大學物理課程和中學物理課程近代物理部分的銜接研究＊

鄭海務 康 緲 任鳳竹 尹國盛

（河南大學物理與電子學院，河南 開封 475004）

大學物理課程和中學物理課程近代物理部分的銜接研究＊

鄭海務 康 緲 任鳳竹 尹國盛

（河南大學物理與電子學院，河南 開封 475004）

21世紀，我國高等教育呈現大眾化，人才競爭也日益激烈.在新的時期，大學物理課程與中學物理課程銜接問題的研究與探索，成為全面提高大學理工科人才培養質量的重要課題之一.本文緊扣教育部《理工科類大學物理課程教學基本要求》和《高中物理課程標準》，結合高中和大學培養目標和教學方式的不同特點，就大學物理課程中的近代物理部分與中學物理課程脫節的表現進行了分析，提出了加強教學銜接的對策，希望為順利實現從中學向大學的過渡提供參考.

大學物理；中學物理；近代物理；教學改革；銜接

物理學是研究物質的基本結構、基本運動形式、相互作用及其轉化規律的自然科學.它的基本理論滲透在自然科學的各個領域，應用于生產技術的許多部門，是其他自然科學和工程技術的基礎.D.F.Holeomb等人在研究論文《基礎物理學的新模式》中指出：基礎物理學教程改革方案要明確地反映近代的內容和物理學科的特點，還應該考慮是否影響中學物理教程的問題，以便能有效地使中學和大學物理相結合.

大學教育與中學教育的對象分屬不同成長階段的青少年，不但培養目標不盡相同，而且教與學的內容和方式也有較大區別.新入校的大學生們仍然在很大程度上保留著中學時代的習慣和意識，從而在學習上造成許多缺憾.中學物理課程與大學物理課程在教材上有著一定程度的重復，更有著深度、廣度與難度的提高和拓展.但由于中學與大學在培養目標、教學方法和考核方式等方面的不同，不可避免地決定了大學物理與中學物理存在著內容和環節上的脫節.因此，找到大學物理教材和中學物理教材的內容上的銜接點，抓住銜接點從教學方法和考核方式等方面順利實現從中學向大學的過渡，不僅可以提高大學物理的教學質量，增強學生學習大學物理的興趣，而且還有助于大學后繼課程的教學，有利于學生綜合素質的提高.為此，本文以2007年4月第2版的人民教育出版社出版的《物理》［1，2］（普通高中課程標準實驗教科書，以下簡稱高中物理教材）和2010年8月第1版的機械工業出版社出版的《大學物理》［3，4］教材（以下簡稱大學物理教材）為例，對中學物理教材與大學物理教材中的近代物理部分內容（狹義相對論、量子物理）之間的銜接知識點進行了探討和分析.

教育部2011年頒發的《理工科類大學物理課程教學基本要求（2010版）》［5］（以下簡稱《要求》）中有狹義相對論力學基礎和量子物理基礎.高中物理課程標準［6］（以下簡稱《新課標》）中與此相關的內容有選修3－4（四）相對論，選修3－5（二）原子結構、（三）原子核、（四）波粒二象性.高中物理教材與近代物理相關的內容主要體現在選修3－4和3－5，而大學物理教材與近代物理相關的內容主要體現在第8章、第21、22、23、24和第25章.下面，我們具體比較《新課標》和《要求》以及高中物理教材和大學物理教材的共同之處和差異，在此基礎上分析和探討加強中學物理課程和大學物理課程中近代物理部分銜接的措施.

1 狹義相對論力學基礎

20世紀初建立起來的相對論是近代物理學的偉大成就之一.該理論主要是關于時空的理論，它使人們對時間、空間的認識有了巨大的飛躍，樹立了新的相對論時空觀.相對論分為狹義相對論和廣義相對論，通常把限于慣性參考系的理論稱為狹義相對論.

1.1 《新課標》和《要求》的異同點

在狹義相對論力學基礎這部分，《新課標》和《要求》的共同點是：都要求知道狹義相對論的實驗基礎、基本原理、時空觀和質能關系式.這些共同點在《新課標》中都是選修內容，了解就足夠了；在《要求》中除實驗基礎為擴展內容外，都是核心內容.《新課標》和《要求》的不同點是：《新課標》中要求知道相對論速度疊加規律，而《要求》中有洛倫茲坐標變換和速度變換，明顯有了深度與廣度的提高和拓展；《要求》中的知識點“能量和動量的關系”和“電磁場的相對性”在《新課標》中沒有；《新課標》中的知識點“關注宇宙學研究的新進展”在《要求》中未見提及.

