基于大中衔接的高中物理选修课程设计
本文发表在《物理与工程》期刊2016年第6期＂大中衔接栏目＂。作者为中国人民大学附属中学的刘娜、胡继超、宓奇老师。
物理是培养和提高国民科学素养和科技创新能力的重要学科，也是其他自然科学学科的研究基础.随着教育理念、方法和手段的发展，物理教学正从应试教育向学科素养的培养进行转变，但在提高学生物理学科素养中的课程设计和课程衔接等方面仍存在不少难题.特别是，由于高中和大学这两个学段的物理教学内容和方法存在较大差异，学生在物理学习中极易出现知识重叠、断层、缺失等问题；大学教师在教学方法上也存在“高台阶”、跨度大的现象，难以形成系统化的物理学科教学体系，不利于提高学生个体的物理学科素养.
究其原因，一方面是由于文、工、理等不同学科对学生的培养目标和专业要求存在差异，同时教育区域化也导致学生的选修模块组合不尽相同，这就导致处在同一课堂的大学生们具有参差不齐的物理基础；另一方面在高考指挥棒的影响下，多数高中物理必修课不全从兴趣和求知出发而是以高考要求为指导，但最近几年高考对物理的要求逐年降低，高中毕业生的整体科学素质不如从前，而学段上的机械划分和一刀切的课程设计进一步降低了物理教学的效率和效果，导致很多大一新生不适应大学物理的学习.
正因如此，高中与大学物理的衔接研究才越来越重要.大中衔接早在20世纪80年代便得到了世界各国的重视，我国也是最早开展大中衔接实践的国家之一[1].当前，在新高考改革即将全面实施之际，各校都在进行相应的课程改革设计，中学越来越淡化应试教育，更加重视学生的学习兴趣、学习能力、创新意识和创新能力等综合科学素养的培养，这为进一步深化大中衔接的研究与实践提供了良好的契机.
本文将围绕大中衔接这一问题，以高中物理课程设计为切入点，探索物理Ⅰ和物理Ⅱ不同教学领域的衔接方案，并介绍笔者学校所作的一些尝试以及经验.（其中物理Ⅰ包含力学和电磁学，物理Ⅱ涵盖光学、原子物理、热学、狭义相对论等，为了方便讨论以下均用物理Ⅰ和物理Ⅱ指代.）
高中课程体系如图1所示，其中理科物理教材共7册，包括2册必修和5册选修3系列.包含力学、电磁学、光学、原子物理与原子核、热学、狭义相对论的学习内容.
图1 高中物理课程体系
按照北京高考大纲要求，其中物理Ⅰ是高考的重点和难点，其他知识点在高考中比重相对较轻且相对容易.相应地，北京市高中物理教学的重点也集中在力学和电磁学，多数高中学生这部分的知识基础相当扎实.相比之下，物理Ⅱ在新授课课时上累计只有两个月左右，存在课时紧、课程设计系统性差、知识点烦琐而缺乏针对性、理论联系实际不够等问题，在高三复习时更不会花太多时间，所以高中学生对这一部分知识的学习效果很差，基本是为了应付考试学习的，等高考结束后这部分知识会很快遗忘殆尽.
由于这两部分知识的授课特点不同、高中生的掌握情况不同，在进入大学后，学生在这两部分知识的学习上也会有不同的反映.对于物理Ⅰ，部分学生会因为知识点的重复教学导致学习兴趣较低进而影响到课堂听讲，不利于高效课堂和人才培养；而对于物理Ⅱ，不论是在工科生学习的大学物理中还是在物理系本科生需要学习的专业课中，都因为高中基础太薄弱从而增大了学习难度，跨度大难度大也会导致师生在课堂上无法进行互动，降低课堂效率.这些都是大学与高中教学不能有机衔接的体现，这些现象不利于大学教师的“教”，更不利于学生的“学”.
针对上述情况，本文分别对物理Ⅰ和物理Ⅱ提出了不同的衔接方案，期待能有力促进这两部分与大学的有机衔接.
3.1 物理Ⅰ
对多数大学生而言，很多力学和电磁学知识在高中已有所学习，区别主要在于大学物理引入了高等数学的方法，使逻辑推导更加严密.所以力学和电磁学中的很多知识点在大学中是从旧到新的学习过程.布鲁纳的认知结构学习理论[2]指出，无论新旧知识关系如何，对新知识的理解都会导致对旧知识理解的进一步加深.同时美国教育心理学家奥苏贝尔的学习同化理论[2]认为，学习新的观念会使原有观念得到丰富和发展.
