1 必修课程是提升核心物理素养、衔接大学与中学物理教学的必然要求
《普通高中物理课程标准（2017年版）》中指出，物理学是研究自然界物质的基本结构、相互作用和运动规律的自然科学领域的基础学科，高中物理课程是普通高中自然科学领域的基础课程，旨在落实立德树人根本任务，进一步提高学生物理学核心素养，为学生重视发展奠定基础，促进科学事业的传承与发展[1]。换言之，物理知识不应是海洋中的孤岛，而应有机联系在一起，形成一个整体。这就从传统的“知识”教学转向强调“能力”，更加注重“素养”的重要性。所谓“素养”，不仅是知识，还包括能力和态度，对过去重知识轻能力的片面教育也能起到一定纠正作用。从这个角度来说，高中物理的科学知识其实起着载体的作用，而真正应该培养的是基于已有的知识基础提出问题、发现问题，并进一步解决问题的能力，这也可以称为“素养”。
物理核心素养应是“学科教育价值的集中体现，是学生通过学科学习逐渐形成的正确价值观、必备素质和关键能力[1]”。普通高中教育仍然属于基础教育，因此现有的高中物理教学体系应着眼于全体学生共同的基础。当然，设计了一系列的物理课程模块供学生选择，以满足学生不同的学习需求。但由于课时限制和高考的学业压力，为了让学生在高考中取得胜利，中学物理教学实际上仍然以高考为指挥棒制定训练计划。高考中没有涉及的内容只能在课堂教学中无奈舍弃。这导致两个结果：一方面，相关学生的兴趣、发展潜力和职业需求可能在一定程度上得不到充分满足；另一方面，许多高校特别是理工科专业的学生，与中学物理教学存在一定程度的对接问题。
新课程改革的目标是让学生根据自己的兴趣和实际情况，构建适合自身发展的学习内容，而不是千篇一律。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》明确提出要“深化课程改革，创造条件开设丰富多彩的选修课程，为学生提供更多的选择，促进学生全面个性化发展”和“逐步形成分类考试、综合评价、多元化录取的考试招生制度”[2]。这意味着高中物理课程应该建设成：传统的常规课程与丰富的选修课程相结合，形成分类、分层次的课程体系，满足不同层次、不同特点学生的多样化需求。这也是培养拔尖创新人才的基本条件。
为了搭建大学与中学物理教学之间的桥梁，中学与大学都在积极思考如何打破壁垒，为此可以考虑中学与大学合作，开设相关的大学预科课程，为物理学领域中具有余力的优秀学生提供全面、个性化发展的可能[3]。
2、开设电磁学预科课程是高校和中学应慎重考虑的选择。
电磁学是多数理工科院校的重要基础课，是北京大学物理学院推荐的第一门物理必修课，而人大附中作为第一所开设电磁学必修课的学校，也是经过深思熟虑后选定的。
首先，大学期间有意向攻读理工科的学生需要更多的电磁学基础知识，因此对于有空闲时间的学生来说，系统地学习相关知识是十分必要的。另外，在物理竞赛的大环境下，备赛学生如果能兼顾学业，取得先修课程的学分，对取得期中成绩也是有益的。
其次，先修课不同于物理竞赛，并不是竞赛的升级版。竞赛的重点是解决难题，而先修课则源于大学专业课。通过学习，学生可以系统地了解物理学的内涵和外延，为进一步完成大学学业打下坚实的基础。同时，先修课也为学生提供了更多展示自我的机会和渠道。
最后，考虑到中学生的实际身心特点，大学预科课程应从中学的相关知识入手，在此基础上不断完善，最终稳定在大学课程所要求的水平。因此，相关物理课程应具有相对独立完整的知识结构，继承学科的优秀传统，课程内容应通俗易懂，具有良好的扩展性，能给学生一扇看到广阔世界的窗户。
基于以上评估和选择，人大附中决定开设电磁学先修课程。该课程以北京大学相关课程为基础，课程具有挑战性，并不是所有学生都能随意选择。但对于有空闲时间且喜欢物理的学生来说，享受挑战带来的乐趣，确实是一个愉快的选择。先修课程的教学和实施离不开中学与大学的教学交流。因此，人大附中与北京大学物理学院抓住共建先修课程体系的契机，在电磁学先修课程的实施中密切配合。能够在该先修课程中取得好成绩的学生，完全有能力适应大学相关专业课程的学习。
3. 电磁学必修课注重深入理解科学概念和本质
在常规中学物理教学中，许多基础物理知识只涉及简单公式的计算，将实际情况大大简化为抽象的物理模型和习题。尤其对于电磁学，许多天才的理论思想和巧妙的实验设计被回避，许多富有物理意义的内容也因此被剔除或略过，精彩之处得不到展现，容易导致学生在学习过程中缺乏兴趣，会觉得电磁学复杂、杂乱，不容易深刻理解其中的科学概念和本质，这体现在大学与高中教学衔接的难度上。
