中外大學物理優秀教材輔學內容比較研究

張琦瑋 王 碩

(高等教育出版社 北京 100029)

1 引言

大學物理是面向低年級大學生的公共基礎課，教材作為學科知識的載體，起著至關重要的作用．優秀的教材不僅為學生提供知識與信息，同時也為學生打開一扇通往物理世界的大門，讓學生掌握探尋科學世界的方法，提高學生的科學素養．為助力教學，教材的編寫既要合理地安排知識內容，更應該適應低年級大學生的特點，具有較好的可讀性和實用性．

我們之前針對國內外優秀的大學物理教材的內容進行了對比分析，在分析過程中，我們發現，國內外教材在插圖、習題、配套資源等方面也存在較大的差異，因此我們又再次分析了這些輔學內容的情況，形成了本篇論文，希望能對以后的教材編寫提供一定參考．

2 教材插圖比較

插圖是大學物理教材的重要組成部分，能夠體現作者的教學理念和目標．國內外的大學物理教材在插圖的配置上存在諸多差異．

2.1 插圖數量

國內教材圖片數量比國外教材少．以馬文蔚版教材和哈里德版教材力學部分為例，分析國內外教材插圖數量差異，詳見表1．

表1 插圖數量比較 單位：幅

馬文蔚版教材共計935幅圖片，頁均1.2幅圖；哈里德版教材共計2 201幅圖片，頁均1.8幅圖，圖片密度比馬文蔚版教材高50%，更加圖文并茂．

2.2 插圖風格

國內教材示意圖、坐標圖多，簡潔嚴謹；國外教材實物圖較多，更生動活潑．

(1)從總體上來看，國內教材風格比較樸實嚴謹，使用的插圖大多是線條簡潔的示意圖，生動形象、與實際聯系密切的實物圖比較少，感官上的親和力不夠．國外教材中插圖的使用率比國內教材高得多．國外教材運用大量的形象、直觀和生動的彩色插圖對物理概念、物理原理進行闡述．這些實物圖能給學生以生動活潑的感官刺激，增強教材的親和力，讓學生樂于去探索物理學的奇妙世界，還能加深學生對物理概念、物理規律的理解．通過實例的介紹、圖片的運用，學生能感受到物理學與自然、生活和現代科技的密切聯系．實物實景的彩圖，從日常生活到現代高科技術，從實驗技術到自然現象，從微觀基本粒子到浩瀚的宇宙星際，圖片內容極其豐富多彩．哈里德版教材和西爾斯版教材中每一章的第1頁都有一幅與日常生活或者與技術應用密切相關的彩色圖片，由該圖片引出本章的主要知識．此外，西爾斯版教材在例題解答過程中大量使用手繪示意圖，用最直接的方式指導學生畫圖方法．

(2)馬文蔚版教材、張三慧版教材均采用雙色印刷，突出圖片中的重點圖線和重點元素；國外教材四色印刷，圖中各元素區別更明顯．圖1和圖2為馬文蔚教材和哈里德教材中的RL電路圖，由圖可知，四色印刷更為美觀，但其實雙色圖片已經能準確傳達圖片的意義，鑒于四色印刷將大幅提高成本，對此國內教材不宜盲目照搬．

圖1 馬文蔚版教材中的RL電路圖

圖2 哈里德版教材中的RL電路圖

(3)西爾斯版教材中，部分例題使用了示意圖，并經常使用鉛筆草圖，以向學生展示正確的畫圖方法，如圖3所示．

圖3 西爾斯版教材例題中頻繁出現的鉛筆草圖

3 題目配置比較

教材中題目的設置可以提高學生分析問題、解決問題的能力．國內外教材章后均有一定數量的思考題與習題．其中，思考題用于檢查學生對于基本知識和概念的掌握情況，旨在找出并糾正學生的迷思概念，題型為簡答題及問答題；習題用于檢查學生對各個知識點的掌握情況，包括選擇題、證明題、計算題等．下面從題目數量、習題類型、題目難度、題目表述等方面展開分析．

