美国高中物理先修学习项目研究报告的介绍和思考

何洁

摘 要：美国国家研究委员会针对美国高中数学和科学的先修学习项目组建了一个物理研究小组，专门讨论如何在中学开设有效的、能够发展学生潜能的先修物理课程，并形成了一份研究报告。这份报告会对美国高中先修物理学习课程产生积极影响，值得我们加以研究和借鉴。

关键词：美国；先修学习；高中物理

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）5-0009-4

美国国家研究委员会（National Research Council）针对美国高中数学和科学的先修学习项目（Programs for Advanced Study of Mathematics and Science in American High Schools），在2002年组建了一个由物理学家、大学物理教育专家和有经验的中学物理教师组成的物理研究小组，专门讨论如何在中学开设有效的、能够发展学生潜能的先修物理课程。研究小组历时两年的调查研究，在2004年把工作成果形成了一个研究报告（Learning and Understanding： Improving Advanced Study of Mathematics and Science in U.S. High Schools①） ， 这个报告会对美国高中科学先修课程学习产生积极影响[1]。本文借助对研究报告的介绍，以期能得出一些对我国高中物理新课程改革有用的启示。

1 美国高中物理先修学习项目简述

“先修”的意思是：提前学习高于《美国国家科学教育标准》（National Research Council [NRC]， 1996）要求的物理课程。在美国，有两个主要的先修学习项目：AP项目（Advanced Placement）和IB项目（International Baccalaureate），其中AP项目是1955年美国“大学入学委员会”（CEEB）开发的首个先修学习项目，IB（International Baccalaureate，国际文凭）是1968年成立于瑞士日内瓦的非盈利教育基金会。现在IB文凭已成为申请全世界，尤其是北美、英国、欧洲以及澳洲等国家的著名高校的重要凭证之一。尽管先修物理课程会被有些大学作为录取学生的基准或认可的学分，但研究小组认为这并不是中学实施先修学习项目的唯一理由。首先，传统的中学水平的课程难以激发聪明学生的学习热情；其次，提前学习可加强学生对大学物理知识的应用能力；最后，学生可能会对物理学中的某些特殊领域产生浓厚的兴趣，而这些领域是中学水平的课程没有涉及到的。当然，是否采用这个计划取决于该中学的教学目的是什么。

2 采用先修学习项目的先决条件和重要目标

研究小组意识到：不同中学的学生在学习先修物理课程之前的物理知识水平是不同的。因此，在学习之前，学生应具备以下两个先决条件：

（1）在学习先修物理课程之前，学生应达到国家科学教育标准要求的水平。这就需要在中学安排两年的时间学习物理，也可能第一年就满足以上条件。但如果只安排一年的时间学习物理，那对物理知识的理解就很难达到一定的深度。

（2）学生必须熟练掌握数学知识，至少要学习微积分之前的必修的课程。具体地说，他们应该掌握代数运算，三角函数，使用比例关系来解决问题，估算技巧，国际单位制，科学计数法等。在学习先修物理课程之前，要熟练掌握上述的数学知识，可能要花几年的时间。因此，研究小组建议教师跟踪学生的数学学习情况，随时予以必要的补充。

物理的先修学习可以给学生提供以下的帮助：

激发学生进一步学习物理的激情、兴趣和动力。

熟悉数学工具，将它作为一种联系、检查、验证的方法。

培养学生的科学想象力和创造力。

具备科学的思维习惯和能力倾向（即科学素养），包括以下6个方面：

① 善于从自己或别人的推理中提出假设并验证；

② 使用数学工具，以形成清楚、精确的思路，便于交流讨论；

③ 通过实验、调查来回答科学问题；

④ 鉴别及调和思维与观察的现象的矛盾；

⑤ 形成、应用、检验、修订物理现象的模型；

⑥ 将理论应用于实际。

3 美国高中先修学习项目中的物理课程

1） 高中物理先修学习项目的必修模块——牛顿力学

鉴于牛顿力学在物理学的历史和理论上的重要地位，研究小组推荐任何先修学习物理项目都应包括牛顿力学；同时，熟悉力学知识是完成高中先修物理课程的学生进入大学深造的基础。研究小组建议：

课程提纲必须包括转动力学的学习。不仅这部分物理知识很重要，而且转动力学的学习也是一种智力的培养锻炼，为学生接受进一步教育深造作准备。

学习牛顿力学的目的是让学生形成对概念的深入理解，而不是处理复杂的数学过程。例如，我们要让学生理解转动动能及角动量，而不是要他们学会计算一个圆柱体关于给定坐标轴的瞬时惯量。

2）高中物理先修项目的选修模块

研究小组认为，将物理作为一个探究的领域，对学生而言，可以发展他们在某一领域的理解深度，这比让其肤浅地了解好几个特定领域的知识更为重要。除力学以外，需要学习多少选修内容，由学年的长短决定。对于一个学年的学习计划，研究小组认为学生再多选一个物理专题就足够了。而对于两个学年的学习计划，只要能够达到对知识深度理解这一教学目标，那么选修的物理专题可以适当增加。

