受高等教育的共性规律。高等教育通过通识教育建立学生既专又博的知识结构，从而使学生扩大创新思维、提高创新能力。这就要求学校要提高教学质量和教师的各种素养，并吸引优秀人才来校任教。这也要求学校重视图书馆建设，提高图书馆的藏书量、各类文献资源拥有量和服务质量。同时物理学是一门实验科学，实验室所拥有的资源及实验氛围，以及团队合作的力量，都是高等物理教育不可忽视的重要因素。2．杰出物理学家成才之路上的共同特点1）极大的兴趣许多杰出物理学家能做到废寝忘食地工作，兴趣在其中起了很大的作用。丁肇中大学原本专业为机械工程，但由于他对物理有着强烈的兴趣，所以改学物理学。

在美国读书期间，尤其是读大学后期及研究生时，他乐于对物理学进行深入钻研。爱因斯坦说：“我从事科学研究完全是出于一种不可遏制的想要探索大自然奥秘的欲

望，别无其他动机”。爱因斯坦正是在对人们司空见惯的时间和空间问题上产生了好奇，充满兴趣并提出疑问，最终经过艰苦的探索，创立了相对论[2] 。奥本海默在哈佛大学期间，选修了著名实验物理学家布里奇曼讲授的高等热力学，使

他第一次对物理学产生了兴趣，这门科学触动了他心中的“原子情结”。朗道在列宁格勒大学物理系接触了当时的物理学前沿，在那段时间里，他完全被量子

理论那些普遍联系的不可置信的美迷住了。他入迷地演算海森堡、薛定谔、索末菲和狄拉克的量子力学，尤其热衷于“时空弯曲”和“测不准关系”。2）博学

物理学家们不仅通晓物理知识，而且在哲学社会科学方面也不乏较全面的修养。爱因斯坦不仅是物理学家，而且是思想家、哲学家和小提琴家，并且广泛接触各种不

同文化。从这些不同的文化中，他努力吸取自己需要的营养，博采众长。应该说，没有这样的学习和积累，就不会有爱因斯坦对科学划时代的贡献。

李政道喜欢研读东方圣贤孔子、孟子、老子的经典著作，他认为“测不准定律”和中国老子所说“道可道，非常道，名可名，非常名”的意思颇有相符之处。玻尔在上大学时，选择物理学为他的主修课，同时又选择了天文学、化学和数学、哲学

为副课。霍金对康德的哲学运用自如。薛定谔对古印度吠檀多的哲学推崇备至等。[3]

3）师从名师历史上许多青年物理学家大都出自著名学府，得力于名师的指导。李政道在浙江大学师从知名物理学家王淦昌教授与束星北教授，接触量子力学、狄拉

克方程、光谱精细结构等重要的物理前沿领域，为他日后的科学研究奠定了坚实的基础；

在西南联大师从著名物理学家吴大猷先生，他说“我从吴师学到的，不仅包括人格的涵养，最重要的是对知识的忠诚。吴大猷先生是影响我最深远的一位师长。”他在芝加哥大学师从著名物理学大师费米教授，是李政道人生又一大机遇，他说：“当时，费米教授每周至少会抽出半天时间，和我面对面讨论物理问题，我们从天体聊到粒子、核子、分子、原子，这种教学模式使我终身受益。”

诺贝尔获奖得者J.J.汤姆森培养出多位诺贝尔获奖者，比如卢瑟福、阿斯顿、理查森、威尔逊、玻恩、戴维森等。后经卢瑟福培养过的诺贝尔获奖者有瓦尔顿、卡皮察、布莱克特、阿斯顿、狄拉克、玻尔、哈恩、索迪、贝特等。玻尔又培养出10人获诺贝尔奖。玻尔的学生仁科芳雄又培养出了汤川秀树、坂田昌一、武谷三男等一批优秀的青年物理学家。[4]

4）出入图书馆[5]

物理学家们都经常出入图书馆，在浩瀚的知识海洋中博览群书。富兰克林天天都到费城公共图书馆研读。他在自传里说：“ 图书馆使我得以永恒地学

习和研究。”哥白尼在在克拉克夫大学和意大利波伦亚、帕多夏、法拉腊等大学求学期间向图书馆借

阅了大量数学、天文学书籍。回国后在弗隆堡教堂图书馆工作，边研读、边观察天象。牛顿在剑桥大学学习和工作期间，研读了大量学校图书馆提供的科学书籍。爱迪生常到底特律市公共图书馆和青年图书馆借书看。研制白炽灯时，参阅图书馆大

量资料，摘抄资料两百本。麦克斯韦在爱丁堡大学和剑桥大学学习期间向图书馆借阅了大量的数学、物理学专著,

为科研打下了坚实的基础。爱因斯坦从小喜欢课外阅读。在苏黎士工业大学向图书馆借阅了赫尔姆霍茨、赫兹、麦

克斯韦等物理学大师的著作。钱三强在北大理科班时“一下课就钻到图书馆”。跟随居里夫妇研究核物理时，常常

沉湎于实验室和图书馆。5）携手探索爱因斯坦年轻时，喜欢约一些志同道合的同事一起，一边喝咖啡，一边讨论问题。他

们从1902年3月开始聚会，一直持续到1905年11月。爱因斯坦早年的一些重要论文思想，几乎都在这个“科学院”讨论过[2]。约翰·巴丁是一个典型的合作型物理学家，两次获得诺贝尔奖，第一次是在贝尔实验室，

