电磁学先修课在人大附中高中物理选修课程体系中的实践

2019-02-18张新义

物理与工程 2019年6期

张新义

(中国人民大学附属中学，北京 100080)

1 先修课是提升物理核心素养和衔接大学与中学物理教学的必然要求

《普通高中物理课程标准(2017年版)》开宗明义，指出物理学“是自然科学领域的一门基础学科，研究自然界物质的基本结构、相互作用和运动规律”“高中物理课程是普通高中自然科学领域的一门基础课程，旨在落实立德树人根本任务，进一步提升学生的物理学科核心素养，为学生的重视发展奠定基础，促进认可科学事业的传承与发展[1]”。也就是说，物理学科知识不应当是汪洋中的一座座孤岛，而应当有机连接起来，形成整体。这就从传统的对“知识”的传授，进一步转向对“能力”的强调，更加重视“素养”的重要性。所谓的“素养”，不只是重视知识，更加重视能力，强调态度，也可对过往的重知识轻能力的片面教育起到一定的纠偏作用。从这一角度来看，高中物理的科学知识，实际上起到的是载体作用，而真正着重培养的应当是利用现有的知识基础提出问题，发现问题，以及进一步解决问题的能力，亦可称为“素养”。

物理学科的核心素养，应是“学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力[1]”。普通高中教育仍属于基础教育，因此，现有高中物理教学体系应注重全体学生的共同基础，当然也设计了一系列供学生选择的物理课程模块，以满足学生的不同学习需求。不过，受课时限制和高考学业压力，为了让学生在高考中胜出，中学物理教学实际上仍以高考作为指挥棒制定培养方案的，高考不涉及到的内容，课内教学也只能忍痛割爱。这导致了两个结果：一方面相关学生的兴趣、发展潜能和职业需求，可能在一定程度上得不到完全满足。另一方面，很多高等院校特别是理工科专业与中学物理教学存在一定程度的衔接问题。

新课改的目标是学生可以根据自己的兴趣和实际情况，构建适合自己发展的学习内容，而不是所有人都一刀切式地学习。联系到《国家中长期教育改革与发展规划纲要(2010～2020)》明确提出要“深入推进课程改革，创造条件开设丰富多彩的选修课，为学生提供更多选择，促进学生全面而有个性的发展”“逐步形成分类考试、综合评价、多元录取的考试招生制度[2]”。这意味着，高中物理课程应当建设成：传统常规课程与丰富的选修课相结合，形成分类别、有层次的课程体系，满足不同层次不同特点的学生多样化的需求。这也是培养拔尖创新人才的基本条件。

为建立大学与中学物理教学的衔接桥梁，中学和大学都在积极思考破壁。为此可以考虑在中学和大学之间合作开设相关的大学先修课程，从而为在物理领域学有余力的优秀学生提供全面而有个性地发展的可能[3]。

2 电磁学先修课的开设是大学与中学认真评估的选择

电磁学作为绝大多数理工科院系的一门重要基础课，经北京大学物理学院推荐为第一门物理类先修课向中学推广。人大附中作为电磁学先修课的首批开设学校，也经过慎重的考虑和选择。

首先，有意在大学学习理工科的学生，需要比较多的电磁学基础知识，因此，学有余力的学生系统地学习相关知识是十分必要的。此外，在物理竞赛普遍化的大环境下，准备竞赛的同学们如果能够兼顾学习，获得先修课学分，也有利于得到阶段性成果。

其次，先修课和物理竞赛不同，更不是竞赛升级。竞赛的着眼点在解题胜出，而先修课源自大学专业课程，学生通过学习能系统地了解物理学的内涵和外延，为进一步完成大学学业打下坚实基础。同时，先修课也为同学们提供了更多展示自己的机会和渠道。

基于以上评估和选择，人大附中决定开设电磁学先修课。这门课程以北京大学相关课程为基础，课程难度有挑战，并不是所有学生都有能力随意选择的。而对于学有余力又喜欢物理的学生，享受挑战带来的乐趣，的确是一个愉悦的选择。先修课的教学和实施，离不开中学和大学之间的教学交流。因此，人大附中和北京大学物理学院不失时机地共建先修课程体系，在电磁学先修课的实施中进行了密切合作。在这门先修课上能取得好成绩的同学，完全有能力适应大学相关专业课程的学习。

