本文發表于《物理與工程》2017年電子版。 作者為東南大學學習科學研究中心碩士生曲林云、高等教育出版社物理分社社長苗可可、東南大學學習科學研究中心碩士生趙新銳、教授周玉清，東南大學物理學院教授。
1 AP 物理課程概述
美國先修課程（簡稱AP課程）是世界上有影響力的中學和大學銜接課程。 它由美國非政府教育組織大學理事會（ Board）管理。 通過修讀AP課程，學生不僅可以盡早進入大學課程，而且有機會獲得大學學分，從而縮短大學學時，降低教育成本。 經過近70年的發展，AP課程已從最初的11門發展到38門，涵蓋世界語言與文化、人文歷史、自然科學、社會科學、數學和計算機科學等學科。 研究表明，參加AP課程并取得及格成績（3分或以上）的學生在大學里的表現和畢業率比沒有接觸過AP課程的學生要好[1]。
AP物理課程由美國大學理事會下屬的AP物理課程開發委員會直接管理。 AP物理發展委員會由優秀大學物理教師和AP物理教師組成。 其主要任務是根據大學提供的信息，確保課程內容符合當前物理學的發展趨勢。 此外，開設AP物理課程的學校資格審查也是在大學和中學的參與下進行的。 一般來說，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核。 課程評審表用于解釋學校對課程的理解和評審教學資源的分配。 它由 AP 物理教師和校長（或指定管理員）提交。 教學大綱用于解釋教學過程如何滿足課程教學大綱的要求，由AP物理教師制定和提交[2]。 中學與大學的合作管理，保證了AP物理課程既能體現大學課程的特色，又在學生可接受的能力范圍之內。
2 AP物理課程內容——根據課程大綱解讀
AP物理課程于2015年進行改革，將AP物理B拆分為AP物理1和AP物理2，加上原來的AP物理C-力學和AP物理C-電磁學，形成了目前的課程體系（如下表所示） 1）。
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AP物理2類似，是高中物理課程，主要涵蓋電磁知識，以及一些基礎的流體力學、熱力學、光學和量子物理。 這兩門課程共同構成了物理學的基礎知識框架。
根據2017年版課程大綱，我們總結了AP物理1和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式，規定學生需要知道什么、做什么、理解什么，鼓勵學生在學習過程中通過對物理世界的廣泛思考，在不同物理領域之間建立聯系。 整個課程框架圍繞7大理念展開（AP物理1只涉及前6項）。 大創意是指AP物理1和2涉及的核心概念，可以涵蓋多個主題的知識。 例如，“大思想6：波的本質和波動方程”包括AP物理1中“機械波和聲音”主題的知識，以及“幾何光學和物理光學”主題和“量子、原子和光學”主題的知識。 AP 物理 2 中的“核物理”。該主題的一些知識。 大綱中的每一個大理念都可以具體擴展為持久的理解和基礎知識。 例如，“大思想1：物體和系統的本質屬性（如質量、電荷）以及系統的內部結構”可以用表2的形式進一步解釋。
AP 物理 1 和 2 中的每個主題都將學習內容擴展為圍繞所涉及的大思想的持久理解、基礎知識、定義和學習目標。
課程大綱規定，持久理解是指學生需要長期掌握的核心內容，以Big Idea的一級形式表達。 基礎知識是指學生應該知道并能夠回憶的基本概念，包括具體的公式和定義，以Big Idea的二級形式表達。 有時在基礎知識中定義概念，以表明在不同教學階段學生需要掌握概念的程度。 學習目標傳達學生需要達到的具體內容，以Big Idea的三層次形式表達，并鏈接科學的實踐環節。 以AP物理1，主題9-直流電路為例，內容涉及Big Idea 1和Big Idea 5。Big Idea 1課程大綱的具體要求如表3所示。
