張新義

(中國人民大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100080)

1 先修課是提升物理核心素養(yǎng)和銜接大學(xué)與中學(xué)物理教學(xué)的必然要求

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》開宗明義，指出物理學(xué)“是自然科學(xué)領(lǐng)域的一門基礎(chǔ)學(xué)科，研究自然界物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律”“高中物理課程是普通高中自然科學(xué)領(lǐng)域的一門基礎(chǔ)課程，旨在落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，進(jìn)一步提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，為學(xué)生的重視發(fā)展奠定基礎(chǔ)，促進(jìn)認(rèn)可科學(xué)事業(yè)的傳承與發(fā)展[1]”。也就是說，物理學(xué)科知識(shí)不應(yīng)當(dāng)是汪洋中的一座座孤島，而應(yīng)當(dāng)有機(jī)連接起來，形成整體。這就從傳統(tǒng)的對(duì)“知識(shí)”的傳授，進(jìn)一步轉(zhuǎn)向?qū)Α澳芰Α钡膹?qiáng)調(diào)，更加重視“素養(yǎng)”的重要性。所謂的“素養(yǎng)”，不只是重視知識(shí)，更加重視能力，強(qiáng)調(diào)態(tài)度，也可對(duì)過往的重知識(shí)輕能力的片面教育起到一定的糾偏作用。從這一角度來看，高中物理的科學(xué)知識(shí)，實(shí)際上起到的是載體作用，而真正著重培養(yǎng)的應(yīng)當(dāng)是利用現(xiàn)有的知識(shí)基礎(chǔ)提出問題，發(fā)現(xiàn)問題，以及進(jìn)一步解決問題的能力，亦可稱為“素養(yǎng)”。

物理學(xué)科的核心素養(yǎng)，應(yīng)是“學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力[1]”。普通高中教育仍屬于基礎(chǔ)教育，因此，現(xiàn)有高中物理教學(xué)體系應(yīng)注重全體學(xué)生的共同基礎(chǔ)，當(dāng)然也設(shè)計(jì)了一系列供學(xué)生選擇的物理課程模塊，以滿足學(xué)生的不同學(xué)習(xí)需求。不過，受課時(shí)限制和高考學(xué)業(yè)壓力，為了讓學(xué)生在高考中勝出，中學(xué)物理教學(xué)實(shí)際上仍以高考作為指揮棒制定培養(yǎng)方案的，高考不涉及到的內(nèi)容，課內(nèi)教學(xué)也只能忍痛割愛。這導(dǎo)致了兩個(gè)結(jié)果：一方面相關(guān)學(xué)生的興趣、發(fā)展?jié)撃芎吐殬I(yè)需求，可能在一定程度上得不到完全滿足。另一方面，很多高等院校特別是理工科專業(yè)與中學(xué)物理教學(xué)存在一定程度的銜接問題。

新課改的目標(biāo)是學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和實(shí)際情況，構(gòu)建適合自己發(fā)展的學(xué)習(xí)內(nèi)容，而不是所有人都一刀切式地學(xué)習(xí)。聯(lián)系到《國家中長(zhǎng)期教育改革與發(fā)展規(guī)劃綱要(2010～2020)》明確提出要“深入推進(jìn)課程改革，創(chuàng)造條件開設(shè)豐富多彩的選修課，為學(xué)生提供更多選擇，促進(jìn)學(xué)生全面而有個(gè)性的發(fā)展”“逐步形成分類考試、綜合評(píng)價(jià)、多元錄取的考試招生制度[2]”。這意味著，高中物理課程應(yīng)當(dāng)建設(shè)成：傳統(tǒng)常規(guī)課程與豐富的選修課相結(jié)合，形成分類別、有層次的課程體系，滿足不同層次不同特點(diǎn)的學(xué)生多樣化的需求。這也是培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才的基本條件。

為建立大學(xué)與中學(xué)物理教學(xué)的銜接橋梁，中學(xué)和大學(xué)都在積極思考破壁。為此可以考慮在中學(xué)和大學(xué)之間合作開設(shè)相關(guān)的大學(xué)先修課程，從而為在物理領(lǐng)域?qū)W有余力的優(yōu)秀學(xué)生提供全面而有個(gè)性地發(fā)展的可能[3]。