3 电磁学先修课关注对科学概念和本质的深入理解

中学物理常规教学中对于很多物理基础知识只涉及简单公式的计算，把实际情况大大简化成抽象的物理模型和一道道习题，尤其是对于电磁学，很多天才的理论构想，巧妙的实验设计，都避重就轻，很多富含物理意义的内容也因此被消解或略过不表。精彩之处无法展现，容易造成学生在学习过程中兴趣缺乏，会感到电磁学千头万绪，杂乱无章，不易深入理解科学概念和本质，体现为大学与高中教学的衔接困难。

电磁学先修课向学有余力的优秀中学生介绍经典电磁理论，培养分析解决电磁学基本的问题，使他们了解电磁运动的基本现象、概念和规律，以及电磁学史上的某些重大发现和发明过程中的物理思想和实验方法，领略大师智慧。电磁学先修课特别注意对科学概念和本质的介绍，包括电磁场的物质观念，场与物质的相互作用观念，场的能量动量观念，尤其是贯穿整个课程的近距观点和超距观点的不同，引起的研究方向不同，很好地辐射了物理观念和科学思维这两大物理学科素养。

4 电磁学先修课的实施

先修课课程的要求应当与大学课程标准一致，否则就称不上是先修课了。但作为面向中学生开设的课程，不能仅仅将大学课程下移，而是要针对中学生实际情况重新仔细地设计，需要与中学物理的常规课程进行良好的配合。

从课时角度讲，电磁学的基本内容在北大开设时，每周3节课150分钟，共15周计2250分钟，若包含习题课和考试时间，需要的课时将更多。若以人大附中的国家选修课时安排，每周2节课80分钟，共14周计1120分钟来看，教学课时远远低于大学同类课课时，难以达到良好的授课效果。如果以周为计划强行推进教学进度，略过很多篇章，余下部分请同学课下看书或看录像，实践表明学生难以坚持，效果也不好。笔者也曾尝试分成上下学期分开授课，但电磁学课程内容是连贯的，分成两学期授课之后，一些秋季选课的同学没有继续学习春季课程，而一些春季选课的同学也没有秋季选课的基础，教学进度受较大影响。

电磁学的课时应当不少于北大同类课课时，经过与学校主管领导协商，可以适当增加周课时。按照这一思路，设计如下安排：每周课时增加为4节课160分钟(两个80分钟，中间休息半小时)，共计共14周计2240分钟，连续授课，保证授课时间，从而达到良好效果。课程时间增加了，反过来也更容易逆向甄别学生选课的目的：是对物理的真正热爱，还是只想蹭学分？实践表明，真正喜爱物理的学生，非常愿意再上80分钟。

目前，电磁学先修课已经在人大附中开设了5年有余，形成了相对稳定的课程体系，如表1所示。

上述研究主要针对拓扑结构变化缓慢的社交网络,而且是单节点对间的链路预测.本文针对拓扑变化频繁的机会网络,采用模式分类方法,基于动态网络的切片处理,以切片后的快照描绘网络结构信息,借助CNN在特征提取上的优势,来捕获网络结构的有效特征,并据此推断链路的演化模式,进行多节点间的链路预测.

表1 电磁学先修课教学计划

这门电磁学先修课并不是一味的讲授，而是在实际教学中，通过讲授和提问相结合的方式，在不同的知识背景下抛出各种问题。很多问题即使中学和大学物理常规课程也并不一定都讲，一般的专业课教材也没有细说，却值得教师带领学生一一品味琢磨，在提问和回答的过程中，同学们的思维得到了很好的锻炼，对物理图像的理解也大大增强了。这也培养同学们联系实际提出问题、分析问题和解决问题的能力，这与新一轮课改的物理学科核心素养不谋而合。

试举几例：常规物理教学中，介绍平行板电容的公式，电容大小与正对面积成正比，与距离成正比，但是为什么会带一个系数4π？提出这样的问题，然后分析静电作用的基本规律——库仑定律的形式，以及参数的选取策略，涉及贯穿整个静电学理论。又如：洛伦兹力不做功，为什么能作为非静电力做功产生动生电动势？这是电磁感应中一个不容易讲清楚的问题，我们把这个问题提出来，启发学生思考讨论，收到了很好的效果。这样深入浅出，学生很容易直观感受电磁学理论的科学思维，培养提出创造性见解的能力与品质。

为了突出物理观念，我们引入空间对称性来解释库仑力的方向，介绍库仑定律成立的静源条件，以及某些情况下“违背”牛顿第三定律的深层次原因——要考虑电磁场动量[4]。这样，同学们认识到库仑定律、牛顿定律等中学介绍过的知识需要在新的层次通盘考虑，也是物理观念的革新。

