瞿林云 繆可可 趙馨蕊 周雨青

(1東南大學(xué)學(xué)習(xí)科學(xué)研究中心，江蘇 南京 210096； 2高等教育出版社物理分社，北京 100029； 3東南大學(xué)物理學(xué)院，江蘇 南京 2111189)

1 AP物理課程概述

美國(guó)大學(xué)先修課程(Advanced Placement Courses，簡(jiǎn)稱AP課程)是世界上頗具影響力的中學(xué)和大學(xué)銜接性課程。它由美國(guó)非政府性教育組織——大學(xué)理事會(huì)(The College Board)管轄。學(xué)生們通過選修AP課程不僅能提前接觸大學(xué)課程，還有機(jī)會(huì)獲得大學(xué)的學(xué)分，從而縮短大學(xué)學(xué)時(shí)并降低教育成本。經(jīng)歷60多年的發(fā)展，AP課程由最初的11門發(fā)展至38門，涉及世界語言文化、人文歷史、自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域。有研究表明，選修AP課程并成績(jī)合格(成績(jī)?cè)?分以上)的學(xué)生，在大學(xué)期間的表現(xiàn)和畢業(yè)率方面都優(yōu)于未接觸過AP課程的學(xué)生[1]。

AP物理課程由美國(guó)大學(xué)理事會(huì)下設(shè)的AP物理課程發(fā)展委員會(huì)直接管理。AP物理發(fā)展委員由優(yōu)秀的大學(xué)物理教師和AP物理教師組成，它的主要任務(wù)是根據(jù)大學(xué)提供的信息，來確保課程的內(nèi)容符合當(dāng)前物理學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)。此外，AP物理開課學(xué)校的資格審核工作，也在大學(xué)和中學(xué)的共同參與下進(jìn)行。一般而言，申請(qǐng)開設(shè)AP物理課程的學(xué)校必須提交課程審核表和教學(xué)大綱，供大學(xué)物理教師審查。課程審核表用于闡述學(xué)校對(duì)課程的理解、審查教學(xué)資源的配置，由AP物理教師和校長(zhǎng)(或指定管理員)提交。教學(xué)大綱用于說明教學(xué)過程如何滿足課程大綱的要求，由AP物理教師制定并提交[2]。中學(xué)與大學(xué)的合作式管理保證了AP物理課程既能體現(xiàn)大學(xué)課程的特點(diǎn)，又在學(xué)生的可接受能力范圍之內(nèi)。

2 AP物理課程內(nèi)容——基于課程大綱的解讀

AP物理課程在2015年經(jīng)歷改革，將AP物理B拆分為AP物理1和AP物理2，加上原有的AP物理C-力學(xué)和AP物理C-電磁學(xué)，形成了當(dāng)前的課程體系(如表1所示)。

2.1 AP物理1和AP物理2——以Big idea為核心[3,4]

AP物理1和AP物理2基于代數(shù)計(jì)算，難度較低，與高中物理課程的銜接度高，相當(dāng)于美國(guó)高校開設(shè)的物理通識(shí)類課程。AP物理1主要包含力學(xué)知識(shí)，兼有一些基本的電學(xué)及機(jī)械波的內(nèi)容。

AP物理2主要為電磁學(xué)知識(shí)，兼有一些基本的流體力學(xué)、熱力學(xué)、光學(xué)和量子物理的內(nèi)容。兩門課程共同構(gòu)成了物理學(xué)的基本知識(shí)框架。

根據(jù)2017年版的課程大綱，我們總結(jié)出AP物理1、2的課程框架(如圖1所示)。該框架采用基于理解的課程設(shè)計(jì)模型，規(guī)定了學(xué)生需要知道什么、做到什么、理解什么，并鼓勵(lì)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中通過對(duì)物理世界的廣泛思考建立起物理學(xué)不同領(lǐng)域之間的聯(lián)系。整個(gè)課程框架圍繞7項(xiàng)Big idea展開(AP物理1僅涉及前6項(xiàng))。Big idea是指AP物理1、2中涉及的核心概念，可涵蓋多個(gè)專題的知識(shí)。如“Big idea 6：波的性質(zhì)與波動(dòng)方程”既包括AP物理1中“機(jī)械波和聲音”專題的知識(shí)，又包括AP物理2中“幾何光學(xué)和物理光學(xué)”專題與“量子、原子與核物理”專題中的部分知識(shí)。大綱中的每項(xiàng)Big idea可具體展開為持久性理解和基本知識(shí)。如“Big idea 1：物體與系 統(tǒng)的本質(zhì) 屬性(如質(zhì)量，電荷量)，系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)”，可進(jìn)一步解讀為表2的形式。