2 電磁學(xué)先修課的開設(shè)是大學(xué)與中學(xué)認(rèn)真評(píng)估的選擇

電磁學(xué)作為絕大多數(shù)理工科院系的一門重要基礎(chǔ)課，經(jīng)北京大學(xué)物理學(xué)院推薦為第一門物理類先修課向中學(xué)推廣。人大附中作為電磁學(xué)先修課的首批開設(shè)學(xué)校，也經(jīng)過慎重的考慮和選擇。

首先，有意在大學(xué)學(xué)習(xí)理工科的學(xué)生，需要比較多的電磁學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，因此，學(xué)有余力的學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)是十分必要的。此外，在物理競(jìng)賽普遍化的大環(huán)境下，準(zhǔn)備競(jìng)賽的同學(xué)們?nèi)绻軌蚣骖檶W(xué)習(xí)，獲得先修課學(xué)分，也有利于得到階段性成果。

其次，先修課和物理競(jìng)賽不同，更不是競(jìng)賽升級(jí)。競(jìng)賽的著眼點(diǎn)在解題勝出，而先修課源自大學(xué)專業(yè)課程，學(xué)生通過學(xué)習(xí)能系統(tǒng)地了解物理學(xué)的內(nèi)涵和外延，為進(jìn)一步完成大學(xué)學(xué)業(yè)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)，先修課也為同學(xué)們提供了更多展示自己的機(jī)會(huì)和渠道。

基于以上評(píng)估和選擇，人大附中決定開設(shè)電磁學(xué)先修課。這門課程以北京大學(xué)相關(guān)課程為基礎(chǔ)，課程難度有挑戰(zhàn)，并不是所有學(xué)生都有能力隨意選擇的。而對(duì)于學(xué)有余力又喜歡物理的學(xué)生，享受挑戰(zhàn)帶來的樂趣，的確是一個(gè)愉悅的選擇。先修課的教學(xué)和實(shí)施，離不開中學(xué)和大學(xué)之間的教學(xué)交流。因此，人大附中和北京大學(xué)物理學(xué)院不失時(shí)機(jī)地共建先修課程體系，在電磁學(xué)先修課的實(shí)施中進(jìn)行了密切合作。在這門先修課上能取得好成績(jī)的同學(xué)，完全有能力適應(yīng)大學(xué)相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。

3 電磁學(xué)先修課關(guān)注對(duì)科學(xué)概念和本質(zhì)的深入理解

中學(xué)物理常規(guī)教學(xué)中對(duì)于很多物理基礎(chǔ)知識(shí)只涉及簡(jiǎn)單公式的計(jì)算，把實(shí)際情況大大簡(jiǎn)化成抽象的物理模型和一道道習(xí)題，尤其是對(duì)于電磁學(xué)，很多天才的理論構(gòu)想，巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，都避重就輕，很多富含物理意義的內(nèi)容也因此被消解或略過不表。精彩之處無法展現(xiàn)，容易造成學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中興趣缺乏，會(huì)感到電磁學(xué)千頭萬緒，雜亂無章，不易深入理解科學(xué)概念和本質(zhì)，體現(xiàn)為大學(xué)與高中教學(xué)的銜接困難。

電磁學(xué)先修課向?qū)W有余力的優(yōu)秀中學(xué)生介紹經(jīng)典電磁理論，培養(yǎng)分析解決電磁學(xué)基本的問題，使他們了解電磁運(yùn)動(dòng)的基本現(xiàn)象、概念和規(guī)律，以及電磁學(xué)史上的某些重大發(fā)現(xiàn)和發(fā)明過程中的物理思想和實(shí)驗(yàn)方法，領(lǐng)略大師智慧。電磁學(xué)先修課特別注意對(duì)科學(xué)概念和本質(zhì)的介紹，包括電磁場(chǎng)的物質(zhì)觀念，場(chǎng)與物質(zhì)的相互作用觀念，場(chǎng)的能量動(dòng)量觀念，尤其是貫穿整個(gè)課程的近距觀點(diǎn)和超距觀點(diǎn)的不同，引起的研究方向不同，很好地輻射了物理觀念和科學(xué)思維這兩大物理學(xué)科素養(yǎng)。

