1 必修課程是提升核心物理素養、銜接大學與中學物理教學的必然要求
《普通高中物理課程標準（2017年版）》中指出，物理學是研究自然界物質的基本結構、相互作用和運動規律的自然科學領域的基礎學科，高中物理課程是普通高中自然科學領域的基礎課程，旨在落實立德樹人根本任務，進一步提高學生物理學核心素養，為學生重視發展奠定基礎，促進科學事業的傳承與發展[1]。換言之，物理知識不應是海洋中的孤島，而應有機聯系在一起，形成一個整體。這就從傳統的“知識”教學轉向強調“能力”，更加注重“素養”的重要性。所謂“素養”，不僅是知識，還包括能力和態度，對過去重知識輕能力的片面教育也能起到一定糾正作用。從這個角度來說，高中物理的科學知識其實起著載體的作用，而真正應該培養的是基于已有的知識基礎提出問題、發現問題，并進一步解決問題的能力，這也可以稱為“素養”。
物理核心素養應是“學科教育價值的集中體現，是學生通過學科學習逐漸形成的正確價值觀、必備素質和關鍵能力[1]”。普通高中教育仍然屬于基礎教育，因此現有的高中物理教學體系應著眼于全體學生共同的基礎。當然，設計了一系列的物理課程模塊供學生選擇，以滿足學生不同的學習需求。但由于課時限制和高考的學業壓力，為了讓學生在高考中取得勝利，中學物理教學實際上仍然以高考為指揮棒制定訓練計劃。高考中沒有涉及的內容只能在課堂教學中無奈舍棄。這導致兩個結果：一方面，相關學生的興趣、發展潛力和職業需求可能在一定程度上得不到充分滿足；另一方面，許多高校特別是理工科專業的學生，??與中學物理教學存在一定程度的對接問題。
新課程改革的目標是讓學生根據自己的興趣和實際情況，構建適合自身發展的學習內容，而不是千篇一律。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》明確提出要“深化課程改革，創造條件開設豐富多彩的選修課程，為學生提供更多的選擇，促進學生全面個性化發展”和“逐步形成分類考試、綜合評價、多元化錄取的考試招生制度”[2]。這意味著高中物理課程應該建設成：傳統的常規課程與豐富的選修課程相結合，形成分類、分層次的課程體系，滿足不同層次、不同特點學生的多樣化需求。這也是培養拔尖創新人才的基本條件。
為了搭建大學與中學物理教學之間的橋梁，中學與大學都在積極思考如何打破壁壘，為此可以考慮中學與大學合作，開設相關的大學預科課程，為物理學領域中具有余力的優秀學生提供全面、個性化發展的可能[3]。
2、開設電磁學預科課程是高校和中學應慎重考慮的選擇。
電磁學是多數理工科院校的重要基礎課，是北京大學物理學院推薦的第一門物理必修課，而人大附中作為第一所開設電磁學必修課的學校，也是經過深思熟慮后選定的。
首先，大學期間有意向攻讀理工科的學生需要更多的電磁學基礎知識，因此對于有空閑時間的學生來說，系統地學習相關知識是十分必要的。另外，在物理競賽的大環境下，備賽學生如果能兼顧學業，取得先修課程的學分，對取得期中成績也是有益的。
其次，先修課不同于物理競賽，并不是競賽的升級版。競賽的重點是解決難題，而先修課則源于大學專業課。通過學習，學生可以系統地了解物理學的內涵和外延，為進一步完成大學學業打下堅實的基礎。同時，先修課也為學生提供了更多展示自我的機會和渠道。
最后，考慮到中學生的實際身心特點，大學預科課程應從中學的相關知識入手，在此基礎上不斷完善，最終穩定在大學課程所要求的水平。因此，相關物理課程應具有相對獨立完整的知識結構，繼承學科的優秀傳統，課程內容應通俗易懂，具有良好的擴展性，能給學生一扇看到廣闊世界的窗戶。
基于以上評估和選擇，人大附中決定開設電磁學先修課程。該課程以北京大學相關課程為基礎，課程具有挑戰性，并不是所有學生都能隨意選擇。但對于有空閑時間且喜歡物理的學生來說，享受挑戰帶來的樂趣，確實是一個愉快的選擇。先修課程的教學和實施離不開中學與大學的教學交流。因此，人大附中與北京大學物理學院抓住共建先修課程體系的契機，在電磁學先修課程的實施中密切配合。能夠在該先修課程中取得好成績的學生，完全有能力適應大學相關專業課程的學習。
3. 電磁學必修課注重深入理解科學概念和本質
在常規中學物理教學中，許多基礎物理知識只涉及簡單公式的計算，將實際??情況大大簡化為抽象的物理模型和習題。尤其對于電磁學，許多天才的理論思想和巧妙的實驗設計被回避，許多富有物理意義的內容也因此被剔除或略過，精彩之處得不到展現，容易導致學生在學習過程中缺乏興趣，會覺得電磁學復雜、雜亂，不容易深刻理解其中的科學概念和本質，這體現在大學與高中教學銜接的難度上。