圖1 AP物理1、2的課程框架

表1 AP物理課程概況

AP物理1、2中的各專題圍繞所涉及的Big idea將學(xué)習(xí)內(nèi)容拓展為持久性理解、基本知識(shí)、界定說明和學(xué)習(xí)目標(biāo)。

課程大綱規(guī)定，持久性理解指學(xué)生要長(zhǎng)期掌握的核心內(nèi)容，用Big idea的一級(jí)形式表述?；局R(shí)是指學(xué)生應(yīng)該知道并能回憶起來的基本概念，包括具體的公式和定義，用Big idea的二級(jí)形式表述?；局R(shí)中有時(shí)還會(huì)對(duì)概念進(jìn)行界定，說明該概念在不同教學(xué)階段下學(xué)生需要掌握的程度。學(xué)習(xí)目標(biāo)傳達(dá)的是學(xué)生需要做到的具體內(nèi)容，用Big idea的三級(jí)形式表述，與科學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)掛鉤。以AP物理1中，專題9——直流電路為例，其內(nèi)容涉及Big idea 1和Big idea 5。課程大綱對(duì)Big idea 1的具體要求如表3所示。

表2 Big idea 1的完整含義

此外，AP物理1、2基于探究式教學(xué)模式設(shè)置了7個(gè)科學(xué)實(shí)踐主題，下設(shè)若干子條目，以便更貼近學(xué)習(xí)目標(biāo)(如表4所示)。如AP物理1 “專題9——直流電路”中，學(xué)習(xí)目標(biāo)1.E.2.1對(duì)應(yīng)科學(xué)實(shí)踐“SP4.1: 學(xué)生能對(duì)回答特定科學(xué)問題所需的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行解釋”。教師在教學(xué)中應(yīng)首先介紹電阻率的概念，再引導(dǎo)學(xué)生從理論出發(fā)，自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案來收集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)并解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

為了更好地指導(dǎo)科學(xué)實(shí)踐教學(xué)，AP物理課程發(fā)展委員會(huì)組織優(yōu)秀的大學(xué)物理教師、AP物理教師以及探究式教學(xué)、定量分析和物理實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的專家編寫用于指導(dǎo)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)手冊(cè)[5]。其中，AP物理1設(shè)置了一維、二維運(yùn)動(dòng)學(xué)、牛頓第二定律、圓周運(yùn)動(dòng)、能量守恒、沖量和動(dòng)量、諧運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、機(jī)械波、直流電路九個(gè)實(shí)驗(yàn)主題；AP物理2設(shè)置了波義耳定律、流體力學(xué)、RC電路、磁性、電磁感應(yīng)、幾何光學(xué)、光的粒子模型7個(gè)實(shí)驗(yàn)主題。實(shí)驗(yàn)手冊(cè)詳細(xì)地闡述了每個(gè)實(shí)驗(yàn)主題的背景、所需的材料和限制、與課程大綱的一致性、對(duì)學(xué)生的知識(shí)和技能的要求、學(xué)生可能遇到的挑戰(zhàn)、學(xué)生可能得到的結(jié)果以及評(píng)價(jià)學(xué)生掌握情況的指標(biāo)和等級(jí)。此外，實(shí)驗(yàn)手冊(cè)還為教師說明了探究式教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建方法、科學(xué)實(shí)踐的作用、定量分析的操作、定性論證的方式以及對(duì)待特殊學(xué)生(如殘疾的學(xué)生、患有自閉癥學(xué)生)的實(shí)驗(yàn)建議。除了提供科學(xué)細(xì)致的實(shí)驗(yàn)手冊(cè)供教師參考，AP物理課程發(fā)展委員會(huì)還規(guī)定教師應(yīng)將不少于25%的課時(shí)用于AP物理1、2的科學(xué)實(shí)踐部分。實(shí)踐過程中，學(xué)生應(yīng)保留實(shí)驗(yàn)記錄、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等書面材料。

