中國大學物理先修課的現狀與展望

張留碗

（清華大學物理系，北京 100084）

中國大學物理先修課的現狀與展望

張留碗

（清華大學物理系，北京 100084）

高考制度的改革促進了大學先修課的開展.本文以大學物理先修課為例，介紹了美國大學先修課的由來和中國大學先修課產生的背景和現狀，并對中國大學先修課未來的發展提出了建議.

大學先修課；大規模開放在線課程

2015年11月28日，由清華大學牽頭、全國40余所著名大學和中學聯合發起的中國慕課大學先修課啟動儀式在清華大學舉行，包括大學物理在內的多門大學先修課在清華學堂在線慕課平臺上隆重推出，短時間內吸引了全國數萬名學有余力的優秀高中生登錄平臺免費學習.本文以大學物理先修課為例，介紹了美國大學先修課的由來和中國大學先修課產生的背景和現狀，并對中國大學先修課未來的發展提出了建議.

1 大學先修課的由來［1-2］

大學先修課（Advanced Placement，簡稱AP）20世紀50年代起源于美國.20世紀初，美國的中學教育和高等教育脫節嚴重.二戰結束后，美國福特基金會自助幾個委員會研究教育問題.其中一項研究由安多弗（Andover）、埃克塞特（Exeter）、勞倫斯威爾（Lawrenceville）三所預科學校及哈佛、普林斯頓和耶魯三所名校主持.1952年，委員會發表了《中學與大學階段的通識教育》的報告，呼吁中學和大學教育一體化，建議中學招聘高質量的優秀教授，允許并鼓勵中學高年級學生預學大學課程，可以參加相應的水平考試，從而獲得大學的學分.另外一個委員會則從招生的角度，組織專家制定了相應的課程體系和評價標準，并在1952年啟動了覆蓋11門學科的先修課程.三年后，先修課程項目由美國“大學理事會”（College Board）負責運行.經過幾十年堅持不懈的努力，美國大學先修課已有38門課程，覆蓋了自然科學、歷史和社會科學、語言文化、藝術、數學和計算機科學等學科領域.全球約有16800所會員中學開設了一門或多門先修課程，先修課的成績得到了全球約60多個國家4000多所高校的認可.

美國大學先修課的課程體系和考試都是比較嚴格的.每門課都設有一個委員會，委員會由高校教授和富有經驗的中學AP老師組成，負責修訂課程內容和課程目標，并與考試中心合作完善考卷，確保AP課程的高水平運行.中學實行會員制，新開課教師必須經過培訓，教學大綱必須經過審查通過.只有會員單位的AP課程才能得到承認.與每一門AP課程相對應都有一門AP課程考試.AP考試每年一次，一般在5月份.AP考試成績為5分制，滿分5分表示特別優秀，4分為優秀，3分相當于合格.AP課程在一些美國高中也被稱為“榮譽課（honor）”，因為具有相當大的挑戰性，因此吸引了很多成績優秀的高中生選修.

在高中選修AP課程和通過AP考試不僅是對學生能力和學業水平的證明，其優勢還體現在以下幾個方面:（1）申請大學時具有很大的優勢.由于美國大學把學生在AP考試中的表現作為衡量其是否能夠勝任大學學習的依據，美國85%的大學在錄取時會參考AP課程選修情況及其考試成績；（2）進入大學后，AP成績優秀者可以獲得大學學分，免修同類課程，提早選修更高級的課程或跳級；（3）提前畢業.因在中學選修的AP課程多而在三年到三年半提前修完大學課程的學生不在少數；（4節省大學學費.一般一門AP課程可抵3個學分的大學課程，選修的AP課程越多，免修的大學課程也就越多，節省下來的學費也是相當可觀的.

