中、美大学物理先修课程教材的比较研究

张志红 周雨青 董 科 瞿林云 赵馨蕊

(1东南大学生物科学与医学工程学院，江苏 南京 210096； 2东南大学物理学院，江苏 南京 211189)

长期以来，我国高中教育备受争议。一方面，巨大的升学压力使高中沦为“高考应试培训班”，很大程度上忽视了学生个性和潜能的发展；另一方面，由于高考内容被局限在高中课程中，缺乏与大学课程的有机联系，使得作为大学录取标准的高考成绩广受质疑[1]。许多人认为，我国现阶段的高中教育并不能满足孩子更充分的发展及发掘出学生未来学习的潜能。对此，《教育规划纲要(2010—2020)》提出“树立系统培养观念，推进小学、中学、大学有机衔接”“形成体系开放、机制灵活、渠道互通、选择多样的人才培养体制”等教育体制改革思想[2]，以改善我国现阶段的教育。

为了认真贯彻落实“推进中、高等教育有机衔接”这一重要思想，2014年,中国教育学会联合高等教育出版社共同发起 “中国大学先修课程(Chinese Advanced Placement Courses,简称CAP课程)”试点项目，即在高中阶段开设衔接中、高等教育的选修课程。CAP课程受启于美国AP课程，旨在让学有余力的高中生及早接触大学课程内容，接受大学思维方式、学习方法的训练，让学生能够享受到最符合其能力水平和兴趣的教育，帮助学生为将来的学习乃至职业生涯做好准备[2]。

在CAP课程实践中，教材是课程与教学活动的基本媒介，既能体现出CAP课程的培养理念，又能指导CAP课程的实践教学。因此，有效的CAP课程教材是课程项目取得成功的重要保障之一。为深入了解我国现阶段的CAP课程教材，汲取美国AP课程教材选择或编撰的丰富理论和实践经验，本研究将选取美国“AP物理C-力学”教材和我国“CAP力学课程”教材进行对比研究，以期为我国CAP课程建设提供一些参考。

1 教材选择

我国CAP物理力学教材选取中国教育学会的推荐教学用书——《CAP物理(力学)》[3]。该书是张汉壮教授在其著作《力学》(第3版)的基础上，根据中国大学先修课程大纲及改革的需要，依据《高等学校物理学本科指导性专业规范(2010年版)》的要求，征求专家意见，修改完成的。《CAP物理(力学)》作为专门应用于我国大学物理先修课程教学实践的主流教材，具有一定的代表性。因此，将其作为本文研究对象之一。

美国AP物理力学教材则选取Young & Freedman主编的第13版《University Physics》中的“力学”部分(下文简称《University Physics(力学)》)[4]。该书不仅是美国诸多高等学校选择使用的大学物理教材，也是美国大学理事会提供的、被众多高中选择的“AP物理C-力学”课程的授课教材，在世界范围内具有较强影响力。因此，将其作为本文研究对象之二。

2 中、 美大学物理力学先修课程教材的比较

2.1 两国教材的共同点分析

2.1.1 体现充分又个性化培养的顶层设计理念

中、美两国开设大学先修课程的目的均是为了促进中、高等教育的有效衔接，实现学生主动而又充分的发展。我国CAP课程设计理念在于“推进中、高等教育的有效衔接，改善我国高中优秀人才缺乏多样、有效培养和选拔机制的现状[5]”。即CAP课程面向少数学有余力的高中生，通过教授更为严谨学术性的大学课程，实现拔尖人才更充分而又个性化的培养。美国AP课程设计理念也源于精英教育思想。20世纪50年代，美国教育界认识到，高中阶段应大力发展精英教育，促进天赋聪明的孩子更快、更好地发展。为此，美国大学理事会联合国内多所著名大学和重点高中启动AP课程项目，为优秀的高中生提供更具挑战性的课程——大学先修课程，以此培养学生兴趣和发掘学生潜能。起初，美国AP课程只面向少数学有余力的优秀学生，随着平民教育思潮的兴起及教育公平思想的渗透，开放对象由少数学生转向大多数学生。即从追求学生群体中少数人的“卓越”到追求学生群体中大多数学生自身“卓越”的转变。但无论针对的是少数优秀学生还是大多数学生，使学生得到充分而又个性化的发展始终是中、美大学先修课程的设计理念。这个理念的成功已由美国AP课程近60多年的实践所证实。