整體而言，AP物理1、2知識(shí)覆蓋面廣，基礎(chǔ)性強(qiáng)。課程圍繞Big idea全面展開——無論是學(xué)習(xí)目標(biāo)還是科學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，無論是需要學(xué)生持久理解的物理概念還是課程中的基本知識(shí)點(diǎn)，都離不開Big idea的指導(dǎo)。這種核心式的知識(shí)組織方式既能讓物理能力稍弱的學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)能有路可尋，又能促進(jìn)學(xué)習(xí)能力強(qiáng)的學(xué)生形成物理知識(shí)的整體脈絡(luò)，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)夯實(shí)基礎(chǔ)。

表3 AP物理1專題9——直流電路中關(guān)于Big idea 1的學(xué)習(xí)要求

表4 AP物理1、2的科學(xué)實(shí)踐內(nèi)容

2.2 AP物理C——以能力培養(yǎng)為核心[6，7]

AP物理C課程基于微積分運(yùn)算，是繼AP物理1、2后更深入的課程，難度較大，與大學(xué)物理課程銜接度高。 因?yàn)?015年的AP物理課程改革未涉及AP物理C，所以 AP物理C的課程大綱至今仍然沿用2014年的版本，課程內(nèi)容框架簡(jiǎn)潔明了(如圖2所示)。

由圖2可知，AP物理C相當(dāng)于美國(guó)高校在理工科專業(yè)中開設(shè)的力學(xué)與電磁學(xué)課程。AP物理C-力學(xué)在AP物理1中的力學(xué)基礎(chǔ)上，用微積分、向量等數(shù)學(xué)方法給出力學(xué)概念的基本定義；AP物理C-電磁學(xué)不但要用到微積分、向量等方法，還要求學(xué)生學(xué)習(xí)AP物理1、2中未涉及的新知識(shí)，內(nèi)容大大拓展了。

理論知識(shí)方面，AP物理C的課程大綱不僅明確了各知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)要求，還標(biāo)注了每一專題的內(nèi)容在整個(gè)課程中的占比。但是，這些占比僅是日常教學(xué)的參考，考試內(nèi)容的組織并不以此為唯一標(biāo)準(zhǔn)。科學(xué)實(shí)踐方面，AP物理課程發(fā)展委員會(huì)規(guī)定，實(shí)驗(yàn)探究的課時(shí)不少于總課時(shí)的20%，學(xué)生在實(shí)踐過程中需保留實(shí)驗(yàn)記錄、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等書面材料。與AP物理1、2不同的是，AP物理C沒有將科學(xué)探究穿插在每一專題的學(xué)習(xí)目標(biāo)中，而是直接從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀測(cè)、數(shù)據(jù)分析、誤差分析、結(jié)果討論這5個(gè)方面對(duì)學(xué)生予以要求(如表5所示)。

圖2 AP物理C課程框架

這種抽象的教學(xué)目標(biāo)對(duì)教師的教學(xué)設(shè)計(jì)和組織的能力提出了更高要求——教師不僅要教授物理學(xué)科知識(shí)，還要根據(jù)自主設(shè)計(jì)科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，將理論與實(shí)踐結(jié)合起來進(jìn)行教學(xué)，從而促進(jìn)學(xué)生多種物理能力的發(fā)展。

AP物理C-力學(xué)和AP物理C-電磁學(xué)的課程大綱中都明確規(guī)定，學(xué)生們通過AP物理C的學(xué)習(xí)應(yīng)該獲得以下能力：

(1) 閱讀、理解和解釋物理信息的能力——包括用語言、數(shù)字或圖形的方式表達(dá)物理信息的能力。

(2) 分析特定物理問題或現(xiàn)象時(shí)，有步驟地進(jìn)行描述和解釋的能力，即

① 描述在分析過程中使用的理想模型，包括特定的簡(jiǎn)化假設(shè)；

② 說明適用的概念或定義；

③ 規(guī)定物理概念的適用范圍；

④ 用語言、數(shù)學(xué)或圖形的方式進(jìn)行具體描述并完成分析的步驟；

表5 AP物理C中科學(xué)實(shí)踐的學(xué)習(xí)目標(biāo)