既然这样，在物理Ⅰ这部分知识的学习上，对于学有余力、同时具备了基本的微积分运用能力的优秀高中生，大学里的学习可以适当提前到高中来进行.一方面这符合人类记忆规律，在旧知识记忆深刻之时加深和拓展，学习起来更容易；另一方面，这符合人类学习规律，如布鲁纳和奥苏贝尔所说，在高中学习大学力学和电磁学更有助于高中生更深刻地理解高中所学的内容.
这种模式就是目前全国都在推行的大学先修课.这一课程的设置，可以使高中物理与大学物理有效衔接，使学生不受学制和学段不连续的影响，获取知识更加连贯，有效减少重复性学习和间断性学习，将更多的时间精力投入到专业研究，使学习更加高效，尽快成才.
关于大学先修课的重要意义，有不少专家学者进行了探讨，如张留碗在“中国大学先修课的现状与展望”的文章[3]中指出，当前全面推行大学先修课势在必行，不仅为了适应新的高考改革方案，更是为了加强中学与高校的无缝衔接.
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，大学必须制定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.目前清华大学推出的“学堂在线”在这一方面可以说走在前列，它通过线上平台进行大学先修课程的推广，目前已经成熟的物理课程是力学和电磁学，这两门线上课程是由清华大学具有丰富教学经验的一线教师授课，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.学堂在线还有线上测试和讨论区，有助教定期维护，方便随时解答学生们的问题.同时“学堂在线”推出的手机APP也更加方便了学生和老师使用，可以说这一平台是帮助全国中学全面开设大学先修课的一个有力工具.
而作为中学教师除了有效利用“学堂在线”平台，在线下的课堂上该如何教授大学先修课呢？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.笔者在教授大学先修课物理力学过程中，采用了翻转课堂和问题引导等授课方式.
“翻转课堂”是提前让学生学习“学堂在线”上的相应视频内容，课堂上再针对视频重点讲解同时讨论一些重要问题.这一种模式一来可以大大提高教学进度，尽可能在一学期28课时中多学一点知识；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.这里要特别强调一点，翻转课堂搭配在线教学软件会达到更好的教学效果.笔者在授课期间一直使用一款名为“UMU互动”的APP，在两次课之间的间隙时间里，教师在UMU上提出问题要求学生回答，教师可以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，从而使课堂更加有针对性.图2是笔者在UMU中针对一个问题的讨论情况.可以从中看到学生的参与人数，回答问题的人数以及学生的答案.
图2 UMU互动学习过程截图
“问题引导”是指上课过程不是传统的灌输式教学，而是通过教师不断地设问、学生积极地思考逐渐找到正确解释的学习过程.这种过程更能够帮助学生准确认识和理解物理概念，而且大大提高课堂的兴致，如果教师的问题设置得好，环环相扣，整个课堂充满了思辨氛围，学生乐在其中，实乃教学之幸也.
下面介绍笔者设计的“非惯性系与惯性力”一课的教学片段.在学生学习了“学堂在线”上关于惯性力的视频之后，课上教师可以直接通过下列几个问题引发学生：
（1） 地球是否是一个惯性系？
学生会回答不是.老师继续问那为何在研究月亮绕着地球旋转时不考虑惯性力的作用？
点评： 这一问题的设计是为了让学生从比较常见的问题来理解惯性力被抵消，同时也纠正了太阳引力太小可以忽略不计的错误认识.
（2） 空间站是不是一个惯性系？
点评： 这个问题与(1)问相比要抽象一些.在之前UMU的摸底中几乎全部学生都认为，地面近似为一个较好的惯性系，空间站相对于地面有加速度，一定不是一个惯性系，所以在空间站参考系中分析物体的运动，必须同时考虑地球的引力和惯性力.以上分析固然没错.但是如果空间站尺度不是很大，物体受到的惯性力可以被引力抵消，物体反倒是处于合外力为零的状态，根据牛顿第一定律，飞行器是很好的惯性系.这就可以帮助学生更好地理解惯性系这一概念.
（3） 为什么会有潮汐现象？
点评： 结合（1）、（2）的思考，提示学生如果飞行器过大会怎么样？学生会自动得出“由于引力梯度，惯性力不能处处被引力抵消”的答案.
（4）潮汐是不是只在液体中才有，月球的自转周期与其公转周期有什么关系？
点评： 学生一定会知道不只是液体有潮汐现象，固体也有，再进一步引导学生固体潮汐的作用，以及月球自转与公转周期相等的原因.
