英国A-LEVEL课程中的物理实验教学特点分析与借鉴

蔡锦曦

（杭州外国语学校，浙江 杭州 310023）

近几年（尤其是近5年）以来，国际课程在我国各省市的中学出现并迅速发展.以笔者所在的浙江省为例，在2008年开设国际课程的仅有杭州和宁波等城市的极少数重点高中，但现在几乎每个地级市的不少学校都新开设了或计划开设国际课程.从种类上，目前国内的国际课程主要有英国的A-LEVEL课程，IB课程（国际预科证书课程），以及美国AP课程等.

笔者所在的杭州外国语学校（以下简称杭外）自2008年秋季开设英国A-LEVEL国际课程，在迄今6年的时间里，笔者一直在杭外国际高中担任物理教师，使用英国的教材、利用英语进行授课、与外籍同事一起辅导学生参加由英国剑桥大学国际考试委员会（CIE）组织的全球统考，取得了优异的成绩，也积累了一定的教学经验.2013年笔者也曾赴英国利物浦嘉德中学（Calday Grange Grammar School）进行短期交流和学习，了解了A-LEVEL课程在英国本土的开设情况.在本文中，笔者将结合这些经验就英国A-LEVEL课程中的物理实验教学的特点进行分析，并试图指出其中可供国内普通高中物理实验教学借鉴之处.

1 A-LEVEL物理课程简述

在杭外剑桥国际高中（以下简称剑高）3年的时间里，学生在高一年级学习IGCSE课程（International General Certificate of Secondary Education，国际普通中等教育证书），接下来在高二和高三年级学习A-LEVEL课程（General Certificate of Education Advanced Level，普通中等教育证书考试高级水平课程），该课程是英国的全民课程体系，也是英国学生的大学入学考试课程，就像我国的高考一样.A-LEVEL课程证书被几乎所有英语授课的大学作为招收新生的入学标准.

由于英国大学通常只要求2－3门学科的成绩作为录取的参考，所以杭外剑高安排英语、数学和物理作为必修科目，此外学生通常还会选修2门科目（从经济、商业、会计、化学、生物中选择）.由于学习的科目较国内普通高中课程要少，所以各课程每周的课时会相对多一些.以物理为例，目前每个学生每周的课时为7节（每节40min），通常是3次连堂和1次单节.这样的课时安排保证了教师和学生有充足的实验时间.

IGCSE和A-LEVEL的全球统考安排在每年的5－6月期间，历时约6周，比我国的高考时间要长很多，之所以这样是因为A-LEVEL在全世界范围内提供的可供选择的学科科目多达70多门，而且每个科目通常都会分成几次来考试，让学生有较为充裕的复习准备时间，也尽量避免或降低学生因客观原因（如生病）而导致的发挥失常对总成绩的影响.以A-LEVEL物理为例，高二阶段（又称为AS）的考试分为3次，3份试卷如表1所示.试卷3的分数乘以75%后计入总成绩，相当于试卷3的满分为30分.

表1

3次考试之间有时间间隔，有时长达几周，最后根据学生3次考试的成绩之和得出总成绩（以A、B、C…等级表示），一般情况下成绩会在8月中旬公布.

高二阶段（AS）的A-LEVEL考试成绩对学生申请大学，尤其是英国大学，非常重要，因为英国的大学采取预录取制，根据学生提交的高二A-LEVEL考试成绩决定是否录取，所以学生在高二参加的A-LEVEL考试已经相当于国内课程的高三学生参加的高考.不过英国大学发放的录取通知是有条件的（Conditional Offer），会要求学生在高三阶段（又称为A2）的考试中相应的科目成绩达到一定要求方能最终确定录取（对于像剑桥大学、牛津大学这样的名校，通常都要求学生的成绩达到A＊或A）.再以物理为例，高三阶段的考试则分为两次，如表2所示.