3.1 題目數量

所選教材各部分思考題及習題數目見表2．

表2 所選教材各部分思考題及習題數目

由表2可得出以下結論：

(1)在思考題數量上

馬文蔚版教材、張三慧版教材、哈里德版教材差異不顯著，西爾斯版教材的思考題明顯多于其他3套教材．

(2)在習題數量上

國外教材習題數量遠大于國內教材習題數量．國外教材除了章后習題數量遠多于國內教材外，這兩套教材還都設有網站，通過網絡為學生提供更多的在線自測題目，以幫助學生的學習和教師的教學．國外教材習題數量充沛的原因有以下兩點：

1)在美國高中教學計劃中，物理不是必修課程，因此美國大學生的物理起點平均而言較中國大學生低．所以美國教材中習題數量的絕對優勢一定程度上是由于需補充我國高中物理教材中的講授內容．

2)國內外作者的教學以及習題設置理念不同．

3.2 習題類型

因學生學習知識的普遍規律是由易到難，由簡到繁，兩套國外教材在配置習題時充分考慮了大部分學生的特點，將習題分為兩類． 一類為專題練習題，另一類為綜合練習題．如圖4和圖5所示為西爾斯版教材中專題練習題與綜合練習題示例.國內教材無劃分．

圖4 西爾斯版教材中的專題練習題

圖5 西爾斯版教材中的綜合練習題

專題練習題針對單一專題訓練，前面標明所對應的練習內容或教材相應內容的小節序號，明確地指示學生解題要用到的公式和定理定律． 這類題目大多數針對單一概念和簡單物理過程而編制，旨在為重要的基本概念定律的初步理解和應用提供練習和檢測．以西爾斯版教材為例，教材中剛體運動一章設置有角速度和角加速度、線量與角量間的關系、恒定角加速度轉動、轉動中的能量、平行軸定理、轉動慣量計算等6個專題練習，題目數量分別為8、9、12、20、5、3．

綜合練習題涉及的物理過程相對復雜，所用的物理知識點較多，學生需通過分析物理過程，選擇適用的物理規律并利用一些解題技巧來完成題目的解答． 依然以西爾斯版教材為例，教材中剛體運動一章設置有38道綜合練習題．其中一道題譯文如下：

本道題目與生物醫學相關，創造了一個交叉情境，涉及多個知識點和物理過程，可以培養學生綜合利用物理知識解決問題的能力．

3.3 題目難度

國內教材：習題難度分兩個級別，在馬文蔚版教材和張三慧版教材中，均以“*”表示拓展題目，不帶標記的為普通題目，如圖6所示．與普通題目相比，拓展題目綜合性更強，情境更新穎，對數學基礎要求更高．馬文蔚版教材和張三慧版教材中習題均以普通題目為主，拓展題目較少．

(a)馬文蔚版 (b)張三慧版

國外教材：習題難度通常分3個級別．在哈里德版教材和西爾斯版教材中，均以“·”表示單一概念、單一步驟的容易題，以“··”表示需要利用多個概念的中等難度題目，以“···”表示為優秀學生準備的具有挑戰性的難題，如圖7所示．各級難度試題分布合理，旨在為學生搭建促進概念理解的階梯，逐步提高學生的概念理解水平．除此之外，在西爾斯版教材中還設有挑戰題，此部分試題是每章中最難的問題，通常涉及微積分或復雜的全新情境，學生需要合力構建模型、綜合運用相關知識才能求解．

圖7 國外教材習題難度

下面以振動相關章節為例，分析國內外教材章內習題難度分布的差異，詳見表3．

表3 國內外教材章內習題難度分布

如表3所示，馬文蔚版教材的振動相關章節(第九章)中，全章書后習題共計43道，其中拓展試題共計5道，普通題目占比88.4%，拓展題目占比11.6%；張三慧版教材振動一章中，全章書后習題共計27道，其中拓展題目共計9道，普通題目占比66.7%，拓展題目占比33.3%．哈里德版教材中，專題練習難度分級，綜合練習難度無分級，各專題練習內部題目按照試題難度遞增排列，專題練習中，低、中、高難度試題數目占比分別為52.4%、38.1%、9.5%．西爾斯版教材中，對于專題練習和綜合練習均定義了題目難度，低、中、高難度試題數目占比分別為38.7%、50.5%、10.8%．西爾斯版教材中除專題練習、綜合練習外，還提供了少量的與全國醫學院的統一考試題相匹配的試題，建立新的情境，供學有余力的學生探究，如圖8所示．

