美國大學先修(AP)物理課程分析

瞿林云 繆可可 趙馨蕊 周雨青

(1東南大學學習科學研究中心，江蘇 南京 210096； 2高等教育出版社物理分社，北京 100029； 3東南大學物理學院，江蘇 南京 2111189)

1 AP物理課程概述

美國大學先修課程(Advanced Placement Courses，簡稱AP課程)是世界上頗具影響力的中學和大學銜接性課程。它由美國非政府性教育組織——大學理事會(The College Board)管轄。學生們通過選修AP課程不僅能提前接觸大學課程，還有機會獲得大學的學分，從而縮短大學學時并降低教育成本。經歷60多年的發展，AP課程由最初的11門發展至38門，涉及世界語言文化、人文歷史、自然科學、社會科學、數學和計算機科學等學科領域。有研究表明，選修AP課程并成績合格(成績在3分以上)的學生，在大學期間的表現和畢業率方面都優于未接觸過AP課程的學生[1]。

AP物理課程由美國大學理事會下設的AP物理課程發展委員會直接管理。AP物理發展委員由優秀的大學物理教師和AP物理教師組成，它的主要任務是根據大學提供的信息，來確保課程的內容符合當前物理學的發展趨勢。此外，AP物理開課學校的資格審核工作，也在大學和中學的共同參與下進行。一般而言，申請開設AP物理課程的學校必須提交課程審核表和教學大綱，供大學物理教師審查。課程審核表用于闡述學校對課程的理解、審查教學資源的配置，由AP物理教師和校長(或指定管理員)提交。教學大綱用于說明教學過程如何滿足課程大綱的要求，由AP物理教師制定并提交[2]。中學與大學的合作式管理保證了AP物理課程既能體現大學課程的特點，又在學生的可接受能力范圍之內。

2 AP物理課程內容——基于課程大綱的解讀

AP物理課程在2015年經歷改革，將AP物理B拆分為AP物理1和AP物理2，加上原有的AP物理C-力學和AP物理C-電磁學，形成了當前的課程體系(如表1所示)。

2.1 AP物理1和AP物理2——以Big idea為核心[3,4]

AP物理1和AP物理2基于代數計算，難度較低，與高中物理課程的銜接度高，相當于美國高校開設的物理通識類課程。AP物理1主要包含力學知識，兼有一些基本的電學及機械波的內容。

AP物理2主要為電磁學知識，兼有一些基本的流體力學、熱力學、光學和量子物理的內容。兩門課程共同構成了物理學的基本知識框架。

根據2017年版的課程大綱，我們總結出AP物理1、2的課程框架(如圖1所示)。該框架采用基于理解的課程設計模型，規定了學生需要知道什么、做到什么、理解什么，并鼓勵學生在學習過程中通過對物理世界的廣泛思考建立起物理學不同領域之間的聯系。整個課程框架圍繞7項Big idea展開(AP物理1僅涉及前6項)。Big idea是指AP物理1、2中涉及的核心概念，可涵蓋多個專題的知識。如“Big idea 6：波的性質與波動方程”既包括AP物理1中“機械波和聲音”專題的知識，又包括AP物理2中“幾何光學和物理光學”專題與“量子、原子與核物理”專題中的部分知識。大綱中的每項Big idea可具體展開為持久性理解和基本知識。如“Big idea 1：物體與系 統的本質 屬性(如質量，電荷量)，系統的內部結構”，可進一步解讀為表2的形式。

圖1 AP物理1、2的課程框架

表1 AP物理課程概況

AP物理1、2中的各專題圍繞所涉及的Big idea將學習內容拓展為持久性理解、基本知識、界定說明和學習目標。

課程大綱規定，持久性理解指學生要長期掌握的核心內容，用Big idea的一級形式表述?；局R是指學生應該知道并能回憶起來的基本概念，包括具體的公式和定義，用Big idea的二級形式表述?；局R中有時還會對概念進行界定，說明該概念在不同教學階段下學生需要掌握的程度。學習目標傳達的是學生需要做到的具體內容，用Big idea的三級形式表述，與科學實踐環節掛鉤。以AP物理1中，專題9——直流電路為例，其內容涉及Big idea 1和Big idea 5。課程大綱對Big idea 1的具體要求如表3所示。

