清华张留碗教授谈中国大学物理先修课的现状与展望

作者简介：清华大学物理系实验中心主任，教授

本文刊登在2016年7月《物理与工程》期刊第 4 期

由清华大学牵头、全国40余所著名大学和中学联合发起的中国慕课大学先修课启动仪式在清华大学举行，包括大学物理在内的多门大学先修课在清华学堂在线慕课平台上隆重推出，短时间内吸引了全国数万名学有余力的优秀高中生登录平台免费学习.本文以大学物理先修课为例，介绍了美国大学先修课的由来和中国大学先修课产生的背景和现状，并对中国大学先修课未来的发展提出了建议.

1 大学先修课的由来

大学先修课 (Advanced Placement, 简称AP) 20世纪50年代起源于美国.20世纪初，美国的中学教育和高等教育脱节严重.二战结束后，美国福特基金会自助几个委员会研究教育问题.其中一项研究由安多弗 (Andover)、埃克塞特(Exeter)、劳伦斯威尔(Lawrenceville) 三所预科学校及哈佛、普林斯顿和耶鲁三所名校主持.1952年，委员会发表了《中学与大学阶段的通识教育》的报告，呼吁中学和大学教育一体化，建议中学招聘高质量的优秀教授，允许并鼓励中学高年级学生预学大学课程，可以参加相应的水平考试，从而获得大学的学分.另外一个委员会则从招生的角度，组织专家制定了相应的课程体系和评价标准，并在1952年启动了覆盖11门学科的先修课程.三年后，先修课程项目由美国“大学理事会”（College Board）负责运行.经过几十年坚持不懈的努力，美国大学先修课已有38门课程，覆盖了自然科学、历史和社会科学、语言文化、艺术、数学和计算机科学等学科领域.全球约有16800所会员中学开设了一门或多门先修课程，先修课的成绩得到了全球约60多个国家4000多所高校的认可.

美国大学先修课的课程体系和考试都是比较严格的.每门课都设有一个委员会，委员会由高校教授和富有经验的中学AP老师组成，负责修订课程内容和课程目标，并与考试中心合作完善考卷，确保ＡＰ课程的高水平运行.中学实行会员制，新开课教师必须经过培训，教学大纲必须经过审查通过.只有会员单位的ＡＰ课程才能得到承认.与每一门AP课程相对应都有一门AP课程考试.AP考试每年一次，一般在５月份.AP考试成绩为5分制，满分5分表示特别优秀，4分为优秀，3分相当于合格.AP课程在一些美国高中也被称为“荣誉课（honor）”，因为具有相当大的挑战性，因此吸引了很多成绩优秀的高中生选修.

在高中选修AP课程和通过AP考试不仅是对学生能力和学业水平的证明，其优势还体现在以下几个方面：

（1）申请大学时具有很大的优势.由于美国大学把学生在AP考试中的表现作为衡量其是否能够胜任大学学习的依据，美国８５%的大学在录取时会参考AP课程选修情况及其考试成绩；

（2）进入大学后，ＡＰ成绩优秀者可以获得大学学分，免修同类课程，提早选修更高级的课程或跳级；

（3）提前毕业.因在中学选修的AP课程多而在三年到三年半提前修完大学课程的学生不在少数；（4节省大学学费.一般一门AP课程可抵3个学分的大学课程，选修的AP课程越多，免修的大学课程也就越多，节省下来的学费也是相当可观的.

2 国内大学物理先修课产生的背景和现状

在美国，大学物理先修课有两类四门课，分别是以初等代数为基础的物理先修课１（力学）和物理先修课２（电磁学），以及以微积分为基础的物理先修课Ｃ-力学和物理先修课Ｃ-电磁学.前一类可以作为未来非理工类学生的通识教育课程，当然未来理工类学生也可以作为课程来学习以便为进一步学习更高一级的物理课程打下基础；后一类直接与高等学校理工类学生一年级物理课程相对应.进入大学后，先修课成绩符合要求的学生可以申请对应课程的免修，从而可以直接选修更高一级的物理课程，节省时间和学费.

在中国，虽然大学先修课还没有普及，但由于出国留学越来越低龄化，中学毕业出国读大学已经不是个别现象.为了满足日益增长的中学生出国需求，许多城市的著名中学都设立了国际部，开设了美国大学先修课程.美国大学理事会网站显示，2015—2016年度国内有189所中学开设了美国大学先修课.其中开设物理先修课1、先修课2、物理先修课C-力学和物理先修课C-电磁学的中学分别有106所、66所、81所和58所.