研究小组认为，先修物理项目应该是具体的学校结合具体的情况，选择开设合适的选修课程的计划。以下是该小组提供的选修模块：

电磁学/电路

声光模型（几何光学，机械波，物理光学）

复杂系统（热力学统计物理，计算机辅助概念化，混沌）

原子，核及粒子物理

值得注意的是，先修物理项目中教师只要完成力学部分的基础课程的教学就可以选择前沿物理作为选修课程。这与传统的物理教学中，学生必须学完全部的经典物理后才有可能学习前沿物理不同。原因是传统的物理教学的目的在于促进学生对经典物理的学习；先修物理项目的目的在于丰富学生的见识，扩展学生的知识面，并且最根本的目的是要引起学生对物理的兴趣。

以下是可供选择的关于前沿物理的选修模块：

狭义及广义相对论

定性研究量子力学

研究非线性动力学

以实验操作为基本研究手段的电学和磁学课程，例如锌阳极板的制作

从发现电子到证实夸克存在的粒子物理的发展史

3）实验——有意义的来自真实世界的体验

科学之所以与其他思想方式有所区别是因为它建立在客观的物理世界的事实基础上，具有可验证性，真理、推理、定律和原理的普遍适用性和一致性。研究小组认为，理论和实验是相辅相成，互相结合的。科学就是需要这种结合，而科学教育必须反映这种联系。

基于中学先修物理学习的水平，学生应具备以下相应的体验：实验操作，演示，独立调查。研究小组认为高级物理课程以实验的方式，让学生明确阐述自己的猜想、解释，有助于学生将现象与概念、原理联系起来。

先修课程的实验任务应该提供科学家的实验经验，包括：采集数据构建理论模型，将理论运用于新的情景。最后，现象本质的探究应该先于理论知识，并具有激发性。而且，学生应尽可能多从分析、呈现的过程中得出批判性的结果，从概念到实验设计的过程中作出科学的判断。

研究小组要求先修物理课程的教师考虑以下一些做法：

以开放式的形式要求学生做好计划：要观察的是什么，怎么观察，以及怎么分析数据。

实验强调的是学生观察并解释实验猜想与实验结果的矛盾，而并不强调大量数据的获得及分析。

提供与学生预测不一致的演示。

用简单的器具及生活用品制成可在家操作的实验装置。

在因特网上搜集有用的数据进行实验（例如，搜集多年来的太阳黑子活动的数据作为周期性太阳黑子活动的证据）。

4）高中物理先修课程的数学工具

数学是用于描述物理基本规律的语言，对不懂数学的学生讲授物理就像对不懂英语的学生用英语讲授物理一样都很困难。中学的先修物理的学习水平对数学水平要求不高，关键掌握一些容易处理的代数方程以及方程所表示的意义。例如，学生必须明确线性关系的图像是一条直线，如果图像不是直线，那么意味着变量的关系不是线性的。

研究小组强调：新推荐的力学单元决不是不需要微积分学的。实际上，物理学科的本质绝对离不开微积分这个概念。研究小组特别强调以下几点：

建议教师指导优等学生使用正式的积分。这些学生迫切希望运用他们的数学知识解决物理问题，自然应当给以鼓励。这些学生很可能在第二学期的课程中继续学习以微积分为基础的物理，像AP物理课程C——电磁学。

新单元的最终考试不考查正式的积分，而更应该强调物理概念的理解。

数学知识有利于先修物理的学习，但它并不是绝对必要的，教师要把握好这个度。比如，在讨论曲线的斜率和曲线与坐标轴包围起来的面积时，可以介绍求导和积分。但是，数学能力的高低在影响学生是否选修物理这一决定中扮演了一个重要的角色，数学介绍得太难，选物理的学生自然就少了。

5） 高中物理先修课程的评价——确保测试强调对概念的理解

①设计良好的笔试

先修物理课程的笔试必须：

强调对概念的理解，而不是数学技巧。

试题应当强调将物理关系转换成算式的技能，而淡化算式计算。

对各个选项的推导作出解释。

先修课程的目的不仅仅是提供正确的答案，同时也要能表达答案的推导过程。

设置开放性试题要避免过于“开放”，避免设置的问题不明确引起学生争论。

开放式问题要求是原始推理的简单问题，而真实情景的开放性试题有助于加强物理与我们周围世界的联系。但是，要避免过于“开放”而成为“自由回答式”的问题。

构建多项选择题，选项最好能够包含反映一般学生的误解。

选项中要求包含足够的干扰项，理想的干扰项应该从学生以前对开放型问题所作的回答中提取。

使用新题探查学生的理解深度。

比如，让学生对其他学生的解决问题的方案进行打分，评定等级，这样的练习不仅要求学生能够理解问题，而且要能识别各种模型，选出正确的答案。

笔试无法精确地评价实验能力，也不应试图用笔试来评价一个学生的实验能力。

但是，包含分析及数据说明的问题还是有道理并值得推荐的。另外，可以让学生列出基于已有知识的简单的实验设计。由于没有提供学生实验所必需的实验装置，因此，不应太过于细致考查实验的操作细节。

