美國高中物理先修學習項目研究報告的介紹和思考

何潔

摘 要：美國國家研究委員會針對美國高中數(shù)學和科學的先修學習項目組建了一個物理研究小組，專門討論如何在中學開設有效的、能夠發(fā)展學生潛能的先修物理課程，并形成了一份研究報告。這份報告會對美國高中先修物理學習課程產(chǎn)生積極影響，值得我們加以研究和借鑒。

關鍵詞：美國；先修學習；高中物理

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）5-0009-4

美國國家研究委員會（National Research Council）針對美國高中數(shù)學和科學的先修學習項目（Programs for Advanced Study of Mathematics and Science in American High Schools），在2002年組建了一個由物理學家、大學物理教育專家和有經(jīng)驗的中學物理教師組成的物理研究小組，專門討論如何在中學開設有效的、能夠發(fā)展學生潛能的先修物理課程。研究小組歷時兩年的調(diào)查研究，在2004年把工作成果形成了一個研究報告（Learning and Understanding： Improving Advanced Study of Mathematics and Science in U.S. High Schools①） ， 這個報告會對美國高中科學先修課程學習產(chǎn)生積極影響[1]。本文借助對研究報告的介紹，以期能得出一些對我國高中物理新課程改革有用的啟示。

1 美國高中物理先修學習項目簡述

“先修”的意思是：提前學習高于《美國國家科學教育標準》（National Research Council [NRC]， 1996）要求的物理課程。在美國，有兩個主要的先修學習項目：AP項目（Advanced Placement）和IB項目（International Baccalaureate），其中AP項目是1955年美國“大學入學委員會”（CEEB）開發(fā)的首個先修學習項目，IB（International Baccalaureate，國際文憑）是1968年成立于瑞士日內(nèi)瓦的非盈利教育基金會?，F(xiàn)在IB文憑已成為申請全世界，尤其是北美、英國、歐洲以及澳洲等國家的著名高校的重要憑證之一。盡管先修物理課程會被有些大學作為錄取學生的基準或認可的學分，但研究小組認為這并不是中學實施先修學習項目的唯一理由。首先，傳統(tǒng)的中學水平的課程難以激發(fā)聰明學生的學習熱情；其次，提前學習可加強學生對大學物理知識的應用能力；最后，學生可能會對物理學中的某些特殊領域產(chǎn)生濃厚的興趣，而這些領域是中學水平的課程沒有涉及到的。當然，是否采用這個計劃取決于該中學的教學目的是什么。

2 采用先修學習項目的先決條件和重要目標

研究小組意識到：不同中學的學生在學習先修物理課程之前的物理知識水平是不同的。因此，在學習之前，學生應具備以下兩個先決條件：

（1）在學習先修物理課程之前，學生應達到國家科學教育標準要求的水平。這就需要在中學安排兩年的時間學習物理，也可能第一年就滿足以上條件。但如果只安排一年的時間學習物理，那對物理知識的理解就很難達到一定的深度。

（2）學生必須熟練掌握數(shù)學知識，至少要學習微積分之前的必修的課程。具體地說，他們應該掌握代數(shù)運算，三角函數(shù)，使用比例關系來解決問題，估算技巧，國際單位制，科學計數(shù)法等。在學習先修物理課程之前，要熟練掌握上述的數(shù)學知識，可能要花幾年的時間。因此，研究小組建議教師跟蹤學生的數(shù)學學習情況，隨時予以必要的補充。

物理的先修學習可以給學生提供以下的幫助：

激發(fā)學生進一步學習物理的激情、興趣和動力。

熟悉數(shù)學工具，將它作為一種聯(lián)系、檢查、驗證的方法。

培養(yǎng)學生的科學想象力和創(chuàng)造力。

具備科學的思維習慣和能力傾向（即科學素養(yǎng)），包括以下6個方面：

① 善于從自己或別人的推理中提出假設并驗證；

② 使用數(shù)學工具，以形成清楚、精確的思路，便于交流討論；

③ 通過實驗、調(diào)查來回答科學問題；

④ 鑒別及調(diào)和思維與觀察的現(xiàn)象的矛盾；

⑤ 形成、應用、檢驗、修訂物理現(xiàn)象的模型；

⑥ 將理論應用于實際。

3 美國高中先修學習項目中的物理課程

1） 高中物理先修學習項目的必修模塊——牛頓力學

鑒于牛頓力學在物理學的歷史和理論上的重要地位，研究小組推薦任何先修學習物理項目都應包括牛頓力學；同時，熟悉力學知識是完成高中先修物理課程的學生進入大學深造的基礎。研究小組建議：