圖8 西爾斯版教材中的情境題

該題目創設了一個在納米尺度觀察物質表面的情境，介紹了原子顯微鏡的原理和結構，將振動相關的物理知識運用到這個新的情境中．

3.4 題目表述

國內教材中的習題語言嚴謹、精煉，往往注重研究理想模型．在馬文蔚版教材和張三慧版教材中，我們會發現其研究對象往往為“一個質點”“一個理想的彈簧”“一根無限長直導線”等．這些習題能夠使學生迅速聯想到相關的公式、定理或定律，快速掌握知識，對于理解公式、定理或定律的適用條件很有益處．但這一類習題也存在弊端．一方面，題型陳舊，另一方面，它很難讓學生將研究對象與生活中的實際對象聯系起來，不利于讓學生通過習題來深刻體會物理原理的含義與應用范圍．此外國內教材在習題上重視定量計算，輕視定性、半定量的分析，重演繹、少歸納，缺乏對發散性思維的訓練題．

而在國外教材中，章后習題經常建立與日常生活息息相關的真實情境，題目新穎，語言生動幽默，讓做習題也成了一件有趣的事情．大量形式多樣、貼近實際的物理習題的練習，讓學生能夠由淺入深地體會其中所蘊含的深刻物理思想．

4 資源配置比較

4.1 資源呈現形式

國內教材的配套數字資源大多為文本資源及MOOC視頻資源，通常以“二維碼+課程網站”的形式呈現．馬文蔚版教材采用“2d平臺+Abook平臺+數字課程”的方式展示資源，與教材聯系緊密的用二維碼展示，與教材關聯度略低、篇幅較長的置于Abook平臺(圖9)上，此外該書還有配套數字課程，通過MOOC視頻與電子課件進一步加深學生對物理知識的理解．張三慧版教材數字資源部分采用的也是類似的“二維碼+文泉課堂+數字課程”的方式．一方面豐富了配套資源，另一方面更好地保護了版權，打擊了盜版．

圖9 馬文蔚教材Abook網站界面

國外教材在數字資源配套上更為多樣，補充資源非常豐富，真正做到易教、易學，哈里德版教材數字資源介紹如圖10所示．

圖10 西爾斯版教材配套數字資源介紹

西爾斯版教材配套數字資源包括以下內容.

針對教師的資源包括：教師題解、教學資源庫、Mastering Physics系統、試題庫．

針對學生的資源包括：學生解題指導、Mastering Physics系統、Pearson eText、Pearson Tutor Service、ActivPhysics Online．

4.2 資源內容

在資源內容設置上，國內教材均愈發注重科學精神和人文精神的融合，穿插了大量科學家的簡介和物理學在高新技術中的應用．例如，在馬文蔚版教材中加入了大量我國近年來的科技成果，如第四代反應堆、2號環流器等，這有助于培養民族自尊心，實現文化自信．

5 結論

通過分析馬文蔚版教材、張三慧版教材、哈里德版教材和西爾斯版教材的結構、物理概念闡述風格、內容、習題配置、插圖、資源配置、封面與版式等，我們可以發現，國內外教材各有其優勢和不足．

國內教材在習題配置方面，更加精煉，數量適中，重點突出．在資源配置方面，國內教材愈發注重科學精神和人文精神的融合，穿插了大量科學家的簡介和物理學在高新技術中的應用．但是與日常生活相關的應用較少，不少教材涉及的應用過于集中和雷同．

國外教材全彩印刷，更加圖文并茂，生動活潑，趣味性強，更能提高學生的學習興趣．教材鋪墊較多，講解細致，多從日常生活實例或前沿科技出發，以歸納、類比的邏輯方式引入物理概念和規律，對于基礎薄弱的學生更為友好．網站配套資源更加豐富，易教易學．但是習題數量過大，重點不夠突出．

國內教材在借鑒國外優秀教材長處方面是積極且卓有成效的．進入21世紀以來，大學物理教材改革有了突飛猛進的發展，我國的大學物理教材無論從觀念上還是從內容上都有很大的變化．國內教材在借鑒美國教材聯系前沿、激勵創新、加強近代及習題方面都做了有益的嘗試．

在更新習題、加強實際應用方面，國內教材也充分的體現，選編了大量聯系實際的例題和習題．對這些習題和例題的分析與求解，能使學生更深刻地理解概念和規律，了解物理基礎知識的重要實際意義.