1.2 高中物理教材和大學物理教材的異同點

高中物理教材選修3－4中的第十五章（相對論）的開頭指出牛頓物理學在人類活動的“正常”范圍內是非常準確的，所謂正常“范圍”指的是：速度遠小于光速，尺寸遠大于分子但又不比銀河系大很多倍，引力也不比地球引力大很多倍.超出此范圍，牛頓物理學的結論就與觀測結果不一致了，為解決這些問題，愛因斯坦等人提出了相對論.該章的前三節分別講述相對論的誕生、時間和空間的相對性以及狹義相對論的一些結論，涉及的知識點有狹義相對論的實驗基礎，基本原理，同時的相對性、長度的相對性、時間間隔的相對性以及速度疊加原理和質能關系.而大學物理教材第8章（狹義相對論力學基礎）的引言部分主要描述相對論的建立時間、涉及物理學的領域、相對論的作用，接下來分為六節介紹本章的內容，分別是：邁克耳孫－莫雷實驗、狹義相對論的基本原理、洛倫茲變換、狹義相對論的時空觀、狹義相對論的動力學基礎以及動量和能量的關系.《要求》中的知識點除了“電磁場的相對性”沒有在大學物理教材中體現外，其他的知識點都在大學物理教材中有明確的體現.而《新課標》中的知識點除了“關注宇宙學研究的新進展”沒有在高中物理教材中顯示外，其他的知識點也都在高中物理教材中有明確的體現.

從以上分析可以看出，大學物理教材與高中物理教材存在一定程度的重復，如都涉及狹義相對論的基本原理，同時的相對性、長度的相對性、時間間隔的相對性以及質能關系.但是更主要的是兩者之間的差異：如在引言部分，高中物理教材與大學物理教材有所不同；對于狹義相對論的實驗基礎，高中物理對邁克耳孫－莫雷實驗講解得比較籠統、簡單，而大學物理教材則講解得細致，這也符合不同培養階段的特點和要求；大學物理教材中有洛倫茲變換以及能量和動量的關系，高中物理教材中則只有速度疊加規律.

1.3 銜接措施

我們認為高中物理教材的引言更容易讓學生接受，為做好銜接，在講授大學物理課程中狹義相對論力學基礎時，不妨先講授高中物理相對論一章的引言，接著再講授大學物理中該章的引言，讓學生既容易理解接受，又能提綱挈領地把握內容，從時空觀發展的角度引導學生實現從經典力學到相對論的順利、平穩過渡.此外，在講授兩者之間重復的知識點內容時，簡單復習高中階段的知識要點，更重要的是按照大學物理的要求，強調基本概念和邏輯推理，盡量讓學生既要知其然還要知其所以然，通過與絕對時空觀的比較，幫助學生了解并建立狹義相對論的時空觀，即在高速世界里，時間和空間不再是絕對的，是與物質的運動相聯系的，具有同時的相對性、運動的時鐘變慢、長度收縮等效應.同時也要讓他們明白相對論并沒有全盤否定經典物理學，經典物理學作為相對論在低速運動時的特例，在其適用范圍內還將繼續發揮作用.在講授大學“能量和動量的關系”時，強調這是大學有而高中沒有的內容，增強學生的新鮮感和學習動力.此外，為激發學生學習興趣和理論聯系實際的能力，以“相對論的建立對人類世界的影響”為主題，讓學生查閱圖書資料以及網絡上的相關知識，寫出調研報告，加深對狹義相對論的理解.讓學生明白他們學習的知識不是純粹的理論，不是枯燥乏味的，而是可以應用到實際生活、生產中［7］.

2 量子物理基礎

大學物理教材的第21章（物質的本性）和第22章（量子物理基礎）都是關于量子物理的，而與此相關的內容出現在高中物理教材的選修3－5中的第十七章（波粒二象性）和第十八章（原子結構）中.