此外，AP物理1和2基于探究式教學模式設置了7個科學實踐主題，并設有多個子項以更貼近學習目標（如表4所示）。 例如，在 AP 物理 1“主題 9 - 直流電路”中，學習目標 1.E.2.1 對應于科學實踐“SP4.1：學生可以解釋回答特定科學問題所需的數據類型”。 在教學中，教師應首先介紹電阻率的概念，然后引導學生從理論出發，設計實驗方案，收集數據、分析數據和解釋實驗結果。
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大學物理教師、AP物理教師以及探究式教學、定量分析、物理實驗等領域的專家編寫實驗手冊，指導教學。 5]。 其中，AP物理1設置了九個實驗課題：一維和二維運動學、牛頓第二定律、圓周運動、能量守恒、沖量和動量、簡諧運動、旋轉、機械波、直流電路； AP物理2套波有耳定律、流體力學、RC電路、磁學、電磁感應、幾何光學、光的粒子模型等7個實驗課題。 實驗手冊詳細介紹了每個實驗主題的背景、所需材料和限制、與課程大綱的一致性、學生的知識和技能要求、學生可能遇到的挑戰、學生可能獲得的結果以及評價學生掌握的指標和水平。 此外，實驗手冊還向教師講解了如何構建探究式教學環境、科學實踐的作用、定量分析的操作、定性論證的方法以及對待特殊學生（如殘疾學生）的實驗。和自閉癥學生）的建議。 除了提供科學詳細的實驗手冊供教師參考外，AP物理課程發展委員會還規定，教師應將不少于25%的課堂時間用于AP物理1和2的科學實踐部分。在實踐過程中、學生應保存實驗記錄、實驗報告等書面材料。
總體來說，AP物理1和2涵蓋的知識面很廣，而且非常基礎。 課程完全圍繞Big Idea展開——無論是學習目標還是科學實踐環節，無論是需要學生長時間理解的物理概念還是課程中的基礎知識點，都離不開Big Idea的指導。主意。 這種核心知識組織方法，不僅讓體能較弱的學生找到學習的方法，也促進學習能力較強的學生形成物理知識的整體脈絡，為進一步學習打下堅實的基礎。
2.2 AP物理C——以能力培養為核心[6,7]
AP物理C課程以微積分運算為基礎。 是繼AP物理1、2之后更深入的課程，難度較大，與大學物理課程聯系度較高。 由于2015年AP物理課程改革并未涉及AP物理C，因此AP物理C課程大綱仍沿用2014年版本，課程內容框架簡潔明了（如圖2所示）。
從圖2可以看出，AP物理C相當于美國大學理工科專業開設的力學和電磁學課程。 AP物理C-力學以AP物理1中的力學為基礎，運用微積分、向量等數學方法給出力學概念的基本定義； AP物理C-電磁學不僅使用了微積分、向量等方法，還要求學生學習AP物理1和2中未涵蓋的新知識，內容大大擴展。
在理論知識方面，AP物理C課程大綱不僅明確了每個知識點的學習要求，還標注了每個主題在整個課程中所占的比例。 不過，這些比例只是日常教學的參考，考試內容的組織并不以此為唯一標準。 在科學實踐方面，AP物理課程發展委員會規定實驗探究時間應不少于總課時的20%，學生在實踐過程中必須保存實驗記錄、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到每個題目的學習目標中，而是直接從實驗設計、實驗現象觀察、數據分析、誤差分析、結果討論五個方面入手。 對學生的要求（如表5所示）。
這種抽象的教學目標對教師的教學設計和組織能力提出了更高的要求——教師不僅要傳授物理學科知識，還要獨立設計科學的實踐活動，理論與實踐相結合進行教學，從而促進學生多元化物理的發展。能力。
AP物理C-力學和AP物理-C電磁學課程大綱明確規定學生通過AP物理C的學習應獲得以下能力：
(1) 閱讀、理解和解釋物理信息的能力——包括以口頭、數字或圖形方式表達物理信息的能力。
（2）分析具體物理問題或現象時，能夠逐步描述和解釋的能力，即
① 描述分析過程中使用的理想模型，包括具體的簡化假設；
② 解釋適用的概念或定義；