电磁学预科课向有课余学习的优秀中学生介绍经典电磁理论，培养分析和解决基本电磁问题的能力，使学生了解电磁运动的基本现象、概念和规律，了解电磁学史上一些重大发现和发明过程中的物理思想和实验方法，领略大师的智慧。电磁学预科课特别注重科学概念和精髓的介绍，电磁场的物质概念、场与物质相互作用的概念、场的能量和动量的概念，特别是近距离观点和超距离观点的区别贯穿整个课程，引出不同的研究方向，辐射出物理观念和科学思维两大物理学科。
4. 电磁学必修课的实施
必修课的要求应与大学课程标准一致，否则就不能称为必修课。但作为一门针对中学生的课程，它不能简单地成为大学课程的移植，而必须根据中学生的实际情况进行认真的重新设计，并与中学物理课程很好地协调。
从课时来看，北大开设电磁学基础内容时，每周3节课，每节150分钟，共15周，共计2250分钟，如果加上练习课和考试时间，课时会更多。如果看人大附中的国家选修课安排，每周2节课，每节80分钟，共14周，共计1120分钟，教学时长远少于大学同类课程的课时，很难取得良好的教学效果。如果按照周计划强行推进教学进度，跳过很多章节，把剩余部分要求课后阅读或观看，实践表明，学生很难坚持，效果不佳。笔者也曾尝试过上下学期分开授课，但电磁学课程内容连贯性较差。分为两个学期后，有些选择秋季课程的学生没有继续学习春季课程，有些选择春季课程的学生没有秋季课程的基础，教学进度受到很大影响。
电磁学课程的课时应不低于北大同类课程的课时，经与校领导协商，可以适当增加每周课时。按照这个思路，设计了如下安排：每周课时增加为4节160分钟的课（两节80分钟的课，中间休息半小时），共计2240分钟，14周，连续授课，保证教学时间，以取得良好的效果。课程时间的增加反过来会更容易反向认定学生选课的目的：是真心热爱物理，还是只想考学分？实践表明，真正热爱物理的学生，是非常愿意再上80分钟课的。
目前，电磁学预修课在人大附中已开设五年多，形成了相对稳定的课程体系，如表1所示。
表1 电磁学先修课教学计划
这门电磁学先修课并不是单单的讲授，而是在实际教学中，通过讲授与提问相结合的方式，在不同的知识背景下提出各种问题。很多问题在普通中学和大学物理课程中不一定讲授，在一般专业课教材中也没有详细讲解，但值得老师带领学生一一思考。在提出和回答问题的过程中，学生的思维得到了很好的锻炼，对物理形象的理解也得到了很大的提升。这也培养了学生联系实际提出问题、分析问题、解决问题的能力，这与新一轮课程改革中物理学科的核心素养不谋而合。
举几个例子：常规物理教学中，介绍了平行板电容的公式，电容与对边面积成正比，与距离成正比，但为什么有一个4π的系数呢？提出这样的问题网校头条，进而分析静电相互作用的基本规律——库仑定律的形式，以及参数选取的策略，涉及到整个静电理论。再如：为什么不做功的洛伦兹力，作为非静电力，却能产生动生电动势？这是电磁感应中不容易解释清楚的问题。我们提出这个问题，启发学生思考、讨论，取得了很好的效果。这样，学生很容易直观地感受到电磁理论的科学思维，培养提出创造性见解的能力和品质。
为了突出物理概念，我们引入空间对称性来解释库仑力的方向，引入库仑定律成立的静源条件，以及某些情况下“违反”牛顿第三定律的深层次原因——需要考虑电磁场的动量[4]。这样，学生就意识到中学阶段介绍的知识，如库仑定律、牛顿定律等，需要在新的层面上综合考虑，这也是物理概念的创新。
基于以上认识，我们更加重视物理表象，降低练习的计算要求。
人大附中学习电磁学预科的学生普遍缺乏数学基础，这也给学生学习电磁学预科带来了困难，因为电磁学预科除了单变量微积分外，还可能涉及多变量微积分、向量互乘与场论、矩阵、行列式等代数理论、微分方程等。对此，我们的看法是：只要能听懂、能算出来就可以了。
例如，对微积分的要求是学生能理解和表述一元微积分的相关概念和意义，能通过基本的初等函数积分表计算常用函数的导数和积分，能理解多元微积分可以表示空间中某个曲面或曲线上电磁场的特殊性质。微积分中值定理不要求学生掌握，该定理只在高等数学和专业微积分课程中学习，在实际计算中，学生可能只需要一元微积分。在先修课程的教学过程中，学生可根据课程进度和内容要求，注重使用不同数学工具的目的及其表达式的物理意义：矩阵可用来表达材料的各向异性，复杂运算便于处理简谐交流电，微分方程可以揭示不同物理定律及其解之间的形式相似性等。