他与肖克莱、布拉顿共同发明晶体管而获奖。第二次在伊利诺斯大学，他和库珀、施里弗二人合作提出超导理论（即BCS理论）而获奖。

李政道和杨振宁也是合作型物理学家。1949年，二人与罗森布拉斯合作提出普适费米弱作用和中间玻色子的存在；1952年，二人提出统计物理中关于相变的杨振宁-李政道定理和李-杨单圆定理；1956年，二人解决了当时K介子不同衰变之谜，同年联名在美国权威杂志《物理评论》上发表了他们的理论探索成果。1957年，二人与奥赫梅提出电荷共轭不

守恒和时间不反演的可能性，同年提出二分量中微子理论。1959年，二人研究硬球玻色气体的分子运动理论及高能中微子的作用。1962年，二人深入研究带电矢量介子电磁相互作用的重要特性。[6]

3．对物理学家所受高等教育体制的分析一个人接受什么样的教育，决定这个人今后能够做什么，是否有较大的成功。一个学

生的成才与否最为基础的因素是其所接受的教育模式。1）激发兴趣兴趣在教育过程中是非常重要的，作为一种非智力因素，它能强化学习动力。兴趣也

是鼓舞学生真正跨进科学大门的第一步，只有兴趣才能使学生在科学道路上不畏艰难，百折不回。高等教育的最基本职责，就是要在知识和学生之间架起兴趣的桥梁。在科学研究过程中，只有对自己所从事的研究充满激情，甚至热爱到痴迷的程度，才能有杰出成就。诺贝尔科学家录取学生的标准基本都是看学生对科学是不是真有兴趣，是否有激情。爱因斯坦通过对传统的教育进行反思，结合自己亲身经历，提出了“兴趣和爱好是最好的老师”这一论断[2]。爱因斯坦认为，只有把科学当作自己的热爱，把科学的真善美当作自己的追求，把科

学内化成自己精神的一部分的时候，才有产生伟大科学思想的热情与灵感。以培养高科技人才著称于世的卢瑟福教授，十分重视培养学生的兴趣，放手让学生去

研究自己感兴趣的问题。[7]

美国教师特别注重学生学习的兴趣，教师首先想到的是如何使课堂生动活泼、富有吸引力，如何将科学知识一点一滴地融进日常生活，来激发学生学习物理的兴趣。美国的高等教育通过大学本科的教育，逐步使学生发现自己的兴趣爱好，然后再确定自己的专业[8]。2）培养科学思维方法联合国教科文组织“国际教育委员会”在《学会生存》报告中说：“科学技术的时代意

味着，知识在不断地变革，革新正在不断日新月异。因此，大学教育应该较少地致力于传递和储存知识，而应该更努力追求教会学生获得知识的方法，让学生学会如何学习。”这一概念支配着美国高等学校的教学内容的调整、教学方法的改革、教学设施的配备乃至整个教学管理体制的自我完善[8]。爱因斯坦认为，高等教育必须重视培养学生具备会思考、探索问题的本领。人们解决世

上的所有问题是用大脑的思维能力和智慧，而不是搬书本。a．直觉思维[9]

直觉思维是抽象思维或形象思维活动发展到一定阶段的一种激烈的跳跃和升华。爱因斯坦认为，没有合乎逻辑的方法能导致基本定律的发现，有的只是直觉的方法。 普朗克在其自传中指出，创造性科学家必须具备：“对新观点的一种活跃的直觉想象

力，这些新的观点不是演绎得出的，而是通过艺术家一般的创造性想象得出的。”美国著名的教育学家兰本达教授认为，理论物理学家经过各方面长期的实践检验，在

某一瞬间，茅塞顿开，所有疑点都有了归宿。无数事实证明，如果没有直觉思维，就没有假说和猜想，创造发明也就不复存在。在

物理教学过程中，教师要积极鼓励学生对问题进行大胆推测和猜想，培养他们良好的“直觉”习惯，同时教师也应带头示范动用直觉思维提出多种不带结论的设想，使学生受到熏陶，产生潜移默化的效果。从而达到培养创造性人格和习惯的目的。b．独立思考能力

学校培养学生的目标之一应当是培养具有独立行为和独立思考的人，这也是物理学家所具备的基本素质之一。爱因斯坦认为应当把发展独立思考和独立判断能力放在首位，而不应当把获得专业知

识放在首位。他指出：“使青年人发展批判的独立思考，对于有价值的教育也是生命枚关的。”[7]丁肇中要求老师要尽可能启发诱导学生去独立思考；要求学生不要被书本牵着鼻子走，

要独立思考，勤于动手。美国大学重视讨论、强调发现，注重培养学生的独立思考能力，给学生以独立学习的

机会。学生可以进行各种尝试，包括失败的尝试，以形成独立发现的能力[8]。在课堂教学中，改变以往灌输性的教育方式，进行启发式的提问和引导，随时诱导学生进行独立思考有意识的鼓励学生大胆提问、甚至挑战教授，同时鼓励学生大胆提出自己的设想和建议。c．创新思维

科学不仅是知识系统，更是发现知识的过程，需要的是创造性解决问题的方法和形成的探究精神。要做出一流的科学研究，就必须提倡原始创新。 爱因斯坦认为教师应在他本职工作上成为一名艺术家，启发学生的创造性思维能力。

而且他选拔助手的首要条件是具有创造性和敏锐的思维[2]。玻尔在教学中采用“不教之教”的方法。玻尔的“不教”是指对那些知识性的原理结

论等，是不需要教或是不需要以此为主进行教学的，教师只需要提出问题和引导学生如何思考问题即可。而他认为“需要教”的应是与创造性活动有关的能力和品格，是创造活动的一系列规范、标准、价值和态度，包括创造的意识和价值观、科学创造的方法原则等。[7]

美国高等学校教师在给学生布置作业时，会给学生设置具有探索价值的作业题目，并提出严格要求，将所完成作业的质量同该学科的考试成绩挂钩。学生需要出色地完成这些作业，就必须开动脑筋进行创造性研究，提出自己富有创新意识的见解。[8]通过合理的课堂教学和教学与科研相结合的方式，营造各种有利条件，开拓多种科研