③ 明確物理概念的應用范圍；
④ 用語言、數學或圖形具體描述并完成分析步驟；
⑤ 解釋結論，包括特殊情況。
（3）能夠在物理情況或問題中恰當地運用代數、幾何、三角函數、微積分等數學方法。
(4) 進行實驗、解釋觀察結果、分析實驗誤差的能力。
一般來說，AP物理C知識非常復雜，需要很強的先決條件。 課程大綱雖然目標導向明顯，但對教學的指導作用較弱——教師可以明確教學目標，但如何設計教學以實現這些目標仍需要依靠自己的經驗和智慧； 學生可以從中了解各種體育素養，但如何培養這些素質還取決于老師的指導和自己的體育意識。 因此，AP物理C對教師的要求很高，對學生的要求也很高。 修讀 AP 物理 C 的學生不僅應該對物理感興趣，還應該有學習 AP 物理 1、2 或同等課程的經驗，并了解物理知識的基本背景。 只有這樣，才能讓學生在AP物理C的學習過程中，提高對物理知識的理解，從感性知識到理性知識，從而更加客觀地看待物理世界。
2.3 評估與評價
AP物理1、AP物理2、AP物理C在題型比例、考試時間、考試內容設置上有所不同（如表6）。
AP物理1和AP物理2考試難度相似，考題類型也比較相似。 AP物理1考試由50道選擇題和5道自由答題組成，每道題占總分的50%，每道答題時間為90分鐘。 自由答題是要求學生主觀陳述自己意見的試題，常與選擇題、問答題等題型結合使用。 AP物理1的自由答題包括1道實驗題、1道定量計算或定性分析題以及3道簡答題。 與AP物理1相比，AP物理2考試少了一道簡答題，其余題型保持不變。 雖然題目數量減少了，但AP物理2的考試題干卻被加長，對學生的邏輯推理和敘述表達能力要求更高。 此外，大多數AP物理1和2試題都附有考點分析表（如圖3所示），以幫助學生了解題目的訓練目標。 在答題標準上，雖然AP物理1、2采用自由答題多選不扣分的原則，但教學大綱仍然指出學生解題時應合理利用圖像、方程或推理步驟進行討論，能夠正確使用“描述”、“解釋”、“推導”、“證明”等紀律性詞語，使答案盡可能規范，過程盡可能簡潔。
AP物理C-力學和AP物理C-電磁學考試各包括35道選擇題和3道自由答題，各占考試總分的50%，每題作答時間為45分鐘。 AP物理C的考點通常是指課程中各個知識點的分布，因此考試結構性很強。 一般來說，選擇題側重于測試學生對物理基本概念的理解，而自由答題則側重于測試學生在問題情境中解決問題的能力（圖4）。 AP物理C的自由反應試題要求學生不僅要描述物理現象，還要用圖形、模型等方法解釋現象； 不僅要正確選擇物理公式，還要運用適當的數學方法推導、變換公式； 不僅可以分析實驗的結果和誤差，還可以合理討論實驗的局限性和不確定性。 在答案規范方面，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保留嚴格的分析和運算過程。 運算結果以2～4位有效數字及相應單位的形式表示； 書面陳述部分不僅要邏輯清晰，而且要寫得清楚。 總之，從考核內容到考核形式，AP物理C更具有大學物理課程的特點，因此能夠有效篩選理工科人才。
為了更接近美國大學課程的評估方式，AP課程的最終分數以5分制的形式呈現。 其中5為優秀，對應大學評估A級； 4為良好，對應大學評估中的A-、B+、B級； 3為合格高中物理總知識框架，對應大學評估中的B-、C+和C等級。 一般來說，大學認可的AP課程成績需要在3分以上。
從2015年改革后的考試情況來看（見表7），AP物理1由于課程內容最簡單，報考人數最多，每年約有17萬人報考。 不過它的5分率和通過率都控制在最低，所以AP物理1考試的實際難度并不小。 相比之下，AP物理2這門難度稍高的課程報名人數明顯減少，但5分率略有上升。 為了鼓勵更多的學生學習AP物理C課程，AP物理課程發展委員會將其5分率維持在30%以上。 因此，越來越多有能力的考生傾向于參加AP物理C課程。