美国史岱文森高中前校长张洁女士曾来人大附中介绍学生学习多元微积分的情况，并自豪地称之为Post AP（美国大学高级课程的后续课程）。听完这个报告后，我还和同学们开玩笑说：“我们已经在学Post AP课程了（美国大学高级课程的后续课程）。”
5. 电磁学必修课的课程管理与评估
电磁学先修课的考核方式为过程考核与期末考试相结合，过程考核包括20%的出勤率和20%的课堂表现。为了培养良好的学风，课堂出勤率的评分严格按照学校的相关规定执行。期末考试前，任课老师会提供答疑时间，并将所有讲义和练习答案分享给大家。作为一门教学要求明确的课程，先修课在学期末会考查最基本的知识点和最基本的科学常识。
经过近5年的开发，电磁学预科的所有讲义、作业、复习资料都已整理成电子文档高中物理竞赛与微积分，供学生学习使用。选修该课程的学生从9年级到12年级不等，每年都有6-7名学生在北大举行的预科考试中取得A级及以上的成绩。
选择这门课程的学生非常喜欢这门课程，并给予了高度评价。一位学生写道：
“给我印象最深的内容是关于电介质极化和磁介质磁化的讨论，因为这两部分的推导结果漂亮且惊人的相似，并且巧妙地定义了辅助物理量D和H，解决了总电场强度与极化强度（或总磁感应强度与磁化强度）相互交织、难以求解的问题。漂亮而相似的结果也加深了我对场论的理解。”
另一位同学写道：
“印象最深的大概就是电磁波方程组了（作者注：指麦克斯韦方程组）。它其实可以解出电磁波在介质中的传播速度：
这个速度只和真空介电常数和真空磁导率、介质的相对介电常数和相对磁导率有关，和所选用的坐标系无关。虽然我们从小就被教育过光速不变的原理，但是我们却不能直观地理解或知道光速不变意味着什么。”
学生们的评价多种多样，充分肯定了电磁学必修课的价值。
6 电磁学先修课程的特色与创新
中学全面推行大学预科课程，最重要的是统一教学质量和评价标准。为此，高校必须制定一套完整的课程计划、课程标准和考核制度，并严格执行，避免随意教学，同时也要保证公平、公正、公开。目前，北京大学通过网络平台推广大学预科课程，课堂生动、易懂，为高中大学预科课程提供课程标准。此外，网站课程还有助教定期维护和解答学生的问题，也更方便学生和老师使用。
在中学线下预科班中，为了保证教学质量，加深学生对物理概念的深入理解，真正提高学生的科学素养而不仅仅是提高应试能力，人大附中的电磁学预科课采用了翻转课堂、问题引导等多种教学方式。老师让学生提前学习线上内容和相应的视频内容，然后在课上针对视频中的一些重要问题进行重点讲解和讨论。这种模式可以大大提高教学进度，也能提高学生的学习兴趣。学生通过视频学习会提出问题，引发课前思考高中物理竞赛与微积分，老师在课上稍加引导，就会引发广泛的讨论，提高了课堂效率。在两节课的间隙，老师还可以随时让学生回答问题，检查学生的参与度和回答情况，这样就可以在课前了解学生对问题的理解程度，使课堂教学更有针对性。
7 结论
面对新课程、高考改革的新形势，中学需要创造条件开设丰富多彩的物理选修课程，为学生的全面发展创造条件，落实核心物理素养，同时建立中学与大学物理课程的衔接，更好地培养拔尖创新人才。电磁学预科课程在人大附中高中物理选修课程体系中开展了大量有意义的实践和探索，取得了很好的效果。
参考
[1] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].2018.
[2] 国家中长期教育改革和发展规划纲要：2010-2020年[M].北京:人民出版社,2010.
[3]王佳俊.论大学物理教学与中学物理教学的衔接[J].物理与工程,2016,26(4):7-12.
王建军. 高分子材料研究[J]. 化学与生物工程, 2016, 26(4):7-12. (引自 )
[4]陈秉乾,王嘉俊.大学物理通用教程:电磁学[M].第2版.北京:北京大学出版社,2012.
作者简介：张心懿，男，中国人民大学附属中学物理教师，从事中学物理、高考物理、物理预修课的教学研究。
引用格式：张心怡. 电磁学预科课在人大附中物理选修课程体系中的实践[J]. 物理与工程, 2019, 29(6): 47-51.
结尾