②提高评分技术

笔试的分数应该强调评价学生的理解程度，不提倡分步给分。打分应该评价学生的整个思维推理过程，完整的、清晰的推理过程，应给予高分；反之，缺少推理，或推理错误即使答案正确也只能是低分。

要理解这个方法，必须把按题给分和按步骤给分区别开来。比如，第一道题目10分，第二道题目15分，第三道题目……当然，如果一道题目里面还包含有几个小题，并且这几个小题是独立的，没有相互关联，那么也可以分别给分。但假如求解一个关于牛顿第二定律的题目，而我们规定列出牛顿第二定律得一分，解方程得一分，答案正确又得一分，那就不合理了，因为我们要评价的是学生求解问题的整体思路。

4 对我国高中物理新课程改革的启示

1）高中物理课程的目标是什么

从这份研究报告可以看出，研究小组对美国高中物理先修课程的改进意见主要体现在促进学生对概念的深入理解。无论在必修模块、选修模块的课题选择上，还是在实验、评价方式上，都尽可能地体现理解的意义，促进学生的深层次理解。关于高中物理学习，中国强调“双基教学”（即物理基础知识与基本技能），因而学生具有扎实的物理基础。虽然我国也重视物理学习中对概念的理解，但实践中存在的问题是：把概念的理解作为服务于“知”的手段，服务于提高学生一招一式的解题技能与技巧，而没有发挥“理解”的“育”的功能——获得终身受益的学习能力，以及让学生通过理解物理，受到科学方法、科学态度的教育[2]。在我国新课程实施中，如何在物理教育实践中重视学生的理解，让学生受到终身受益的科学教育，是每一位物理教育同仁需要思考并付诸行动的课题。

2）我们选择课程内容的标准是什么

我们处在科技变革日新月异的社会中，新世纪以来，在中学科学课程中增加新科技内容的呼声很高。从可供选择的宽广领域中为中学物理课程选择合适的内容， 对教师和学校来说都不是一件容易的事。深度和广度， 学生的兴趣和经历， 师资力量等因素都需要加以考虑。对许多学生来说， 中学物理课程可能是他们接受物理学正规训练的唯一机会。对另外一些学生来说， 中学物理课程给他们打下一个基础， 以备今后进一步深造。于是，“深度”和“广度”似乎形成了课程开发不同的取向[3]。在新一轮课程改革中，中国传统物理课程的“窄而深”倾向得到修正，但在改革过程中要避免重蹈美国“一英寸深，一英里宽”的老路。正如研究报告中指出：发展学生在某一领域的理解深度，比让其肤浅地了解好几个特定领域的知识更为重要。

3）真实情景的实验应该开设哪种模式

在我国高中的实验教学中，“食谱式”实验占主导地位。所谓“食谱式”实验是指，实验操作指导就像“食谱”一样，第一步应该怎么做，第二步应该做些什么，指导书上都写得清清楚楚，明明白白，没有关注学生对概念的理解。尽管学习科学，需要动手做，但动脑的过程比动手更重要。按照“食谱式”的实验操作指导，学生不用动脑筋，只要一步步依着做就行了，因此，学生感到枯燥乏味。有观点认为这种“食谱式”的实验模式完全是在浪费时间，那么这种模式还要继续维持还是完全舍弃呢？在美国，研究小组尚且指出完全放弃“食谱式”实验的研究证据是不充分的，在我国的高中实验教学中完全舍弃“食谱式”实验那更是不切合实际的。我们可以参考研究小组在报告中给出的做法：让学生收集数据以建立理论模型，把这个模型应用在真实的情景中，通过分析、面向老师或同学进行阐述和对实验结果进行批判性评论等方式得到更多来自真实世界的体验。

4）如何在评价中促进对概念的深入理解

评价是先修物理学习的一个非常重要的特色。评价的实施有两个方面的作用：一方面是诊断学生对数学知识的理解水平，另一方面是导向和促进学生在物理学习中对理解的重视。而最重要的是，让学生意识到评价是为了促进理解，而不是记忆，要让他们更关注理解，并把更多的精力投入到理解之中。在我国，高中物理教学无一例外都要涉及高考问题，作为一种选拔考试，物理学科的高考命题如何体现以上提到的评价的导向作用呢？我们看看研究小组的建议：最高的分数应该给那些通过完整而清晰的物理推理得到正确答案的学生；终结考试题量应当有所控制，给予学生足够的思考时间，并且应考察学生知道了什么，而不是考察学生回忆所学知识的速度，做题的熟练程度；设置“实验设计”类型的考题，全面考察学生对科学知识的贯通、运用能力。

参考文献：

[1]William B. Wood . Advanced High School Biology in an Era of Rapid Change： A Summary of the Biology Panel Report from the NRC Committee on Programs for Advanced Study of Mathematics and Science in American High Schools . Cell Biology Education Vol. 1， 123—127， Winter 2002.

[2]王光明，罗静.美国“促进理解的数学课堂”简介及启示[J].课程·教材·教法，2008（3）：88—91.

[3]扈剑华.高中物理课程内容——来自美国物理教师协会的观点[J].课程·教材·教法，1996（4）：58—60.