2.1.2 强调系统与逻辑性的知识体系

知识体系是教材内容的最核心部分，决定着教材的性质和适用范围，需基于课程大纲来选择或制定。教材知识体系也是课程培养目标表达的载体，对课程教学起引领的作用。

中、美大学物理力学先修课程教材的知识体系均表现出各自较强的系统性和逻辑性的特征。我国《CAP物理(力学)》教材知识体系主要由绪论、质点基本运动规律、质点与质点系的运动定理与守恒定律、典型的力学问题、近代时空结构5个单元组成(表1)，知识结构完整。体系建构逻辑规范、理论严谨，具体表现为：首先，根据运动学和动力学的基本规律及定理、定律、应用运动学和动力学的一些典型力学问题以及时空结构，将知识体系划为4大篇章；然后，按一定的逻辑性划分各篇章，如第1篇“质点基本运动规律”分为“质点运动学”和“质点动力学”两类，“质点动力学”又分为“惯性系下质点动力学”和“非惯性系下质点动力学”。美国《University Physics(力学)》知识体系则以运动学、动力学、功与能、动量、典型的运动和力问题几大部分组成(表2)，知识结构基础适用。体系建构逻辑层次分明，认知性强，具体表现为：首先，介绍基本物理量和物理运动模型，建立运动学分析模型，如教材前3章；然后通过牛顿三大定律将力学与运动联系起来，即建构动力学分析模型；再通过功与能等将运动学和动力学联系起来，即建构力学能量分析模型；最后通过建构的3种模型解决一些典型的力和运动的问题。由此可知，两国教材的知识体系虽然不尽相同，但均拥有自成系统的知识体系，且遵循各自的逻辑结构。

表1 我国《CAP物理(力学)》教材的知识框架

续表

表2 美国《University Physics(力学)》知识框架

续表

2.2 两国教材共同点的原因分析

2.2.1 致力于精英人才引领国家综合实力

随着知识经济时代的来临，各国已意识到精英人才是国家发展的中坚力量，教育由此受到高度的重视和发展。为保持美国经济、科技等方面在世界上的领先地位，美国教育界早已布局并形成高质量的教育系统；通过给优秀的学生提供最好的教育，为美国培养世界顶尖人才，AP课程正是其中的一个代表。为此，美国政府、各级部门及社会各行业均积极主动地支持和适应AP课程的发展，以促进精英人才的培养。于我国而言，目前许多经济产业正面临转型期，对优秀人才的需求可谓是供不应求。开设CAP课程可满足我国社会对优秀人才质量提高的需求，以使其将来能适应和促进我国社会各产业的发展。总而言之，如今的教育已与国家的发展密不可分，中、美两国开设大学先修课程的根本目的在于，通过培养精英人才提高国家的综合实力，以便在新一轮的世界竞争中占据优势。

2.2.2 兼顾学科知识结构与学生认知结构的教育原则

两国课程的知识体系除考虑学科自身的知识结构外，还考虑了学生对此的认知逻辑结构。在教育过程中，学生是学习的主体，课程知识则是学生学习的内容。学生并不是一概而之、毫无组织地学习课程内容，而要遵循一定的科学性原则。这一科学性原则在教材中表现为：决定教材知识结构的重要因素除了学科本身严谨的结构，还有学生的认知逻辑，学科自身结构需与学生认知逻辑彼此契合。当然，学生的认知逻辑也分多种，比如由浅入深、层层递进的认知逻辑，或者历史性的认知逻辑。一般而言，教材叙述主体内容时按照循序渐进的认知逻辑，而像课程内容简史、绪论等则可依据历史性的认知逻辑。总体而言，两国教材知识内容均考虑了学科知识结构与学生认知结构的特点，在教材内容的组织上均遵循相似的教育科学性原则。

2.3 两国教材差异的分析

2.3.1 知识体系的“抽象全面”与“基础深入”