在国内，优质高等教育资源非常稀缺，且分布不均，高考几乎一直是进入高等学府的唯一渠道.近年来，随着高考减负和教育公平的呼声越来越高，教育部推行了一系列高考制度的改革，各省市相继出台了各自的高考改革方案，总体趋势是弱化文理科之间的界限，减少最后一次统考的科目，增加学生等级性考试科目的选择性.以上海的高考改革方案为例.从2017年起，上海考生将采取3+3模式，即高考成绩由语文、数学、外语3门统一高考成绩和学生从思想政治、历史、地理、物理、化学、生命科学6门科目中自主选择3门学业水平等级性考试成绩构成，作为高等学校录取的基本依据.高考成绩总分满分660分.其中，语文、数学、外语每门满分150分.3门普通高中学业水平等级性考试科目每门满分70分.等级性考试成绩以合格性考试成绩合格为基础，按照等第呈现为A+、A、B+、B、B-、C+、C、C-、D+、D、E共11级，分别占5%、10%、10%、10%、10%、10%、10%、10%、10%、10%、5%，在计入高考总分时，A+为满分70分，E计40分，相邻两级之间的分差均为3分.

教育部推行的高考改革方案旨在加强通识教育，实施素质教育，鼓励因材施教，对探索多样化拔尖人才培养、选拔机制，避免当前的唯分数论、一考定终身的现象具有积极意义.但改革方案也显示出，在高考总成绩中，以物理、化学和生物等为代表的自然科学的比重严重下降.在优质教育资源单调、缺乏和高考竞争异常激烈的前提下，广大中学和中学生势必将主要精力投放到举足轻重的语文、数学和英语三门学科中.一方面，现有的改革方案不仅不能满足部分优秀的、学有余力的中学生的求知欲望，而且还可能会由于其能力优势在高考中得不到充分体现而沮丧；另一方面，新改革方案无疑增加了高校通过高考选拔人才的难度.在上海的新的方案中，理论上物理的最高分为70，最低分为40，最高分差只有30，实际上绝大部分考生实际分差远小于30分，高校很难考察学生自然科学的能力差异.另外，同学入学后，即使在同一个专业大类，对具体一门学科而言，学生的知识和能力基础也参差不齐，对学制较为刚性的国内高校来说，对课程设置、教学方式等方面提出了严峻的挑战.高校势必采取多模式、阶梯式课程教学体系来适应新的高考改革方案.为此，开设大学先修课的时机已经成熟了.

但我们显然不能完全照搬美国大学先修课的内容，这不仅仅是语言的问题，更重要的是先修课的设置旨在加强中学和高校的无缝对接，而中国的教育体制以及中学和大学课程体系与美国都不尽相同.建立中国特色的大学先修课（中国大学先修课，China Advanced Placement，简称CAP）体系势在必行.

3 清华大学物理先修课的进展情况

目前，针对国内高中正常的课程设置，我们已经开设了以微积分为基础的大学物理先修课-力学和大学物理先修课—电磁学两门课程.力学部分包括质点运动学、质点动力学、动量和角动量、功和能、刚体、振动与波及狭义相对论等内容，预计 36学时.电磁学部分包括静电场、静电场中的导体和电介质、恒定电流、静磁场、静磁场中的磁介质、电磁感应、麦克斯韦方程组和电磁波等内容，预计30学时.两门课的教学内容达到了现有高校非物理专业工科学生大学物理的水平，适合于对物理感兴趣、学有余力的中学生学习，使他们提前了解大学物理的教育理念，提前感受大学的学习方式，更好地完成基础教育向高等教育的衔接过渡，使他们进入大学后能够处于更加游刃有余的地位，为学习更高层次的学科提前打下坚实的物理基础.同时也为学生尝试不同的学科方向，让学生真正享受到最符合其能力水平和兴趣的教育，为将来确定最感兴趣的专业领域提供了条件.

上述两门物理先修课都由包括国家级教学名师和北京市教学名师在内的清华大学富有丰富教学经验的一线教师授课.课程通常以合理说明或推论的方式，辅助以丰富的课堂演示实验，简单明了地给出物理学的基本规律.以此为基础引导学生认识和理解自然现象，学习分析解决实际问题的物理方法.考虑到选课同学的基础不同，课程内容分为基本内容和扩展内容，打星号的是扩展内容.课程结束后，采取线上考试，考试内容只包含基本内容.考试合格者获得合格证书.