電磁學預科課向有課余學習的優秀中學生介紹經典電磁理論，培養分析和解決基本電磁問題的能力，使學生了解電磁運動的基本現象、概念和規律，了解電磁學史上一些重大發現和發明過程中的物理思想和實驗方法，領略大師的智慧。電磁學預科課特別注重科學概念和精髓的介紹，電磁場的物質概念、場與物質相互作用的概念、場的能量和動量的概念，特別是近距離觀點和超距離觀點的區別貫穿整個課程，引出不同的研究方向，輻射出物理觀念和科學思維兩大物理學科。
4. 電磁學必修課的實施
必修課的要求應與大學課程標準一致，否則就不能稱為必修課。但作為一門針對中學生的課程，它不能簡單地成為大學課程的移植，而必須根據中學生的實際情況進行認真的重新設計，并與中學物理課程很好地協調。
從課時來看，北大開設電磁學基礎內容時，每周3節課，每節150分鐘，共15周，共計2250分鐘，如果加上練習課和考試時間，課時會更多。如果看人大附中的國家選修課安排，每周2節課，每節80分鐘，共14周，共計1120分鐘，教學時長遠少于大學同類課程的課時，很難取得良好的教學效果。如果按照周計劃強行推進教學進度，跳過很多章節，把剩余部分要求課后閱讀或觀看，實踐表明，學生很難堅持，效果不佳。筆者也曾嘗試過上下學期分開授課，但電磁學課程內容連貫性較差。分為兩個學期后，有些選擇秋季課程的學生沒有繼續學習春季課程，有些選擇春季課程的學生沒有秋季課程的基礎，教學進度受到很大影響。
電磁學課程的課時應不低于北大同類課程的課時，經與校領導協商，可以適當增加每周課時。按照這個思路，設計了如下安排：每周課時增加為4節160分鐘的課（兩節80分鐘的課，中間休息半小時），共計2240分鐘，14周，連續授課，保證教學時間，以取得良好的效果。課程時間的增加反過來會更容易反向認定學生選課的目的：是真心熱愛物理，還是只想考學分？實踐表明，真正熱愛物理的學生，是非常愿意再上80分鐘課的。
目前，電磁學預修課在人大附中已開設五年多，形成了相對穩定的課程體系，如表1所示。
表1 電磁學先修課教學計劃
這門電磁學先修課并不是單單的講授，而是在實際教學中，通過講授與提問相結合的方式，在不同的知識背景下提出各種問題。很多問題在普通中學和大學物理課程中不一定講授，在一般專業課教材中也沒有詳細講解，但值得老師帶領學生一一思考。在提出和回答問題的過程中，學生的思維得到了很好的鍛煉，對物理形象的理解也得到了很大的提升。這也培養了學生聯系實際提出問題、分析問題、解決問題的能力，這與新一輪課程改革中物理學科的核心素養不謀而合。
舉幾個例子：常規物理教學中，介紹了平行板電容的公式，電容與對邊面積成正比，與距離成正比，但為什么有一個4π的系數呢？提出這樣的問題網校頭條，進而分析靜電相互作用的基本規律——庫侖定律的形式，以及參數選取的策略，涉及到整個靜電理論。再如：為什么不做功的洛倫茲力，作為非靜電力，卻能產生動生電動勢？這是電磁感應中不容易解釋清楚的問題。我們提出這個問題，啟發學生思考、討論，取得了很好的效果。這樣，學生很容易直觀地感受到電磁理論的科學思維，培養提出創造性見解的能力和品質。
為了突出物理概念，我們引入空間對稱性來解釋庫侖力的方向，引入庫侖定律成立的靜源條件，以及某些情況下“違反”牛頓第三定律的深層次原因——需要考慮電磁場的動量[4]。這樣，學生就意識到中學階段介紹的知識，如庫侖定律、牛頓定律等，需要在新的層面上綜合考慮，這也是物理概念的創新。
基于以上認識，我們更加重視物理表象，降低練習的計算要求。
人大附中學習電磁學預科的學生普遍缺乏數學基礎，這也給學生學習電磁學預科帶來了困難，因為電磁學預科除了單變量微積分外，還可能涉及多變量微積分、向量互乘與場論、矩陣、行列式等代數理論、微分方程等。對此，我們的看法是：只要能聽懂、能算出來就可以了。
例如，對微積分的要求是學生能理解和表述一元微積分的相關概念和意義，能通過基本的初等函數積分表計算常用函數的導數和積分，能理解多元微積分可以表示空間中某個曲面或曲線上電磁場的特殊性質。微積分中值定理不要求學生掌握，該定理只在高等數學和專業微積分課程中學習，在實際計算中，學生可能只需要一元微積分。在先修課程的教學過程中，學生可根據課程進度和內容要求，注重使用不同數學工具的目的及其表達式的物理意義：矩陣可用來表達材料的各向異性，復雜運算便于處理簡諧交流電，微分方程可以揭示不同物理定律及其解之間的形式相似性等。