知识体系除了以上的共同点外，还存在一些差异。分析表2-1可知，我国《CAP物理(力学)》知识体系的4大篇章涉及的知识面极广，几乎涵盖了整个经典力学。且依据运动学和动力学的基本规律、定理和定律、典型问题及时空结构建构，知识体系经过高度的凝练、总结，抽象加工程度较高。这表明，我国《CAP物理(力学)》教材的学科专业性十分明显，强调自身严谨而又广泛的理论体系。而这种全面而又高度结构化的知识体系将导致教材倾向于知识的直接表达，而在与其他学科、生活实践的联系等方面缺乏足够的设计空间。反观美国《University Physics(力学)》教材，它依据运动学、动力学、功与能、动量及典型的运动和力问题的认知逻辑建构知识体系，体现出由浅入深、循序渐进的认知规律。相比我国教材，美国教材知识体系并未详尽整个经典力学，但对基础物理概念、规律的讲解则尤为深入详细，即教材知识体系表现出基础而又深入细致的特点。这表明，美国《University Physics(力学)》立足于学生的认知特点，努力为学生建构坚实的物理基础。同时，基础而又适度的知识体系也为其与科技、生活及其他领域的联系留下了足够的设计空间。

2.3.2 内容组织的“严谨划一”与“生动灵活”

教材内容是教材知识体系的具体展现，其组织形式深刻地影响着知识体系的具体呈现方式，也将进一步影响着课程的教学实践。以下将分别从我国《CAP物理(力学)》教材和美国《University Physics(力学)》的课程引入、物理概念与规律、章节内容总结的组织3个方面进行差异分析。

我国《CAP物理(力学)》教材每章的“课程引入”部分一般包括两个部分，一是介绍该章知识的历史来源、回顾本章相关知识基础、概述本章重点知识；二是展示本章知识体系导图，明确本章学习的知识内容结构。物理概念和规律的提出则是运用简化的模型和相关知识进行阐述和推导。章节内容的总结一般包括两部分，一是知识点公式，二是公式的简要解释；即教材主要以物理公式的形式总结所属单元下的重要知识点。分析可知，我国《CAP物理(力学)》教材内容3个方面的组织围绕“新知识的形成”而展开，要求学生掌握各章的重点知识内容，重点关注学生“学了什么知识”。这样设计的好处在于，学生很容易掌握必要的知识，容易上手必要的作业题和考试。总之，我国《CAP物理(力学)》教材内容3个方面的组织严谨性较强，形式也较为固定。

美国《University Physics(力学)》每章的“引入部分”一般包括3部分：一是设立该章的学习目标，明确学生应掌握的知识和应培养的能力；二是提出一个导入式的问题，问题一般来源于生活实际，引导学生联系生活中的物理现象思考相关物理问题，且该问题的解决与该章的重点内容密切相关；三是该章内容的概括性说明，运用与重点知识相关的实例，导出该章的核心内容。物理概念和规律的提出一般通过实物图、简化物理模型、实例及相关知识等加以阐述。章节内容的总结一般包括3个部分，一是知识点的物理意义或推导过程等，二是知识点公式，三是知识点所对应的典型实物简化图；即教材的章节小结除归纳总结本章知识点和公式外，还通过简述知识点公式的物理意义、知识点公式的推导过程，以及每个知识点公式相对应的典型实物简化图或简化图，以帮助学生对知识点形成透彻认识。由此可知，美国《University Physics(力学)》教材内容3个方面的组织围绕“学生认识新知识”这一认知过程而展开，着眼于学生如何理解、描述、分析和应用知识，引导学生如何分析和思考。教材内容组织注重与各方面的联系和应用，关注学生“如何学知识”“怎么用知识”。因此，这种教材的内容组织从各方面突出对学生能力的培养，对教材内容的表述也更为形象生动，体现出较强的灵活性。

2.3.3 例题、习题的“巩固学习”与“基础适度”

教材内容除作为核心部分的知识内容之外，习题、例题也是极重要的教学资源，它们能帮助学生进一步认识物理概念和规律，掌握分析、处理和解决物理问题的方法。

我国《CAP物理(力学)》的例题结构一般包括两部分，一是问题表述，大多运用物理学术语言建立物理模型；二是应用知识点的解题过程；教材习题一般只包含第一部分。这也符合我国大部分教材的例题、习题的结构形式。而美国《University Physics(力学)》的例题结构一般包括5个部分：一是阐明所要考察的知识点；二是例题表述，一般结合实物建立物理模型；三是识别和建立部分(IDENTIFY and SET UP)部分，即在正式求解之前，帮助学生梳理本题的信息和解题思路；四是解题过程(EXECUTE)，该过程中将应用第一部分阐明的知识点进行求解；五是评估部分(EVALUATE)，用于检验解题的正确性，加深对物理知识的认识。教材例题一般包括前两部分。尤为特别的是，美国《University Physics(力学)》在每节内容之后，还设有一个阶段性的总结小测试习题，以检测学生对关键知识点的掌握情况，以便决定是否进行下一阶段的学习。即例题、习题测试兼顾过程性检验和总结性检验，利于全面了解学生对知识点的掌握情况。

