中、美大學物理先修課程教材的比較研究

張志紅 周雨青 董 科 瞿林云 趙馨蕊

(1東南大學生物科學與醫學工程學院，江蘇 南京 210096； 2東南大學物理學院，江蘇 南京 211189)

長期以來，我國高中教育備受爭議。一方面，巨大的升學壓力使高中淪為“高考應試培訓班”，很大程度上忽視了學生個性和潛能的發展；另一方面，由于高考內容被局限在高中課程中，缺乏與大學課程的有機聯系，使得作為大學錄取標準的高考成績廣受質疑[1]。許多人認為，我國現階段的高中教育并不能滿足孩子更充分的發展及發掘出學生未來學習的潛能。對此，《教育規劃綱要(2010—2020)》提出“樹立系統培養觀念，推進小學、中學、大學有機銜接”“形成體系開放、機制靈活、渠道互通、選擇多樣的人才培養體制”等教育體制改革思想[2]，以改善我國現階段的教育。

為了認真貫徹落實“推進中、高等教育有機銜接”這一重要思想，2014年,中國教育學會聯合高等教育出版社共同發起 “中國大學先修課程(Chinese Advanced Placement Courses,簡稱CAP課程)”試點項目，即在高中階段開設銜接中、高等教育的選修課程。CAP課程受啟于美國AP課程，旨在讓學有余力的高中生及早接觸大學課程內容，接受大學思維方式、學習方法的訓練，讓學生能夠享受到最符合其能力水平和興趣的教育，幫助學生為將來的學習乃至職業生涯做好準備[2]。

在CAP課程實踐中，教材是課程與教學活動的基本媒介，既能體現出CAP課程的培養理念，又能指導CAP課程的實踐教學。因此，有效的CAP課程教材是課程項目取得成功的重要保障之一。為深入了解我國現階段的CAP課程教材，汲取美國AP課程教材選擇或編撰的豐富理論和實踐經驗，本研究將選取美國“AP物理C-力學”教材和我國“CAP力學課程”教材進行對比研究，以期為我國CAP課程建設提供一些參考。

1 教材選擇

我國CAP物理力學教材選取中國教育學會的推薦教學用書——《CAP物理(力學)》[3]。該書是張漢壯教授在其著作《力學》(第3版)的基礎上，根據中國大學先修課程大綱及改革的需要，依據《高等學校物理學本科指導性專業規范(2010年版)》的要求，征求專家意見，修改完成的?！禖AP物理(力學)》作為專門應用于我國大學物理先修課程教學實踐的主流教材，具有一定的代表性。因此，將其作為本文研究對象之一。

美國AP物理力學教材則選取Young & Freedman主編的第13版《University Physics》中的“力學”部分(下文簡稱《University Physics(力學)》)[4]。該書不僅是美國諸多高等學校選擇使用的大學物理教材，也是美國大學理事會提供的、被眾多高中選擇的“AP物理C-力學”課程的授課教材，在世界范圍內具有較強影響力。因此，將其作為本文研究對象之二。

2 中、 美大學物理力學先修課程教材的比較

2.1 兩國教材的共同點分析

2.1.1 體現充分又個性化培養的頂層設計理念

中、美兩國開設大學先修課程的目的均是為了促進中、高等教育的有效銜接，實現學生主動而又充分的發展。我國CAP課程設計理念在于“推進中、高等教育的有效銜接，改善我國高中優秀人才缺乏多樣、有效培養和選拔機制的現狀[5]”。即CAP課程面向少數學有余力的高中生，通過教授更為嚴謹學術性的大學課程，實現拔尖人才更充分而又個性化的培養。美國AP課程設計理念也源于精英教育思想。20世紀50年代，美國教育界認識到，高中階段應大力發展精英教育，促進天賦聰明的孩子更快、更好地發展。為此，美國大學理事會聯合國內多所著名大學和重點高中啟動AP課程項目，為優秀的高中生提供更具挑戰性的課程——大學先修課程，以此培養學生興趣和發掘學生潛能。起初，美國AP課程只面向少數學有余力的優秀學生，隨著平民教育思潮的興起及教育公平思想的滲透，開放對象由少數學生轉向大多數學生。即從追求學生群體中少數人的“卓越”到追求學生群體中大多數學生自身“卓越”的轉變。但無論針對的是少數優秀學生還是大多數學生，使學生得到充分而又個性化的發展始終是中、美大學先修課程的設計理念。這個理念的成功已由美國AP課程近60多年的實踐所證實。