2 國內大學物理先修課產生的背景和現狀

在美國，大學物理先修課有兩類四門課，分別是以初等代數為基礎的物理先修課1（力學）和物理先修課2（電磁學），以及以微積分為基礎的物理先修課C-力學和物理先修課C-電磁學.前一類可以作為未來非理工類學生的通識教育課程，當然未來理工類學生也可以作為課程來學習以便為進一步學習更高一級的物理課程打下基礎；后一類直接與高等學校理工類學生一年級物理課程相對應.進入大學后，先修課成績符合要求的學生可以申請對應課程的免修，從而可以直接選修更高一級的物理課程，節省時間和學費.

在中國，雖然大學先修課還沒有普及，但由于出國留學越來越低齡化，中學畢業出國讀大學已經不是個別現象.為了滿足日益增長的中學生出國需求，許多城市的著名中學都設立了國際部，開設了美國大學先修課程.美國大學理事會網站顯示，2015—2016年度國內有189所中學開設了美國大學先修課.其中開設物理先修課1、先修課2、物理先修課C-力學和物理先修課C-電磁學的中學分別有106所、66所、81所和58所.

在國內，優質高等教育資源非常稀缺，且分布不均，高考幾乎一直是進入高等學府的唯一渠道.近年來，隨著高考減負和教育公平的呼聲越來越高，教育部推行了一系列高考制度的改革，各省市相繼出臺了各自的高考改革方案，總體趨勢是弱化文理科之間的界限，減少最后一次統考的科目，增加學生等級性考試科目的選擇性.以上海的高考改革方案為例［3］.從2017年起，上海考生將采取3+3模式，即高考成績由語文、數學、外語3門統一高考成績和學生從思想政治、歷史、地理、物理、化學、生命科學6門科目中自主選擇3門學業水平等級性考試成績構成，作為高等學校錄取的基本依據.高考成績總分滿分660分.其中，語文、數學、外語每門滿分150分.3門普通高中學業水平等級性考試科目每門滿分70分.等級性考試成績以合格性考試成績合格為基礎，按照等第呈現為A+、A、B+、B、B-、C+、C、C-、D+、D、E共11級，分別占5%、10%、10%、10%、10%、10%、10%、10%、10%、10%、5%，在計入高考總分時，A+為滿分70分，E計40分，相鄰兩級之間的分差均為3分.

教育部推行的高考改革方案旨在加強通識教育，實施素質教育，鼓勵因材施教，對探索多樣化拔尖人才培養、選拔機制，避免當前的唯分數論、一考定終身的現象具有積極意義.但改革方案也顯示出，在高考總成績中，以物理、化學和生物等為代表的自然科學的比重嚴重下降.在優質教育資源單調、缺乏和高考競爭異常激烈的前提下，廣大中學和中學生勢必將主要精力投放到舉足輕重的語文、數學和英語三門學科中.一方面，現有的改革方案不僅不能滿足部分優秀的、學有余力的中學生的求知欲望，而且還可能會由于其能力優勢在高考中得不到充分體現而沮喪；另一方面，新改革方案無疑增加了高校通過高考選拔人才的難度.在上海的新的方案中，理論上物理的最高分為70，最低分為40，最高分差只有30，實際上絕大部分考生實際分差遠小于30分，高校很難考察學生自然科學的能力差異.另外，同學入學后，即使在同一個專業大類，對具體一門學科而言，學生的知識和能力基礎也參差不齊，對學制較為剛性的國內高校來說，對課程設置、教學方式等方面提出了嚴峻的挑戰.高校勢必采取多模式、階梯式課程教學體系來適應新的高考改革方案.為此，開設大學先修課的時機已經成熟了.

但我們顯然不能完全照搬美國大學先修課的內容，這不僅僅是語言的問題，更重要的是先修課的設置旨在加強中學和高校的無縫對接，而中國的教育體制以及中學和大學課程體系與美國都不盡相同.建立中國特色的大學先修課（中國大學先修課，China Advanced Placement，簡稱CAP）體系勢在必行.