表2 Big idea 1的完整含義

此外，AP物理1、2基于探究式教學模式設置了7個科學實踐主題，下設若干子條目，以便更貼近學習目標(如表4所示)。如AP物理1 “專題9——直流電路”中，學習目標1.E.2.1對應科學實踐“SP4.1: 學生能對回答特定科學問題所需的數據類型進行解釋”。教師在教學中應首先介紹電阻率的概念，再引導學生從理論出發，自己設計實驗方案來收集數據、分析數據并解釋實驗結果。

為了更好地指導科學實踐教學，AP物理課程發展委員會組織優秀的大學物理教師、AP物理教師以及探究式教學、定量分析和物理實驗領域的專家編寫用于指導教學的實驗手冊[5]。其中，AP物理1設置了一維、二維運動學、牛頓第二定律、圓周運動、能量守恒、沖量和動量、諧運動、轉動、機械波、直流電路九個實驗主題；AP物理2設置了波義耳定律、流體力學、RC電路、磁性、電磁感應、幾何光學、光的粒子模型7個實驗主題。實驗手冊詳細地闡述了每個實驗主題的背景、所需的材料和限制、與課程大綱的一致性、對學生的知識和技能的要求、學生可能遇到的挑戰、學生可能得到的結果以及評價學生掌握情況的指標和等級。此外，實驗手冊還為教師說明了探究式教學環境的構建方法、科學實踐的作用、定量分析的操作、定性論證的方式以及對待特殊學生(如殘疾的學生、患有自閉癥學生)的實驗建議。除了提供科學細致的實驗手冊供教師參考，AP物理課程發展委員會還規定教師應將不少于25%的課時用于AP物理1、2的科學實踐部分。實踐過程中，學生應保留實驗記錄、實驗報告等書面材料。

整體而言，AP物理1、2知識覆蓋面廣，基礎性強。課程圍繞Big idea全面展開——無論是學習目標還是科學實踐環節，無論是需要學生持久理解的物理概念還是課程中的基本知識點，都離不開Big idea的指導。這種核心式的知識組織方式既能讓物理能力稍弱的學生在學習時能有路可尋，又能促進學習能力強的學生形成物理知識的整體脈絡，為進一步學習夯實基礎。

表3 AP物理1專題9——直流電路中關于Big idea 1的學習要求

表4 AP物理1、2的科學實踐內容

2.2 AP物理C——以能力培養為核心[6，7]

AP物理C課程基于微積分運算，是繼AP物理1、2后更深入的課程，難度較大，與大學物理課程銜接度高。 因為2015年的AP物理課程改革未涉及AP物理C，所以 AP物理C的課程大綱至今仍然沿用2014年的版本，課程內容框架簡潔明了(如圖2所示)。

由圖2可知，AP物理C相當于美國高校在理工科專業中開設的力學與電磁學課程。AP物理C-力學在AP物理1中的力學基礎上，用微積分、向量等數學方法給出力學概念的基本定義；AP物理C-電磁學不但要用到微積分、向量等方法，還要求學生學習AP物理1、2中未涉及的新知識，內容大大拓展了。

理論知識方面，AP物理C的課程大綱不僅明確了各知識點的學習要求，還標注了每一專題的內容在整個課程中的占比。但是，這些占比僅是日常教學的參考，考試內容的組織并不以此為唯一標準?？茖W實踐方面，AP物理課程發展委員會規定，實驗探究的課時不少于總課時的20%，學生在實踐過程中需保留實驗記錄、實驗報告等書面材料。與AP物理1、2不同的是，AP物理C沒有將科學探究穿插在每一專題的學習目標中，而是直接從實驗設計、實驗現象的觀測、數據分析、誤差分析、結果討論這5個方面對學生予以要求(如表5所示)。

圖2 AP物理C課程框架

這種抽象的教學目標對教師的教學設計和組織的能力提出了更高要求——教師不僅要教授物理學科知識，還要根據自主設計科學實踐活動，將理論與實踐結合起來進行教學，從而促進學生多種物理能力的發展。