渠道，提供展示与激发学生创造力的环境布置，提高学生的参与程度，以拓宽视野，了解所学学科的最新动态，激发研究生创造性想象和思维，使他们成为知识的探索者和创造者这种因材施教、鼓励创新的教育理念也体现了美国教育思想的先进性。

3）通识教育各种知识都是相互联系的，学习看似无关的知识，可以见多识广、启迪思想、加深理解。

物理学家因通识教育所获得的广博的知识是他们取得科研成功的重要因素。正所谓“读书破万卷，下笔如有神”。[3]通识教育并不是不要专业学习，而是要求在学习专业知识的同时，也应对其他知识包

括文科、理科、外语、哲学以及思维方法、信息素养等进行学习，即全面的综合素质提升。[3]通过对诺贝尔物理学获得者知识背景的考察分析，我们发现既具有广博知识而又掌握

了高深专业知识的物理学家，比那些只有单一专业知识和经验的人更容易产生新的思想和独创的见解。合理的知识结构、不同学科理论和方法的有机融合，是原始性创新的源泉。爱因斯坦认为如果我们对自己研究领域以外的知识与技术都不了解，那是很难有所创新的。欧美都十分重视通识教育，并且建立了一整套通识教育的目标，他们主要注重知识、

能力及做人基础。美国大学的通识教育有着上百年的历史，其实施通识教育，不仅强调课程知识层面，更加重视学生的基本能力培养和训练，如正确表达能力、写作能力、实践能力、全球文化的理解能力等。美国大学本科的通识教育源于美国文化的多元性和教育的多样性，其课程主要包括人文、社会、自然三个方面的内容，目的是向学生传授广博的知识。4）优秀人才教师

从这些著名物理学家的经历可看出一个人要向科学的高峰前进，大都有有利于自己发展的研究机构和优秀的导师。教师的教学、思维、研究方法以及科学态度和精神都会影响到学生，教师通过言传身教、以身作则、为人师表，为学生树立楷模，所以物理学家成长的一个重要的选择就是投奔名师门下。[4]

学生在学习生涯中，很容易效仿教师的行为，将教师作为自己的榜样。这就要求教师要有广博的知识、较高的治学水平和科研能力，能够把书本知识与科学前沿以及生活实际相融合，从科研创新的角度去启发学生，促使他们能够热爱和尊重科学，积极投身科学事业。爱因斯坦认为学校教育和社会应当大力培养和塑造这种人格典范，因为“只有伟大而纯洁的人物的榜样，才能引导我们具有高尚的思想和行为”[2]。

大学可以聘任知名物理学家来本校进行教学和科研，这样不仅对学校的教学科研有促进作用，也提高了学校的教学质量。同时对于已有的师资力量，要不断做好培训和提高工作。

美国高等学校的学术氛围普遍浓厚，学校会定期邀请国内外著名的专家学者举办各种学术讲座，相关专家与大学生进行定期座谈，使学生了解所学学科的最新动态。为了保证师资队伍的稳定，各高校采取了终生雇佣制度、人才流动制度和兼职教师制度，促进有能力的人从事教育事业。[8]5）重视图书馆建设

图书馆承担着保存人类文化遗产的职能，它收藏着大量的文献信息资源，积极开发、广泛利用这些文献资源是图书馆的重要职能之一。科学研究离不开知识，知识的主要载体

书刊资料和电子资源，又是被图书馆所搜集、整理、加工、保存和开发利用的，所以图书馆在科学研究中具有重要的作用。图书馆通过书刊流通、科技咨询和传递信息情报等活动，可以帮助物理学家掌握科技前沿及历史知识。

学生在科学研究、撰写论文过程中，不仅要广泛阅读相关书籍，还要在在文献检索时大量阅读，看第一手材料，通过自学来丰富自己。要自我获得这些知识，学生就离不开图书馆。英国科学家、科学学创始人之一贝尔纳 1948 年调查发现，科学家们使用的科学文献约有 80%是从图书馆得到的。他们在知识积累和科学发现、技术发明的过程中都得益于图书馆。钱三强指出:“图书情报是人类文化智慧的结晶，它既是过去经验的积累，又是未来发

展的向导。各行各业都离不开它。科学研究与图书情报的关系更为密切。可以说，古今中外一切有成就、有贡献的科学家，没有一个不是在广泛吸取前人、旁人的知识，并加以消化、利用和创新而达到的。”

美国是世界上图书馆事业最发达的国家之一。各大学都很重视图书馆，称之为“大学的心脏”，认为图书馆是教学和科研不可缺少的部分。并实行校长领导下的馆长负责制和集中管理的原则。有统一的经费和预算，并在校内设若干分馆，由总馆领导。6）重视科学实验

物理是一门实验科学，物理学本身就是在实验中长大的。凡物理学的概念、规律、公式等都是以客观实验为基础的。因此物理学不能脱离物理实验结果的验证，实验是物理学的基础。通过实验使学生运用所学的理论知识设计出相应的实验方案，提高学生的实际动手操作能力。如果只等到进入研究生阶段或者工作岗位上才真正开始动手实验，这将导致学生大多理论满腹，实际动手能力却很差。丁肇中在登上诺贝尔奖的领奖台的同时，仍不忘寄语中国国青年重视科学实验。

美国部分院校强调通过实验探究来学习物理知识，他们很注重学生的动手操作能力，美国的物理课一般是教室与实验室合二为一，教师做实验演示非常方便，为学生积极参加到学习过程中去，美国部分院校要求实验室 24小时向学生开放。在美国理工科大学里，实验学时数占的比重很大，一般为总学时的三分之一。[8]7）注重协作交流