这4道问题一气呵成，可以紧紧地吸引住学生的注意力，不仅课堂趣味横生，学生的思考也会逐渐深入，有利于帮助学生建立清晰的物理图像，加深对物理概念的理解.
此外，笔者还会向学生提出一些有趣的问题，比如“如果失去一切地球施加的力，在地面上看来你会怎么动”，这类问题在课堂中讨论都会十分活泼.笔者发现，通过学生线上的预习和讨论问题的精心设计可以使学生注意力更集中，思考更有效，对物理本质的理解更充分.真理越辩越明，物理也同样.
然而不是全部的知识点都适合用上述的方式进行授课，在一些公式推导的课堂上可以通过提供一个错误解法让学生们通过讨论的方式开展，比如：
例题：“一根长为l 的均匀柔软绳子，线密度为ρ，手提上端使其下端刚好与地面接触，松手后请求证下落过程中桌面对绳子的支持力等于此时落到桌面上绳子重力的3倍”.这是一道关于动量定理的典型例题，根据对绳子动量变化的分析求出地面给绳子的支持力.但是对于高中生来讲，不一定能清楚地分析出整段绳子的动量变化量到底有哪些，因此有必要在学生充分思考之后进一步询问学生下列做法是否正确：以整根绳子为研究对象，动量的变化量只是由dt时间内下落部分速度变为零引起的，因此有：
请问这样做对不对？多数学生在此番引导之后会发现问题所在，动量变化量不仅是落地部分贡献的，还有下落部分的动量变化，进而建立起正确的动量变化量图像.
这种针对题目的深入引导，有利于帮助学生学会思考，更会使物理课堂不仅停留在做题上，而是从题目中享受分析问题的乐趣.
3.2 物理Ⅱ
从上面介绍看，关于物理Ⅰ的衔接方案可以说是比较成熟的，至少有成熟的体系和从大学往中学的推动力度.但关于物理Ⅱ这部分内容进行大中衔接就有一定的困难.下面是笔者对此进行的一些探索.
之前介绍过物理Ⅱ这部分内容高考要求低、授课时间短，所以学生们更多的是短时间的记忆，缺乏深度的认识和实践性的知识应用能力，导致这部分内容成为大学物理教学中难度最大、跨度最宽的知识点.从高中教师的实际教学看，由于近代物理涉及较多的实际科研问题，专业性太强而较难驾驭，这在客观上拉开了高中与大学物理的差距.对此，郑海务在“大学物理课程和中学物理课程近代物理部分的衔接研究”[4]中给出了很多对策，比如根据高中与大学物理知识点的差异，灵活把握在授课时的侧重点以及适度的拓展.不过这些建议主要是针对大学教师的授课，对于这部分内容的高中教学，笔者所在学校设计了一门非常有特色的选修课程[5]，它是专门针对物理基础扎实、学有余力，并对物理具有浓厚兴趣的学生开设的.
该课程采取高中大学合作开设的方式，采取如下流程：
（1） 备课环节
首先需要教师拥有一种抛开考试要求、单纯地追求格物致理的信念.梳理出物理Ⅱ中长期存在讲解不清的点、可以进行深入讲解的点以及与前沿科研有关的点.比如光电效应中的逸出功本质，是否需要区分金属和半导体，是否与温度有关等，这需要探讨；比如拟合黑体辐射的维恩公式与普朗克公式十分相似，那普朗克量子化的思想是如何在公式中体现的，这需要深入讲解；再比如寻找一些与科研前沿的结合点以及拓展，如激光、量子等知识点，可以拓展到目前的科学前沿.这些与科研前沿结合的点，可以请大学教师来高中开设讲座，但在讲座中必要的知识储备需要在讲座开设之前教给学生.这样在备课环节中就需要大学与高中的配合，高中教师梳理出上述知识点，大学教师则把自己熟悉的一线科研尽可能地向相应的知识点挂靠，一来使讲座更加接地气，二来能够培养学生们灵活运用知识点的能力.在这样的备课过程中，需要高中大学双方的共同合作，互相补充，相互促进，不断完善讲义，从而形成更加完善的衔接讲义.
（2） 授课模式
这门选修课程一学期共有14次课，每次课80分钟，共28学时.在精心编排下，课程设计了7个专题，分别是量子物理、光学、粒子物理、纳米材料、天体物理、超导材料、拓扑绝缘体.每个专题2次课，其中一次是高中教师讲授的知识型课堂，另一次是大学教师讲授的相关知识点的科学前沿讲座.大学教授的讲座专题要与高中的知识点挂靠，它们之间的对应关系如表1所示.