4 電磁學(xué)先修課的實(shí)施

先修課課程的要求應(yīng)當(dāng)與大學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)一致，否則就稱不上是先修課了。但作為面向中學(xué)生開設(shè)的課程，不能僅僅將大學(xué)課程下移，而是要針對(duì)中學(xué)生實(shí)際情況重新仔細(xì)地設(shè)計(jì)，需要與中學(xué)物理的常規(guī)課程進(jìn)行良好的配合。

從課時(shí)角度講，電磁學(xué)的基本內(nèi)容在北大開設(shè)時(shí)，每周3節(jié)課150分鐘，共15周計(jì)2250分鐘，若包含習(xí)題課和考試時(shí)間，需要的課時(shí)將更多。若以人大附中的國家選修課時(shí)安排，每周2節(jié)課80分鐘，共14周計(jì)1120分鐘來看，教學(xué)課時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大學(xué)同類課課時(shí)，難以達(dá)到良好的授課效果。如果以周為計(jì)劃強(qiáng)行推進(jìn)教學(xué)進(jìn)度，略過很多篇章，余下部分請(qǐng)同學(xué)課下看書或看錄像，實(shí)踐表明學(xué)生難以堅(jiān)持，效果也不好。筆者也曾嘗試分成上下學(xué)期分開授課，但電磁學(xué)課程內(nèi)容是連貫的，分成兩學(xué)期授課之后，一些秋季選課的同學(xué)沒有繼續(xù)學(xué)習(xí)春季課程，而一些春季選課的同學(xué)也沒有秋季選課的基礎(chǔ)，教學(xué)進(jìn)度受較大影響。

電磁學(xué)的課時(shí)應(yīng)當(dāng)不少于北大同類課課時(shí)，經(jīng)過與學(xué)校主管領(lǐng)導(dǎo)協(xié)商，可以適當(dāng)增加周課時(shí)。按照這一思路，設(shè)計(jì)如下安排：每周課時(shí)增加為4節(jié)課160分鐘(兩個(gè)80分鐘，中間休息半小時(shí))，共計(jì)共14周計(jì)2240分鐘，連續(xù)授課，保證授課時(shí)間，從而達(dá)到良好效果。課程時(shí)間增加了，反過來也更容易逆向甄別學(xué)生選課的目的：是對(duì)物理的真正熱愛，還是只想蹭學(xué)分？實(shí)踐表明，真正喜愛物理的學(xué)生，非常愿意再上80分鐘。

目前，電磁學(xué)先修課已經(jīng)在人大附中開設(shè)了5年有余，形成了相對(duì)穩(wěn)定的課程體系，如表1所示。

上述研究主要針對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化緩慢的社交網(wǎng)絡(luò),而且是單節(jié)點(diǎn)對(duì)間的鏈路預(yù)測(cè).本文針對(duì)拓?fù)渥兓l繁的機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò),采用模式分類方法,基于動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的切片處理,以切片后的快照描繪網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)信息,借助CNN在特征提取上的優(yōu)勢(shì),來捕獲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的有效特征,并據(jù)此推斷鏈路的演化模式,進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)間的鏈路預(yù)測(cè).

表1 電磁學(xué)先修課教學(xué)計(jì)劃

這門電磁學(xué)先修課并不是一味的講授，而是在實(shí)際教學(xué)中，通過講授和提問相結(jié)合的方式，在不同的知識(shí)背景下拋出各種問題。很多問題即使中學(xué)和大學(xué)物理常規(guī)課程也并不一定都講，一般的專業(yè)課教材也沒有細(xì)說，卻值得教師帶領(lǐng)學(xué)生一一品味琢磨，在提問和回答的過程中，同學(xué)們的思維得到了很好的鍛煉，對(duì)物理圖像的理解也大大增強(qiáng)了。這也培養(yǎng)同學(xué)們聯(lián)系實(shí)際提出問題、分析問題和解決問題的能力，這與新一輪課改的物理學(xué)科核心素養(yǎng)不謀而合。