物理学家们对问题的思考决不局限于个体思维，而是需要借助于“集体思想”。牛顿用他的成功诠释了“只有站在巨人的肩上，才可能成为巨人”的道理。被世界科学界称为诺贝尔奖摇篮的卡文迪什实验室和贝尔实验室也证明了团队的力量。卢瑟福说：“科学并不是依靠单独一个人的思想，而是取决于综合数以千计的人们的

智慧，所有的人想一个问题，并且每个人做它的一部分工作，都添加到正在建设的知识大厦中。”现代科学技术的迅猛发展，是科学家们相互启发、相互合作、集体研究的结果。单一贡献的人愈来愈少，往往代之而起的是更大更复杂的创新团队。应当加强对创新团队的支持，包括对创新团队的发掘、培育、组建、资助和激励等。[7]

美国大学注重培养学生的团队精神。老师并不鼓励单枪匹马的自我奋斗，常布置一些需要合作完成的小组作业。老师在评分时，除了要看作业本身质量，往往还要参考小组成员彼此间的评分。只有为小组作出贡献并与其他成员相处融洽的学生才可能得到高分。美国科学研究和论文发表都主要以团队为主，并经常举办定期的学术会议，进行团队内和团队之间（包括不同院校之间的团队）的学术交流，共同提升研究能力和研究成果的有效性，正所谓“你有一个思想、我有一个思想，交流后我们各有两个思想”。参考文献：[1]徐飞、卜晓勇：诺贝尔奖获得者与中国群体科学家比较研究，《自然辩证法通讯》 ，2006年第2期.[2]王荣德：爱因斯坦的高等教育观，《现代大学教育》，2005年第4期.[3] 朱建亮：科学家 · 通识教育 · 图书馆 ，《公共图书馆》，2009年第2期.[4]孙雪峰：科学家与科学家的成长环境——钱学森，《文化教育》，2008年第6期.[5] 何善祥：图书馆促进科技进步职能论，《图书馆界》，1994年第4期.[6]王学信：从“神童博士”到诺贝尔奖得主——记著名华裔物理学家李政道博士的人生求索，《海内与海外》，2007年第11期.[7]邬智、陈晓明、罗文标、王国荣：杰出科学家的科学人才教育观及其启示，《学位与研究生教育》，1997年第6期.[8]郭际、吴先华、陈斐， 美国高等教育对中国大学生能力培养的启示，《国土资源高等职业教育研究》，2008年第1期.[9] 王泽农：物理直觉思维能力的培养，《现代物理知识》，2008年第6期.

[作者简介] 赵雅洁（1979—），女，馆员，南开大学图书馆技术部，主要研究方向为信息处理与数字图书馆。穆祥望，（1965—），女，南开大学图书馆副馆长，研究馆员。本文系教育部2009年度研究项目“中美一流大学物理教育比较研究”阶段性成果之一。四、“中美理工科大学物理教育力学部分比较研究”项目立项通知

教育部高等学校物理基础课程教学指导分委员会批准高校教学研究项目立项的通知

南开大学：

根据教育部加强本科教学工作和加强教学指导委员会研究、咨询、指导、评估和服务等工作职责的精神，高等学校物理基础课程教学指导分委员会从2007 年开始在全国高校以点带面的方式分批立项开展教学研究。

经高等学校物理基础课程教学指导分委员会西南地区协作组初评，分委员会组织专家复评，高等学校物理基础课程教学指导分委员会批准您校 2010 年申请的教学研究项目立项：

项目名称：《中美理工科大学物理教育力学部分比较研究》

项目负责人：禹宣伊

项目批准号：WJZW-2010-11-hb

项目起止时间：2010 年 10 月—2012 年 7 月

请项目负责人填写教指委网站 http://jzw.culab.cn 发布的“高等学校教学研究项目研究计划书”，于 10 月 30日前上传到教指委网站，项目经费将在 11