结合例题、习题分析可知，两国教材例题、习题的编写思想存在较大差异。我国《CAP物理(力学)》教材例题、习题强调物理知识的理解和应用，但题型较单一、题目条件也较理想化，解题过程简洁且富有技巧，难度较高[6]。此外，我国教材的知识面虽广，但也并非每个知识点均设有针对性的例题、习题，即教材例题和习题的资源有限。与我国《CAP物理(力学)》教材相比，美国《University Physics(力学)》例题、习题则注重从学生思维的角度出发，自始至终都在向学生传授一种科学严谨的思维解题过程。并且教材几乎都为相应的知识点设立了针对性的例题、习题，题目类型也较多样，即例题、习题资源较丰富。此外，教材例题、习题一般考察某个知识点，题目设置也贴近生活实际，基础性较强，难度不高。总而言之，美国《University Physics(力学)》例题、习题的结构科学合理，难度较为适度，数量及类型丰富而又多样。从这方面来说，我国《CAP物理(力学)》教材的例题和习题资源存在很大的进步空间。

2.4 两国教材差异的原因分析

2.4.1 中、美两国大学物理先修课程的培养目标及课程理论的差异

表3为中、美大学物理力学先修课程的培养目标[6,7]。由表3可知，我国CAP物理课程培养目标重点突出了课程内容的构建思路，即以力学的逻辑性、历史性和实用性有机结合的思想为主线构建“力学”课程内容，并在此建构思想的基础之上提出培养物理思维能力的要求。该种培养目标理论性较强，强调知识的掌握和学生思维能力的培养，为我国培养了许多学科思维严谨、知识理论厚实的优秀人才，但却没能体现出对学生综合素养的培养要求，这也是导致我国实践能力、创新能力等薄弱的原因之一。现今，我国教育要实现从重点培养建设服务型人才向技术创新复合型人才的转变。一门课程的培养目标既需立足课程内容，也需满足学生自身需求及社会需要；既要强调理论思维的培养，也要强调科技创新等实践能力

表3 中、美大学物理先修课程“力学”培养目标

的培养。而美国AP物理力学的培养目标则立足于学生自身能力的发展，重视学生思维、表达、实践、应用等能力的培养。课程内容被视为学生能力培养的一种工具，需按学生能力培养的要求来建构课程内容。该培养目标对学生的能力培养进行了具体的指导说明，指向较明确，实践性与操作性较强，有利于培养目标的实现。分析可知，我国大学物理先修课程培养目标受传统教育思想和赫尔巴特课程理论的影响，更重视学科系统知识的传授。而美国大学先修课程受杜威教育思想的影响，更为重视学生的身心发展，强调知识对学生能力培养的作用[8]。

2.4.2 中、美两国传统教学文化的差别

我国较重视学科内容的规范原则，教学习惯从一般到特殊，即先传授具有规范标准的课程知识，再在此界限下论述知识的形成、应用等。这种教学文化极易造成灌输式的教育模式，致使学生将所接受的知识奉为标准或规范，忽略了知识的实际形成及实践应用。当今社会是知识经济型社会，知识的作用已不在于知识本身，而在于知识的实践应用。因此，课程教育应尤为注重知识的形成、再创造及应用，我国应在教学意识形态上加以转变。而美国则较重视学科内容的形成准则，教学习惯于从特殊到一般，即教学虽也重视课程知识的规范或标准作用，但更关注知识的形成和实践应用[9]。这种教学文化既是美国教育重视学生能力的重要原因之一，也是美国能实现学生各种能力培养的重要原因之一，可为我国教学文化的意识改善提供一些有用的参考。