表2

最终学生高三阶段（A2）的考试成绩会与高二阶段（AS）的考试成绩相加得出总成绩（以A＊、A、B、C…等级表示）.

从以上介绍可以看出，在整个A-LEVEL物理考试的5份试卷中，实验类占了两份（高二的试卷3和高三的试卷5），占总分的比例为23%，在这样的情况下，学生不得不对实验非常重视.

2 A-LEVEL物理实验考试的特点

在笔者6年来的A-LEVEL物理课程教学经历中，对该课程通过考试为指引，引导学生培养和建立良好的物理实验素养的机制感受颇深.在高一阶段（IGCSE）的物理考试中就有一份试卷叫做“试卷6：Alternative to Practical”（满分40分，占高一物理总分25%），顾名思义就是纸上实验，学生不需要到实验室动手实验，但需要完成在纸上模拟的几个实验，测量试卷上的一些长度，对给出的一些仪器进行读数，补充完整采集数据的表格，利用数据在坐标纸上描点作图，分析图像并得出一定的结论，以及判断实验中可能出现的误差等.这样的考试形式帮助高一学生初步掌握科学实验的模式.

在由剑桥大学国际考试委员会（CIE）制定的考试大纲（Syllabus）中有对高二和高三学生实验能力考察要求的明确划分，主要分为7个部分：（1）设计实验，（2）组装和操作实验仪器，（3）进行测量和观察，（4）记录和呈现观察及数据，（5）分析数据并得出结论，（6）对实验过程进行评估，（7）对实验结论进行评估.

在高二阶段（AS）着重考察学生第（2）、（3）、（4）、（5）和（6）项技能，而在高三阶段（A2）则着重于第（1）、（5）和（7）项.

在高二阶段（AS）的物理考试中，学生需要亲自到实验室亲手操作两个不同的实验，测量数据并进行必要的计算和分析，以完成试卷3的考试内容.这两个实验每个限时60min，通过对过去12年的试卷分析，笔者发现具有如下的规律.

第1个实验：（1）实验总体目标介绍.（2）安装实验装置.（3）测量一些容易测量的基本物理量.（4）改变某个物理量，进行一系列的测量（通常获得6组数据），设计表格（表格要简单、清晰、使用合理的符号和单位，数据要求有效数字的一致性）.（5）根据获得的数据进行描点、作图，求斜率和截距.（6）提供一个（考生通常不熟悉的）理论方程，要求根据之前的图像去求出该方程中的某个值，讨论其单位.

如果学生从来没有接受过考前培训的话，他可能会对实验内容大吃一惊.在此笔者以2013年5月的全球统考的试题为例来加以说明.

试题1.在这个实验中，你将研究1条导线金属丝的电阻率.

（1）① 测量并记录固定在卡片上的金属丝样品的直径d，你可以将导线从卡片上取下，d＝__________.［1分］

（2）① 使用固定在米尺上的金属丝，连接电路如图1.

图1

P、Q为两个鳄鱼夹，在整个实验中P的位置固定不动，Q的位置可沿金属丝移动.

② 将滑动变阻器滑片移至大约中央的位置.

③Q大致置于金属丝的中间位置.

④ 接通电源.

⑤ 测量并记录P和Q之间的金属丝长度l，记录电压表的读数U.

⑥ 记 录 电 流 表 的 读 数I（1mA＝0.001A）.I＝________A.

⑦ 断开电源.

（3）① 将Q置于一个新的位置，距离P为l.

② 接通电源.

③ 调整滑动变阻器滑片的位置，直到电流表的读数与（2）⑥中的值相同.

④ 测量并记录P和Q之间的金属丝长度l，记录电压表的读数U.

⑤ 断开电源.

② 连接图像的最佳直线（Best fit line）.［1分］

③ 判断这条直线的斜率及在y轴上的截距.

斜率＝__________，y轴截距＝__________.［2分］

① 利用你在（5）③中的答案，判断M和N的值.