月 30日前拨到您校帐户（批准自筹的项目不拨经费）。

教育部高等学校物理基础课程教学指导分委会2010 年 10 月 11 日

五、在“2010 年国外大学物理教学与教材研讨会”上的专题报告

教育部南开大学外国教材中心的建设与服务图书馆党总支书记、孔令国副教授

尊敬的各位专家、各位老师：大家上午好！按照会务处的安排，我用一点时间，把教育部南开大学外国教材中心建设与服务的

基本情况，向大家作简要介绍。在 1979 年 5 月前后，面对高考恢复后普通高等教育教材亟待建设和改革的社会现

状，教育部相继建立了九个针对高校理、工科基础课的外国教材中心。第一批九个中心分

别设在了复旦大学、南开大学等 8 所大学和高等教育出版社。目前，教育部有 13 个“理

科”外国教材中心，分别承担一种或几种学科专业的外国原版教材的比较全面、系统的引

进工作。

　　教育部南开大学外国教材中心是 1979 年全国成立的第一批九个中心之一，中心设

在南开大学图书馆，负责引进物理类外国教材，为全国高校物理学教材建设、教学改革和

学科发展服务。

252

30多年来，中心在教育部高教司、南开大学图书馆领导的支持下，全体人员共同努

力，在物理类外国教材的引进、积累、流通、使用、评介、研究等方面陆续开展了一些工作，

取得了一些工作成效。回顾中心 30多年来的工作历程，大致可分为三个时期：第一个时期是在 1979-

1984 年间，是初创与发展阶段，这期间，中心在外国教材的引进、积累、流通和使用等

方面，做了许多工作，对推动教材建设，提高教学质量，适应高校努力赶超世界先进水

平的需要，起了积极的作用。第二个时期，是在 1985-2005 年间，是完善与巩固阶段，

这期间，在全国物理学教学大发展的背景下，中心开展了丰富多彩的活动，出版研究文

集、印制评介刊物、编写教材目录，召开有 17 个单位、40多位代表参加的“全国高校物

理类外国教材研讨会”，就如何进一步开展外国教材的研究和借鉴工作，以及我国教材

建设的方向等问题进行交流、研讨，中心还出版了《物理类外国教材目录》。第三个时期，

是 2006 年以来，是研究与提高阶段。几年来，图书馆与物理学院等紧密联合，共同建设

教材中心；教师直接参与订购图书，图书馆推送有关教学信息，服务物理学科等。中心在

做好藏书服务的同时，开展现代化数字服务。本着运用网络技术、加强资源挖掘、构建信

息系统、提高服务质量的工作思路，搭建并完善了外国教材中心信息平台，建立了“教育

253

部南开大学外国教材中心”网页，开辟了“书目查询”、 “海外选书”、“读者推荐”、

“新书快报”、 “中外教学信息”、 “网络课件信息集锦”、 “网络书目信息”、“ 出版

信息”等特色栏目，搜集了 770种 2009 年以来海外新出版的物理学新书，搜集了国内

外 20多所著名大学物理教学的一些基本信息，比如国外大学的专业和课程设置、所用教

材和参考书，国内大学使用外文教材参考书情况，特别是其中的“新书导读”、“工作研

究”和“教材研究”栏目更具特色，对海外新出版的有代表性的新书和教材，在初步研

究后展示、推介给大家，对师生有针对性地阅读、使用有比较大的参考价值。我们在圆满完成日常工作的同时，还开展了教育部“外国教材研究项目”的立项与

研究工作，使外国教材专题研究工作上了一个新台阶。2006 年我们承担了教育部教材研

究项目“国外激光原理教材评介研究”，2008 年已经结项。2009 年，我们再一次承担

了教育部科研项目“中美一流大学物理教育比较研究”，课题经费 9 万元，目前正在研

究中，已取得了多项前期研究成果。作为本课题中的一项重要工作，我们在中国和美国分

别选择目前物理学排名处于前十位的大学（依据官方学科排名资料），对这些高校不同

学科的物理学教育情况进行对比研究。从教育理念、教学方法与手段、教材建设与使用等

方面搜集信息，并建立小型数据库，以便教学科研人员检索使用。

254

多年来，在图书价格大幅上涨、图书经费严重短缺的形势下，中心充分利用教育部的

专项拨款和南开大学的配套资金，积极引进在国际学术界享有较高权威性的物理类教材。

目前，中心共积累藏书近 1 万 7千册，其中英文图书 13400余册，俄文、日文、德文、法

文等小语种图书 3500余册，供校内外教师、学生开架，每年接待校内外师生 2000 人次

为教师编写物理同类教材、开展科学研究，为高校物理学科的建设与发展提供重要的学术

参考和资源保障。南开大学图书馆已经走过了九十多年的历程，教育部南开大学外国教材中心也度过

了它的而立之年。在中心的建设与发展中，我们得到了教育部相关机构领导、各学校的专

家、老师的有力指导、支持和帮助，在此表示忠心感谢。我们热忱欢迎各高校师生利用中

心的藏书，查阅中心的网页信息。我们诚挚欢迎各位专家莅临南开指导工作，对我们中心

的工作提出宝贵的意见和建议！ 谢谢大家！

2010 年 5 月 22日·北京

255

六、“中美一流大学物理教育比较研究”项目申请书及立项通知

编号国内外高等教育教材比较研究项目

申 请 书

项 目 名 称 中美一流大学物理教育比较研究

项 目 负 责 人 张 毅、宋 峰

负责人所在学校/单位 南开大学图书馆 / 南开大学物理科学学院

填 表 日 期 2009- 10 - 28

教育部高等教育司2009 年 9 月编制

256

一、基本情况

项目名称 中美一流大学物理教育比较研究

负 责 人姓 名

张毅 性别 男 民族 汉 出生日期1957 年 9 月 23

日宋峰 男 汉 1967 年 10 月 22日

行政职务 图书馆馆长 专业职务 教授、博士生导师、长江学者教授、博士生导师

最后学历 博士研究生 最后学位 博士博士后 博士

工作单位及所在教指委/

外国教材中心

南开大学图书馆/南开大学外国教材中心（物理类）

联系电话

022-23502410