課程提綱必須包括轉(zhuǎn)動力學的學習。不僅這部分物理知識很重要，而且轉(zhuǎn)動力學的學習也是一種智力的培養(yǎng)鍛煉，為學生接受進一步教育深造作準備。

學習牛頓力學的目的是讓學生形成對概念的深入理解，而不是處理復雜的數(shù)學過程。例如，我們要讓學生理解轉(zhuǎn)動動能及角動量，而不是要他們學會計算一個圓柱體關于給定坐標軸的瞬時慣量。

2）高中物理先修項目的選修模塊

研究小組認為，將物理作為一個探究的領域，對學生而言，可以發(fā)展他們在某一領域的理解深度，這比讓其膚淺地了解好幾個特定領域的知識更為重要。除力學以外，需要學習多少選修內(nèi)容，由學年的長短決定。對于一個學年的學習計劃，研究小組認為學生再多選一個物理專題就足夠了。而對于兩個學年的學習計劃，只要能夠達到對知識深度理解這一教學目標，那么選修的物理專題可以適當增加。

研究小組認為，先修物理項目應該是具體的學校結(jié)合具體的情況，選擇開設合適的選修課程的計劃。以下是該小組提供的選修模塊：

電磁學/電路

聲光模型（幾何光學，機械波，物理光學）

復雜系統(tǒng)（熱力學統(tǒng)計物理，計算機輔助概念化，混沌）

原子，核及粒子物理

值得注意的是，先修物理項目中教師只要完成力學部分的基礎課程的教學就可以選擇前沿物理作為選修課程。這與傳統(tǒng)的物理教學中，學生必須學完全部的經(jīng)典物理后才有可能學習前沿物理不同。原因是傳統(tǒng)的物理教學的目的在于促進學生對經(jīng)典物理的學習；先修物理項目的目的在于豐富學生的見識，擴展學生的知識面，并且最根本的目的是要引起學生對物理的興趣。

以下是可供選擇的關于前沿物理的選修模塊：

狹義及廣義相對論

定性研究量子力學

研究非線性動力學

以實驗操作為基本研究手段的電學和磁學課程，例如鋅陽極板的制作

從發(fā)現(xiàn)電子到證實夸克存在的粒子物理的發(fā)展史

3）實驗——有意義的來自真實世界的體驗

科學之所以與其他思想方式有所區(qū)別是因為它建立在客觀的物理世界的事實基礎上，具有可驗證性，真理、推理、定律和原理的普遍適用性和一致性。研究小組認為，理論和實驗是相輔相成，互相結(jié)合的?？茖W就是需要這種結(jié)合，而科學教育必須反映這種聯(lián)系。

基于中學先修物理學習的水平，學生應具備以下相應的體驗：實驗操作，演示，獨立調(diào)查。研究小組認為高級物理課程以實驗的方式，讓學生明確闡述自己的猜想、解釋，有助于學生將現(xiàn)象與概念、原理聯(lián)系起來。

先修課程的實驗任務應該提供科學家的實驗經(jīng)驗，包括：采集數(shù)據(jù)構建理論模型，將理論運用于新的情景。最后，現(xiàn)象本質(zhì)的探究應該先于理論知識，并具有激發(fā)性。而且，學生應盡可能多從分析、呈現(xiàn)的過程中得出批判性的結(jié)果，從概念到實驗設計的過程中作出科學的判斷。