3 AP物理課程的有效性及其給我們的啟示
AP物理課程經過不斷的改革和發展，在美國及海外的實踐中取得了顯著的成績。 截至2016年，全球共有7,151所學校提供AP物理1課程，2,488所學校提供AP物理2課程，4,299所學校提供AP物理C課程。 預科課程成績得到包括斯坦福大學、耶魯大學、麻省理工學院等知名大學在內的4199所大學的認可[8]。 這些成績的取得與美國AP物理課程在管理操作、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
AP物理在美國大學理事會的領導下，負責AP物理課程開發委員會從課程設置到考核評價的工作。 大學物理教師與AP物理教師共同對課程進行評審、修改、試點和分析，確保AP物理的質量。 教學質量和考試公平也平衡了大學和中學的利益。 就AP物理課程本身而言，充分考慮學生的物理學習特點，有針對性、層次化地將課程分為兩個難度級別、四種類型的課程。 這不僅豐富了學生的選擇，也增強了高中物理和大學物理的水平。 課程連通性。 同時，不同難度的物理課程也有其內在的聯系——AP物理1和2用“Big Idea”來連接學習目標、科學實踐、基礎知識、持久理解和考試內容； AP物理C-力學和AP物理C-電磁學雖然在課程內容上聯系不緊密，但在書面理解與表達、推理分析、數學方法的運用和實驗技能方面有共同的培養目標。 如此廣泛、深入、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。
事實上，中國在先修課程方面也做出了有益的探索。 早在1996年至2001年，金陵中學就與南京大學、東南大學、浙江大學等知名大學聯合開展了大學預科課程試點。 但由于管理不善和主體體系不完善，實驗以失敗告終[9]。 從美國預修課程的成功經驗可以看出，預修課程的建設必須明確政府、大學、中學和課程管理方之間的職責。 而這必然夾雜著各方利益的博弈。 如何權衡利益將是中國先修課程建設的第一步。
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是幫助人們正確認識物理世界。 因此，AP物理非常重視科學實踐——課程大綱中明確規定了實驗課程在整個課程中的比例； AP物理課程發展委員會將高中的實驗室條件作為判斷其能否開設課程的重要指標； 各高校還將學生的AP物理實驗記錄、實驗報告等作為學分認證的必備材料……此外，AP物理的科學實踐還提倡從驗證性實驗開始，逐步培養學生的能力進行結構性詢問、獨立詢問、公開詢問。 ，培養學生批判性思維，提高物理專業素養。
我國物理教學也非常重視學生物理專業素質的培養。 2015年，教育部公布《普通高中物理課程標準修訂草案》進行內部征求意見。 草案強調，要注重培養學生物理核心能力，即“物理概念”、“科學思維”、“實驗探究”和“科學態度”。 和責任”四大方面的科學能力[10]。 筆者認為，我國高校基礎物理課程建設應繼續堅持培養學生物理素養的基本原則，加強科學實踐的規范化，讓基層教師教學有章可循，讓學生學有所成。在科學實踐中。 報酬。
3.3注重知識的應用，提高學生解決問題的能力
AP物理考試的一大特點是考試時允許考生在規定范圍內使用統一的公式表和計算器。 這樣的設置一方面考慮到了課程的難度，另一方面也幫助學生在學習過程中將更多的精力從記憶??物理概念轉移到理解和應用知識上； 并且花更多的時間從數學計算轉向定量論證和定性分析。