南开大学物理科学学院/教育部高等学校物理基础课程教学指导分委员会

022-23503620

通讯地址 南开大学图书馆 邮政编码 300071南开大学物理科学学院

电子邮件 zhangyi@nankai.edu.cn

fsong@nankai.edu.cn

主

要

参

姓名 性别

出生年月 专业职务 研究专长 学历 学位

工作单位及所在教指委/

外国教材中心穆祥望 女 1965.11 副 研 究 馆

员 图书、信息 本科 学士 南开大学图书馆张立彬 男 1964.4 副教授 物理、信息 本科 学士 南 开 大 学 图 书 馆

257

加

者

外国教材中心季纳新 男 1968.10 副研究员 图书、情报 研究生 硕士 南 开 大 学 物 理 科

学学院禹宣伊 女 1975.2 副教授 物理学 博士

研究生 博士 南 开 大 学 物 理 科学学院

董 蓓 女 1970.2 馆员 数据整理与挖掘 本科 学士 南开大学图书馆

赵雅洁 女 1979.3 馆员 数据整理与挖掘 研究生 硕士 南开大学图书馆

韦 晨 女 1985.2 物理学 在读博士 学士 南 开 大 学 物 理 科

学学院于 音 女 1986.4 物理学 在读

硕士 学士 南 开 大 学 物 理 科学学院

二、项目设计论证1．选题：本项目述评；选题的意义。2．内容：本项目研究的基本思路、方法及基本内

容。3．预期价值：本项目实际应用价值。4．研究基础：已有相关成果。（请按上述4部分分段逐项填写，总字数限2500字内）。1．选题：本项目述评；选题的意义。

物理学是研究物质的基本结构、基本运动形式、相互作用的自然科学。其基本理论渗透到自然科学和技术的各个领域，是其他自然科学和工程技术的基础。大学物理类课程，是绝大多数高校理工科学生的必修课，不少高校尤其是美国高校，在所有专业包括文科类专业中都开设了物理课程。我们拟选择美国和中国物理学排名前十位的大学，对这些高校的物理学教育情况进行对比，从教育理念、教学方法与手段、教材建设与使用等方面找出具体的差距，提出切实可行的解决方案。 最近教育部实施的“拔尖人才”计划，旨在借鉴国际一流大学的创新教育理念和培养模式，

希望在部分拔尖学生中培养出更为优秀的人才。美国的一流大学，非常重视物理学教育，他们在物理教育上有丰富的经验和成效，值得我们学习。本课题的研究，对于提升中国一流大学的物理教育理念、学习借鉴先进的教学手段和方法、加强教材建设，进而培养学生分析问题解决问题的逻辑思维能力，打好学习基础、提高科学素养，具有积极意义。同时对国内大多数高校的物理教育具有辐射作用。2．内容：本项目研究的基本思路、方法及基本内容。

2.1 基本思路本课题拟在中国和美国分别选择目前物理学排名处于前十位的大学（依据官方学科排名资

料），对这些高校不同学科的物理学教育情况进行对比研究。从教育理念、教学方法与手段、教材建设与使用等方面找出具体的差距，提出切实可行的解决方法。

2.2 研究方法（1）对中美物理学排名在前十位的一流高校（各十所）的物理教育情况，利用网络搜索相关

信息。（2）通过我校在国外进修的教师、校友、海归人员或者来访的美国教师或学生等了解美国高校

物理学的一些教育现状。（3）对国内一流高校，可以通过参观访问、座谈，或者借助参加国内教学会议交流的机会向相关教师了解情况。

258

（4）在与外部交流的同时，以本校作为研究试点单位进行重点研究，通过教学小组集体备课等交流方式总结出各部分内容切实可行的较佳的教学方法。

（5）采取点面结合的研究方式，以本校（南开大学）的物理教学现状为例，就单个学校的物理教学特色进行研究，对同类学校的情况进行综合研究，包括纵向和横向比较研究。

（6）在国内物理学高等教育原有的基础上，用新的教育理念完善课程内容体系结构和教学内容组织方式。

2.3 研究内容 （1）首先对中美物理学排名处于前十位大学的教育的总体状况进行研究。（2）在总体状况研究的基础上，分别针对中美各个高校物理类专业、非物理类理工科及文科

教育状况进行深入细致的研究：1)了解中美各个高校，对各层次和各专业进行物理教学时，教学课时的总体状况，分别对

力、热、光、电磁和近代物理等各部分内容所占比例及课时分配情况进行归纳总结（例如：针对不同专业对象授课时侧重点是否有所不同），找出其共性及个性之处。

2)针对不同学科专业特点，分别对中美各个高校在力、热、光、电磁和近代物理等不同部分的教育过程中采用的特色教学手段和方法进行研究，针对不同的教学内容总结出恰当的教学手段和方法，从而使立体化教学方法贯穿于整个物理学教学之中，以获得最佳的教学效果。

3)归纳总结出中美各个高校不同学科专业主要选用的优秀教材，重点对比这几种教材的特点、优劣，为在全国开展的双语教学提供确实可利用的教材，以促进双语教学的推广和开展，针对不同讲授对象给出建议采用的教学辅助资料，尤其要解决好医学类及文科专业的教材选用及借助教学辅助资料获得良好教学效果的问题。了解中美各个高校课程考核手段和方法，研究其在提高学生学习的积极性，培养学生自主学习能力，提高创新意识等方面起到的作用。了解中美各个高校实验教学状况，例如经典实验设置情况，开发的新实验所占比例，实际教学效果，即是否能真正帮助学生理解掌握基本原理、概念等。了解中美各个高校资源共享状况，推动加强国内一流高校的引领作用，以提升国内物理学高等教育整体水平。

4)了解中美各个高校的教师队伍培养情况，生师比情况，教师在讲授过程中的引导作用，助教在教学过程中起到的作用，课堂互动情况，学生在教学过程中的参与形式（例如：做习题、参加课堂讨论、提交科学报告、搜集材料进行答辩等）和收到的效果等。

（3）在以上细化研究的基础上进行归纳总结，充分借鉴美国科学、先进的教育理念，提出我国物理学优秀教材建设的参考标准和可持续发展的模式，为外国物理学教材的引进、积累与利用提供参考，推进国内教学与国际教学的接轨，使研究成果对物理学高等教育水平的整体提升起到指导作用。3．预期价值：本项目实际应用价值。

