本文发表于《物理与工程》2017年电子版。 作者为东南大学学习科学研究中心硕士生曲林云、高等教育出版社物理分社社长苗可可、东南大学学习科学研究中心硕士生赵新锐、教授周玉清，东南大学物理学院教授。
1 AP 物理课程概述
美国先修课程（简称AP课程）是世界上有影响力的中学和大学衔接课程。 它由美国非政府教育组织大学理事会（ Board）管理。 通过修读AP课程，学生不仅可以尽早进入大学课程，而且有机会获得大学学分，从而缩短大学学时，降低教育成本。 经过近70年的发展，AP课程已从最初的11门发展到38门，涵盖世界语言与文化、人文历史、自然科学、社会科学、数学和计算机科学等学科。 研究表明，参加AP课程并取得及格成绩（3分或以上）的学生在大学里的表现和毕业率比没有接触过AP课程的学生要好[1]。
AP物理课程由美国大学理事会下属的AP物理课程开发委员会直接管理。 AP物理发展委员会由优秀大学物理教师和AP物理教师组成。 其主要任务是根据大学提供的信息，确保课程内容符合当前物理学的发展趋势。 此外，开设AP物理课程的学校资格审查也是在大学和中学的参与下进行的。 一般来说，申请开设AP物理课程的学校必须提交课程审核表和教学大纲供大学物理教师审核。 课程评审表用于解释学校对课程的理解和评审教学资源的分配。 它由 AP 物理教师和校长（或指定管理员）提交。 教学大纲用于解释教学过程如何满足课程教学大纲的要求，由AP物理教师制定和提交[2]。 中学与大学的合作管理，保证了AP物理课程既能体现大学课程的特色，又在学生可接受的能力范围之内。
2 AP物理课程内容——根据课程大纲解读
AP物理课程于2015年进行改革，将AP物理B拆分为AP物理1和AP物理2，加上原来的AP物理C-力学和AP物理C-电磁学，形成了目前的课程体系（如下表所示） 1）。
2.1 AP物理1和AP物理2——以Big Idea为核心[3,4]
AP物理1和AP物理2基于代数计算，难度较低。 与AP物理2类似，是高中物理课程，主要涵盖电磁知识，以及一些基础的流体力学、热力学、光学和量子物理。 这两门课程共同构成了物理学的基础知识框架。
根据2017年版课程大纲，我们总结了AP物理1和2的课程框架（如图1所示）。 该框架采用基于理解的课程设计模式，规定学生需要知道什么、做什么、理解什么，鼓励学生在学习过程中通过对物理世界的广泛思考，在不同物理领域之间建立联系。 整个课程框架围绕7大理念展开（AP物理1只涉及前6项）。 大创意是指AP物理1和2涉及的核心概念，可以涵盖多个主题的知识。 例如，“大思想6：波的本质和波动方程”包括AP物理1中“机械波和声音”主题的知识，以及“几何光学和物理光学”主题和“量子、原子和光学”主题的知识。 AP 物理 2 中的“核物理”。该主题的一些知识。 大纲中的每一个大理念都可以具体扩展为持久的理解和基础知识。 例如，“大思想1：物体和系统的本质属性（如质量、电荷）以及系统的内部结构”可以用表2的形式进一步解释。
AP 物理 1 和 2 中的每个主题都将学习内容扩展为围绕所涉及的大思想的持久理解、基础知识、定义和学习目标。
课程大纲规定，持久理解是指学生需要长期掌握的核心内容，以Big Idea的一级形式表达。 基础知识是指学生应该知道并能够回忆的基本概念，包括具体的公式和定义，以Big Idea的二级形式表达。 有时在基础知识中定义概念，以表明在不同教学阶段学生需要掌握概念的程度。 学习目标传达学生需要达到的具体内容，以Big Idea的三层次形式表达，并链接科学的实践环节。 以AP物理1，主题9-直流电路为例，内容涉及Big Idea 1和Big Idea 5。Big Idea 1课程大纲的具体要求如表3所示。
