電磁學(xué)先修課在人大附中高中物理選修課程體系中的實踐

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)、相互作用和運動規(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，旨在落實立德樹人根本任務(wù)，進一步提升學(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)科知識不應(yīng)當(dāng)是汪洋中的一座座孤島，而應(yīng)當(dāng)有機連接起來，形成整體。這就從傳統(tǒng)的對“知識”的傳授，進一步轉(zhuǎn)向?qū)Α澳芰Α钡膹娬{(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，更加重視能力，強調(diào)態(tài)度，也可對過往的重知識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，實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)有的知識基礎(chǔ)提出問題，發(fā)現(xiàn)問題，以及進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，促進學(xué)生全面而有個性的發(fā)展”“逐步形成分類考試、綜合評價、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，因此，學(xué)有余力的學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)相關(guān)知識是十分必要的。此外，在物理競賽普遍化的大環(huán)境下，準(zhǔn)備競賽的同學(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，先修課和物理競賽不同，更不是競賽升級。競賽的著眼點在解題勝出，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，為進一步完成大學(xué)學(xué)業(yè)打下堅實基礎(chǔ)。同時，先修課也為同學(xué)們提供了更多展示自己的機會和渠道。

基于以上評估和選擇，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，的確是一個愉悅的選擇。先修課的教學(xué)和實施，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)院不失時機地共建先修課程體系，在電磁學(xué)先修課的實施中進行了密切合作。在這門先修課上能取得好成績的同學(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)中對于很多物理基礎(chǔ)知識只涉及簡單公式的計算，把實際情況大大簡化成抽象的物理模型和一道道習(xí)題，尤其是對于電磁學(xué)，很多天才的理論構(gòu)想，巧妙的實驗設(shè)計，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，使他們了解電磁運動的基本現(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驗方法，領(lǐng)略大師智慧。電磁學(xué)先修課特別注意對科學(xué)概念和本質(zhì)的介紹，包括電磁場的物質(zhì)觀念，場與物質(zhì)的相互作用觀念，場的能量動量觀念，尤其是貫穿整個課程的近距觀點和超距觀點的不同，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，而是要針對中學(xué)生實際情況重新仔細(xì)地設(shè)計，需要與中學(xué)物理的常規(guī)課程進行良好的配合。

從課時角度講，電磁學(xué)的基本內(nèi)容在北大開設(shè)時，每周3節(jié)課150分鐘，共15周計2250分鐘，若包含習(xí)題課和考試時間，需要的課時將更多。若以人大附中的國家選修課時安排，每周2節(jié)課80分鐘，共14周計1120分鐘來看，教學(xué)課時遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大學(xué)同類課課時，難以達到良好的授課效果。如果以周為計劃強行推進教學(xué)進度，略過很多篇章，余下部分請同學(xué)課下看書或看錄像，實踐表明學(xué)生難以堅持，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)進度受較大影響。

電磁學(xué)的課時應(yīng)當(dāng)不少于北大同類課課時，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。按照這一思路，設(shè)計如下安排：每周課時增加為4節(jié)課160分鐘(兩個80分鐘，中間休息半小時)，共計共14周計2240分鐘，連續(xù)授課，保證授課時間，從而達到良好效果。課程時間增加了，反過來也更容易逆向甄別學(xué)生選課的目的：是對物理的真正熱愛，還是只想蹭學(xué)分？實踐表明，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，形成了相對穩(wěn)定的課程體系，如表1所示。

上述研究主要針對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化緩慢的社交網(wǎng)絡(luò),而且是單節(jié)點對間的鏈路預(yù)測.本文針對拓?fù)渥兓l繁的機會網(wǎng)絡(luò),采用模式分類方法,基于動態(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,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,進行多節(jié)點間的鏈路預(yù)測.

表1 電磁學(xué)先修課教學(xué)計劃

這門電磁學(xué)先修課并不是一味的講授，而是在實際教學(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，對物理圖像的理解也大大增強了。這也培養(yǎng)同學(xué)們聯(lián)系實際提出問題、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，電容大小與正對面積成正比，與距離成正比，但是為什么會帶一個系數(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)生動生電動勢？這是電磁感應(yīng)中一個不容易講清楚的問題，我們把這個問題提出來，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——要考慮電磁場動量[4]。這樣，同學(xué)們認(rèn)識到庫侖定律、牛頓定律等中學(xué)介紹過的知識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，我們更加強調(diào)物理圖像，降低習(xí)題計算要求。

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，因為，除了一元微積分，電磁學(xué)先修課還可能涉及多元微積分、矢量叉乘及場論、矩陣和行列式等代數(shù)理論，以及微分方程等內(nèi)容。對此，我們的觀點是：只要能看懂，會計算，就可以。

例如，對于微積分的要求，能理解和表達一元微積分的相關(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在空間的某個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)微積分課程才會學(xué)習(xí)的內(nèi)容，實際計算時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的物理含義：矩陣可用于材料表達各向異性性質(zhì)，復(fù)數(shù)運算方便了簡諧交流電的處理，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)，聽完這個報告以后，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。”

5 電磁學(xué)先修課的課程管理與評價

電磁學(xué)先修課的評價方式是過程性評價與期末考試相結(jié)合。過程性評價包括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)定進行。而在期末考試之前，教師會提供答疑時間，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，先修課期末會考察最基礎(chǔ)的知識要點和最基本的科學(xué)常識。

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，年級跨度從早培九年級到高三(12年級)，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。

選課同學(xué)們對課程本身非常喜愛，評價也很高。有同學(xué)寫道：

“我印象最深刻的內(nèi)容是對電介質(zhì)極化與磁介質(zhì)磁化的討論，因為這兩部分推導(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,使得總電場強度與極化強度(或總磁感應(yīng)強度與磁化強度)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)果也加深了我對場論的理解。”

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：

而這個速度只和真空介電常數(shù)和真空磁導(dǎo)率、介質(zhì)的相對介電常數(shù)和相對磁導(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原理，但我們并沒有直觀理解或明白光速不變意味著什么。”

學(xué)生們的評價凡此種種，不一而足，充分肯定了電磁學(xué)先修課的價值。

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)量和評價標(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，同時也要保證公平、公正、公開。目前北京大學(xué)通過線上平臺進行大學(xué)先修課程的推廣，課堂生動形象又淺顯易懂，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，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，課堂上再針對視頻重點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)會提出疑問，進而引發(fā)課前的思考，老師在課堂上稍微引導(dǎo)就會引發(fā)大范圍的討論，提高了課堂效率。在兩次課之間的間隙時間里，教師還可以通過提出問題要求學(xué)生回答，隨時查看學(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)生對問題的認(rèn)知程度，從而使課堂教學(xué)更加有針對性。

7 結(jié)語

面對新課程和高考改革的新形勢，中學(xué)需要創(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行了大量有意義的實踐和探索，收到了很好的效果。