2.1.2 強調系統與邏輯性的知識體系

知識體系是教材內容的最核心部分，決定著教材的性質和適用范圍，需基于課程大綱來選擇或制定。教材知識體系也是課程培養目標表達的載體，對課程教學起引領的作用。

中、美大學物理力學先修課程教材的知識體系均表現出各自較強的系統性和邏輯性的特征。我國《CAP物理(力學)》教材知識體系主要由緒論、質點基本運動規律、質點與質點系的運動定理與守恒定律、典型的力學問題、近代時空結構5個單元組成(表1)，知識結構完整。體系建構邏輯規范、理論嚴謹，具體表現為：首先，根據運動學和動力學的基本規律及定理、定律、應用運動學和動力學的一些典型力學問題以及時空結構，將知識體系劃為4大篇章；然后，按一定的邏輯性劃分各篇章，如第1篇“質點基本運動規律”分為“質點運動學”和“質點動力學”兩類，“質點動力學”又分為“慣性系下質點動力學”和“非慣性系下質點動力學”。美國《University Physics(力學)》知識體系則以運動學、動力學、功與能、動量、典型的運動和力問題幾大部分組成(表2)，知識結構基礎適用。體系建構邏輯層次分明，認知性強，具體表現為：首先，介紹基本物理量和物理運動模型，建立運動學分析模型，如教材前3章；然后通過牛頓三大定律將力學與運動聯系起來，即建構動力學分析模型；再通過功與能等將運動學和動力學聯系起來，即建構力學能量分析模型；最后通過建構的3種模型解決一些典型的力和運動的問題。由此可知，兩國教材的知識體系雖然不盡相同，但均擁有自成系統的知識體系，且遵循各自的邏輯結構。

表1 我國《CAP物理(力學)》教材的知識框架

續表

表2 美國《University Physics(力學)》知識框架

續表

2.2 兩國教材共同點的原因分析

2.2.1 致力于精英人才引領國家綜合實力

隨著知識經濟時代的來臨，各國已意識到精英人才是國家發展的中堅力量，教育由此受到高度的重視和發展。為保持美國經濟、科技等方面在世界上的領先地位，美國教育界早已布局并形成高質量的教育系統；通過給優秀的學生提供最好的教育，為美國培養世界頂尖人才，AP課程正是其中的一個代表。為此，美國政府、各級部門及社會各行業均積極主動地支持和適應AP課程的發展，以促進精英人才的培養。于我國而言，目前許多經濟產業正面臨轉型期，對優秀人才的需求可謂是供不應求。開設CAP課程可滿足我國社會對優秀人才質量提高的需求，以使其將來能適應和促進我國社會各產業的發展?？偠灾?，如今的教育已與國家的發展密不可分，中、美兩國開設大學先修課程的根本目的在于，通過培養精英人才提高國家的綜合實力，以便在新一輪的世界競爭中占據優勢。

2.2.2 兼顧學科知識結構與學生認知結構的教育原則

兩國課程的知識體系除考慮學科自身的知識結構外，還考慮了學生對此的認知邏輯結構。在教育過程中，學生是學習的主體，課程知識則是學生學習的內容。學生并不是一概而之、毫無組織地學習課程內容，而要遵循一定的科學性原則。這一科學性原則在教材中表現為：決定教材知識結構的重要因素除了學科本身嚴謹的結構，還有學生的認知邏輯，學科自身結構需與學生認知邏輯彼此契合。當然，學生的認知邏輯也分多種，比如由淺入深、層層遞進的認知邏輯，或者歷史性的認知邏輯。一般而言，教材敘述主體內容時按照循序漸進的認知邏輯，而像課程內容簡史、緒論等則可依據歷史性的認知邏輯?？傮w而言，兩國教材知識內容均考慮了學科知識結構與學生認知結構的特點，在教材內容的組織上均遵循相似的教育科學性原則。

2.3 兩國教材差異的分析

2.3.1 知識體系的“抽象全面”與“基礎深入”