此外，AP物理1和2基于探究式教学模式设置了7个科学实践主题，并设有多个子项以更贴近学习目标（如表4所示）。 例如，在 AP 物理 1“主题 9 - 直流电路”中，学习目标 1.E.2.1 对应于科学实践“SP4.1：学生可以解释回答特定科学问题所需的数据类型”。 在教学中，教师应首先介绍电阻率的概念，然后引导学生从理论出发，设计实验方案，收集数据、分析数据和解释实验结果。
为了更好地指导科学实践教学，AP物理课程发展委员会组织优秀大学物理教师、AP物理教师以及探究式教学、定量分析、物理实验等领域的专家编写实验手册，指导教学。 5]。 其中，AP物理1设置了九个实验课题：一维和二维运动学、牛顿第二定律、圆周运动、能量守恒、冲量和动量、简谐运动、旋转、机械波、直流电路； AP物理2套波有耳定律、流体力学、RC电路、磁学、电磁感应、几何光学、光的粒子模型等7个实验课题。 实验手册详细介绍了每个实验主题的背景、所需材料和限制、与课程大纲的一致性、学生的知识和技能要求、学生可能遇到的挑战、学生可能获得的结果以及评价学生掌握的指标和水平。 此外，实验手册还向教师讲解了如何构建探究式教学环境、科学实践的作用、定量分析的操作、定性论证的方法以及对待特殊学生（如残疾学生）的实验。和自闭症学生）的建议。 除了提供科学详细的实验手册供教师参考外，AP物理课程发展委员会还规定，教师应将不少于25%的课堂时间用于AP物理1和2的科学实践部分。在实践过程中、学生应保存实验记录、实验报告等书面材料。
总体来说，AP物理1和2涵盖的知识面很广，而且非常基础。 课程完全围绕Big Idea展开——无论是学习目标还是科学实践环节，无论是需要学生长时间理解的物理概念还是课程中的基础知识点，都离不开Big Idea的指导。主意。 这种核心知识组织方法，不仅让体能较弱的学生找到学习的方法，也促进学习能力较强的学生形成物理知识的整体脉络，为进一步学习打下坚实的基础。
2.2 AP物理C——以能力培养为核心[6,7]
AP物理C课程以微积分运算为基础。 是继AP物理1、2之后更深入的课程，难度较大，与大学物理课程联系度较高。 由于2015年AP物理课程改革并未涉及AP物理C，因此AP物理C课程大纲仍沿用2014年版本，课程内容框架简洁明了（如图2所示）。
从图2可以看出，AP物理C相当于美国大学理工科专业开设的力学和电磁学课程。 AP物理C-力学以AP物理1中的力学为基础，运用微积分、向量等数学方法给出力学概念的基本定义； AP物理C-电磁学不仅使用了微积分、向量等方法，还要求学生学习AP物理1和2中未涵盖的新知识，内容大大扩展。
在理论知识方面，AP物理C课程大纲不仅明确了每个知识点的学习要求，还标注了每个主题在整个课程中所占的比例。 不过，这些比例只是日常教学的参考，考试内容的组织并不以此为唯一标准。 在科学实践方面，AP物理课程发展委员会规定实验探究时间应不少于总课时的20%，学生在实践过程中必须保存实验记录、实验报告等书面材料。 与AP物理1、2不同的是，AP物理C没有将科学探究穿插到每个题目的学习目标中，而是直接从实验设计、实验现象观察、数据分析、误差分析、结果讨论五个方面入手。 对学生的要求（如表5所示）。
这种抽象的教学目标对教师的教学设计和组织能力提出了更高的要求——教师不仅要传授物理学科知识，还要独立设计科学的实践活动，理论与实践相结合进行教学，从而促进学生多元化物理的发展。能力。
AP物理C-力学和AP物理-C电磁学课程大纲明确规定学生通过AP物理C的学习应获得以下能力：
(1) 阅读、理解和解释物理信息的能力——包括以口头、数字或图形方式表达物理信息的能力。
（2）分析具体物理问题或现象时，能够逐步描述和解释的能力，即
① 描述分析过程中使用的理想模型，包括具体的简化假设；
② 解释适用的概念或定义；