AP物理C-力學和AP物理C-電磁學的課程大綱中都明確規定，學生們通過AP物理C的學習應該獲得以下能力：

(1) 閱讀、理解和解釋物理信息的能力——包括用語言、數字或圖形的方式表達物理信息的能力。

(2) 分析特定物理問題或現象時，有步驟地進行描述和解釋的能力，即

① 描述在分析過程中使用的理想模型，包括特定的簡化假設；

② 說明適用的概念或定義；

③ 規定物理概念的適用范圍；

④ 用語言、數學或圖形的方式進行具體描述并完成分析的步驟；

表5 AP物理C中科學實踐的學習目標

⑤ 解釋包括特殊情況在內的結論。

(3) 在物理情境或問題中適當地使用代數、幾何、三角函數和微積分等數學方法的能力。

(4) 進行實驗并對所觀測到的結果進行解釋、對實驗誤差進行分析的能力。

總的來說，AP物理C知識復雜程度高，先修性強。課程大綱雖然目標指向性明顯，但是對教學的指導作用較弱——教師從中可以明確教學目標，但如何設計教學實現這些目標還需依賴自身的經驗和智慧；學生從中能夠理解各種物理素養，但如何培養這些素養還要依靠教師的引導和自身的物理感覺。因此，AP物理C對教師的要求高，對學生的要求也高。選修AP物理C的學生不僅要對物理充滿興趣，還應有過AP物理1、2或同等課程的學習經歷，了解物理知識的基本脈絡。只有這樣，學生們才能在AP物理C的學習過程中，將自身對物理知識的理解從感性認識上升到理性認識層面，從而更加客觀地看待物理世界。

2.3 考核與評價

AP物理1、AP物理2以及AP物理C在考試題型的占比、考試時間以及考試內容的設置上均有所差別(如表6所示)。

AP物理1和AP物理2的考試難度相當，考試題型也較為相似。AP物理1考試包括50道選擇題和5道自由反應性試題，分值各占總分的50%，答題時間各為90分鐘。自由反應性試題是需要學生主觀陳述觀點的題目，往往與選擇題、問答題等題型結合使用。AP物理1的自由反應試題包含一道實驗題，一道定量計算或定性分析題，3道簡答題。與AP物理1相比，AP物理2考試中少了一道簡答題，其余題型不變。雖然題目數量減少了，但AP物理2的試題題干加長，且對學生的邏輯推理和敘述表達能力要求更高。此外，AP物理1、2的試題大多附有考點分析表(如圖3所示)，以幫助學生領會該題的訓練目標。答題規范方面，雖然AP物理1、2對于自由反應性試題采取多答不扣分的原則，但大綱仍然指出，學生應該在解題時合理地運用圖像、方程或推理步驟進行論述，能正確地使“描述”“解釋” “推導”“證明”等學科性詞語，盡量做到答題規范、過程簡明。

AP物理C-力學和AP物理C-電磁學的考試都包括35道單選題和3道自由反應性試題，分值各占考試總分50%，答題時間各為45分鐘。AP物理C的考點通常會參考課程中各知識點的分布情況，因此考試的結構性強。一般而言，選擇題注重考察學生對物理基本概念的理解，自由反應性試題注重考察學生在問題情境下的解題能力(如圖4)。AP物理C的自由反應性試題要求學生不僅能描述物理現象，還能用圖形、模型等方法對現象進行解釋；不僅能正確地選擇物理公式，還能用合適的數學方法進行公式的推導和變形；不僅能分析實驗的結果和誤差，還能合理地討論實驗的局限性和不確定性。答題規范方面，AP物理C除了對學科詞匯的使用有明確的規定外，還要求考生在計算部分必須保留嚴謹的分析和運算過程，運算結果用2至4位的有效數字形式表示并帶有相應的單位；文字陳述部分不僅要符合邏輯還應文字通達?？傊?，從考核內容到考核形式，AP物理C都更具大學物理課程的特點，因而能有效地篩選出理工科人才。

表6 AP物理考試情況

某物體在一個沿x軸負方向的力的作用下向x軸正方向運動，物體所受合外力與其位置的函數如圖所示，合外力在物體移動如圖距離的過程中所做的功為多少？( )

(A)F0d(B) 3F0d/2 (C) 2F0d(D) 4F0d

持久性理解學習目標科學實踐5．B：系統能量守恒5．B．5．3：學生可以根據圖表中能量的轉化情況進行推理，能夠計算力作用在一個物體或一個系統上經過一段距離所做的功1．4：學生能用陳述和模型的方式分析問題或定性、定量地解決問題2．2：學生能用數學程序將自然現象量化