⑤ 解釋包括特殊情況在內(nèi)的結(jié)論。

(3) 在物理情境或問題中適當(dāng)?shù)厥褂么鷶?shù)、幾何、三角函數(shù)和微積分等數(shù)學(xué)方法的能力。

(4) 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并對(duì)所觀測(cè)到的結(jié)果進(jìn)行解釋、對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差進(jìn)行分析的能力。

總的來說，AP物理C知識(shí)復(fù)雜程度高，先修性強(qiáng)。課程大綱雖然目標(biāo)指向性明顯，但是對(duì)教學(xué)的指導(dǎo)作用較弱——教師從中可以明確教學(xué)目標(biāo)，但如何設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)還需依賴自身的經(jīng)驗(yàn)和智慧；學(xué)生從中能夠理解各種物理素養(yǎng)，但如何培養(yǎng)這些素養(yǎng)還要依靠教師的引導(dǎo)和自身的物理感覺。因此，AP物理C對(duì)教師的要求高，對(duì)學(xué)生的要求也高。選修AP物理C的學(xué)生不僅要對(duì)物理充滿興趣，還應(yīng)有過AP物理1、2或同等課程的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，了解物理知識(shí)的基本脈絡(luò)。只有這樣，學(xué)生們才能在AP物理C的學(xué)習(xí)過程中，將自身對(duì)物理知識(shí)的理解從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)層面，從而更加客觀地看待物理世界。

2.3 考核與評(píng)價(jià)

AP物理1、AP物理2以及AP物理C在考試題型的占比、考試時(shí)間以及考試內(nèi)容的設(shè)置上均有所差別(如表6所示)。

AP物理1和AP物理2的考試難度相當(dāng)，考試題型也較為相似。AP物理1考試包括50道選擇題和5道自由反應(yīng)性試題，分值各占總分的50%，答題時(shí)間各為90分鐘。自由反應(yīng)性試題是需要學(xué)生主觀陳述觀點(diǎn)的題目，往往與選擇題、問答題等題型結(jié)合使用。AP物理1的自由反應(yīng)試題包含一道實(shí)驗(yàn)題，一道定量計(jì)算或定性分析題，3道簡(jiǎn)答題。與AP物理1相比，AP物理2考試中少了一道簡(jiǎn)答題，其余題型不變。雖然題目數(shù)量減少了，但AP物理2的試題題干加長(zhǎng)，且對(duì)學(xué)生的邏輯推理和敘述表達(dá)能力要求更高。此外，AP物理1、2的試題大多附有考點(diǎn)分析表(如圖3所示)，以幫助學(xué)生領(lǐng)會(huì)該題的訓(xùn)練目標(biāo)。答題規(guī)范方面，雖然AP物理1、2對(duì)于自由反應(yīng)性試題采取多答不扣分的原則，但大綱仍然指出，學(xué)生應(yīng)該在解題時(shí)合理地運(yùn)用圖像、方程或推理步驟進(jìn)行論述，能正確地使“描述”“解釋” “推導(dǎo)”“證明”等學(xué)科性詞語，盡量做到答題規(guī)范、過程簡(jiǎn)明。

AP物理C-力學(xué)和AP物理C-電磁學(xué)的考試都包括35道單選題和3道自由反應(yīng)性試題，分值各占考試總分50%，答題時(shí)間各為45分鐘。AP物理C的考點(diǎn)通常會(huì)參考課程中各知識(shí)點(diǎn)的分布情況，因此考試的結(jié)構(gòu)性強(qiáng)。一般而言，選擇題注重考察學(xué)生對(duì)物理基本概念的理解，自由反應(yīng)性試題注重考察學(xué)生在問題情境下的解題能力(如圖4)。AP物理C的自由反應(yīng)性試題要求學(xué)生不僅能描述物理現(xiàn)象，還能用圖形、模型等方法對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行解釋；不僅能正確地選擇物理公式，還能用合適的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行公式的推導(dǎo)和變形；不僅能分析實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和誤差，還能合理地討論實(shí)驗(yàn)的局限性和不確定性。答題規(guī)范方面，AP物理C除了對(duì)學(xué)科詞匯的使用有明確的規(guī)定外，還要求考生在計(jì)算部分必須保留嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治龊瓦\(yùn)算過程，運(yùn)算結(jié)果用2至4位的有效數(shù)字形式表示并帶有相應(yīng)的單位；文字陳述部分不僅要符合邏輯還應(yīng)文字通達(dá)?？傊?，從考核內(nèi)容到考核形式，AP物理C都更具大學(xué)物理課程的特點(diǎn)，因而能有效地篩選出理工科人才。