（1）研究成果供全国有关院校参考，对物理学高等教育水平的整体提升具有开拓性的指导意义。

（2）可推进国内教学与国际教学的接轨，为开展双语教学提供实实在在的可利用教材，能极大地促进双语教学地推广和开展。

（3）明确中美一流大学物理教育的特点与差距，充分借鉴美国科学、先进的教育内容，促进国内、国外教师在物理学领域的互动与交流。

（4）明确我国物理学教材和辅助教学资源建设未来发展方向，提出我国物理学优秀教材建设的参考标准和可持续发展的模式，推动我国物理学教材的建设。

（5）明确先进教育思想和教学理念在教材中的体现方式和途径，体现计算机和网络技术在教材和配套辅助教学资源中的作用。

（6）可充实教育部外国教材中心信息平台和南开大学外国教材中心网页的内容，并为外国物理学教材的引进、积累与利用提供参考。

259

4．研究基础：已有相关成果。南开大学承担或完成的相关课题有：“国外激光原理教材研究评介” （教育部外国教材研究

项目）、“国外原子核物理教材的分类整理研究”、“物理类外国教材研究评价”、“外文原版教材的引进与利用研究”等。

南开大学外国教材中心工作人员已发表相关的研究论文有：“对外国教材引进工作的探讨”、“对开创外国教材中心工作新局面的探讨”、“ 国外激光原理经典教材评介与利用研究——以《Lasers》、《Laser Fundamentals》、《Principles of Lasers》评介为例”等。此外，本中心工作人员张立彬还撰写了关于“国外激光原理教材研究评介”课题成果的综

述、关于“改革开放 30 年来我国引进和利用外国教材的历史进程与理性思考”的工作报告等。

三、完成项目的条件和保证

260

1.教育部南开大学外国教材中心多年来负责物理类外国教材的引进、积累、评介研究和交流工作，不仅收藏了丰富的美国物理学原版教材，还有百余篇对美国原版教材的点评推介、评介研究资料以及 30多年来的交流工作经验。当前，教育部外国教材中心的工作重点，正由过去的引进、积累与利用的被动模式向着数字化信息服务的主动模式转变。教育部各中心正紧密围绕教材建设和学科发展需要，为全国高校的理工、农医、经管等各科各类专业提供外国教材信息、中外教学信息和中外教材最新出版信息，进一步向着深层次、人性化网络服务的方向发展。本中心目前已整理的与本课题相关的资料有：（1）世界 12 所名牌大学的教学信息数据库；（2）国内 10 所重点大学使用外国教材/教参信息数据库；（3）诺贝尔奖得主推荐的和本中心与海外学子网络互动推荐的物理学优秀教学书目信息数据库；（4）中外一流大学物理学网络课件数据库等。

2.南开大学物理学研究在国内高校中名列前茅，人才济济。物理科学学院现设有物理学系、光电信息科学系、生物物理科学与技术系、基础物理实验教学中心等，拥有一支事业心强、科学素质高、埋头苦干和富有创造力的师资队伍。物理科学学院是经国务院批准的具有博士学位授予权的一级学科单位和国家物理学人才培养与科学研究基地。物理科学学院物理学科为国家一级学科，其中光学为全国重点学科，凝聚态物理学、理论物理学为天津市重点学科，此外还有生物物理学、光子学与技术、材料物理与化学、测试计量仪器与技术等学科。

物理科学学院承担全校的公共课程《大学物理》和《大学物理实验》的教学工作，教学效果良好。《大学物理实验》课程被评为国家级示范精品课程，《力学》、《光学课程》被评为天津市精品示范课程。该院物理实验中心被评为国家级基础物理实验教学示范中心。

3.参加该课题研究的图书馆工作人员穆祥望、张立彬有一定的外国教材中心工作与管理经验，是多年来从事相关工作、管理与研究的业务骨干，均为副高职称，有一定的科研能力，适合本项目的研究。另外，还有两位年轻的技术骨干，主要承担数据挖掘与整合方面的工作等。

4.领导重视。学校支持外国教材中心的建设和发展，保障配套经费的到位；南开大学图书馆馆长张毅教授、博士生导师亲自主持本课题工作，既能为项目研究提供必需的人员、时间、设备等方面的保证，也能为该项目研究提供大量的基础数据资料。

5.项目负责人具有丰富的教学经验和创新的教育理念，在教学一线做出了突出的贡献。其中：课题负责人之一张毅教授，长期从事中国古代文学、中国文学批评史的教学和研究，曾多次获

南开大学优秀教学成果质量奖、天津市哲学社会科学优秀成果奖。2000 年入选国家教委“跨世纪优秀人才资助培养计划”，2001 年入选天津市“131 人才工程第一层次”，2002 年获第四届全国高校“青年教师奖”，2004、2006 年获南开大学“敬业”奖教金一等奖，2006 年获“宝钢”优秀教师奖，获国务院颁发的政府特殊津贴，入选国家教育部 2007 年度“长江学者奖励计划”特聘教授。2009 年被评为天津市优秀教师。他曾参与教育部面向 21世纪教材《中国文学史》（袁行霈主编，共四卷）的编撰，负责撰写第二卷隋唐部分的内容。该书获中国国家图书奖，目前累计印数近80 万册，社会影响很大。他的《宋代文学思想史》出版后多次重印，并入选教育部推荐的“研究生教学用书”。课题负责人之一宋峰教授为教育部首批新世纪优秀人才支持计划入选者，负责过近二十项科研

课题，是教育部高等学校物理基础课程教学指导分委员会委员，并参与负责该教指委有关大学物理教学基金课题的评审与管理工作，《大学物理》副主编，南开大学教学名师，负责南开大学示范精品课程《大学物理》的教学工作，具有多年的大学物理教学经验，其教学效果深受学生的好评。2003年立项的国家级教改项目《21世纪中国高等学校农林/医药类专业数理化基础课程的创新与实践课题—医药类物理子课题》，南开大学为主持单位之一，为南开大学负责人。还负责过多个南开大学教学项目。宋教授在美国留学两年，并先后在莫斯科大学、香港城市大学做访问教授，对国外大学的物理教学具有一定的了解。