試舉幾例：常規(guī)物理教學(xué)中，介紹平行板電容的公式，電容大小與正對(duì)面積成正比，與距離成正比，但是為什么會(huì)帶一個(gè)系數(shù)4π？提出這樣的問題，然后分析靜電作用的基本規(guī)律——庫侖定律的形式，以及參數(shù)的選取策略，涉及貫穿整個(gè)靜電學(xué)理論。又如：洛倫茲力不做功，為什么能作為非靜電力做功產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)？這是電磁感應(yīng)中一個(gè)不容易講清楚的問題，我們把這個(gè)問題提出來，啟發(fā)學(xué)生思考討論，收到了很好的效果。這樣深入淺出，學(xué)生很容易直觀感受電磁學(xué)理論的科學(xué)思維，培養(yǎng)提出創(chuàng)造性見解的能力與品質(zhì)。

為了突出物理觀念，我們引入空間對(duì)稱性來解釋庫侖力的方向，介紹庫侖定律成立的靜源條件，以及某些情況下“違背”牛頓第三定律的深層次原因——要考慮電磁場(chǎng)動(dòng)量[4]。這樣，同學(xué)們認(rèn)識(shí)到庫侖定律、牛頓定律等中學(xué)介紹過的知識(shí)需要在新的層次通盤考慮，也是物理觀念的革新。

基于以上認(rèn)識(shí)，我們更加強(qiáng)調(diào)物理圖像，降低習(xí)題計(jì)算要求。

學(xué)習(xí)電磁學(xué)先修課的人大附中學(xué)生普遍缺乏數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，也給同學(xué)們學(xué)習(xí)電磁學(xué)先修課帶來了困難，因?yàn)?，除了一元微積分，電磁學(xué)先修課還可能涉及多元微積分、矢量叉乘及場(chǎng)論、矩陣和行列式等代數(shù)理論，以及微分方程等內(nèi)容。對(duì)此，我們的觀點(diǎn)是：只要能看懂，會(huì)計(jì)算，就可以。

例如，對(duì)于微積分的要求，能理解和表達(dá)一元微積分的相關(guān)概念和涵義，通過基本初等函數(shù)積分表計(jì)算常見函數(shù)的導(dǎo)數(shù)和積分，從而理解多元微積分可表示電磁場(chǎng)在空間的某個(gè)曲面或曲線上的特殊性質(zhì)，就可以了，并不要求學(xué)生掌握微積分中值定理這些在高等數(shù)學(xué)和專業(yè)微積分課程才會(huì)學(xué)習(xí)的內(nèi)容，實(shí)際計(jì)算時(shí)甚至只有一元微積分。在先修課教學(xué)過程中，可以隨著課程進(jìn)度和內(nèi)容需要，側(cè)重介紹不同數(shù)學(xué)工具的使用目的和表達(dá)的物理含義：矩陣可用于材料表達(dá)各向異性性質(zhì)，復(fù)數(shù)運(yùn)算方便了簡(jiǎn)諧交流電的處理，而微分方程可以揭示不同物理規(guī)律及其解在形式上的相似，等等。

原美國史岱文森高中校長(zhǎng)張潔女士曾來人大附中介紹學(xué)生學(xué)習(xí)多元微積分的情況，并自豪稱之為Post AP(即美國大學(xué)先修課的后續(xù)課程)，聽完這個(gè)報(bào)告以后，筆者也和同學(xué)們打趣說：“我們已經(jīng)在學(xué)習(xí)Post Post AP課程(即美國大學(xué)先修課后續(xù)課程的后續(xù)課程)了?！?/p>

5 電磁學(xué)先修課的課程管理與評(píng)價(jià)

電磁學(xué)先修課的評(píng)價(jià)方式是過程性評(píng)價(jià)與期末考試相結(jié)合。過程性評(píng)價(jià)包括20%的出勤和20%的課堂表現(xiàn)。為培養(yǎng)良好的學(xué)風(fēng)，課堂考勤的分?jǐn)?shù)嚴(yán)格按照學(xué)校有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。而在期末考試之前，教師會(huì)提供答疑時(shí)間，并分享所有講義課件和練習(xí)題答案。作為一門有著明確教學(xué)要求的課程，先修課期末會(huì)考察最基礎(chǔ)的知識(shí)要點(diǎn)和最基本的科學(xué)常識(shí)。