2.1 《新課標》和《要求》的異同點

從《要求》和《新課標》的對比來看，高中物理和大學物理只有少量的重復：如光電效應、康普頓效應和不確定關系，而且這些重復的內容在不同階段的要求也不一樣，高中物理中只是了解，而大學物理中卻是核心內容；《要求》中有薛定諤方程、一維無限深勢阱、一維諧振子、一維勢壘、電子自旋、泡利原理、交換對稱性和激光等，這些內容在《新課標》中沒有提及；《新課標》中的“通過對氫原子光譜的分析，了解原子的能級結構”，在《要求》中沒有提及.

2.2 高中物理教材和大學物理教材的異同點

從教材的編寫來看，高中物理教材選修3－5中的第十七章從電子是否具有波動性來引出本章的內容，接著從黑體與黑體輻射來引導出第1節的內容——由普朗克提出來的能量量子化.第2、3、4和5節的內容分別是：光的粒子性、粒子的波動性、概率波和不確定性關系.光的粒子性主要是通過光電效應實驗得出來的，然后用愛因斯坦光量子理論對光電效應進行理論解釋，使學生認識光的量子性和光子的概念.康普頓效應及其理論解釋，加深了學生對光的粒子性本質的認識，進而提出光的波粒二象性.玻恩指出光波是一種概率波，加深了學生對光的波粒二象性的感性認識.由光的波粒二象性推廣到諸如電子、質子等實物粒子的波粒二象性，引出德布羅意關于物質波的理論解釋和實驗探索，證明微觀粒子的確具有波動性.光的單縫衍射實驗說明微觀粒子位置的不確定量和動量的不確定量，從而引出了不確定性關系.高中物理教材選修3－5中的第十八章從夜晚城市璀璨的燈光多是來源于通電后的氣體著手，指出為了解其中的奧秘，需要從原子的結構入手.該章內容分為四節，分別是第1節電子的發現、第2節原子的核式結構模型、第3節氫原子光譜和第4節玻爾的原子模型.教材從物質結構的探索著手，以人類探索原子結構的歷史為線索，介紹了有關的經典實驗（電子的發現、α粒子散射實驗）和原子結構模型（湯姆孫原子模型、盧瑟福原子模型和玻爾原子模型）的演變.通過了解氫原子的能級結構，建立了基態、激發態等概念，對氫原子光譜的解釋，引出作為一種半經典的量子論的玻爾理論的正確性與局限性.

大學物理教材第21章——物質的本性分為6節，分別是熱輻射與黑體、黑體的經典輻射定律、普朗克的能量子假說和黑體輻射公式、光電效應、康普頓散射和物質的本性.對比大學物理教材和中學物理教材，可以看出黑體與黑體輻射在高中物理教材中講述得比較少，其目的是為了引出能量量子化的概念.而在大學物理教材中有詳細的講解，不但有黑體的定義，還有黑體的經典輻射定律和黑體輻射公式.對于光電效應，高中物理教材和大學物理教材幾乎一致；對于康普頓散射，大學物理教材和高中物理教材僅在描述現象方面有部分重復，大學物理增加了高中教材沒有的對康普頓散射的理論解釋以及光電效應與康普頓散射的關系對比.在物質的本性這節，大學物理與高中物理中的粒子的波動性幾乎一致.大學物理教材第22章——量子物理基礎分為5節，分別是玻爾的氫原子理論（第1節）、原子中的電子（第2節）、激光（第3節）、薛定諤方程（第4節）以及薛定諤方程的應用舉例（第5節），其中第1節至第3節是擴展內容，“要求”中量子物理基礎的14個知識點內容均出現在大學物理教材中.對比大學物理教材和中學物理教材，我們發現除了第1節與高中物理教材重復以外，其他4節的內容與高中物理沒有任何重復，對于大學生來說是全新的內容.此外，在《要求》中，“電子掃描隧道顯微鏡”是核心內容，在大學物理教材中介紹的卻比較少，可以讓學生進行研究性學習，寫出調研報告，以加深他們的印象；關于電子自旋的施特恩－蓋拉赫實驗這一知識點，在《要求》中是核心內容，而大學物理教材中包含此內容的第2節卻是擴展內容，說明教材編寫還有不妥之處，需要加以完善.