3 清華大學物理先修課的進展情況

目前，針對國內高中正常的課程設置，我們已經開設了以微積分為基礎的大學物理先修課-力學和大學物理先修課—電磁學兩門課程.力學部分包括質點運動學、質點動力學、動量和角動量、功和能、剛體、振動與波及狹義相對論等內容，預計36學時.電磁學部分包括靜電場、靜電場中的導體和電介質、恒定電流、靜磁場、靜磁場中的磁介質、電磁感應、麥克斯韋方程組和電磁波等內容，預計30學時.兩門課的教學內容達到了現有高校非物理專業工科學生大學物理的水平，適合于對物理感興趣、學有余力的中學生學習，使他們提前了解大學物理的教育理念，提前感受大學的學習方式，更好地完成基礎教育向高等教育的銜接過渡，使他們進入大學后能夠處于更加游刃有余的地位，為學習更高層次的學科提前打下堅實的物理基礎.同時也為學生嘗試不同的學科方向，讓學生真正享受到最符合其能力水平和興趣的教育，為將來確定最感興趣的專業領域提供了條件.

上述兩門物理先修課都由包括國家級教學名師和北京市教學名師在內的清華大學富有豐富教學經驗的一線教師授課.課程通常以合理說明或推論的方式，輔助以豐富的課堂演示實驗，簡單明了地給出物理學的基本規律.以此為基礎引導學生認識和理解自然現象，學習分析解決實際問題的物理方法.考慮到選課同學的基礎不同，課程內容分為基本內容和擴展內容，打星號的是擴展內容.課程結束后，采取線上考試，考試內容只包含基本內容.考試合格者獲得合格證書.

大學物理先修課程由清華大學打造的首個中文版MOOC（Massive Open Online Courses，大規模開放在線課程）平臺——“學堂在線（xuetang X）”正式推出，實現了“MOOC”與“CAP”的創新性融合，通過各大學建設的開放共享的MOOC平臺，突破了時空和師資等條件的限制，將高校和中學聯合建設的先修課程放上互聯網，以其便捷性、高效性和低成本的特征，為公眾尤其是學有余力的中學生提供了良好的免費學習平臺和方式.作為MOOC課程，我們把內容分解成10分鐘左右的視頻為基礎的很多片斷，每個片斷包含一或兩個知識點.教程內容精煉，概念準確清晰，與書面教材互為補充.力學和電磁學先修課在春、秋學期同時開放，供學生自由選擇.

通過MOOCAP課程，學生隨時可以下載教學大綱，觀看教學視頻，身臨其境地感受清華大學大學物理的課堂現場，更重要的是網上課程設置了討論區，鼓勵學生自由提出問題，和其他同學和先修課的老師討論問題.每門課安排了多名助教，密切關注課程運行情況，隨時在線回答和討論同學們提出的各種問題.每個視頻片段后面往往有1～2個問題作為課堂練習，加深學生對物理概念和物理定律的理解，每一章節的后面有適量的課后作業，引導學生學習利用物理基本原理解決實際問題的方法.最后總評成績是這樣計算的:課堂練習占20%，課后作業占20%，最后考試占60%，總成績加起來60分以上就算通過，其中，超過90分為優秀，75～89分為良好，60～74分為合格.我們會給通過的同學發相應的證書.

對于中學生學習大學物理先修課的時間我們也提出了建議.據我們了解，高中物理課教學一般是這樣安排的:一年級主要學習力學和熱學，第三學期學習電磁學，第四學期學習光學和近代物理.由初中升入高中，高一上學期是一個過渡期，我們希望同學盡快適應高中生活，所以不建議同學選修物理先修課程.我們的大學物理先修課（力學和電磁學）都需要微積分先修基礎，所以我們建議高一的下學期學習一門微積分的先修課，高二的上學期，同學們已經有了微積分和高中力學基礎，建議學習大學物理先修課—力學.在高二的下學期，學生已經掌握了高中電磁學課程，在此基礎上建議學習大學物理先修課—電磁學.每門先修課都是一學期的課程，學生可以根據實際情況選學其中的一門或兩門.