大学物理先修课程由清华大学打造的首个中文版MOOC（Massive Open Online Courses，大规模开放在线课程）平台——“学堂在线（xuetangX）”正式推出，实现了“MOOC” 与“CAP” 的创新性融合，通过各大学建设的开放共享的MOOC平台，突破了时空和师资等条件的限制，将高校和中学联合建设的先修课程放上互联网，以其便捷性、高效性和低成本的特征，为公众尤其是学有余力的中学生提供了良好的免费学习平台和方式.作为MOOC课程，我们把内容分解成10分钟左右的视频为基础的很多片断， 每个片断包含一或两个知识点.教程内容精炼，概念准确清晰，与书面教材互为补充.力学和电磁学先修课在春、秋学期同时开放，供学生自由选择.

通过MOOCAP课程，学生随时可以下载教学大纲，观看教学视频，身临其境地感受清华大学大学物理的课堂现场，更重要的是网上课程设置了讨论区，鼓励学生自由提出问题，和其他同学和先修课的老师讨论问题.每门课安排了多名助教，密切关注课程运行情况，随时在线回答和讨论同学们提出的各种问题.每个视频片段后面往往有1~2个问题作为课堂练习，加深学生对物理概念和物理定律的理解，每一章节的后面有适量的课后作业，引导学生学习利用物理基本原理解决实际问题的方法.最后总评成绩是这样计算的：课堂练习占20%，课后作业占20%，最后考试占60%，总成绩加起来60分以上就算通过，其中，超过90分为优秀，75~89分为良好，60~74分为合格.我们会给通过的同学发相应的证书.

对于中学生学习大学物理先修课的时间我们也提出了建议.据我们了解，高中物理课教学一般是这样安排的：一年级主要学习力学和热学，第三学期学习电磁学，第四学期学习光学和近代物理.由初中升入高中，高一上学期是一个过渡期，我们希望同学尽快适应高中生活，所以不建议同学选修物理先修课程.我们的大学物理先修课（力学和电磁学）都需要微积分先修基础，所以我们建议高一的下学期学习一门微积分的先修课，高二的上学期，同学们已经有了微积分和高中力学基础，建议学习大学物理先修课—力学.在高二的下学期，学生已经掌握了高中电磁学课程，在此基础上建议学习大学物理先修课—电磁学.每门先修课都是一学期的课程，学生可以根据实际情况选学其中的一门或两门.

参考美国大学理事会的模式，先修课开课中学实行会员制，我们对开课老师进行了分批培训.就大学物理先修课而言，全国会员中学已达近300所，申请的学校不断增加.两年来，我们对会员中学近200名中学物理教师进行了培训.全国近50所中学开设了大学物理力学先修课.由于中学课时的限制，多数物理先修课采取了类似翻转课堂的模式，即在上课之前，学生先通过MOOC视频学习，课堂主要以讨论为主.讨论方式也多种多样，有的从习题出发，有的从演示实验出发，有的从重要的概念出发，还有的从某些具体问题出发，帮助学生深入理解物理基本概念，利用物理基本原理来分析理解日常生活中的物理现象，引导学生解决实际物理问题的能力和方法.MOOC平台为先修课教师提供了许多工具，比如，为了让教师在课堂上有的放矢，提高课堂学习效果，先修课老师可以通过MOOC平台及时了解本班学生线上学习、讨论的具体情况，还可以参与学生讨论，可以将线上发现的问题有针对性地在课堂上进行讲授、讨论.大学物理先修课—力学MOOC课程已经开设了2个学期，学习人数1万多人；电磁学MOOC课程2016年春季学期刚刚开放，目前注册人数为1000多人.

4 对大学物理先修课的思考和展望

根据上海的高考改革方案，普通本科院校可根据办学特色和定位，以及不同学科专业人才培养需要，从思想政治、历史、地理、物理、化学、生命科学6门普通高中学业水平等级性考试科目中，分学科大类(或专业)自主提出选考科目范围，但最多不超过3门.学生满足其中任何1门，即符合报考条件.对于没有提出选考科目要求的高等学校，学生在报考该校时无科目限制.从上海各高校的调查情况看，在上海市37所本科高校2017年共设置的1096个专业(类)中，提出3门科目要求的有281个.3门科目要求中最多的组合是物理、化学、生命科学，有217个专业(类)，其次是物理、化学、地理组合，有22个专业(类).提出2门科目要求的有85个，仅有物理、化学一种组合，没有其他科目组合要求，涉及专业(类)主要有医学、生物、化工、机械类等.提出1门科目要求的有75个，全部仅对物理提出要求，涉及专业(类)主要有工科、电子信息、电气工程、机械类等;没有提出科目要求的有655个，涉及专业(类)主要有管理、法学、艺术等.