圖3 AP物理1考試樣題

為了更接近美國大學課程的評價方式，AP課程的最終成績以5分制形式呈現。其中5分為優秀，對應大學考核中的等級A；4分為良好，對應大學考核中的等級A-、B+和B；3分為合格，對應大學考核中的等級B-、C+和C。一般而言，大學認可的AP課程成績需在3分以上。

從2015年改革后的考試情況來看，AP物理1因為課程內容最簡單，因此報考人數最多，每年約有17萬考生報考。但它的5分率和合格率被控制在最低，所以AP物理1考試的實際難度并不小。相比之下，課程難度稍高的AP物理2的報考人數明顯減少，但它的5分率稍有上升。AP物理課程發展委員會為了鼓勵更多學生學習AP物理C課程，維持其5分率在30%以上，因此越來越多有能力的考生，都傾向于選修AP物理C課程。

圖4 AP物理C-電磁學考試樣題

如圖所示，長直導線中的電流I方向向右。電流按公式I=I0-Kt隨時間t變化，這里的I0和K是大于零的常數，I在變化過程中保持大于零。在長導線上方有一寬為b、高為a的矩形線圈，線圈底部離導線的距離為d。線圈中連有一電阻為R的燈泡。用給定的參數和基本常數回答下列問題。

(a) 判斷線圈中的電流方向。

____順時針 ____逆時針

證明你的答案。

(b) 指出，燈泡亮度在電流變化期間的亮度變化。

____變得更亮 ____變得更暗 ____保持不變

證明你的答案。

(c) 推導出t=0時，離導線距離為r處的磁場

(d) 推導出線圈內磁通量隨時間變化的表達式

(e) 推導出燈泡消耗電功率的表達式

表7 2015年—2016年AP物理報考情況[8]

3 AP物理課程成效及給我們的啟示

AP物理課程經過不斷的改革和發展，在美國本土實踐和海外實踐中成效顯著。截至2016年，全球共有7151所學校開設AP物理1課程，2488所學校開設AP物理2課程，4299所學校開設AP物理C課程。先修課的成績得到了斯坦福大學、耶魯大學、麻省理工學院等知名大學在內的4199所高校的認可[8]。這些成效與美國AP物理課程在管理運營、課程理念、考核評價等方面的先進性密不可分。

3.1 協同管理體系，課程內部關聯性強

在美國大學理事會的帶頭下，AP物理從課程設置到考核評價均由AP物理課程發展委員會分管，大學物理教師和AP物理教師共同對課程進行審查、修訂、試點和分析，保證了AP物理的教學質量和考試公平，也平衡了高校和中學兩方的利益。就AP物理課程本身而言，它充分考慮學生的物理學習特點，有重點、有層次地將課程分為兩種難度、4類課程，不僅豐富了學生的選擇，還增強了高中物理和大學物理的課程銜接度。同時，不同難度的物理課程也有其內在關聯——AP物理1、2以“Big idea”將學習目標、科學實踐、基本知識、持久性理解和考試內容相聯系；AP物理C-力學和AP物理C-電磁學雖然在課程內容上聯系并不大，但卻在書面理解和表達、推理分析、數理方法的使用和實驗技能方面有著共同的培養目標。這樣有廣度、有深度、關聯性強的課程體系，加上公正、權威的第三方管理，從根本上保證了AP物理課程的生命力和影響力。

其實，中國也曾有過先修課程的有益探索。早在在1996年至2001年，金陵中學便與南京大學、東南大學、浙江大學等知名高校聯合進行大學先修課的試點，但因為管理失策、學科體系不完善等原因，試驗以失敗告終[9]。從美國大學先修課的成功經驗可以看出，大學先修課程建設必須要明確政府、高校、中學及課程管理方之間的職責。而這其中必定夾雜著各方利益的博弈，如何權衡其中利益，將是中國先修課建設的首要之舉。