參考美國大學理事會的模式，先修課開課中學實行會員制，我們對開課老師進行了分批培訓.就大學物理先修課而言，全國會員中學已達近300所，申請的學校不斷增加.兩年來，我們對會員中學近200名中學物理教師進行了培訓.全國近50所中學開設了大學物理力學先修課.由于中學課時的限制，多數物理先修課采取了類似翻轉課堂的模式，即在上課之前，學生先通過MOOC視頻學習，課堂主要以討論為主.討論方式也多種多樣，有的從習題出發，有的從演示實驗出發，有的從重要的概念出發，還有的從某些具體問題出發，幫助學生深入理解物理基本概念，利用物理基本原理來分析理解日常生活中的物理現象，引導學生解決實際物理問題的能力和方法.MOOC平臺為先修課教師提供了許多工具，比如，為了讓教師在課堂上有的放矢，提高課堂學習效果，先修課老師可以通過MOOC平臺及時了解本班學生線上學習、討論的具體情況，還可以參與學生討論，可以將線上發現的問題有針對性地在課堂上進行講授、討論.大學物理先修課—力學MOOC課程已經開設了2個學期，學習人數1萬多人；電磁學MOOC課程2016年春季學期剛剛開放，目前注冊人數為1000多人.

4 對大學物理先修課的思考和展望

根據上海的高考改革方案，普通本科院校可根據辦學特色和定位，以及不同學科專業人才培養需要，從思想政治、歷史、地理、物理、化學、生命科學6門普通高中學業水平等級性考試科目中，分學科大類（或專業）自主提出選考科目范圍，但最多不超過3門.學生滿足其中任何1門，即符合報考條件.對于沒有提出選考科目要求的高等學校，學生在報考該校時無科目限制.從上海各高校的調查情況看，在上海市37所本科高校2017年共設置的1096個專業（類）中，提出3門科目要求的有281個.3門科目要求中最多的組合是物理、化學、生命科學，有217個專業（類），其次是物理、化學、地理組合，有22個專業（類）.提出2門科目要求的有85個，僅有物理、化學一種組合，沒有其他科目組合要求，涉及專業（類）主要有醫學、生物、化工、機械類等.提出1門科目要求的有75個，全部僅對物理提出要求，涉及專業（類）主要有工科、電子信息、電氣工程、機械類等；沒有提出科目要求的有655個，涉及專業（類）主要有管理、法學、藝術等.

所有專業（類）中，提出最多的選考科目是物理，有415個，占專業（類）總數的37.9%；其次是化學，有337個，占30.7%；再次是生命科學，有222個，占20.3%；地理、歷史、思想政治分別為47個、41個、26個.上述統計結果表明，理工類專業非常重視物理學科的基礎性，從另一個側面表明大學物理先修課建設的重要性和迫切性.AP課和MOOC平臺的結合，有利于優質教育資源的共享，實現教育公平，為大學物理先修課發展和推廣創造了有利條件.但是，和其他先修課一樣，大學物理先修課要得到國內教育界的普遍承認還有一段很長的路要走.

首先需要對國內的物理教育進行系統、科學的研究.目前國內的教育狀況和美國20世紀50年代初相似，中學教育和高等教育自成體系，我們應該像當年的美國一樣，站在社會進步和國家發展的戰略高度，遵循人才培養的規律，組織高校教授和富有經驗的中學老師，共同研究中國目前的物理教育問題，研究高等教育和中學教育的銜接問題，為中學和大學教育理念、課程體系及人才培養、選拔模式的調整提供科學依據.在中國，高考一直是一根神圣的指揮棒，高考制度的改革不僅僅關乎到大學生的錄取問題，它與中學的教育導向、課程體系、教學模式、資源分配密切相關，也與高校的人才選拔方式、專業設置、課程體系、人才培養模式緊密相連，牽一發而動全身.目前各省的高考制度改革方案相繼出臺，但新的改革方案對整個教育體系的影響還沒有進行充分的科學評估，與之相適應的高校課程體系的調整似乎還沒有提上議事日程，作為銜接中學和大學教育的先修課程建設才剛剛開始.以物理為例.新的高考方案中考試科目選擇的多樣性和總成績中物理比重的下降必然要求多系列、階梯式高校物理課程體系與之相對應，高一級課程必須以低一級課程為先修條件，必須明確物理先修課與哪一級的大學物理課程相當.目前，普通高校工科類專業物理課程包括力學、電磁學、熱學、光學和量子物理5個分支學科，通常在兩學期，有的高校有的專業甚至安排在一學期內學完，也就是說一學期的課程必須包含2個或2個以上的科目.但是，由于中學課時的限制，往往一門先修課只包含1個分支學科，比如力學先修課，電磁學先修課，光學先修課等等，而且高中階段同時修完2門或2門以上先修課的同學可能是少數，那么即使先修課成績優秀的同學入學后也很難申請學分或免修.由此可見，先修課的建設是個系統工程，必須經過科學研究，謹慎規劃，制定一個可持續發展的、切實可行的、相對穩定的長遠規劃.