表6 AP物理考試情況

某物體在一個(gè)沿x軸負(fù)方向的力的作用下向x軸正方向運(yùn)動(dòng)，物體所受合外力與其位置的函數(shù)如圖所示，合外力在物體移動(dòng)如圖距離的過程中所做的功為多少？( )

(A)F0d(B) 3F0d/2 (C) 2F0d(D) 4F0d

持久性理解學(xué)習(xí)目標(biāo)科學(xué)實(shí)踐5．B：系統(tǒng)能量守恒5．B．5．3：學(xué)生可以根據(jù)圖表中能量的轉(zhuǎn)化情況進(jìn)行推理，能夠計(jì)算力作用在一個(gè)物體或一個(gè)系統(tǒng)上經(jīng)過一段距離所做的功1．4：學(xué)生能用陳述和模型的方式分析問題或定性、定量地解決問題2．2：學(xué)生能用數(shù)學(xué)程序?qū)⒆匀滑F(xiàn)象量化

圖3 AP物理1考試樣題

為了更接近美國(guó)大學(xué)課程的評(píng)價(jià)方式，AP課程的最終成績(jī)以5分制形式呈現(xiàn)。其中5分為優(yōu)秀，對(duì)應(yīng)大學(xué)考核中的等級(jí)A；4分為良好，對(duì)應(yīng)大學(xué)考核中的等級(jí)A-、B+和B；3分為合格，對(duì)應(yīng)大學(xué)考核中的等級(jí)B-、C+和C。一般而言，大學(xué)認(rèn)可的AP課程成績(jī)需在3分以上。

從2015年改革后的考試情況來看，AP物理1因?yàn)檎n程內(nèi)容最簡(jiǎn)單，因此報(bào)考人數(shù)最多，每年約有17萬考生報(bào)考。但它的5分率和合格率被控制在最低，所以AP物理1考試的實(shí)際難度并不小。相比之下，課程難度稍高的AP物理2的報(bào)考人數(shù)明顯減少，但它的5分率稍有上升。AP物理課程發(fā)展委員會(huì)為了鼓勵(lì)更多學(xué)生學(xué)習(xí)AP物理C課程，維持其5分率在30%以上，因此越來越多有能力的考生，都傾向于選修AP物理C課程。

圖4 AP物理C-電磁學(xué)考試樣題

如圖所示，長(zhǎng)直導(dǎo)線中的電流I方向向右。電流按公式I=I0-Kt隨時(shí)間t變化，這里的I0和K是大于零的常數(shù)，I在變化過程中保持大于零。在長(zhǎng)導(dǎo)線上方有一寬為b、高為a的矩形線圈，線圈底部離導(dǎo)線的距離為d。線圈中連有一電阻為R的燈泡。用給定的參數(shù)和基本常數(shù)回答下列問題。

(a) 判斷線圈中的電流方向。

____順時(shí)針 ____逆時(shí)針

證明你的答案。

(b) 指出，燈泡亮度在電流變化期間的亮度變化。

____變得更亮 ____變得更暗 ____保持不變

證明你的答案。

(c) 推導(dǎo)出t=0時(shí)，離導(dǎo)線距離為r處的磁場(chǎng)

(d) 推導(dǎo)出線圈內(nèi)磁通量隨時(shí)間變化的表達(dá)式

(e) 推導(dǎo)出燈泡消耗電功率的表達(dá)式

表7 2015年—2016年AP物理報(bào)考情況[8]