依据备课的准备，知识型课堂一要为讲座做铺垫，二要结合高中课本的知识点进行深入挖掘.讲座课堂由清华和中科院的专家教授前来授课，除了科研的介绍之外还有科普的性质.这不仅能让学生们感受到一线科研的魅力，更能提升学生对知识的运用能力.
这种备课和授课方式，一来弥合了高中物理与大学物理的知识落差，二来加深了学生对知识点的印象和运用能力，不失为提升学生科学素养比较有利的一个方向.
（3） 困难
这门选修课的难度要比大学先修课大得多，主要体现在以下3点.第一，没有模板、讲义和严格的评价机制，一切都需要我们自己去摸索.第二，线下课堂很难做到全国全面地推广，因而需要配合在线教学.为此我们对每一次课都进行了录制，视频目前可以在人大附中联合总校的在线教学平台观看，以尽可能地做到教育公平化.第三，缺乏从大学向中学的推动力量，这部分内容几乎很少作为大学先修课来上，在“学堂在线”上虽有线上课程，但在没有考试和学分的压力下，这部分课程的线上学习人数会比大学先修课的学习人数少，没能最大限度地发挥它的作用.
对于我们这门课程，清华大学和中科院给予了很多无私的帮助和奉献，但如果真正要把这门课程做精做强，还需要大学更大力度和更大范围的推动.如果大学能够像设计大学先修课一样有针对性地设计这门课程，那它就会以更快的速度发展和壮大，而从这门课程诞生出来的优秀学生将会是最有可能成为未来投身科研一线的人才，而这对中国更快跨入科研强国有重要意义.尽早培养科研人才，应该是整个科学、教育界最为关注的，也应该得到重视.
3.3 高中教师培训
上述两类课程的开设，需要一批业务精干的高中教师，他们要具备一定的科学素养和丰富的教学经验，具有教学资源的整合协调能力，这就要求高中教师必须加强自身学习、开阔视野，随时保持知识的鲜活度和权威性.因此，不论是大学先修课还是针对物理Ⅱ的特色选修课，都要重视高中教师培训，以保证知识传播的有效性和科学性.
在大学先修课方面，大学会定期召开针对高中教师的培训会，一般为期4天左右.一来统一教学目标，二来也是教师交流学习的好机会.而对于我校自主创办的特色选修课，目前是没有相应的教师培训活动，但这一部分更加需要大学专门的教师培训才能保证授课效果，这也可以作为高中与大学进一步加强合作的另一重要模式.
本文通过深入分析高中物理的知识点教法和学生学情，指出了不同知识点在高中物理和大学物理存在不良衔接的原因，提出以开设大学先修课和特色选修课的方式，有效衔接高中和大学在物理Ⅰ（力学和电磁学）和物理Ⅱ（光学、原子物理、热学、相对论等）领域的知识点.并详细介绍了笔者学校在开设这两门课程时的做法和经验.课程的实际操作和全面推广还需在后续实践中进一步探索，希望能为大中衔接提供一定的借鉴.
参考文献
[1]兰智高.“大学物理教学衔接”问题的研究述略[J].枣庄师范专科学院学报,2002(19)：31-33.
Lan Z G. “Convergence” of college physics teaching research[J]. Journal of Zaozhuang Teachers' College, 2002(19): 31-33.
[2]孙志华.高中物理教育与大学物理教育的衔接研究[D].南京:南京师范大学,2010.
Sun Z H. Research on the connection between high school physics education and University physics education[D]. Nanjing: Nanjing Normal University, 2010.
[3]张留碗.中国大学先修课的现状与展望[J].物理与工程, 2016(4):13-17.
Zhang L W. The present situation and prospect of China advanced placement[J]. Physics and Engineering, 2016(4): 13-17.
[4]郑海务.大学物理课程和中学物理课程近代物理部分的衔接研究[J].物理与工程,2011(5):45-48.
Zheng H W. Research on the connection of the modern physics of university physics and middle school physics curriculum[J]. Physics and Engineering, 2011(5): 45-48.
[5]刘娜,宓奇,李彪.《物理前沿讲座研讨课程》开发的探索和构想[J].物理通报,2016(5):2-4.
Liu N, Mi Q, Li B. Exploration and construction on “frontier physics lectures and seminar”[J]. Physics Bulletin, 2016(5): 2-4.
引文格式：刘娜，胡继超，宓奇．基于大中衔接的高中物理选修课程设计[J].物理与工程,2016,26(6):78-83.
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