以往的研究表明，中國中學生在物理學科中整合知識并將其應用于實際應用的能力較差。 學生的分析、解釋、推理、預測、綜合應用等遷移創新能力較弱[11]。 因此，我國AP物理課程建設者應該認識到，學生的物理學科能力不是通過機械訓練培養出來的，而是在對實際問題的預測、解釋、推理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物理評估要求學生保留平時的練習報告，但他們的考試成績仍然取決于紙筆考試。 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了教學大綱中各部分知識的比例，而AP物理1和2則對相應的持久理解、學習目標提供了更詳細的注釋。以及科學實踐的內容。 考試在內容和形式上的結構性，一方面為教師日常教學提供參考，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分為5個等級。 分數在同一范圍內的學生具有相同的等級。 這種評估方法不依賴于分數。 在一定程度上削弱了高分學生的優勢。 雖然在公平性方面受到質疑，但可以有效防止學生受到過度教育。 此外，AP物理課程發展委員會控制AP課程的5分率隨著課程難度的增加而增加。 這樣的干預不僅可以鼓勵更多的學生深入學習物理課程，也可以緩解考生在選課時投機取巧的現象。
每所大學都有自己的兌換學分指南。 例如，斯坦福大學規定，學生在兌換AP學分之前，必須先通過分班考試，然后才能兌換AP物理分，且分數在4分以上才有效； 耶魯大學規定只有AP物理C才能兌換學分，5分有效。 同時，學生的微積分成績必須滿足一定的要求； 賓夕法尼亞大學規定只有AP物理1和2才能兌換學分，4分以上才有效。 除了學分和學分的兌換外，有些學校還會以其他形式兌換AP學分。 例如，達特茅斯學院利用學術補貼來兌換AP學分。 高校自主設定AP課程和大學課程的學分交換方式，既能滿足學院對學生的要求，迎合學校的教育理念，也有利于學生的學業規劃和專業發展。
就我國大學預科課程而言，頂層設計尚不完善，學分轉換和確定仍缺乏統一規定。 因此，仍很難獲得大學和中學的普遍信任。 此外，我國大學之間、實體課程與網絡課程之間的學分交換制度發展仍然緩慢。 如何更加開放地接受大學預科課程的學分，并制定適合學校特點的學分交換政策將是中國大學面臨的重大挑戰。
附件：2017年AP物理C-電磁學自由反應性測試題第3題
在研究安培定律時，學生收集了磁場中兩個不同螺線管的數據，以確定自由空間的磁導率 μ0。 螺線管由纏繞金屬絲的中空塑料管制成。 電源和電阻串聯有長度為l、線圈匝數N的螺線管。 萬用表用作電流表，測量通過螺線管的電流 I。 電路中的主要元件如上圖所示。
（一）ⅰ． 在上圖中，通過畫線連接電磁閥、電源、電阻和萬用表來完成電路，并讓學生測量電磁閥中的電流。
ⅱ.使用（a）ⅰ中連接的電路，指示螺線管內部磁場的方向。
垂直向上和左側高中物理總知識框架，紙張朝外
垂直于紙張向右下方
下面顯示的矩形代表螺線管（線圈未顯示）。 A、B、C 點位于螺線管的中心軸上，B 點為螺線管中間的點。 D 點位于 B 點正上方。
ⅲ. 為了確定自由空間的磁導率μ0，在以下選項中，選擇磁場探頭（可以測量磁場大小的探頭）的最佳放置點，以測量螺線管的磁場強度。
A B C D
根據簡單螺線管模型證明您的答案。
如下圖所示，上面的電路中將連接兩個不同的螺線管。 螺線管1的長度為l=25cm，線圈匝數N=100匝。 螺線管2的長度為l=5.0cm，線圈匝數N=5匝。
磁場大小B與NI/l的函數圖如下圖所示。 螺線管 1 數據的最佳擬合線是實線，螺線管 ??2 數據的最佳擬合線是虛線。
(b) 哪條螺線管的最佳擬合線最能確定自由空間的磁導率 μ0。
電磁閥 1 電磁閥 2
證明你的答案合理。
(c)ⅰ. 使用 (b) 中選擇的螺線管的最佳擬合線的斜率來計算自由空間的磁導率 μ0。
二. 計算在（c）i中獲得的自由空間磁滲透性的實驗值μ0的百分比誤差。
（d）ⅰ。 不通過原點的最佳擬合線的合理物理解釋是什么？
ⅱ。 該閉路與（a）中的電路相似，但沒有電阻。 該學生發現，電源打開后，萬用表停止工作。 請解釋是什么原因導致萬用表發生故障。