基于以上认识，我们更加强调物理图像，降低习题计算要求。

学习电磁学先修课的人大附中学生普遍缺乏数学基础，也给同学们学习电磁学先修课带来了困难，因为，除了一元微积分，电磁学先修课还可能涉及多元微积分、矢量叉乘及场论、矩阵和行列式等代数理论，以及微分方程等内容。对此，我们的观点是：只要能看懂，会计算，就可以。

例如，对于微积分的要求，能理解和表达一元微积分的相关概念和涵义，通过基本初等函数积分表计算常见函数的导数和积分，从而理解多元微积分可表示电磁场在空间的某个曲面或曲线上的特殊性质，就可以了，并不要求学生掌握微积分中值定理这些在高等数学和专业微积分课程才会学习的内容，实际计算时甚至只有一元微积分。在先修课教学过程中，可以随着课程进度和内容需要，侧重介绍不同数学工具的使用目的和表达的物理含义：矩阵可用于材料表达各向异性性质，复数运算方便了简谐交流电的处理，而微分方程可以揭示不同物理规律及其解在形式上的相似，等等。

原美国史岱文森高中校长张洁女士曾来人大附中介绍学生学习多元微积分的情况，并自豪称之为Post AP(即美国大学先修课的后续课程)，听完这个报告以后，笔者也和同学们打趣说：“我们已经在学习Post Post AP课程(即美国大学先修课后续课程的后续课程)了。”

5 电磁学先修课的课程管理与评价

电磁学先修课的评价方式是过程性评价与期末考试相结合。过程性评价包括20%的出勤和20%的课堂表现。为培养良好的学风，课堂考勤的分数严格按照学校有关规定进行。而在期末考试之前，教师会提供答疑时间，并分享所有讲义课件和练习题答案。作为一门有着明确教学要求的课程，先修课期末会考察最基础的知识要点和最基本的科学常识。

目前电磁学先修课经过近5年的建设，所有讲义、作业题、以及复习资料、都已经整理成电子文档供选课同学学习使用。先后有几百位同学选修了该课，年级跨度从早培九年级到高三(12年级)，其中每年约有6～7名同学在北大举行的先修课考试拿到A等以上成绩。

选课同学们对课程本身非常喜爱，评价也很高。有同学写道：

“我印象最深刻的内容是对电介质极化与磁介质磁化的讨论，因为这两部分推导结果形式美观且惊人地相似，而且巧妙地定义了辅助物理量D和H,使得总电场强度与极化强度(或总磁感应强度与磁化强度)等物理量相互牵扯、难以求解的问题得以解决。美观且相似的结果也加深了我对场论的理解。”

又有同学写道：

“印象最深的应该就是电磁波的方程组(作者注：指麦克斯韦方程组)了。居然可以解出电磁波在介质中的速度：

而这个速度只和真空介电常数和真空磁导率、介质的相对介电常数和相对磁导率有关，和选定的坐标系无关。虽然从小到大被灌输光速不变原理，但我们并没有直观理解或明白光速不变意味着什么。”

学生们的评价凡此种种，不一而足，充分肯定了电磁学先修课的价值。

6 电磁学先修课的特色与创新

在中学全面推行大学先修课，最重要的是教学质量和评价标准的统一，为此，大学必须制订一套完整的课程计划、课程标准和考核制度，并严格执行，避免授课的随意性，同时也要保证公平、公正、公开。目前北京大学通过线上平台进行大学先修课程的推广，课堂生动形象又浅显易懂，为高中大学先修课提供了课程标准。此外网站课程中有助教定期维护，解答学生们的问题，也更加方便了学生和老师使用。

而在线下的中学校内先修课堂上，为保证教学质量，加深学生对物理概念的深入理解，真正提升学生的科学素养而非仅提高学生的应试能力，人大附中电磁学先修课采用了翻转课堂和问题引导等多种授课方式。教员提前让学生学习在线内容，相应视频内容，课堂上再针对视频重点讲解讨论一些重要问题。这一种模式一来可以大大提高教学进度，另外也可以提高学生的学习兴趣。学生通过视频学习会提出疑问，进而引发课前的思考，老师在课堂上稍微引导就会引发大范围的讨论，提高了课堂效率。在两次课之间的间隙时间里，教师还可以通过提出问题要求学生回答，随时查看学生的参与情况以及回答情况，这样就能在上课前了解学生对问题的认知程度，从而使课堂教学更加有针对性。