知識體系除了以上的共同點外，還存在一些差異。分析表2-1可知，我國《CAP物理(力學)》知識體系的4大篇章涉及的知識面極廣，幾乎涵蓋了整個經典力學。且依據運動學和動力學的基本規律、定理和定律、典型問題及時空結構建構，知識體系經過高度的凝練、總結，抽象加工程度較高。這表明，我國《CAP物理(力學)》教材的學科專業性十分明顯，強調自身嚴謹而又廣泛的理論體系。而這種全面而又高度結構化的知識體系將導致教材傾向于知識的直接表達，而在與其他學科、生活實踐的聯系等方面缺乏足夠的設計空間。反觀美國《University Physics(力學)》教材，它依據運動學、動力學、功與能、動量及典型的運動和力問題的認知邏輯建構知識體系，體現出由淺入深、循序漸進的認知規律。相比我國教材，美國教材知識體系并未詳盡整個經典力學，但對基礎物理概念、規律的講解則尤為深入詳細，即教材知識體系表現出基礎而又深入細致的特點。這表明，美國《University Physics(力學)》立足于學生的認知特點，努力為學生建構堅實的物理基礎。同時，基礎而又適度的知識體系也為其與科技、生活及其他領域的聯系留下了足夠的設計空間。

2.3.2 內容組織的“嚴謹劃一”與“生動靈活”

教材內容是教材知識體系的具體展現，其組織形式深刻地影響著知識體系的具體呈現方式，也將進一步影響著課程的教學實踐。以下將分別從我國《CAP物理(力學)》教材和美國《University Physics(力學)》的課程引入、物理概念與規律、章節內容總結的組織3個方面進行差異分析。

我國《CAP物理(力學)》教材每章的“課程引入”部分一般包括兩個部分，一是介紹該章知識的歷史來源、回顧本章相關知識基礎、概述本章重點知識；二是展示本章知識體系導圖，明確本章學習的知識內容結構。物理概念和規律的提出則是運用簡化的模型和相關知識進行闡述和推導。章節內容的總結一般包括兩部分，一是知識點公式，二是公式的簡要解釋；即教材主要以物理公式的形式總結所屬單元下的重要知識點。分析可知，我國《CAP物理(力學)》教材內容3個方面的組織圍繞“新知識的形成”而展開，要求學生掌握各章的重點知識內容，重點關注學生“學了什么知識”。這樣設計的好處在于，學生很容易掌握必要的知識，容易上手必要的作業題和考試。總之，我國《CAP物理(力學)》教材內容3個方面的組織嚴謹性較強，形式也較為固定。

美國《University Physics(力學)》每章的“引入部分”一般包括3部分：一是設立該章的學習目標，明確學生應掌握的知識和應培養的能力；二是提出一個導入式的問題，問題一般來源于生活實際，引導學生聯系生活中的物理現象思考相關物理問題，且該問題的解決與該章的重點內容密切相關；三是該章內容的概括性說明，運用與重點知識相關的實例，導出該章的核心內容。物理概念和規律的提出一般通過實物圖、簡化物理模型、實例及相關知識等加以闡述。章節內容的總結一般包括3個部分，一是知識點的物理意義或推導過程等，二是知識點公式，三是知識點所對應的典型實物簡化圖；即教材的章節小結除歸納總結本章知識點和公式外，還通過簡述知識點公式的物理意義、知識點公式的推導過程，以及每個知識點公式相對應的典型實物簡化圖或簡化圖，以幫助學生對知識點形成透徹認識。由此可知，美國《University Physics(力學)》教材內容3個方面的組織圍繞“學生認識新知識”這一認知過程而展開，著眼于學生如何理解、描述、分析和應用知識，引導學生如何分析和思考。教材內容組織注重與各方面的聯系和應用，關注學生“如何學知識”“怎么用知識”。因此，這種教材的內容組織從各方面突出對學生能力的培養，對教材內容的表述也更為形象生動，體現出較強的靈活性。

2.3.3 例題、習題的“鞏固學習”與“基礎適度”

教材內容除作為核心部分的知識內容之外，習題、例題也是極重要的教學資源，它們能幫助學生進一步認識物理概念和規律，掌握分析、處理和解決物理問題的方法。

我國《CAP物理(力學)》的例題結構一般包括兩部分，一是問題表述，大多運用物理學術語言建立物理模型；二是應用知識點的解題過程；教材習題一般只包含第一部分。這也符合我國大部分教材的例題、習題的結構形式。而美國《University Physics(力學)》的例題結構一般包括5個部分：一是闡明所要考察的知識點；二是例題表述，一般結合實物建立物理模型；三是識別和建立部分(IDENTIFY and SET UP)部分，即在正式求解之前，幫助學生梳理本題的信息和解題思路；四是解題過程(EXECUTE)，該過程中將應用第一部分闡明的知識點進行求解；五是評估部分(EVALUATE)，用于檢驗解題的正確性，加深對物理知識的認識。教材例題一般包括前兩部分。尤為特別的是，美國《University Physics(力學)》在每節內容之后，還設有一個階段性的總結小測試習題，以檢測學生對關鍵知識點的掌握情況，以便決定是否進行下一階段的學習。即例題、習題測試兼顧過程性檢驗和總結性檢驗，利于全面了解學生對知識點的掌握情況。