3 对我国CAP课程建设的启示

3.1 明确CAP课程培养目标，重视学生能力的培养和知识方法的渗透

CAP课程培养目标对课程的建设具有全局性的统领作用，是影响课程成功的关键因素。美国AP课程之所以能够获得广泛好评，一定程度上可归结于其培养目标的清晰明确，易被师生理解领悟，从而能够较为精准地实践于教学活动中，最终实现学生能力的提升。即课程培养目标不仅要重视“理论内涵”，也需注重“操作可行”。

由此可见，设立明确清晰、切实可行的培养目标是我国CAP课程建设的重要基础工作。该目标首先应体现出较强的实践操作性，易于理解和实施；勿使其“形而上”，与教学理念和实践相脱离。其次，培养目标应突出学生本位的教学思想，关注CAP课程学习者的身心发展水平、知识结构、能力水平等，体现科学合理的教育原则。再次，培养目标应体现多元的培养思想，从知识、技能和情感态度3个方面对学生培养提出要求，关注学生综合素质的提升。最后，培养目标需强调知识方法的渗透，所谓“授人以鱼不如授人以渔”，知识结果虽是人类智慧的结晶，但获得知识结果的方法更是其精髓所在。

3.2 考虑CAP课程层次性教学,让大部分学生能从中受益

由试行的CAP物理力学课程大纲可知，我国将CAP力学课程设为48个学时。由于CAP力学知识面较广，学习时间若压缩在一个学期内完成，则势必给高中生造成较大的学业压力，而如果学习时间宽限在一学年，则可能由于教学不连贯而造成知识遗忘，难以达到预期成效。

对此，我国CAP课程可基于高中生能力的不同，依据内容主题将CAP力学课程分为几个不同层次的课程。这样不仅不同能力层次的学生都能找到适合自己的课程，让绝大部分高中生能够从中受益，还能大大缩减学生对此的学习时间，减轻学生的学习压力，这也更易于被高中生所接受[10]。此外，可考虑CAP课程与高中物理课程的教材、教学活动的紧密结合，淡化CAP课程自身内容体系的高度结构化，进一步深化高中课程内容，更好地巩固高中生的力学学习，做好中、高等教育的衔接性工作。

3.3 融入更多生活、科技成果元素，让CAP课程更加实用化、科技化、生活化

美国《University Physics(力学)》广泛地采用物理现象、生活实例、科技成果等介绍物理概念、规律，逐步让学生意识到物理与我们生活息息相关，并对我们的生活产生重要影响。这也更容易让学生参与进来，积极主动地进行学习和探究。而我国教材则过于追求理论化的知识体系，导致物理知识与生活联系不紧，不能有效地调动学生的积极性。这也使得学生不能很好地学以致用，客观上轻视了学生分析、处理和解决实际问题能力的培养。

为此，在教材中融入丰富的生活、科技成果等元素，既可以增强教材的可读性，又有助于引导学生在日常生活中发现、分析和解决问题，促进学生能力的培养，尤其在介绍一些难度较大的知识点时，生活实例等可帮助学生在规避复杂的理论推理的情况下，快速理解其中的根本涵义。此外，美国《University Physics(力学)》还重视与相关学科之间的交流，培养学生综合分析问题的能力。而我国《CAP物理(力学)》教材在这些方面略显不足，应对此加以重视和借鉴。

3.4 统筹自上而下的目标实现过程及自下而上的完善过程，形成一条行之有效的CAP课程建设道路

任何目标及理念的实现均需“上层建筑”和“下层基础”的一致协调与相互配合。在大学先修课程项目中，“上层建筑”指的是CAP课程项目的各级培养目标、课程理论、教学理论等，“下层基础”指的是实现“上层建筑”的建设基础，如教材、教学计划、课程大纲等。

经各方面的分析比较可知，我国CAP课程项目的培养理念和目标(即“上层建筑”)与CAP物理教学计划、教材内容及组织等各方面(即“下层基础”)存在较大的分歧。CAP课程培养目标理论性较强，并未对“下层基础”进行有效的指导，这在实践中容易导致结果偏离目标的实现。而“下层基础”也并未对CAP课程培养目标的进一步完善提供一条科学的改善路径。而美国《University Physics(力学)》教材、教学计划等却能较好地符合美国AP物理力学课程培养目标的要求。因此，我国CAP课程建设不仅要关注目标及相关理论的实践指导，也要关注课程实践的理论总结，不断完善我国CAP课程的培养目标和教学实践，形成一条科学有效、上下协调一致的CAP课程建设道路。