所有专业(类)中，提出最多的选考科目是物理，有415个，占专业(类)总数的37.9%;其次是化学，有337个，占30.7%;再次是生命科学，有222个，占20.3%;地理、历史、思想政治分别为47个、41个、26个.上述统计结果表明，理工类专业非常重视物理学科的基础性，从另一个侧面表明大学物理先修课建设的重要性和迫切性.AP课和MOOC平台的结合，有利于优质教育资源的共享，实现教育公平，为大学物理先修课发展和推广创造了有利条件.但是，和其他先修课一样，大学物理先修课要得到国内教育界的普遍承认还有一段很长的路要走.

首先需要对国内的物理教育进行系统、科学的研究.目前国内的教育状况和美国20世纪50年代初相似，中学教育和高等教育自成体系，我们应该像当年的美国一样，站在社会进步和国家发展的战略高度，遵循人才培养的规律，组织高校教授和富有经验的中学老师，共同研究中国目前的物理教育问题，研究高等教育和中学教育的衔接问题，为中学和大学教育理念、课程体系及人才培养、选拔模式的调整提供科学依据.在中国，高考一直是一根神圣的指挥棒，高考制度的改革不仅仅关乎到大学生的录取问题，它与中学的教育导向、课程体系、教学模式、资源分配密切相关，也与高校的人才选拔方式、专业设置、课程体系、人才培养模式紧密相连，牵一发而动全身.目前各省的高考制度改革方案相继出台，但新的改革方案对整个教育体系的影响还没有进行充分的科学评估，与之相适应的高校课程体系的调整似乎还没有提上议事日程，作为衔接中学和大学教育的先修课程建设才刚刚开始.以物理为例.新的高考方案中考试科目选择的多样性和总成绩中物理比重的下降必然要求多系列、阶梯式高校物理课程体系与之相对应，高一级课程必须以低一级课程为先修条件，必须明确物理先修课与哪一级的大学物理课程相当.目前，普通高校工科类专业物理课程包括力学、电磁学、热学、光学和量子物理5个分支学科，通常在两学期，有的高校有的专业甚至安排在一学期内学完，也就是说一学期的课程必须包含2个或2个以上的科目.但是，由于中学课时的限制，往往一门先修课只包含1个分支学科，比如力学先修课，电磁学先修课，光学先修课等等，而且高中阶段同时修完2门或2门以上先修课的同学可能是少数，那么即使先修课成绩优秀的同学入学后也很难申请学分或免修.由此可见，先修课的建设是个系统工程，必须经过科学研究，谨慎规划，制定一个可持续发展的、切实可行的、相对稳定的长远规划.

其次，需要顶层设计，做到先修课的开课单位，组织考试单位和成绩使用单位的有效分离，保证先修课成绩的科学性、公平公正性和权威性.目前国内的大学先修课主要有两个体系，一个是清华大学牵头组织的MOOCAP体系，另一个北京大学牵头组织的AC （Advanced Pre-University Course）体系.就物理先修课而言，MOOCAP中开设了力学和电磁学，主要学习对象是未来非物理类工科学生，物理类专业学生也可以为进一步学习更高一级的物理的课程打下坚实的基础；AC体系中开设了电磁学，主要为未来物理类学生开设的.两类体系都有各自的理事单位，独立进行考试，考试成绩也没有得到广泛的认可.将来我们需要成立一个类似于美国大学理事会的全国性权威性机构，在前期专家广泛调查研究的基础上，组织不同的学科分委员会，统一规划大学物理先修课系列课程，明确课程基本内容、学习目标和考试大纲，组织培训中学物理教师，统一组织全国性的物理先修课考试.各个高校根据自己的实际情况制定使用先修课成绩的政策，或准予自主招生资格，或给予学分，或准予免修等等.

最后，需要国家层面上的政策护航.对于学有余力的中学生可以根据自己的兴趣和爱好，选择一门或多门先修课.学习先修课的数量和成绩在一定程度上反映了学生学习和理解新知识的能力.美国的调查研究表明，学习先修课的同学大学入学后普遍比没有学习先修课的同学表现优秀，85%的美国大学在录取时会参考AP课程选修情况及其考试成绩.笔者对清华附中2015年高中毕业去美国求学的学生进行过了解，大约80%的学生都有优秀的美国AP考试成绩.目前虽然高中认可先修课的重要性，但对是否开先修课普遍持观望态度.根本原因就是教育部对先修课成绩在自主招生中的作用缺乏支持的政策.教育部应该扩大高校招生、办学的自主权，支持高校将学习先修课的情况以及先修课的成绩，同奥赛成绩、科技创造一样，纳入自主招生参考的依据之一，同时监督高校公平、公正、公开自主招生过程.只有这样，中国大学先修课才会获得大力的推广和发展.

引文格式 (根据GB-7714参考文献著录标准)：张留碗. 中国大学物理先修课的现状与展望[J]. 物理与工程，2016，26（4）：13-17.

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