③ 明确物理概念的应用范围；
④ 用语言、数学或图形具体描述并完成分析步骤；
⑤ 解释结论，包括特殊情况。
（3）能够在物理情况或问题中恰当地运用代数、几何、三角函数、微积分等数学方法。
(4) 进行实验、解释观察结果、分析实验误差的能力。
一般来说，AP物理C知识非常复杂，需要很强的先决条件。 课程大纲虽然目标导向明显，但对教学的指导作用较弱——教师可以明确教学目标，但如何设计教学以实现这些目标仍需要依靠自己的经验和智慧； 学生可以从中了解各种体育素养，但如何培养这些素质还取决于老师的指导和自己的体育意识。 因此，AP物理C对教师的要求很高，对学生的要求也很高。 修读 AP 物理 C 的学生不仅应该对物理感兴趣，还应该有学习 AP 物理 1、2 或同等课程的经验，并了解物理知识的基本背景。 只有这样，才能让学生在AP物理C的学习过程中，提高对物理知识的理解，从感性知识到理性知识，从而更加客观地看待物理世界。
2.3 评估与评价
AP物理1、AP物理2、AP物理C在题型比例、考试时间、考试内容设置上有所不同（如表6）。
AP物理1和AP物理2考试难度相似，考题类型也比较相似。 AP物理1考试由50道选择题和5道自由答题组成，每道题占总分的50%，每道答题时间为90分钟。 自由答题是要求学生主观陈述自己意见的试题，常与选择题、问答题等题型结合使用。 AP物理1的自由答题包括1道实验题、1道定量计算或定性分析题以及3道简答题。 与AP物理1相比，AP物理2考试少了一道简答题，其余题型保持不变。 虽然题目数量减少了，但AP物理2的考试题干却被加长，对学生的逻辑推理和叙述表达能力要求更高。 此外，大多数AP物理1和2试题都附有考点分析表（如图3所示），以帮助学生了解题目的训练目标。 在答题标准上，虽然AP物理1、2采用自由答题多选不扣分的原则，但教学大纲仍然指出学生解题时应合理利用图像、方程或推理步骤进行讨论，能够正确使用“描述”、“解释”、“推导”、“证明”等纪律性词语，使答案尽可能规范，过程尽可能简洁。
AP物理C-力学和AP物理C-电磁学考试各包括35道选择题和3道自由答题，各占考试总分的50%，每题作答时间为45分钟。 AP物理C的考点通常是指课程中各个知识点的分布，因此考试结构性很强。 一般来说，选择题侧重于测试学生对物理基本概念的理解，而自由答题则侧重于测试学生在问题情境中解决问题的能力（图4）。 AP物理C的自由反应试题要求学生不仅要描述物理现象，还要用图形、模型等方法解释现象； 不仅要正确选择物理公式，还要运用适当的数学方法推导、变换公式； 不仅可以分析实验的结果和误差，还可以合理讨论实验的局限性和不确定性。 在答案规范方面，AP物理C除了对学科词汇的使用有明确的规定外，还要求考生在计算部分保留严格的分析和运算过程。 运算结果以2～4位有效数字及相应单位的形式表示； 书面陈述部分不仅要逻辑清晰，而且要写得清楚。 总之，从考核内容到考核形式，AP物理C更具有大学物理课程的特点，因此能够有效筛选理工科人才。
为了更接近美国大学课程的评估方式，AP课程的最终分数以5分制的形式呈现。 其中5为优秀，对应大学评估A级； 4为良好，对应大学评估中的A-、B+、B级； 3为合格高中物理总知识框架，对应大学评估中的B-、C+和C等级。 一般来说，大学认可的AP课程成绩需要在3分以上。
从2015年改革后的考试情况来看（见表7），AP物理1由于课程内容最简单，报考人数最多，每年约有17万人报考。 不过它的5分率和通过率都控制在最低，所以AP物理1考试的实际难度并不小。 相比之下，AP物理2这门难度稍高的课程报名人数明显减少，但5分率略有上升。 为了鼓励更多的学生学习AP物理C课程，AP物理课程发展委员会将其5分率维持在30%以上。 因此，越来越多有能力的考生倾向于参加AP物理C课程。