2.3 銜接措施

基于高中物理教材和大學物理教材的特點，為做好量子物理基礎部分高中課程和大學課程的銜接，我們給出的建議如下：（1）在講授大學課程和高中課程重復的內容時，可適當簡化，避免不必要的重復，著重突出講授光的波粒二象性的物理思想，著重強調同一知識點在大學的數理知識支撐下，對基本概念更加科學的表述和由定性討論到定量描述.（2）在講解光電效應的時候，可由光照射到金屬表面后光電子逸出金屬表面的外光電效應拓展到光照射到半導體材料表面形成的內光電效應，現在廣泛應用的太陽電池和各種光電探測器都是在內光電效應的基礎上研制、開發出來的，可以讓學生調研太陽電池的基本原理、基本結構.（3）在講授高中課程沒有而在大學課程中出現的內容時，重點介紹量子力學的基本原理，幫助學生建立物質波粒二象性和量子化的概念，這是從經典物理到量子物理過渡的重要階梯.要讓學生明白這些不重復的知識點是在高中相關知識點基礎上拓展、延伸得來的，掌握這些新的、不重復的知識點有利于他們對量子物理做更加深入的了解.（4）讓學生明白微觀物質和宏觀物體所遵從的物理規律根本不同的原因在于微觀物質具有波粒二象性，幫助學生理解微觀物質的描述方式和波函數的統計意義，并通過一維無限深勢阱的量子力學描述以及與經典駐波的比照，幫助他們理解并掌握薛定諤方程和波函數.通過幾個重要實驗和模型，描繪出量子力學這一新理論創立和發展過程的藍圖.通過人們對物質世界認識不斷深化的過程，啟迪學生的創新思維和探究精神.（5）穿插一些科學史，讓學生明白，在波粒二象性和不確定關系的基礎上建立起來的量子力學被認為是一件科學的藝術品，它的應用遍及現代社會的每個角落.從電子表到核電站，無不留下量子的足跡.量子力學引領我們邁入了現代社會，讓我們享受到豐富多彩的現代生活.科學史可以激發學生的學習熱情，從枯燥的公式中解脫出來.［8］

3 結束語

通過高中物理課程和大學物理課程在“狹義相對論力學基礎”和“量子物理基礎”內容上的對比，我們發現高中物理對這些知識只是作了初步的介紹，使學生對此有個感性的認識，而大學物理是在高中物理已有知識基礎上的提高和擴展.然后，通過比較《要求》和《新課標》的共同點和不同點以及大學物理教材和高中物理教材的異同點，發現加強二者之間的銜接是很有必要的.我們尋找和探索了一些加強和改進高中課程和大學課程銜接的措施，希望為實現從中學向大學的順利過渡提供參考.在大學物理教學中，正確把握大學物理教學內容的深度和廣度、避免內容的過度重復和過大的知識梯度，做好銜接點的教學改革，不僅可以讓學生樂意接受新知識，還能激發學生學習大學物理的興趣，有利于他們綜合素質的提高.

［1］ 張大昌，彭前程，張維善.物理 （普通高中課程實驗教科書第2版，選修3－4）［M］.北京：人民教育出版社，2007

［2］ 張大昌，彭前程，張維善.物理 （普通高中課程實驗教科書第2版，選修3－5）［M］.北京：人民教育出版社，2007

［3］ 尹國盛，楊毅.大學物理（上冊）［M］.北京：機械工業出版社，2010

［4］ 尹國盛，彭成曉.大學物理（下冊）［M］.北京：機械工業出版社，2010

［5］ 教育部高等學校物理學與天文學教學指導委員會物理課程教學指導分委員會.理工科類大學物理課程教學基本要求（2010年版）［M］.北京：高等教育出版社，2011

［6］ 中華人民共和國教育部.全日制普通高中物理課程標準［M］.北京：人民教育出版社，2004

［7］ 楊秀德，吳波.中學與大學物理“熱學”內容銜接知識點研究［J］.遵義師范學院學報，2009，11（6）：116～118

［8］ 劉成林.大學物理課程教學改革的探索［J］.林區教學，2009，（3）：7～9

2011－01－14；

2011－04－16）

教育部高等學校物理基礎課程教學指導分委員會2010年教改項目（WJZW－2010－43－zn）、河南大學教學改革項目資助（編號：2011－3－66，2011－3－68）.

鄭海務（1976年出生），男，漢族，安徽廬江人，博士，副教授，在教學方面主要從事大學物理的教學研究工作.