3.2 注重科學實踐，培養學生物理專業素養

物理學習最基本的功能就是幫助人們正確地認識物理世界。因此，AP物理十分注重科學實踐——課程大綱明確規定實驗課程在整個課程中的占比；AP物理課程發展委員會將高中的實驗室條件作為評判其是否能開設課程的重要指標；各個高校也將學生的AP物理實驗記錄、實驗報告等作為其學分認證的必要材料……此外，AP物理的科學實踐還提倡從驗證性實驗出發，逐步培養學生進行結構探究、自主探究，以及開放性探究的能力，訓練學生的批判性思維，提高他們的物理專業素養。

我國物理教學也對培養學生的物理專業素養較為重視。2015年，中國教育部頒布了《普通高中物理課程標準修訂稿》內部征求意見稿, 稿中強調要注重培養學生的物理核心素養，即“物理觀念”“科學思維”“實驗探究”“科學態度與責任”4大方面的科學能力[10]。筆者認為，中國大學物理先修課的建設也應繼續秉持培養學生物理素養這一基本原則，加強科學實踐的規范性，讓基層教師在教學中有章可循，讓學生在科學實踐中有所收獲。

3.3 注重知識運用，提高學生解決問題的能力

AP物理考試的一大特點在于，考試時允許考生在規定的范圍內使用統一的公式表和計算器。這樣的設置一方面是顧及課程難度，另一方面也有助于學生在學習的過程中，將更多的精力從物理概念的識記轉移到知識的理解和運用上來；將更多的時間從數學計算轉移到定量論證和定性分析上來。

此前有研究表明，我國中學生就物理學科而言，對知識的關聯整合和實際運用能力欠佳。學生的分析解釋、推理預測和綜合應用等遷移創新能力薄弱[11]。因此，我國的AP物理課程建設者應當意識到學生的物理學科能力不是機械訓練中發展而來的，而是在對實際問題進行預測、解釋、推論等實踐活動中逐步形成的。

3.4 規范考核合理性，滿足高校人才需求

雖然AP物理考核要求學生保留平時的實踐報告，但其考試分數還是取決于紙筆考試。為了保證考試的公平合理， AP物理C的試題很大程度上參考教學大綱中各部分知識的構成比例，而AP物理1、2則更為細致地為試題備注相應的持久性理解、學習目標和科學實踐的內容?？荚囋趦热莺托问缴系慕Y構性一方面為教師的日常教學提供參考，另一方面也保證了考核本身的科學性。

為了進一步促進考試的合理性，AP課程的最終成績需要根據報考人數和試題難度按比例劃分為5個等級，分數在同一區間內的學生成績等級相同，這種不以分數論高低的評價方式，一定程度上弱化了高分學生的優勢，雖然在公平性方面遭受質疑，但卻能有效避免學生被過度培養。另外，AP物理課程發展委員會控制AP課程的5分率隨課程難度的增加而增加，這樣的干預既能鼓勵更多的學生深入學習物理學課程，又能緩解考生選課時的投機取巧現象。

兌換學分環節中，每所大學都有著各自的準則。如斯坦福大學規定，學生進行AP學分兌換前，應首先通過分班考試，方可進行AP物理學分兌換，且4分以上有效；耶魯大學規定，只有AP物理C能兌換學分，且5分有效，同時，學生的微積分成績需滿足一定要求；賓夕法尼亞大學規定，只有AP物理1、2能兌換學分，且4分以上有效。除了學分與學分的兌換，有些學校還會以其他形式來兌換AP學分，如達特茅斯學院，采用學業補助金的形式兌換AP學分。高校自主設定AP課程與大學課程的學分兌換方式，既能滿足高校對生源的要求，迎合學校的辦學理念，又有助于學生的學業規劃和專業發展。

就中國的大學先修課而言，其頂層設計還不完善，學分的轉換和判定仍然缺乏統一的規定，因此，目前還難以獲得高校和中學的普遍信任。此外，大學與大學之間、實體課程與網絡課程之間的學分互換制度在國內的發展尚且遲緩，如何更加開放地接受大學先修課的學分、制定適合本校辦學特色的學分兌換政策，將是中國高校面臨的一大挑戰。

附錄： 2017年AP物理C-電磁學自由反應性試題，第三題

在研究安培定律時，學生們為了確定自由空間的磁導率μ0，收集了磁場中兩種不同螺線管的數據。螺線管是用金屬絲纏繞空心塑料管制成的，一個長為l，線圈匝數為N的螺線管與電源和電阻串聯。萬用表被當成電流表，測量通過螺線管的電流I。電路中的主要元件如上圖所示。