3 AP物理课程的有效性及其给我们的启示
AP物理课程经过不断的改革和发展，在美国及海外的实践中取得了显着的成绩。 截至2016年，全球共有7,151所学校提供AP物理1课程，2,488所学校提供AP物理2课程，4,299所学校提供AP物理C课程。 预科课程成绩得到包括斯坦福大学、耶鲁大学、麻省理工学院等知名大学在内的4199所大学的认可[8]。 这些成绩的取得与美国AP物理课程在管理操作、课程理念、考核评价等方面的先进性密不可分。
3.1 协同管理体系，课程内部关联性强
AP物理在美国大学理事会的领导下，负责AP物理课程开发委员会从课程设置到考核评价的工作。 大学物理教师与AP物理教师共同对课程进行评审、修改、试点和分析，确保AP物理的质量。 教学质量和考试公平也平衡了大学和中学的利益。 就AP物理课程本身而言，充分考虑学生的物理学习特点，有针对性、层次化地将课程分为两个难度级别、四种类型的课程。 这不仅丰富了学生的选择，也增强了高中物理和大学物理的水平。 课程连通性。 同时，不同难度的物理课程也有其内在的联系——AP物理1和2用“Big Idea”来连接学习目标、科学实践、基础知识、持久理解和考试内容； AP物理C-力学和AP物理C-电磁学虽然在课程内容上联系不紧密，但在书面理解与表达、推理分析、数学方法的运用和实验技能方面有共同的培养目标。 如此广泛、深入、关联性强的课程体系，加上公正、权威的第三方管理，从根本上保证了AP物理课程的生命力和影响力。
事实上，中国在先修课程方面也做出了有益的探索。 早在1996年至2001年，金陵中学就与南京大学、东南大学、浙江大学等知名大学联合开展了大学预科课程试点。 但由于管理不善和主体体系不完善，实验以失败告终[9]。 从美国预修课程的成功经验可以看出，预修课程的建设必须明确政府、大学、中学和课程管理方之间的职责。 而这必然夹杂着各方利益的博弈。 如何权衡利益将是中国先修课程建设的第一步。
3.2注重科学实践，培养学生物理专业素养
物理学习最基本的功能是帮助人们正确认识物理世界。 因此，AP物理非常重视科学实践——课程大纲中明确规定了实验课程在整个课程中的比例； AP物理课程发展委员会将高中的实验室条件作为判断其能否开设课程的重要指标； 各高校还将学生的AP物理实验记录、实验报告等作为学分认证的必备材料……此外，AP物理的科学实践还提倡从验证性实验开始，逐步培养学生的能力进行结构性询问、独立询问、公开询问。 ，培养学生批判性思维，提高物理专业素养。
我国物理教学也非常重视学生物理专业素质的培养。 2015年，教育部公布《普通高中物理课程标准修订草案》进行内部征求意见。 草案强调，要注重培养学生物理核心能力，即“物理概念”、“科学思维”、“实验探究”和“科学态度”。 和责任”四大方面的科学能力[10]。 笔者认为，我国高校基础物理课程建设应继续坚持培养学生物理素养的基本原则，加强科学实践的规范化，让基层教师教学有章可循，让学生学有所成。在科学实践中。 报酬。
3.3注重知识的应用，提高学生解决问题的能力
AP物理考试的一大特点是考试时允许考生在规定范围内使用统一的公式表和计算器。 这样的设置一方面考虑到了课程的难度，另一方面也帮助学生在学习过程中将更多的精力从记忆物理概念转移到理解和应用知识上； 并且花更多的时间从数学计算转向定量论证和定性分析。
以往的研究表明，中国中学生在物理学科中整合知识并将其应用于实际应用的能力较差。 学生的分析、解释、推理、预测、综合应用等迁移创新能力较弱[11]。 因此，我国AP物理课程建设者应该认识到，学生的物理学科能力不是通过机械训练培养出来的，而是在对实际问题的预测、解释、推理等实践活动中逐步形成的。
3.4 规范考核合理性，满足高校人才需求