目前電磁學(xué)先修課經(jīng)過近5年的建設(shè)，所有講義、作業(yè)題、以及復(fù)習(xí)資料、都已經(jīng)整理成電子文檔供選課同學(xué)學(xué)習(xí)使用。先后有幾百位同學(xué)選修了該課，年級(jí)跨度從早培九年級(jí)到高三(12年級(jí))，其中每年約有6～7名同學(xué)在北大舉行的先修課考試拿到A等以上成績(jī)。

選課同學(xué)們對(duì)課程本身非常喜愛，評(píng)價(jià)也很高。有同學(xué)寫道：

“我印象最深刻的內(nèi)容是對(duì)電介質(zhì)極化與磁介質(zhì)磁化的討論，因?yàn)檫@兩部分推導(dǎo)結(jié)果形式美觀且驚人地相似，而且巧妙地定義了輔助物理量D和H,使得總電場(chǎng)強(qiáng)度與極化強(qiáng)度(或總磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁化強(qiáng)度)等物理量相互牽扯、難以求解的問題得以解決。美觀且相似的結(jié)果也加深了我對(duì)場(chǎng)論的理解?！?/p>

又有同學(xué)寫道：

“印象最深的應(yīng)該就是電磁波的方程組(作者注：指麥克斯韋方程組)了。居然可以解出電磁波在介質(zhì)中的速度：

而這個(gè)速度只和真空介電常數(shù)和真空磁導(dǎo)率、介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率有關(guān)，和選定的坐標(biāo)系無關(guān)。雖然從小到大被灌輸光速不變?cè)恚覀儾]有直觀理解或明白光速不變意味著什么。”

學(xué)生們的評(píng)價(jià)凡此種種，不一而足，充分肯定了電磁學(xué)先修課的價(jià)值。

6 電磁學(xué)先修課的特色與創(chuàng)新

在中學(xué)全面推行大學(xué)先修課，最重要的是教學(xué)質(zhì)量和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，為此，大學(xué)必須制訂一套完整的課程計(jì)劃、課程標(biāo)準(zhǔn)和考核制度，并嚴(yán)格執(zhí)行，避免授課的隨意性，同時(shí)也要保證公平、公正、公開。目前北京大學(xué)通過線上平臺(tái)進(jìn)行大學(xué)先修課程的推廣，課堂生動(dòng)形象又淺顯易懂，為高中大學(xué)先修課提供了課程標(biāo)準(zhǔn)。此外網(wǎng)站課程中有助教定期維護(hù)，解答學(xué)生們的問題，也更加方便了學(xué)生和老師使用。

而在線下的中學(xué)校內(nèi)先修課堂上，為保證教學(xué)質(zhì)量，加深學(xué)生對(duì)物理概念的深入理解，真正提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)而非僅提高學(xué)生的應(yīng)試能力，人大附中電磁學(xué)先修課采用了翻轉(zhuǎn)課堂和問題引導(dǎo)等多種授課方式。教員提前讓學(xué)生學(xué)習(xí)在線內(nèi)容，相應(yīng)視頻內(nèi)容，課堂上再針對(duì)視頻重點(diǎn)講解討論一些重要問題。這一種模式一來可以大大提高教學(xué)進(jìn)度，另外也可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生通過視頻學(xué)習(xí)會(huì)提出疑問，進(jìn)而引發(fā)課前的思考，老師在課堂上稍微引導(dǎo)就會(huì)引發(fā)大范圍的討論，提高了課堂效率。在兩次課之間的間隙時(shí)間里，教師還可以通過提出問題要求學(xué)生回答，隨時(shí)查看學(xué)生的參與情況以及回答情況，這樣就能在上課前了解學(xué)生對(duì)問題的認(rèn)知程度，從而使課堂教學(xué)更加有針對(duì)性。

7 結(jié)語

面對(duì)新課程和高考改革的新形勢(shì)，中學(xué)需要?jiǎng)?chuàng)造條件開設(shè)豐富多彩的物理類選修課，為學(xué)生全面發(fā)展創(chuàng)設(shè)條件，貫徹物理核心素養(yǎng)，同時(shí)又要在中學(xué)大學(xué)物理課程中建立銜接，以更好地培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才。電磁學(xué)先修課在人大附中高中物理選修課程體系中進(jìn)行了大量有意義的實(shí)踐和探索，收到了很好的效果。