高中物理拔尖创新人才早期培养的“沃土”实践研究（教学设计）

高中物理拔尖创新人才早期培养的“沃土”实践研究（教学设计）

【摘要】在《教育强国建设规划纲要（2024—2035年）》深入实施的时代背景下，高中物理学科作为基础科学教育的重要阵地，承担着为国家输送拔尖创新人才根基性力量的核心使命。本文以高中二年级物理学科为研究对象，基于教育强国建设纲要和“沃土计划”“脱颖计划”等国家人才战略部署，深入探讨高中物理拔尖创新人才早期培养的课程重构、教学变革与协同育人实践路径。在理论层面，本文构建了“土壤培育—种子筛选—养分供给—生态涵养”四位一体的人才培养模型；在实践层面，整合强基课程、竞赛拓展与课题研究三大课程模块，设计项目式学习与跨学科融合教学模式，建立多元动态评价体系。研究表明，高中物理拔尖创新人才早期培养的关键在于营造适宜的“沃土”生态——在夯实物理核心素养的基础上，通过探究性学习激发创新意识，借助科教融合拓宽成长通道，依托多元评价实现精准培养，真正实现从注重知识传授向厚植创新土壤的系统转型，为卓越物理人才成长奠定坚实基础。【关键词】高中物理；拔尖创新人才；早期培养；沃土实践；教学设计；科学素养一、引言拔尖创新人才培养是国家高水平科技自立自强的战略基石。《教育强国建设规划纲要（2024—2035年）》明确提出“完善拔尖创新人才发现和培养机制”，要求实施面向中小学生的科学素养培育“沃土计划”和面向具有创新潜质高中生的“脱颖计划”-。党的二十大报告更加鲜明地将教育、科技、人才进行一体部署，强调“全面提高人才自主培养质量，着力造就拔尖创新人才”。在这一战略体系之中，高中物理学科承载着特殊而重要的育人使命——作为自然科学的核心基础学科，物理学科的系统思维训练、实验探究能力培养和定量分析方法习得，构成了拔尖创新人才核心素养中不可或缺的关键维度。高中阶段是学生科学思维范式形成、学术方向初显、创新潜能迸发的关键窗口期。物理学科以其严密的逻辑体系、丰富的实验探究场景和广阔的应用前景，尤为适合在这一阶段承担拔尖创新人才早期培养的重要任务。然而，在实践层面，高中物理拔尖创新人才的早期培养仍面临诸多挑战：一方面，应试导向导致教学重心过度偏向知识灌输和解题技巧训练，学生的科学探究精神和创新思维能力得不到充分滋养；另一方面，学段衔接不够顺畅，校内培养与校外资源未能有效整合，人才的早期识别机制和个性化成长通道仍有待健全。本研究以高中二年级物理学科为研究载体，立足当前教育强国建设的新形势新要求，聚焦“沃土”二字所蕴含的核心理念——为创新人才的成长营造适宜的生态环境。通过系统梳理拔尖创新人才所需的核心素养，设计促进创新思维生长的教学实践路径，整合基础教育与高等教育的协同育人资源，构建多元立体的评价与选拔机制，力图回答一个根本性问题：高中物理教育应当如何从传统的“知识输出”转向“沃土培育”，让具有物理潜质和创新精神的学生能够在适当的时机被发现、被滋养、被点燃，从而成长为能够引领未来科学发展的卓越人才。二、高中物理拔尖创新人才的核心素养框架与早期识别（一）拔尖创新人才的核心素养维度拔尖创新人才的培养，首先需要回答“培养什么人”这一根本问题。参照相关研究提出的创新人才内涵维度，即智力水平、创新性、综合素质和家国情怀等四方面要素，结合物理学科的典型特征，高中物理拔尖创新人才的核心素养体系应当包含以下几个关键维度-。【重要】【核心素养】第一是科学思维与逻辑推理能力。物理学科要求学习者能够运用抽象思维建立物理模型，能够通过严密的逻辑推演得出规律性结论，能够在复杂的物理情境中识别主要矛盾和关键约束。奥赛保送生专业选择收紧政策的实施，正是引导顶尖人才回归基础学科的根本体现，意味着物理学科拔尖人才的核心竞争力植根于深层思维品质而非短期的技巧突击-6。