3 AP物理課程成效及給我們的啟示

AP物理課程經(jīng)過不斷的改革和發(fā)展，在美國(guó)本土實(shí)踐和海外實(shí)踐中成效顯著。截至2016年，全球共有7151所學(xué)校開設(shè)AP物理1課程，2488所學(xué)校開設(shè)AP物理2課程，4299所學(xué)校開設(shè)AP物理C課程。先修課的成績(jī)得到了斯坦福大學(xué)、耶魯大學(xué)、麻省理工學(xué)院等知名大學(xué)在內(nèi)的4199所高校的認(rèn)可[8]。這些成效與美國(guó)AP物理課程在管理運(yùn)營(yíng)、課程理念、考核評(píng)價(jià)等方面的先進(jìn)性密不可分。

3.1 協(xié)同管理體系，課程內(nèi)部關(guān)聯(lián)性強(qiáng)

在美國(guó)大學(xué)理事會(huì)的帶頭下，AP物理從課程設(shè)置到考核評(píng)價(jià)均由AP物理課程發(fā)展委員會(huì)分管，大學(xué)物理教師和AP物理教師共同對(duì)課程進(jìn)行審查、修訂、試點(diǎn)和分析，保證了AP物理的教學(xué)質(zhì)量和考試公平，也平衡了高校和中學(xué)兩方的利益。就AP物理課程本身而言，它充分考慮學(xué)生的物理學(xué)習(xí)特點(diǎn)，有重點(diǎn)、有層次地將課程分為兩種難度、4類課程，不僅豐富了學(xué)生的選擇，還增強(qiáng)了高中物理和大學(xué)物理的課程銜接度。同時(shí)，不同難度的物理課程也有其內(nèi)在關(guān)聯(lián)——AP物理1、2以“Big idea”將學(xué)習(xí)目標(biāo)、科學(xué)實(shí)踐、基本知識(shí)、持久性理解和考試內(nèi)容相聯(lián)系；AP物理C-力學(xué)和AP物理C-電磁學(xué)雖然在課程內(nèi)容上聯(lián)系并不大，但卻在書面理解和表達(dá)、推理分析、數(shù)理方法的使用和實(shí)驗(yàn)技能方面有著共同的培養(yǎng)目標(biāo)。這樣有廣度、有深度、關(guān)聯(lián)性強(qiáng)的課程體系，加上公正、權(quán)威的第三方管理，從根本上保證了AP物理課程的生命力和影響力。

其實(shí)，中國(guó)也曾有過先修課程的有益探索。早在在1996年至2001年，金陵中學(xué)便與南京大學(xué)、東南大學(xué)、浙江大學(xué)等知名高校聯(lián)合進(jìn)行大學(xué)先修課的試點(diǎn)，但因?yàn)楣芾硎Р?、學(xué)科體系不完善等原因，試驗(yàn)以失敗告終[9]。從美國(guó)大學(xué)先修課的成功經(jīng)驗(yàn)可以看出，大學(xué)先修課程建設(shè)必須要明確政府、高校、中學(xué)及課程管理方之間的職責(zé)。而這其中必定夾雜著各方利益的博弈，如何權(quán)衡其中利益，將是中國(guó)先修課建設(shè)的首要之舉。

3.2 注重科學(xué)實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生物理專業(yè)素養(yǎng)

物理學(xué)習(xí)最基本的功能就是幫助人們正確地認(rèn)識(shí)物理世界。因此，AP物理十分注重科學(xué)實(shí)踐——課程大綱明確規(guī)定實(shí)驗(yàn)課程在整個(gè)課程中的占比；AP物理課程發(fā)展委員會(huì)將高中的實(shí)驗(yàn)室條件作為評(píng)判其是否能開設(shè)課程的重要指標(biāo)；各個(gè)高校也將學(xué)生的AP物理實(shí)驗(yàn)記錄、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等作為其學(xué)分認(rèn)證的必要材料……此外，AP物理的科學(xué)實(shí)踐還提倡從驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)出發(fā)，逐步培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行結(jié)構(gòu)探究、自主探究，以及開放性探究的能力，訓(xùn)練學(xué)生的批判性思維，提高他們的物理專業(yè)素養(yǎng)。

我國(guó)物理教學(xué)也對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的物理專業(yè)素養(yǎng)較為重視。2015年，中國(guó)教育部頒布了《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)修訂稿》內(nèi)部征求意見稿, 稿中強(qiáng)調(diào)要注重培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，即“物理觀念”“科學(xué)思維”“實(shí)驗(yàn)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4大方面的科學(xué)能力[10]。筆者認(rèn)為，中國(guó)大學(xué)物理先修課的建設(shè)也應(yīng)繼續(xù)秉持培養(yǎng)學(xué)生物理素養(yǎng)這一基本原則，加強(qiáng)科學(xué)實(shí)踐的規(guī)范性，讓基層教師在教學(xué)中有章可循，讓學(xué)生在科學(xué)實(shí)踐中有所收獲。