其次，需要頂層設計，做到先修課的開課單位，組織考試單位和成績使用單位的有效分離，保證先修課成績的科學性、公平公正性和權威性.目前國內的大學先修課主要有兩個體系，一個是清華大學牽頭組織的MOOCAP體系，另一個北京大學牽頭組織的AC（Advanced Pre-University Course）體系.就物理先修課而言，MOOCAP中開設了力學和電磁學，主要學習對象是未來非物理類工科學生，物理類專業學生也可以為進一步學習更高一級的物理的課程打下堅實的基礎；AC體系中開設了電磁學，主要為未來物理類學生開設的.兩類體系都有各自的理事單位，獨立進行考試，考試成績也沒有得到廣泛的認可.將來我們需要成立一個類似于美國大學理事會的全國性權威性機構，在前期專家廣泛調查研究的基礎上，組織不同的學科分委員會，統一規劃大學物理先修課系列課程，明確課程基本內容、學習目標和考試大綱，組織培訓中學物理教師，統一組織全國性的物理先修課考試.各個高校根據自己的實際情況制定使用先修課成績的政策，或準予自主招生資格，或給予學分，或準予免修等等.

最后，需要國家層面上的政策護航.對于學有余力的中學生可以根據自己的興趣和愛好，選擇一門或多門先修課.學習先修課的數量和成績在一定程度上反映了學生學習和理解新知識的能力.美國的調查研究表明，學習先修課的同學大學入學后普遍比沒有學習先修課的同學表現優秀，85%的美國大學在錄取時會參考AP課程選修情況及其考試成績.筆者對清華附中2015年高中畢業去美國求學的學生進行過了解，大約80%的學生都有優秀的美國AP考試成績.目前雖然高中認可先修課的重要性，但對是否開先修課普遍持觀望態度.根本原因就是教育部對先修課成績在自主招生中的作用缺乏支持的政策.教育部應該擴大高校招生、辦學的自主權，支持高校將學習先修課的情況以及先修課的成績，同奧賽成績、科技創造一樣，納入自主招生參考的依據之一，同時監督高校公平、公正、公開自主招生過程.只有這樣，中國大學先修課才會獲得大力的推廣和發展.

［1］AP Central.http://apcentral.collegeboard.com/home？aff iliateId=rdr&bannerId=apc.

［2］郭英劍.美國大學先修課程的前世今生，中國科學報，2014年5月29日，第7版.

［3］2017年起上海高考將由3+1變為3+3，新民晚報，2015年2月3日.

ON CHINA ADVANCED PLACEMENT PHYSICS

Zhang Liuwan

（Department of Physics，Tsinghua University，Beijing 100084）

The reform in the university entrance examination accelerates the development of China Advanced Placement.Taking Advanced Placement Physics as an example，we introduced the origin of the Advanced Placement in the United States and the background as well as the current status of Advanced Placement in China.Some suggestions for the improvement of China Advanced Placement were proposed.

Advanced Placement；massive open online courses

2016-06-15

教育部基礎學科拔尖學生培養計劃項目（20160204）.

張留碗，男，教授，主要從事科研和教學工作，研究方向為凝聚態物理.lwzhang@tsinghua.edu.cn

張留碗.中國大學物理先修課的現狀與展望［J］.物理與工程，2016，26（4）:13-17.