美国与英国“四大力学”课程的比较及启示

美国与英国“四大力学”课程的比较及启示

张立彬（教育部南开大学外国教材中心，天津 300071）
刘学文（南开大学物理科学学院，天津 300071）

[内容摘要] 根据英美高校物理学排名，笔者搜集了几所著名大学的四大力学课程及其教参等信息，在此
基础上，比较了英美著名大学四大力学课程的培养目标、教学内容、教材及参考书、教学方式、课程学
时、考核方式、师资力量等。通过比较发现两个物理学教育强国的四大力学教学的特点和国内教学的不
足，本文可为国内四大力学课程教学的改善提供一定的启示与借鉴。
[关 键 词]：四大力学课程；英国大学、美国大学；教学方式；课程比较

理论物理中的“四大力学”由《理论力学》 、《热力学与统计物理》 、《电动力学》
和《量子力学》组成，它是本科生在普通物理的基础上，为了进一步将对物理的感性认知
提高到理性认知而必须学习的基础理论课程，在物理学专业本科生的基础课教学中占有核
心的地位[1]。理论物理本身具有概念抽象、数学工具覆盖范围广的特点，其中理论力学
以分析力学为核心，以系统的理论体系描述了粒子的机械运动，同时它引入了全新的物理
概念（如作用量、拉氏量等），这为学习其它理论课程提供了铺好了道路。在热力学与统
计物理中，热力学总结了物质的宏观热现象（如压强、温度、体积的变化，系统间能量的
转换等），而统计物理则从微观粒子的角度对宏观热现象作出了解释（微观粒子的统计表
现）。电动力学以麦克斯韦方程为核心，以完美的理论形式，高度概括了
……（新文秘网https://www.wm114.cn省略1036字，正式会员可完整阅读）……　
2.课程内容的比较分析
四大力学包含的内容繁多，但学习重点明确，以下列举了美国麻省理工学院与英国剑
桥大学的四大力学课程的基本内容，见表1。

表1 麻省理工学院和剑桥大学四大力学课程主要内容

课程
理论力学

热力学与统计物
理

电动力学

剑桥大学[5]
课程内容主要包含物体的轨道运动，刚体动力学，正则变换，连续体力学等

经典热力学与统计力学的导论课程，包含了基本热力学定律，气体的动力学统计理论，输运现象，相关的天体物理方面及“软”物质统计力学的讨论。
内容包括麦克斯韦方程，电磁波、光、电磁场、电磁辐射以及相对论。

量子力学

麻省理工学院[3]
介绍经典力学主要内容，包括欧拉-拉格朗日方程、哈密顿运动方程，散射问题，微扰问题，诺特定理，同时涉及相对论内容和经典电动力学。
包含了随机变量问题，概率论，微观物质及热力学平衡，统计力学的基本假设，热力学定律，磁学、热辐射、固体中电子运动等物理现象的统计描述。
包括了电磁场基本原理，静电、磁场，电磁场运动问题，麦克斯韦方程，电磁波辐射，物质的电磁性质，守恒定律等。
课程包含量子力学相关实验介绍（光电效应等），薛定谔方程，波粒二象性，海森堡不确定性原理，氢原子问题，量子力学的形式化表示（狄拉克符号），算符，角动量，自旋，散射问题，微扰理论，玻恩近似等

内容包含波粒二象性，薛定谔方程，
算符，自旋等。

由以上列表得知，剑桥大学的理论力学以及量子力学的课程内容较麻省理工学院少，
但课程的主体部分基本相同。
通常英国大学的课程量要比美国大学少，这与他们的教学方式息息相关，英国大学中
教师要求学生课后查阅大量的相关文献资料（将在下面详细讨论），并且参加大量的专题
讲座，通过这样的方式进行知识的补充。
3．学期制度及课时安排——自主学习
一般，英国本科生学制为三年或四年，学生可根据自身的意愿选择。每学年分为三个
学期。以2010-2011学年某英国大学为例，大体安排为：秋季学期（共11周）：10月1日-
12月15日上课；12月16日-1月16日，圣诞节假期；春季学期（共9周）：1月17日-3月25日
上课；3月26日-4月20日，复活节放假；夏季学期（共9周）：4月20日-6月25日上课，考
试，学年结束[6]。
通常美国大学学制要比英国大学学制长，一般为四年制，每学年会分春夏秋冬四个学
期，其中春秋两季时间较长，例如春季学期从1月中旬到4月下旬，秋季学期从8月下旬到
12月。大部分课程会选择在春秋两季学期来开设。
对于英国的学期制度特点，学生每年有相对较短的时间（大约30周）在校学习，所以
学生将有更多的_时间，主要目的是要充分发挥学生的自主学习能力。在暑期假期中，
学生们可以充分利用三个月的时间参加社会实践活动，为日后就业或深造培养实践能力[6]
。而美国大学每学年会设置时间较短的夏、冬季学期，国内所谓的“小学期”，在小学期内
学生可以参加各种科研项目、各种学术讲座等等。
下面我们来讨论四大力学的学时问题，本文列举了伊利诺伊大学香槟分校的四大力学
课程信息表[7]，见表2。

课程名称
理论力学I
理论力学II
热力学与统计物理
电动力学I
电动力学II
量子力学I
量子力学II

由上表看出每学期上课时间为15-16周，每门课程学时45-60小时。其中在每个星期的3-
4小时课时中，部分为课程讲授时间，部分为讨论时间（所占比例很大）。同时不难发现美

表2 伊利诺伊大学香槟分校四大力学课程信息表
学期
课时
秋季（1-15周）
3学时
秋季（1-15周）
3学时
春季（1-15周）
4学时
秋季（1-16周）
3学时
秋季（1-16周）
3学时
秋季（1-16周）
4学时
秋季（1-16周）
4学时

国高校一般会将同一课程分为I、II两个部分，分两个学期进行讲授，这样做法使每门课程
的时间跨度变得很大，学生可以通过之后的冬季、春季学期对知识进行整合、理解、以及
拓展。
比较而言英国大学的课程安排中，授课时间会更少，其余时间留给学生自学、完成作
业、做实验和开展讨论，课堂外，学校要求学生参加大量的课程讲座，学生通过听讲座的
形式来扩充知识、加深对已学理论的理解。
总之，两国大学四大力学在课时方面稍有不同，但相同之处在于两国高校会利用较多
时间进行课后讨论，这一方面值得国内大学借鉴。
4．教材的使用——经典名著
教材以及参考书是学生接收信息和知识的主要载体，亦是教师教授知识的主要工具，
所以教材及参考书的选取是教学过程的重要的环节，下面是牛津大学和麻省理工学院的四
大力学教材及参考书的详细情况，分别见表3和表4。

课程

表3

教材

牛津大学四大力学教材及参考书详细列表[8]

经典力学

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

量子物理

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

热力学与统计物
理

[1]Concepts
in
Thermal
Physics,
S. ……（未完，全文共12225字，当前仅显示2908字，请阅读下面提示信息。收藏《美国与英国“四大力学”课程的比较及启示》）