3.3 注重知識(shí)運(yùn)用，提高學(xué)生解決問題的能力

AP物理考試的一大特點(diǎn)在于，考試時(shí)允許考生在規(guī)定的范圍內(nèi)使用統(tǒng)一的公式表和計(jì)算器。這樣的設(shè)置一方面是顧及課程難度，另一方面也有助于學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，將更多的精力從物理概念的識(shí)記轉(zhuǎn)移到知識(shí)的理解和運(yùn)用上來；將更多的時(shí)間從數(shù)學(xué)計(jì)算轉(zhuǎn)移到定量論證和定性分析上來。

此前有研究表明，我國(guó)中學(xué)生就物理學(xué)科而言，對(duì)知識(shí)的關(guān)聯(lián)整合和實(shí)際運(yùn)用能力欠佳。學(xué)生的分析解釋、推理預(yù)測(cè)和綜合應(yīng)用等遷移創(chuàng)新能力薄弱[11]。因此，我國(guó)的AP物理課程建設(shè)者應(yīng)當(dāng)意識(shí)到學(xué)生的物理學(xué)科能力不是機(jī)械訓(xùn)練中發(fā)展而來的，而是在對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行預(yù)測(cè)、解釋、推論等實(shí)踐活動(dòng)中逐步形成的。

3.4 規(guī)范考核合理性，滿足高校人才需求

雖然AP物理考核要求學(xué)生保留平時(shí)的實(shí)踐報(bào)告，但其考試分?jǐn)?shù)還是取決于紙筆考試。為了保證考試的公平合理， AP物理C的試題很大程度上參考教學(xué)大綱中各部分知識(shí)的構(gòu)成比例，而AP物理1、2則更為細(xì)致地為試題備注相應(yīng)的持久性理解、學(xué)習(xí)目標(biāo)和科學(xué)實(shí)踐的內(nèi)容?？荚囋趦?nèi)容和形式上的結(jié)構(gòu)性一方面為教師的日常教學(xué)提供參考，另一方面也保證了考核本身的科學(xué)性。

為了進(jìn)一步促進(jìn)考試的合理性，AP課程的最終成績(jī)需要根據(jù)報(bào)考人數(shù)和試題難度按比例劃分為5個(gè)等級(jí)，分?jǐn)?shù)在同一區(qū)間內(nèi)的學(xué)生成績(jī)等級(jí)相同，這種不以分?jǐn)?shù)論高低的評(píng)價(jià)方式，一定程度上弱化了高分學(xué)生的優(yōu)勢(shì)，雖然在公平性方面遭受質(zhì)疑，但卻能有效避免學(xué)生被過度培養(yǎng)。另外，AP物理課程發(fā)展委員會(huì)控制AP課程的5分率隨課程難度的增加而增加，這樣的干預(yù)既能鼓勵(lì)更多的學(xué)生深入學(xué)習(xí)物理學(xué)課程，又能緩解考生選課時(shí)的投機(jī)取巧現(xiàn)象。

兌換學(xué)分環(huán)節(jié)中，每所大學(xué)都有著各自的準(zhǔn)則。如斯坦福大學(xué)規(guī)定，學(xué)生進(jìn)行AP學(xué)分兌換前，應(yīng)首先通過分班考試，方可進(jìn)行AP物理學(xué)分兌換，且4分以上有效；耶魯大學(xué)規(guī)定，只有AP物理C能兌換學(xué)分，且5分有效，同時(shí)，學(xué)生的微積分成績(jī)需滿足一定要求；賓夕法尼亞大學(xué)規(guī)定，只有AP物理1、2能兌換學(xué)分，且4分以上有效。除了學(xué)分與學(xué)分的兌換，有些學(xué)校還會(huì)以其他形式來兌換AP學(xué)分，如達(dá)特茅斯學(xué)院，采用學(xué)業(yè)補(bǔ)助金的形式兌換AP學(xué)分。高校自主設(shè)定AP課程與大學(xué)課程的學(xué)分兌換方式，既能滿足高校對(duì)生源的要求，迎合學(xué)校的辦學(xué)理念，又有助于學(xué)生的學(xué)業(yè)規(guī)劃和專業(yè)發(fā)展。