M＝__________V，N＝__________V·m－1.［1分］

这个实验看似难度不大，但要很好地完成并拿到满分（20分）却并不容易，实验内容中既有学生比较熟悉的知识（电路的连接、长度的测量、电表读数等），也有学生可能从来没有接触过的理论（如U和l的关系公式），根据试卷提供的评分标准，我们可以将该实验的得分点整理总结如表3所示.

表3

从表3中可以看出，这一题侧重于考察学生通过改变物理量的大小采集多组实验数据的能力，以及利用图像法对数据进行处理分析的能力，这两种能力是进行科学实验所必须具备的，学生在经历了多次这样的实验培训后，对这种实验方法将非常熟悉，并能在以后的实际应用中很好地使用.

第2个实验：（1）实验总体目标介绍.（2）安装实验装置.（3）测量一组物理量.（4）某个测量会要求讨论误差（Uncertainty），通常需要考生先估计绝对误差（Actual Uncertainty），再 计 算 相 对 误 差 （Percentage Uncertainty）.（5）重新测量一组新的数据.（6）提供一个（通常考生不熟悉的）理论方程，要求根据之前的数据去求出该方程中的某个值，讨论该值是否支持理论方程.（7）讨论实验的误差来源及改进措施.

试题2.在这个实验中，你将研究一个滚动小球的重力势能损失与其初始高度的关系.

（1）① 参照图2组装两个滑轨.每个滑轨的一端位于实验桌面上，另一端用铁架台的铁夹牢固固定于桌面上H（约15cm）处.两个滑轨的位置要相对应，当一个小球从一个滑轨下滑后可以沿着另一个上滑.

② 测量并记录H，H＝__________.［1分］

图2

（2）① 将一个小球放在靠近一个滑轨上端的位置，如图3.

图3

② 测量并记录小球底部与桌面之间的高度h1，h1＝________.［1分］

③ 估计你的h1值的相对误差，相对误差＝________.［1分］

（3）① 将小球放在（2）① 高度的位置.

② 释放小球.

③小球会沿着轨道下滑并滑上另外一个轨道，如图4.

图4

测量并记录小球在第2个轨道上能滑到的最大高度h2，h2＝________.［2分］

（5）将小球放置于低一点的初始位置，其现在离桌面的高度h1大约为（2）②中的高度值的一半.重复（2）②、（3）②、（3）③和（4）.

h1＝______［1分］，h2＝______［2分］，F＝______.

① 利用你的两组数据，计算出两个k的值.第1个k的值＝________，第2个k的值＝________.［1分］

② 对你得到的k值的有效数字的位数进行说明.［1分］

③ 解释你在（6）①中得到的结果是否支持理论公式.［1分］

（7）①写出4个该实验的误差来源或不足之处.［4分］

② 写出4条对该实验的改进意见.你可以建议使用其他的实验仪器或不同的步骤.［4分］

与试题1相比我们可以看出，试题2明显更侧重于考察学生对实验误差的分析能力，尤其是最后的两道题目要求学生写出4个误差来源并提出相应的改进意见，8分的分值几乎占了整道题20分分值的一半.根据笔者的教学经验可以发现，由于学生对这8分的重视，在平时的实验练习中也就相应地重视对误差的分析，在实验过程中注意采取措施尽量减少和避免误差的发生，这会帮助他们养成良好的实验习惯，也增强了他们对实验整体的分析和评估能力.在高三阶段（A2）的考试中，试卷5还将进一步考察学生设计实验的能力（学生不需要到实验室进行操作，但需要就某一个理论设计完整的实验步骤，提出需要使用的器材、需要测量的数据、如何对数据进行分析等），这一部分限于篇幅不再详述.

综上所述，A-LEVEL物理考试很好地以分数为指挥棒，以对实验能力评估的仔细划分，指导着教师在平时的练习中对学生各种实验素养的培养，也无形中促使学生注重物理实验，按科学实验的标准来进行实验，提高自身的实验能力.