(a) ⅰ. 在上圖中，用畫線的方式連接螺線管、電源、電阻和萬用表，完成電路并讓學生們能測量螺線管中電流的大小。

ⅱ. 利用你在(a)ⅰ中連接的電路，指出螺線管內部的磁場方向。

________沿紙面向上 ________向左 ________垂直紙面向外

________沿紙面向下 ________向右 ________垂直紙面向內

下圖所示的矩形表示一個螺線管(線圈沒有顯示)。A點、B點和C點在螺線管的中心軸線上，B點是螺線管中間的點。D點在B點的正上方。

ⅲ. 為了確定自由空間的磁導率μ0，在下面的選項中，選擇磁場探頭(一個可以測量磁場大小的探頭)測量螺線管磁場強度的最佳放置點。

____A ____B ____C ____D

根據簡單螺線管的模型，證明你的答案。

如下圖所示，兩個不同的螺線管將連接在上面的電路中。螺線管1的長度為l=25cm，線圈匝數為N=100匝。螺線管2的長度為l=5.0cm，線圈匝數為N=5匝。

注： 圖形未按比例繪制

磁場大小B與NI/l的函數圖像如下圖所示。螺線管1的數據最佳擬合線為實線，螺線管2的數據最佳擬合線為虛線。

(b) 哪個螺線管的最佳擬合線，能最好地確定自由空間的磁導率μ0。

________螺線管1 ________螺線管2

證明你的答案。

(c) ⅰ. 利用(b)中所選螺線管的最佳擬合線的斜率，計算自由空間的磁導率μ0。

ⅱ. 計算(c)i中得到的自由空間磁導率實驗值μ0的百分誤差。

(d) ⅰ. 對于不通過原點的最佳擬合線，合理的物理解釋是什么？

ⅱ. 假設一名學生在閉合電路中連接一個螺線管。該閉合電路與(a)中的電路相似，但沒有電阻。學生發現，電源打開后，萬用表停止工作。請解釋導致萬用表故障的原因。

[1] Hargrove L, Godin D, Dodd B. College outcomes comparisons by AP and Non-AP high school experiences[J]. College Board, 2008.

[2] AP Course Audit[EB/OL][2017-09-09]. http://www.collegeboard.com/html/apcourseaudit/courses/physics_1.html.

[3] AP Physics 1: Algebra-Based[EB/OL][2017-09-09]. https://apstudent.collegeboard.org/apcourse/ap-physics-1.

[4] AP Physics 2: Algebra-Based[EB/OL][2017-09-09]. https://apstudent.collegeboard.org/apcourse/ap-physics-2.

[5] AP Physics 1 and 2 Inquiry-Based Lab Investigations: A teacher’s manual[EB/OL][2017-09-09]. https://apcentral.collegeboard.org/pdf/ap-physics-inquiry-based-lab-manual.pdf?course=ap-physics-2.

[6] AP Physics C: Mechanics[EB/OL][2017-09-09]. https://apstudent.collegeboard.org/apcourse/ap-physics-c-mechanics.

[7] AP Physics C: Electricity and Magnetism[EB/OL][2017-09-09]. https://apstudent.collegeboard.org/apcourse/ap-physics-c-electricity-and-magnetism.

[8] AP Data-Archived Data[EB/OL][2017-09-09]. https://research.collegeboard.org/programs/ap/data/participation/ap-2016.

[9] 李文君. 中國大學如何開設先修課程[J]. 教育與職業, 2013(7):70-73.

Li Wenjun. Chinese universities’ approaches to offering Advanced Placement courses[J]. Education and Vocation, 2013(7): 70-73. (in Chinese)

[10] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準修訂稿(征求意見稿)[M].北京：人民教育出版社,2015.

[11] 郭玉英,張玉峰,姚建欣. 物理學科能力及其表現研究[J]. 教育學報， 2016,04(12)：57-63.

Guo Yuying, Zhang Yufeng, Yao Jianxin. Composition and performance of physics competency[J]. Journal of Educational Studies, 2016, 04(12)： 57-63. (in Chinese)