就中國(guó)的大學(xué)先修課而言，其頂層設(shè)計(jì)還不完善，學(xué)分的轉(zhuǎn)換和判定仍然缺乏統(tǒng)一的規(guī)定，因此，目前還難以獲得高校和中學(xué)的普遍信任。此外，大學(xué)與大學(xué)之間、實(shí)體課程與網(wǎng)絡(luò)課程之間的學(xué)分互換制度在國(guó)內(nèi)的發(fā)展尚且遲緩，如何更加開放地接受大學(xué)先修課的學(xué)分、制定適合本校辦學(xué)特色的學(xué)分兌換政策，將是中國(guó)高校面臨的一大挑戰(zhàn)。

附錄： 2017年AP物理C-電磁學(xué)自由反應(yīng)性試題，第三題

在研究安培定律時(shí)，學(xué)生們?yōu)榱舜_定自由空間的磁導(dǎo)率μ0，收集了磁場(chǎng)中兩種不同螺線管的數(shù)據(jù)。螺線管是用金屬絲纏繞空心塑料管制成的，一個(gè)長(zhǎng)為l，線圈匝數(shù)為N的螺線管與電源和電阻串聯(lián)。萬用表被當(dāng)成電流表，測(cè)量通過螺線管的電流I。電路中的主要元件如上圖所示。

(a) ⅰ. 在上圖中，用畫線的方式連接螺線管、電源、電阻和萬用表，完成電路并讓學(xué)生們能測(cè)量螺線管中電流的大小。

ⅱ. 利用你在(a)ⅰ中連接的電路，指出螺線管內(nèi)部的磁場(chǎng)方向。

________沿紙面向上 ________向左 ________垂直紙面向外

________沿紙面向下 ________向右 ________垂直紙面向內(nèi)

下圖所示的矩形表示一個(gè)螺線管(線圈沒有顯示)。A點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)在螺線管的中心軸線上，B點(diǎn)是螺線管中間的點(diǎn)。D點(diǎn)在B點(diǎn)的正上方。

ⅲ. 為了確定自由空間的磁導(dǎo)率μ0，在下面的選項(xiàng)中，選擇磁場(chǎng)探頭(一個(gè)可以測(cè)量磁場(chǎng)大小的探頭)測(cè)量螺線管磁場(chǎng)強(qiáng)度的最佳放置點(diǎn)。

____A ____B ____C ____D

根據(jù)簡(jiǎn)單螺線管的模型，證明你的答案。

如下圖所示，兩個(gè)不同的螺線管將連接在上面的電路中。螺線管1的長(zhǎng)度為l=25cm，線圈匝數(shù)為N=100匝。螺線管2的長(zhǎng)度為l=5.0cm，線圈匝數(shù)為N=5匝。

注： 圖形未按比例繪制

磁場(chǎng)大小B與NI/l的函數(shù)圖像如下圖所示。螺線管1的數(shù)據(jù)最佳擬合線為實(shí)線，螺線管2的數(shù)據(jù)最佳擬合線為虛線。

(b) 哪個(gè)螺線管的最佳擬合線，能最好地確定自由空間的磁導(dǎo)率μ0。

________螺線管1 ________螺線管2

證明你的答案。

(c) ⅰ. 利用(b)中所選螺線管的最佳擬合線的斜率，計(jì)算自由空間的磁導(dǎo)率μ0。

ⅱ. 計(jì)算(c)i中得到的自由空間磁導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)值μ0的百分誤差。

(d) ⅰ. 對(duì)于不通過原點(diǎn)的最佳擬合線，合理的物理解釋是什么？

ⅱ. 假設(shè)一名學(xué)生在閉合電路中連接一個(gè)螺線管。該閉合電路與(a)中的電路相似，但沒有電阻。學(xué)生發(fā)現(xiàn)，電源打開后，萬用表停止工作。請(qǐng)解釋導(dǎo)致萬用表故障的原因。

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