結合例題、習題分析可知，兩國教材例題、習題的編寫思想存在較大差異。我國《CAP物理(力學)》教材例題、習題強調物理知識的理解和應用，但題型較單一、題目條件也較理想化，解題過程簡潔且富有技巧，難度較高[6]。此外，我國教材的知識面雖廣，但也并非每個知識點均設有針對性的例題、習題，即教材例題和習題的資源有限。與我國《CAP物理(力學)》教材相比，美國《University Physics(力學)》例題、習題則注重從學生思維的角度出發，自始至終都在向學生傳授一種科學嚴謹的思維解題過程。并且教材幾乎都為相應的知識點設立了針對性的例題、習題，題目類型也較多樣，即例題、習題資源較豐富。此外，教材例題、習題一般考察某個知識點，題目設置也貼近生活實際，基礎性較強，難度不高。總而言之，美國《University Physics(力學)》例題、習題的結構科學合理，難度較為適度，數量及類型豐富而又多樣。從這方面來說，我國《CAP物理(力學)》教材的例題和習題資源存在很大的進步空間。

2.4 兩國教材差異的原因分析

2.4.1 中、美兩國大學物理先修課程的培養目標及課程理論的差異

表3為中、美大學物理力學先修課程的培養目標[6,7]。由表3可知，我國CAP物理課程培養目標重點突出了課程內容的構建思路，即以力學的邏輯性、歷史性和實用性有機結合的思想為主線構建“力學”課程內容，并在此建構思想的基礎之上提出培養物理思維能力的要求。該種培養目標理論性較強，強調知識的掌握和學生思維能力的培養，為我國培養了許多學科思維嚴謹、知識理論厚實的優秀人才，但卻沒能體現出對學生綜合素養的培養要求，這也是導致我國實踐能力、創新能力等薄弱的原因之一?，F今，我國教育要實現從重點培養建設服務型人才向技術創新復合型人才的轉變。一門課程的培養目標既需立足課程內容，也需滿足學生自身需求及社會需要；既要強調理論思維的培養，也要強調科技創新等實踐能力

表3 中、美大學物理先修課程“力學”培養目標

的培養。而美國AP物理力學的培養目標則立足于學生自身能力的發展，重視學生思維、表達、實踐、應用等能力的培養。課程內容被視為學生能力培養的一種工具，需按學生能力培養的要求來建構課程內容。該培養目標對學生的能力培養進行了具體的指導說明，指向較明確，實踐性與操作性較強，有利于培養目標的實現。分析可知，我國大學物理先修課程培養目標受傳統教育思想和赫爾巴特課程理論的影響，更重視學科系統知識的傳授。而美國大學先修課程受杜威教育思想的影響，更為重視學生的身心發展，強調知識對學生能力培養的作用[8]。

2.4.2 中、美兩國傳統教學文化的差別

我國較重視學科內容的規范原則，教學習慣從一般到特殊，即先傳授具有規范標準的課程知識，再在此界限下論述知識的形成、應用等。這種教學文化極易造成灌輸式的教育模式，致使學生將所接受的知識奉為標準或規范，忽略了知識的實際形成及實踐應用。當今社會是知識經濟型社會，知識的作用已不在于知識本身，而在于知識的實踐應用。因此，課程教育應尤為注重知識的形成、再創造及應用，我國應在教學意識形態上加以轉變。而美國則較重視學科內容的形成準則，教學習慣于從特殊到一般，即教學雖也重視課程知識的規范或標準作用，但更關注知識的形成和實踐應用[9]。這種教學文化既是美國教育重視學生能力的重要原因之一，也是美國能實現學生各種能力培養的重要原因之一，可為我國教學文化的意識改善提供一些有用的參考。