四、预期研究成果

261

序号 起止时间 成 果 名 称 成果形式 负责人

1 2010.1—4 中美一流高校物理学教学信息 数据库张立彬张 毅穆祥望

2 2010.1—3 美国一流高校教育现状分析 综述报告 张 毅3 2010.1—3 国内知名高校物理学教学状况调查 调研报告 穆祥望4 2010.5—8 中美物理学高等教育理念比较研究 论文 宋 峰5 2010.1—6 美国物理学经典教材评介研究 论文 禹宣伊6 2010.7—11 中美物理学高等教育方法之比较 分析报告 禹宣伊7 2010.9—12 中美一流大学物理教育状况研究 电子资源 季纳新五、经费预算序号

经 费 开 支 科 目 经 费 预 算 金 额 （ 元 ）

1 科研业务费 交通费、水电费、邮寄费等。 20000

2 图书资料费用 于购买国 内 外相关图 书 ，约 60

本，每本约 100 美元（国内的相对便宜）。

40000

3 调研费 国 内 出差调 研 10 人次，每人次3000 元。 30000

262

4上机费 与 网络使用费

数据库编制、互联网络使用等费用。 4000

5成果打印及 发 表费

发表论文 5篇以上，每篇论文版面费约 800 元。 4000

6 其他 2000

7 合计 100000

263

六、单位审核意见

申请书所填写的内容是否属实；该项目负责人和参加者的政治业务素质是否适合承担本项目的研究工作；本单位能否提供完成本项目所需的时间和条件。

1、本项目申请书所填内容属实。2、南开大学外国教材中心 20多年来一直承担物理类外国教材的引进、评介研究和交

流工作，该项目是对深入开展外国教材中心工作的探索和创新，项目参加人员都是多年来从事相关工作的业务骨干，适合本项目的研究。

3、南开大学图书馆能够为该项目的开展提供所需的条件和时间。4、南开大学图书馆负责对该项目的财务收支情况进行认真地管理与监督，以保证经费

的合理使用和该项目的顺利完成。

所在高等学校/单位公章 负责人签名：

年 月 日

264

外国教材中心公章 负责人签名：

年 月 日

265

教学指导委员会公章负责人签名：

年 月 日

关于“国内外高等教育教材比较研究”项目立项的通知

教高司函[2009]220 号

有关高等学校，有关科类教学指导委员会：为进一步吸收、借鉴国外优秀教材的优势，深化国内教材改革，提

高教材建设的水平，教育部高等学校有关科类教学指导委员会和各外国教材中心根据我司《关于开展“国内外高等教育教材比较研究”项目申报工作的通知》（教高司函[2009]159 号）精神，积极开展“国内外高等教育教材比较研究”项目申报工作。经对申报项目评审，现确定“国内外生命科学类优秀教材的比较研究”等 16 个项目立项建设，并给予经费资助。

“国内外高等教育教材比较研究”立项项目要求 2010 年 12 月完成，资助经费分两批下达。第一批经费将立即拨至设在有关高等学校的我部外国教材中心。在项目研究过程中，项目主持人须配合我司对项目研究进行中期检查，中期检查通过后，拨付第二批经费；若中期检查复检仍未通过，则终止拨付经费。

请有关高校、有关科类教学指导委员会对立项项目组的研究工作予以支持，保证项目组在预定的时间内完成预期的研究任务。

266

附件：“国内外高等教育教材比较研究”立项项目及经费一览表

教育部高等教育司 二○○九年十二月七日

抄送：中国教育图书进出口公司

267

“国内外高等教育教材比较研究”立项项目及经费一览表

序号 项目名称 项目主

持人主持人所

在单位 相关教指委 相关外国教材中心

项目总经

费（万元）

第一批经

费（万元）

1

国内外生命科学类优秀教材的比较研究

陈向东 武汉大学 生物科学与工程教指委 武汉大学 9 5

2中美一流大学物理教育比较研究

张毅、宋峰 南开大学

物理基础课程教学指导分委员会

南开大学 9 5

3

工商管理类专业国内外高等教育教材比较研究

席酉民 西安交通大学

工商管理类学科专业教指委 清华大学 8 4

4国内外药学专业教材比较研究 姚文兵 中国药科

大学 药学类教指委 北京大学医学部 8 4

5

建筑学科国内外高等教育教材比较研究

仲德崑 东南大学 建筑学学科专业教指委 东南大学 8 4

268

6国内外环境工程专业教材研究与比较 胡洪营 清华大学 环境科学与工

程教指委 清华大学 7 4

7

农学动物科学专业国内外相关教材比较研究

潘薇 中国农业大学

动物生产类教指委

中国农业大学 7 4

8

化工类核心课程国内外高等教育教材比较研究

钟理 华南理工大学

化学工程与工艺专业教学指导分委员会

华南理工大学 7 4

9

国内外病理生理学高等教育教材比较研究

吴立玲 北京大学医学部

基础医学专业与课程教指委

北京大学医学部 7 4

10

国内外高校电类基础课程教材比较研究

陈斌 西安交通大学

电子信息与电气学科教指委

西安交通大学 7 4

11

国内外大气物理与大气环境教材评价与比较研究

王体健、史梅 南京大学

大气科学类专业教学指导分委员会

南京大学 6 3

12地质学专业基础教材国内外对比研究 华洪 西北大学 地球科学教指

委 南京大学 6 3

13 研究比较国内外优秀有机化学及无机化学教材，提高有

林英杰、李书源

吉林大学 化学基础课程教学指导分委员会

吉林大学 6 3

269

机化学及无机化学教材质量

14

国内外高校数学基础课程与教材（经济管理类）比较研究

葛剑雄 复旦大学 数学与统计学教指委 复旦大学 6 3

15

国外大学机械工程系课程与教材比较研究

彭晓东 重庆大学

材料成型及控制工程专业教学指导分委员会

重庆大学 6 3

16

国外基础力学课程教材分析与研究 叶志明 上海大学 力学教指委 高等教育

出版社 6 3

270