3 A-LEVEL日常实验教学

实验教学始终贯穿于A-LEVEL物理课程之中，由剑桥大学国际考试委员会（CIE）制定的考试大纲（Syllabus）中明确指出：考生应至少将20%的学习时间用于独立或以小组形式进行实验操作，这20%的时间不包括观看教师演示实验的时间.实验的目的在于：提供学习机会以便考生发展技能以进行实验性的和研究性的工作；强化对理论知识的学习；建立对实验和理论在科学方法中相互影响的理解；让考生从学习中得到享受和回报.

为了使学生在平时得到充分的实验锻炼机会，CIE指导性地在高二和高三各安排了10个动手实验（此外还有一些备选的实验），如表4所示.

考虑到实验的数量及学生的学习时间（在杭外，ALEVEL正常授课时间从9月开始到第2年的3月中旬，此后是模拟考试和复习时间），如果除开节假日和考试时间，我们发现几乎每周学生都有2节课（80min）的动手实验时间.

此外，在教学大纲的第一部分概论（General Physics）中安排讲授“物理量和单位”（Physical quantities and units）和“测量技能”（Measurement techniques），这些都是跟实验密切相关的知识.也就是说，学生在学习其他知识之前必须先掌握一定的实验基础.由此也可见A-LEVEL对实验的重视程度.

表4

A-LEVEL的物理教材中有许多跟实验相关的内容.以杭外学生使用的《Cambridge AS and A Level Physics Coursebook》（剑桥大学出版社2010年版）为例，除了专门介绍学生实验的章节外，在几乎每一章的内容中都会介绍大量的演示实验.对于某一个物理原理，该教材可能会提供数个可以演示或证明该原理的实验，并比较它们的优缺点，尤其是对于系统误差（Systematic Error）和随机误差（Random Error）的分析比较到位，让学生清楚认识到在实验室或者自己已有的条件下可以采用何种方式对一个物理问题进行研究.以下试举几例.

（1）在第1章“运动学——描述运动”（Kinematics-describing motion）中介绍研究物理速度的时候，提供了4种实验方法：使用2个光电门，使用1个光电门，使用打点计时器，使用运动传感器，如图5所示.

（2）如图6所示，在第2章“变速运动”（Accelerated motion）中介绍重力加速度g的测量时，提供了3种实验方法：使用电子计时器，使用打点计时器，使用光电门.在介绍电子计时器实验时讨论了电磁铁在断电后存在的余磁（系统误差），而教材也指出纸带与打点计时器之间的摩擦力也是一种系统误差.

（3）如图7所示，在第13章“应用电路”（Practical circuits）中介绍了电位计（Potentiometer）的两种应用：比较两个未知电源的电动势；比较用电器两端的电势差.

图5

图6

图7

（4）如图8所示，第15章“波的叠加”（Superposition of waves）中介绍了4个不同种类的波的干涉实验：声波，水波，光波，以及微波.

图8

4 A-LEVEL教学与中学实验室的匹配

由于A-LEVEL课程对实验的要求比较高，学生实验在课程中占的比例也比国内高中物理课程要多，在杭外国际班开设6年以来，我们发现对学校的实验室形成了一定的压力.实际上，通过对北京、南京、无锡等地开设了国际课程的友好学校的访问，以及笔者个人在英国的交流经验，发现不管是A-LEVEL，还是IB等其他国际课程，都对一所学校的实验室建设有较高的要求.

以杭外为例，在国际课程教学中，还存在着一些问题.

（1）缺乏会专业英语且能专门负责外教与实验员联系的人员.随着学生和外教数量的增多，课程水平的提高，需要做的实验也会越来越多，有专人能负责外教与实验员之间的翻译和联系工作将有利于实验教学的开展（目前我校外教与实验室之间的沟通工作由笔者承担）.