虽然AP物理评估要求学生保留平时的练习报告，但他们的考试成绩仍然取决于纸笔考试。 为了保证考试的公平合理，AP物理C的试题很大程度上参考了教学大纲中各部分知识的比例，而AP物理1和2则对相应的持久理解、学习目标提供了更详细的注释。以及科学实践的内容。 考试在内容和形式上的结构性，一方面为教师日常教学提供参考，另一方面也保证了考核本身的科学性。
为了进一步促进考试的合理性，AP课程的最终成绩需要根据报考人数和试题难度按比例分为5个等级。 分数在同一范围内的学生具有相同的等级。 这种评估方法不依赖于分数。 在一定程度上削弱了高分学生的优势。 虽然在公平性方面受到质疑，但可以有效防止学生受到过度教育。 此外，AP物理课程发展委员会控制AP课程的5分率随着课程难度的增加而增加。 这样的干预不仅可以鼓励更多的学生深入学习物理课程，也可以缓解考生在选课时投机取巧的现象。
每所大学都有自己的兑换学分指南。 例如，斯坦福大学规定，学生在兑换AP学分之前，必须先通过分班考试，然后才能兑换AP物理分，且分数在4分以上才有效； 耶鲁大学规定只有AP物理C才能兑换学分，5分有效。 同时，学生的微积分成绩必须满足一定的要求； 宾夕法尼亚大学规定只有AP物理1和2才能兑换学分，4分以上才有效。 除了学分和学分的兑换外，有些学校还会以其他形式兑换AP学分。 例如，达特茅斯学院利用学术补贴来兑换AP学分。 高校自主设定AP课程和大学课程的学分交换方式，既能满足学院对学生的要求，迎合学校的教育理念，也有利于学生的学业规划和专业发展。
就我国大学预科课程而言，顶层设计尚不完善，学分转换和确定仍缺乏统一规定。 因此，仍很难获得大学和中学的普遍信任。 此外，我国大学之间、实体课程与网络课程之间的学分交换制度发展仍然缓慢。 如何更加开放地接受大学预科课程的学分，并制定适合学校特点的学分交换政策将是中国大学面临的重大挑战。
附件：2017年AP物理C-电磁学自由反应性测试题第3题
在研究安培定律时，学生收集了磁场中两个不同螺线管的数据，以确定自由空间的磁导率 μ0。 螺线管由缠绕金属丝的中空塑料管制成。 电源和电阻串联有长度为l、线圈匝数N的螺线管。 万用表用作电流表，测量通过螺线管的电流 I。 电路中的主要元件如上图所示。
（一）ⅰ． 在上图中，通过画线连接电磁阀、电源、电阻和万用表来完成电路，并让学生测量电磁阀中的电流。
ⅱ.使用（a）ⅰ中连接的电路，指示螺线管内部磁场的方向。
垂直向上和左侧高中物理总知识框架，纸张朝外
垂直于纸张向右下方
下面显示的矩形代表螺线管（线圈未显示）。 A、B、C 点位于螺线管的中心轴上，B 点为螺线管中间的点。 D 点位于 B 点正上方。
ⅲ. 为了确定自由空间的磁导率μ0，在以下选项中，选择磁场探头（可以测量磁场大小的探头）的最佳放置点，以测量螺线管的磁场强度。
A B C D
根据简单螺线管模型证明您的答案。
如下图所示，上面的电路中将连接两个不同的螺线管。 螺线管1的长度为l=25cm，线圈匝数N=100匝。 螺线管2的长度为l=5.0cm，线圈匝数N=5匝。
磁场大小B与NI/l的函数图如下图所示。 螺线管 1 数据的最佳拟合线是实线，螺线管 2 数据的最佳拟合线是虚线。
(b) 哪条螺线管的最佳拟合线最能确定自由空间的磁导率 μ0。
电磁阀 1 电磁阀 2
证明你的答案合理。
(c)ⅰ. 使用 (b) 中选择的螺线管的最佳拟合线的斜率来计算自由空间的磁导率 μ0。
二. 计算在（c）i中获得的自由空间磁渗透性的实验值μ0的百分比误差。
（d）ⅰ。 不通过原点的最佳拟合线的合理物理解释是什么？
ⅱ。 该闭路与（a）中的电路相似，但没有电阻。 该学生发现，电源打开后，万用表停止工作。 请解释是什么原因导致万用表发生故障。