研究小組要求先修物理課程的教師考慮以下一些做法：

以開放式的形式要求學生做好計劃：要觀察的是什么，怎么觀察，以及怎么分析數(shù)據(jù)。

實驗強調(diào)的是學生觀察并解釋實驗猜想與實驗結(jié)果的矛盾，而并不強調(diào)大量數(shù)據(jù)的獲得及分析。

提供與學生預測不一致的演示。

用簡單的器具及生活用品制成可在家操作的實驗裝置。

在因特網(wǎng)上搜集有用的數(shù)據(jù)進行實驗（例如，搜集多年來的太陽黑子活動的數(shù)據(jù)作為周期性太陽黑子活動的證據(jù)）。

4）高中物理先修課程的數(shù)學工具

數(shù)學是用于描述物理基本規(guī)律的語言，對不懂數(shù)學的學生講授物理就像對不懂英語的學生用英語講授物理一樣都很困難。中學的先修物理的學習水平對數(shù)學水平要求不高，關鍵掌握一些容易處理的代數(shù)方程以及方程所表示的意義。例如，學生必須明確線性關系的圖像是一條直線，如果圖像不是直線，那么意味著變量的關系不是線性的。

研究小組強調(diào)：新推薦的力學單元決不是不需要微積分學的。實際上，物理學科的本質(zhì)絕對離不開微積分這個概念。研究小組特別強調(diào)以下幾點：

建議教師指導優(yōu)等學生使用正式的積分。這些學生迫切希望運用他們的數(shù)學知識解決物理問題，自然應當給以鼓勵。這些學生很可能在第二學期的課程中繼續(xù)學習以微積分為基礎的物理，像AP物理課程C——電磁學。

新單元的最終考試不考查正式的積分，而更應該強調(diào)物理概念的理解。

數(shù)學知識有利于先修物理的學習，但它并不是絕對必要的，教師要把握好這個度。比如，在討論曲線的斜率和曲線與坐標軸包圍起來的面積時，可以介紹求導和積分。但是，數(shù)學能力的高低在影響學生是否選修物理這一決定中扮演了一個重要的角色，數(shù)學介紹得太難，選物理的學生自然就少了。

5） 高中物理先修課程的評價——確保測試強調(diào)對概念的理解

①設計良好的筆試

先修物理課程的筆試必須：

強調(diào)對概念的理解，而不是數(shù)學技巧。

試題應當強調(diào)將物理關系轉(zhuǎn)換成算式的技能，而淡化算式計算。

對各個選項的推導作出解釋。

先修課程的目的不僅僅是提供正確的答案，同時也要能表達答案的推導過程。

設置開放性試題要避免過于“開放”，避免設置的問題不明確引起學生爭論。

開放式問題要求是原始推理的簡單問題，而真實情景的開放性試題有助于加強物理與我們周圍世界的聯(lián)系。但是，要避免過于“開放”而成為“自由回答式”的問題。

構建多項選擇題，選項最好能夠包含反映一般學生的誤解。

選項中要求包含足夠的干擾項，理想的干擾項應該從學生以前對開放型問題所作的回答中提取。

使用新題探查學生的理解深度。

比如，讓學生對其他學生的解決問題的方案進行打分，評定等級，這樣的練習不僅要求學生能夠理解問題，而且要能識別各種模型，選出正確的答案。

筆試無法精確地評價實驗能力，也不應試圖用筆試來評價一個學生的實驗能力。

但是，包含分析及數(shù)據(jù)說明的問題還是有道理并值得推薦的。另外，可以讓學生列出基于已有知識的簡單的實驗設計。由于沒有提供學生實驗所必需的實驗裝置，因此，不應太過于細致考查實驗的操作細節(jié)。

②提高評分技術

筆試的分數(shù)應該強調(diào)評價學生的理解程度，不提倡分步給分。打分應該評價學生的整個思維推理過程，完整的、清晰的推理過程，應給予高分；反之，缺少推理，或推理錯誤即使答案正確也只能是低分。

要理解這個方法，必須把按題給分和按步驟給分區(qū)別開來。比如，第一道題目10分，第二道題目15分，第三道題目……當然，如果一道題目里面還包含有幾個小題，并且這幾個小題是獨立的，沒有相互關聯(lián)，那么也可以分別給分。但假如求解一個關于牛頓第二定律的題目，而我們規(guī)定列出牛頓第二定律得一分，解方程得一分，答案正確又得一分，那就不合理了，因為我們要評價的是學生求解問題的整體思路。

