比较中外着名大学四大力学本科课程与主流教材

教育部2012年课题《比较中外著名大学“四大力学”本科课程与主流教材，探索物理学国际化创新人才培养模式》结题报告教育部南开大学外国教材中心2013年3月目录序言.....................................................I一、阶段性成果（发表及录用在《大学物理》上的论文5篇）...1（一）中外《量子力学》教材中有关“波函数的统计诠释”论述的区别与思考....................................................................................................................................1（二）中外《量子力学》教材经典知识点的区别与思考..................................10（三）美国大学物理学分层次教学研究..............................................................16（四）决定物理学发展的六大思想......................................................................25（五）哈佛大学物理专业拔尖人才培养模式探讨..............................................33二、中外著名大学“四大力学”教材的比较..................43（一）中美量子力学教材的比较研究..................................................................43（二）中外著名《量子力学》教材之比较..........................................................52（三）中美著名大学《电动力学》教材的比较..................................................84（四）中外著名大学《热力学与统计物理》主流教材的比较与思考............121（五）中外著名大学《理论力学》主流教材的比较与思考............................150（六）国外《经典电动力学》教材的特色与启示............................................178（七）简论中美《电动力学》教材的比较与思考............................................183三、中外著名大学“四大力学”课程的比较.................189（一）美国著名大学物理学专业“四大力学”课程设置的特点与启示........189（二）英国著名大学物理学专业“四大力学”课程设置的特点与启示........199（三）美国与英国“四大力学”课程的比较及启示........................................207（四）中美著名大学《理论力学》课程的比较与思考....................................217（五）中美著名大学《热力学与统计物理学》课程比较与分析....................228（六）中美著名大学《电动力学》课程的比较及启示....................................238（七）中美著名大学《量子力学》课程比较与分析........................................250四、网络调研资料.......................................263（一）美国12所著名大学物理学专业“四大力学”课程与教材信息..........263（二）英国8所著名大学物理学专业“四大力学”课程与教材信息............299（三）美国12所世界名校“四大力学”课程信息..........................................307（四）美国12所世界名校“四大力学”考试信息和教学日历......................331（五）中国10所名校物理学专业“四大力学”课程与教材信息..................368五、附件...............................................378（一）教育部课题申报通知................................................................................378（二）南开大学外国教材中心申请书................................................................380（三）教育部课题立项通知................................................................................388序言2011年11月，教育部发布了关于开展“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[2011]194号)。同年月底，本中心组织专家学者进行了充分的论证与申报。2012年3月，所申报的《比较中外著名大学“四大力学”本科课程与主流教材，探索物理学国际化创新人才培养模式》项目获得教育部批准（教高司函[2012]28号）。该项目由南开大学外国教材中心与南开大学物理科学学院合作完成。截止2013年3月，一年来项目组主要做了以下几方面的工作：一、召开了课题启动会，进一步明确了课题的研究分工情况。