3 對我國CAP課程建設的啟示

3.1 明確CAP課程培養目標，重視學生能力的培養和知識方法的滲透

CAP課程培養目標對課程的建設具有全局性的統領作用，是影響課程成功的關鍵因素。美國AP課程之所以能夠獲得廣泛好評，一定程度上可歸結于其培養目標的清晰明確，易被師生理解領悟，從而能夠較為精準地實踐于教學活動中，最終實現學生能力的提升。即課程培養目標不僅要重視“理論內涵”，也需注重“操作可行”。

由此可見，設立明確清晰、切實可行的培養目標是我國CAP課程建設的重要基礎工作。該目標首先應體現出較強的實踐操作性，易于理解和實施；勿使其“形而上”，與教學理念和實踐相脫離。其次，培養目標應突出學生本位的教學思想，關注CAP課程學習者的身心發展水平、知識結構、能力水平等，體現科學合理的教育原則。再次，培養目標應體現多元的培養思想，從知識、技能和情感態度3個方面對學生培養提出要求，關注學生綜合素質的提升。最后，培養目標需強調知識方法的滲透，所謂“授人以魚不如授人以漁”，知識結果雖是人類智慧的結晶，但獲得知識結果的方法更是其精髓所在。

3.2 考慮CAP課程層次性教學,讓大部分學生能從中受益

由試行的CAP物理力學課程大綱可知，我國將CAP力學課程設為48個學時。由于CAP力學知識面較廣，學習時間若壓縮在一個學期內完成，則勢必給高中生造成較大的學業壓力，而如果學習時間寬限在一學年，則可能由于教學不連貫而造成知識遺忘，難以達到預期成效。

對此，我國CAP課程可基于高中生能力的不同，依據內容主題將CAP力學課程分為幾個不同層次的課程。這樣不僅不同能力層次的學生都能找到適合自己的課程，讓絕大部分高中生能夠從中受益，還能大大縮減學生對此的學習時間，減輕學生的學習壓力，這也更易于被高中生所接受[10]。此外，可考慮CAP課程與高中物理課程的教材、教學活動的緊密結合，淡化CAP課程自身內容體系的高度結構化，進一步深化高中課程內容，更好地鞏固高中生的力學學習，做好中、高等教育的銜接性工作。

3.3 融入更多生活、科技成果元素，讓CAP課程更加實用化、科技化、生活化

美國《University Physics(力學)》廣泛地采用物理現象、生活實例、科技成果等介紹物理概念、規律，逐步讓學生意識到物理與我們生活息息相關，并對我們的生活產生重要影響。這也更容易讓學生參與進來，積極主動地進行學習和探究。而我國教材則過于追求理論化的知識體系，導致物理知識與生活聯系不緊，不能有效地調動學生的積極性。這也使得學生不能很好地學以致用，客觀上輕視了學生分析、處理和解決實際問題能力的培養。

為此，在教材中融入豐富的生活、科技成果等元素，既可以增強教材的可讀性，又有助于引導學生在日常生活中發現、分析和解決問題，促進學生能力的培養，尤其在介紹一些難度較大的知識點時，生活實例等可幫助學生在規避復雜的理論推理的情況下，快速理解其中的根本涵義。此外，美國《University Physics(力學)》還重視與相關學科之間的交流，培養學生綜合分析問題的能力。而我國《CAP物理(力學)》教材在這些方面略顯不足，應對此加以重視和借鑒。

3.4 統籌自上而下的目標實現過程及自下而上的完善過程，形成一條行之有效的CAP課程建設道路

任何目標及理念的實現均需“上層建筑”和“下層基礎”的一致協調與相互配合。在大學先修課程項目中，“上層建筑”指的是CAP課程項目的各級培養目標、課程理論、教學理論等，“下層基礎”指的是實現“上層建筑”的建設基礎，如教材、教學計劃、課程大綱等。

經各方面的分析比較可知，我國CAP課程項目的培養理念和目標(即“上層建筑”)與CAP物理教學計劃、教材內容及組織等各方面(即“下層基礎”)存在較大的分歧。CAP課程培養目標理論性較強，并未對“下層基礎”進行有效的指導，這在實踐中容易導致結果偏離目標的實現。而“下層基礎”也并未對CAP課程培養目標的進一步完善提供一條科學的改善路徑。而美國《University Physics(力學)》教材、教學計劃等卻能較好地符合美國AP物理力學課程培養目標的要求。因此，我國CAP課程建設不僅要關注目標及相關理論的實踐指導，也要關注課程實踐的理論總結，不斷完善我國CAP課程的培養目標和教學實踐，形成一條科學有效、上下協調一致的CAP課程建設道路。