4 對我國高中物理新課程改革的啟示

1）高中物理課程的目標是什么

從這份研究報告可以看出，研究小組對美國高中物理先修課程的改進意見主要體現(xiàn)在促進學生對概念的深入理解。無論在必修模塊、選修模塊的課題選擇上，還是在實驗、評價方式上，都盡可能地體現(xiàn)理解的意義，促進學生的深層次理解。關于高中物理學習，中國強調(diào)“雙基教學”（即物理基礎知識與基本技能），因而學生具有扎實的物理基礎。雖然我國也重視物理學習中對概念的理解，但實踐中存在的問題是：把概念的理解作為服務于“知”的手段，服務于提高學生一招一式的解題技能與技巧，而沒有發(fā)揮“理解”的“育”的功能——獲得終身受益的學習能力，以及讓學生通過理解物理，受到科學方法、科學態(tài)度的教育[2]。在我國新課程實施中，如何在物理教育實踐中重視學生的理解，讓學生受到終身受益的科學教育，是每一位物理教育同仁需要思考并付諸行動的課題。

2）我們選擇課程內(nèi)容的標準是什么

我們處在科技變革日新月異的社會中，新世紀以來，在中學科學課程中增加新科技內(nèi)容的呼聲很高。從可供選擇的寬廣領域中為中學物理課程選擇合適的內(nèi)容， 對教師和學校來說都不是一件容易的事。深度和廣度， 學生的興趣和經(jīng)歷， 師資力量等因素都需要加以考慮。對許多學生來說， 中學物理課程可能是他們接受物理學正規(guī)訓練的唯一機會。對另外一些學生來說， 中學物理課程給他們打下一個基礎， 以備今后進一步深造。于是，“深度”和“廣度”似乎形成了課程開發(fā)不同的取向[3]。在新一輪課程改革中，中國傳統(tǒng)物理課程的“窄而深”傾向得到修正，但在改革過程中要避免重蹈美國“一英寸深，一英里寬”的老路。正如研究報告中指出：發(fā)展學生在某一領域的理解深度，比讓其膚淺地了解好幾個特定領域的知識更為重要。

3）真實情景的實驗應該開設哪種模式

在我國高中的實驗教學中，“食譜式”實驗占主導地位。所謂“食譜式”實驗是指，實驗操作指導就像“食譜”一樣，第一步應該怎么做，第二步應該做些什么，指導書上都寫得清清楚楚，明明白白，沒有關注學生對概念的理解。盡管學習科學，需要動手做，但動腦的過程比動手更重要。按照“食譜式”的實驗操作指導，學生不用動腦筋，只要一步步依著做就行了，因此，學生感到枯燥乏味。有觀點認為這種“食譜式”的實驗模式完全是在浪費時間，那么這種模式還要繼續(xù)維持還是完全舍棄呢？在美國，研究小組尚且指出完全放棄“食譜式”實驗的研究證據(jù)是不充分的，在我國的高中實驗教學中完全舍棄“食譜式”實驗那更是不切合實際的。我們可以參考研究小組在報告中給出的做法：讓學生收集數(shù)據(jù)以建立理論模型，把這個模型應用在真實的情景中，通過分析、面向老師或同學進行闡述和對實驗結(jié)果進行批判性評論等方式得到更多來自真實世界的體驗。

4）如何在評價中促進對概念的深入理解

評價是先修物理學習的一個非常重要的特色。評價的實施有兩個方面的作用：一方面是診斷學生對數(shù)學知識的理解水平，另一方面是導向和促進學生在物理學習中對理解的重視。而最重要的是，讓學生意識到評價是為了促進理解，而不是記憶，要讓他們更關注理解，并把更多的精力投入到理解之中。在我國，高中物理教學無一例外都要涉及高考問題，作為一種選拔考試，物理學科的高考命題如何體現(xiàn)以上提到的評價的導向作用呢？我們看看研究小組的建議：最高的分數(shù)應該給那些通過完整而清晰的物理推理得到正確答案的學生；終結(jié)考試題量應當有所控制，給予學生足夠的思考時間，并且應考察學生知道了什么，而不是考察學生回憶所學知識的速度，做題的熟練程度；設置“實驗設計”類型的考題，全面考察學生對科學知識的貫通、運用能力。

參考文獻：

[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，羅靜.美國“促進理解的數(shù)學課堂”簡介及啟示[J].課程·教材·教法，2008（3）：88—91.

[3]扈劍華.高中物理課程內(nèi)容——來自美國物理教師協(xié)會的觀點[J].課程·教材·教法，1996（4）：58—60.