启动会上，课题负责人图书馆馆长张毅教授、课题负责人物理学院宋峰教授等同与会参研者进一步商讨了研究提纲、研究思路和书评范例等，为课题研究的统一与规范奠定了基础。二、自课题申请至今，本项目组完成了课题的调研及资料搜集工作，主要调研资料成果有5份：（1）美国12所著名大学物理学专业“四大力学”课程与教材信息；（2）英国8所著名大学物理学专业“四大力学”课程与教材信息；（3）美国12所世界名校“四大力学”课程信息；（4）美国12所世界名校“四大力学”考试信息和教学日历；（5）中国10所名校物理学专业“四大力学”课程与教材信息。三、在资料准备较为充分的基础上，本课题组展开了中外著名大学“四大力学”教材的比较研究，其成果主要有7篇文稿：（1）中美量子力学教材的比较研究；（2）中外著名《量子力学》教材之比较；（3）中美著名大学《电动力学》教材的比较；（4）中外著名大学《热力学与统计物理》主流教材的比较与思考；（5）中外著名大学《理论力学》主流教材的比较与思考；（6）国外《经典电动力学》教材的特色与启示；（7）简论中美《电动力学》教材的比较与思考。四、在教材比较研究的基础上，本课题组展开了中外著名大学“四大力学”课程的比较研究，主要成果有7篇文稿：（1）美国著名大学物理学专业“四大力学”课程设置的特点与启示；（2）英国著名大学物理学专业“四大力学”课程设置的特点与启示；（3）美国与英国“四大力学”课程的比较及启示；（4）中美著名大学《理论力学》课程的比较与思考；（5）中美著名大学《热力学与统计物理学》课程比较与分析；（6）中美著名大学《电动力学》课程的比较及启示；（7）中美著名大学《量子力学》课程比较与分析。五、该项目阶段性成果目前已有5篇，均发表或录用在国家核心期刊《大学物理》上，具体情况为：（1）中外《量子力学》教材中有关“波函数的统计诠释”论述的区别与思考，录用待发；（2）中外《量子力学》教材经典知识点的区别与思考，拟发表在2013年的3期上；（3）美国大学物理学分层次教学研究，已发表在《大学物理》2012年6期上；（4）决定物理学发展的六大思想，已发表在《大学物理》2012年3期上，该文荣获“中国教育发展学会”2012年首届“全国基础教育课程改革教研成果一等奖”；（5）哈佛大学物理专业拔尖人才培养模式探讨，已发表在《大学物理》2012年2期上。1一、阶段性成果（发表及录用在《大学物理》上的论文5篇）（一）中外《量子力学》教材中有关“波函数的统计诠释”论述的区别与思考张立彬1，张毅1，王娟萍1，潘玉松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，300457）内容摘要：量子力学理论作为近代物理学的重要基础理论之一，其发展对人类的影响产生极重要的作用.本文通过对四本国内外著名量子力学教材的介绍，具体就波函数的统计诠释这一基本概念的讲解展开分析，讨论了不同教材的讲解思路和教学讨论深广度的区别及特色，从而明确了国内外教材某些知识点的优势和侧重点.关键词：波函数；统计诠释；量子力学；国内外经典教材诞生于20世纪初的量子力学，使得物理学在近一百多年中取得了前所未有的进步.随着科技与社会日新月异的发展，作为近代物理学基础的量子力学对于科研的辅助也是与日俱增，已经延伸至化学、生物等领域的许多交叉学科当中，并且国内外著名大学都开设了量子力学课程.量子力学课程需要学生具备一定的数学分析、微分方程、线性代数等数学基础，这样才能够理解教材中建立在缜密物理逻辑基础上的精确数学描写.量子理论代表了迄今为止人类对物质世界的最深刻认识，无论是从深度还是广度来说都不是很容易掌握.它提出的新概念有悖于人们的物理直觉，需要学习者抛弃原有经典物理上的一些固有观点，从一个完全崭新的角度去理解这个世界的本质.可以说量子力学重建了人们从宏观到原子、亚原子尺度上对时间-空间问题、物质-能量问题的认识.尽管量子理论在实际应用中取得了成功，但其始终受到质疑.其中一个非常著名的就是与波函数统计诠释相关的EPR佯谬[1].依照经典物理观念，若我们不对体系进行任何干扰，就能确定地预言某个物理量的值时，那么必定存在着一个物理实在的要素对应于这个物理量.而量子力学理论不能提供上述对物理实在的完备描述，因此EPR佯谬质疑了量子力学的完备性：量子力学中无法完备地用波函数描述物理实在.此佯谬支持者认为，由波函数描述的系统的物理量具有确定的值，不论它是否被测量过，并且足够远处发生的事件不会影响对这些物理量的测量结果（定域实在论）.关于这个佯谬人们一度争论了很久，直到1964年Bell收稿日期：修回日期：基金项目：教育部2012年研究项目《比较中外著名大学“四大力学”本科课程与主流教材，探索物理学国际化创新人才培养模式》（2012-28）资助.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，主要从事中外高等教育教材评介与比较研究工作.2提出定域隐变量理论关于相关体系的关联度的判别方法（Bell不等式）[2]，才有了转机.由于Bell的发现，物理学家们逐渐认识到定域实在论与量子力学理论的矛盾是统计性的，增加了人们对于定域实在论的怀疑.后来的实验也表明，定域实在论不符合量子力学理论对可观测量的实验结果[3].上面的例子清楚地展示了人们在看待量子领域的问题时，是多么难以克服直观的经典思维之束缚.对于如何使量子力学能够更好地被更多学生所欣然接受这个棘手问题，相信不少的授课者都或多或少地思考过.基于上述考虑，同时为了改善高校的教育质量，更好地培养人才，我们在深入调研的基础上，专门选取了四本国内外著名量子力学教材，系统地比较与分析了各教材对于“波函数的统计诠释”这一基本量子力学概念的教授方式，从而明确各本教材的内容特点、侧重和不足.国内两本著名量子力学教材分别是：曾谨言的《量子力学》第四版[4]和苏汝铿的《量子力学》第二版[5]；国外两本著名量子力学教材分别是：DavidJ.Griffiths的《IntroductiontoQuantumMechanics》[6]和RobertEisbergandRobertResnick的