（2）实验室数量的不足.A-LEVEL课程涉及的实验很多，以高二阶段（AS）为例，几乎每周都有一次学生实验，外教从他们在各自本国的情况出发，很多都希望有一间自己专门的实验室，这在目前无法做到.另外每年的全球统考期间，物理的实验考试都要求有多间的实验室才能满足需求，但这就会造成对国内课程实验的影响.

（3）实验室器材的不足.国际课程的内容与中国课程的内容有较大的不同，所以对实验器材的要求也不同.一般中学的实验室能满足国内课程所设置的演示实验和学生实验，但是有些国际课程所需要使用的实验器材（比如数字式万用表、双通道示波器、杨氏模量的测量仪器等）可能就无法满足，这就会造成教师不得不舍弃一些本应做的演示实验和学生实验，而在全球统考之前也往往会因缺乏某些特定的与常规实验器材不同的仪器而临时购买.

针对这些问题，结合本人的经验，笔者对开设国际课程的学校有如下建议.

（1）在条件允许的情况下，最好能至少为国际课程专门设置两个实验室.

（2）参照IB等国际课程的要求进行标准实验室的建设，提高实验室的整体硬件水平的同时，也从细节上更多的关注教师和学生对实验的要求（比如实验安全）.

（3）对实验器材室的数量和位置进行合理规划，对物理实验器材进行分类放置，建立比较高效的名称（最高中英文对照）、数量、位置的索引系统.

（4）对实验器材进行更新换代，淘汰一些老旧的器材，购置一些新的，能满足现代化实验教学的器材，对高级课程需要而国内课程不需要的一些器材也给予照顾.

（5）定期开展中外教的实验交流活动，把国际课程中一些优秀的实验引进到国内课程的教学中.

针对A-LEVEL等国际课程的实验室建设是一个动态的和长期的过程，经过一段时间的坚持和努力一定能取得比较好的成效.

5 A-LEVEL实验教学对国内物理实验教学的借鉴意义

俗话说“它山之石，可以攻玉”，我们常说中国的学生在理科方面的计算能力很强，但是动手实验方面却相对较弱，从一定层面上讲，这跟我们的学生实验机会少，实验时间少，重应试而轻应用不无关系，高考对物理实验的考察只限于试卷的层面，而且实验题的分数占总分的比例也比A-LEVEL考试要低得多，在这样的指导原则下，学生自然不会把学习的重心放在实验上.

在杭外开设A-LEVEL课程6年以来，可以很明显地看到学生对物理实验的重视，而在经过长期和系统的训练之后，他们的设计、操作和分析实验的能力都得到了巨大的提高，根据众多进入海外高校的毕业生的反馈，他们的实验能力相比国外的学生并没有明显差距.另外一个现象就是，一些对理科感兴趣的学生主动表现出了想自己设计和操作实验的愿望，他们组建了兴趣小组，利用课余时间，从实验室借器材或者自己购买器材，对自己感兴趣的项目进行实验研究，例如水火箭、机器人、空间站等等，他们还走出学校，甚至走出国门，参加了国内国际的多项实验设计比赛，取得了优异的成绩（2013年获得国际空间站设计大赛ISSDC亚洲赛区冠军，2014年获得RCJ青少年机器人世界杯中国区一等奖）.

笔者认为，从目前的形势来看，国内开设国际课程的中学会越来越多，虽然目前国际课程在中国大部分地区还处于起步阶段，但从长远来看其发展的势头将会非常迅猛，国际课程与中国课程的相互影响与借鉴也将不可避免.对于已经开设国际课程的学校，笔者认为通过中外教的定期交流、相互开设公开课观摩课、以及以选修课的形式等，可以在一定程度上让国内课程的师生共享国际课程的资源，这对学习国内课程的学生的实验能力的提高可以起到帮助的作用.

希望本文能为教育主管部门、课程和教材的制定者以及试卷出题者提供一定的参考.