美國史岱文森高中前校長張潔女士曾來人大附中介紹學生學習多元微積分的情況，并自豪地稱之為Post AP（美國大學高級課程的后續課程）。聽完這個報告后，我還和同學們開玩笑說：“我們已經在學Post AP課程了（美國大學高級課程的后續課程）。”
5. 電磁學必修課的課程管理與評估
電磁學先修課的考核方式為過程考核與期末考試相結合，過程考核包括20%的出勤率和20%的課堂表現。為了培養良好的學風，課堂出勤率的評分嚴格按照學校的相關規定執行。期末考試前，任課老師會提供答疑時間，并將所有講義和練習答案分享給大家。作為一門教學要求明確的課程，先修課在學期末會考查最基本的知識點和最基本的科學常識。
經過近5年的開發，電磁學預科的所有講義、作業、復習資料都已整理成電子文檔高中物理競賽與微積分，供學生學習使用。選修該課程的學生從9年級到12年級不等，每年都有6-7名學生在北大舉行的預科考試中取得A級及以上的成績。
選擇這門課程的學生非常喜歡這門課程，并給予了高度評價。一位學生寫道：
“給我印象最深的內容是關于電介質極化和磁介質磁化的討論，因為這兩部分的推導結果漂亮且驚人的相似，并且巧妙地定義了輔助物理量D和H，解決了總電場強度與極化強度（或總磁感應強度與磁化強度）相互交織、難以求解的問題。漂亮而相似的結果也加深了我對場論的理解。”
另一位同學寫道：
“印象最深的大概就是電磁波方程組了（作者注：指麥克斯韋方程組）。它其實可以解出電磁波在介質中的傳播速度：
這個速度只和真空介電常數和真空磁導率、介質的相對介電常數和相對磁導率有關，和所選用的坐標系無關。雖然我們從小就被教育過光速不變的原理，但是我們卻不能直觀地理解或知道光速不變意味著什么。”
學生們的評價多種多樣，充分肯定了電磁學必修課的價值。
6 電磁學先修課程的特色與創新
中學全面推行大學預科課程，最重要的是統一教學質量和評價標準。為此，高校必須制定一套完整的課程計劃、課程標準和考核制度，并嚴格執行，避免隨意教學，同時也要保證公平、公正、公開。目前，北京大學通過網絡平臺推廣大學預科課程，課堂生動、易懂，為高中大學預科課程提供課程標準。此外，網站課程還有助教定期維護和解答學生的問題，也更方便學生和老師使用。
在中學線下預科班中，為了保證教學質量，加深學生對物理概念的深入理解，真正提高學生的科學素養而不僅僅是提高應試能力，人大附中的電磁學預科課采用了翻轉課堂、問題引導等多種教學方式。老師讓學生提前學習線上內容和相應的視頻內容，然后在課上針對視頻中的一些重要問題進行重點講解和討論。這種模式可以大大提高教學進度，也能提高學生的學習興趣。學生通過視頻學習會提出問題，引發課前思考高中物理競賽與微積分，老師在課上稍加引導，就會引發廣泛的討論，提高了課堂效率。在兩節課的間隙，老師還可以隨時讓學生回答問題，檢查學生的參與度和回答情況，這樣就可以在課前了解學生對問題的理解程度，使課堂教學更有針對性。
7 結論
面對新課程、高考改革的新形勢，中學需要創造條件開設豐富多彩的物理選修課程，為學生的全面發展創造條件，落實核心物理素養，同時建立中學與大學物理課程的銜接，更好地培養拔尖創新人才。電磁學預科課程在人大附中高中物理選修課程體系中開展了大量有意義的實踐和探索，取得了很好的效果。
參考
[1] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].2018.
[2] 國家中長期教育改革和發展規劃綱要：2010-2020年[M].北京:人民出版社,2010.
[3]王佳俊.論大學物理教學與中學物理教學的銜接[J].物理與工程,2016,26(4):7-12.
王建軍. 高分子材料研究[J]. 化學與生物工程, 2016, 26(4):7-12. (引自 )
[4]陳秉乾,王嘉俊.大學物理通用教程:電磁學[M].第2版.北京:北京大學出版社,2012.
作者簡介：張心懿，男，中國人民大學附屬中學物理教師，從事中學物理、高考物理、物理預修課的教學研究。
引用格式：張心怡. 電磁學預科課在人大附中物理選修課程體系中的實踐[J]. 物理與工程, 2019, 29(6): 47-51.
結尾