【重要】【核心素养】第二是实验探究与实践操作能力。物理知识的生成离不开实验的检验与发现。高中物理拔尖人才需要在掌握基本实验技能的基础上，具备设计实验方案、改进实验装置、分析实验误差、得出可靠结论的能力。这就要求在日常教学中创设充分的动手探究空间，让学生在做中学、在创中悟。【重要】【核心素养】第三是创新意识与跨学科整合能力。拔尖创新人才的核心特质在于能够从新的视角重新审视已有问题，能够将物理原理迁移运用到陌生情境，能够整合数学、信息技术、工程技术等多个学科的知识与方法解决真实问题。在人工智能深度融入教育的时代背景下，学生的创新素养体现为“从定义已知问题到发现未知问题的跃迁”-2。【重要】【核心素养】第四是学术热情与终身学习内驱力。真正能够成长为拔尖创新人才的学生，往往对基础学科有着发自内心的热爱和持续探究的毅力。高中阶段的教育应当保护和激发这种内在热情，帮助学生建立投身基础科学事业的志向信念。【重要】【核心素养】第五是团队协作与跨学科表达交流能力。当代科学研究日益呈现团队化、跨学科的特征，物理拔尖人才需要具备在协作中推进研究的素养，能够清晰准确地表达学术思想，能够与不同专业背景的研究者有效沟通。（二）早期识别的路径与原则拔尖创新人才的早期识别是一项复杂而系统的工程，要求在科学理念指导下综合运用多元方法。北京师范大学心理学部研发的“拔尖创新人才早期发现测量系统”，融合心理素质与学科素养等多维测评，突破了传统单一依赖学科竞赛的选拔框架，为潜能突出的学生提供了更全面、科学的评估工具-。在高中物理教学实践中，以下识别原则尤为关键。一是坚持过程性观察与多元测评相结合的原则。学生的创新潜质往往在持续的学习和探究过程中逐渐显现，因此不应仅凭一次考试或几次竞赛成绩作出判断，而要在日常课堂表现、课题研究过程、实验活动等场景中进行系统观察和记录。二是重视学科热爱超越功利导向的原则。教育部2026年特殊类型招生通知明确要求竞赛保送生原则上录取至与竞赛相对应的基础学科专业，这一政策引导顶尖人才回归基础学科、淡化功利倾向-1-6。学有余力且对物理具有浓厚兴趣、能够持续投入探究的学生，往往在科研创新和学术竞赛中展现出更强的后劲和更优的最终表现。三是尊重个体差异并提供弹性成长通道的原则。拔尖创新人才的成长道路并非整齐划一，有的学生可能表现为卓越的数理抽象思维，有的学生则在实验操作与工程设计中展现出独特创造力。学校应当为不同类型的学生提供差异化的发展路径和适切的成长支持。【跨学科链接】在实践中，团队协作与沟通能力的评估可引入社会学中“社会网络分析”的方法进行探索性识别研究，多个维度的中心性指标均与专家识别结果呈现显著的正相关关系，为创新人才的早期发现提供了新的技术路径-。三、高中物理“沃土”课程体系的重构与搭建（一）课程体系建设的基本原则高中物理拔尖创新人才培养的课程体系，应当以核心素养为导向，遵循“面向全体、夯实基础、激发潜能、分层拓展”的原则，构建起基础课程、拓展课程和专长课程有机结合的金字塔形课程结构。《教育强国建设规划纲要（2024—2035年）》明确将“沃土计划”“脱颖计划”纳入顶层设计。指导学校将科技教育与人文教育协同发展纳入整体规划，强化跨学科融合，在科技教育中融入人文元素，在人文教育中渗透科学思维与科学精神-39。高中物理课程体系的建设，应当兼顾科学知识与人文素养的融合、基础夯实与特长发展的统一、校内资源与校外平台的优势互补。【重要】高中物理基础课程承担着夯实物理概念、构建知识体系的基本任务。在拔尖创新人才培养的背景下，基础课程的教学不能停留在机械记忆和题海训练层面，而应当通过精心设计的问题链和探究任务，引导学生在理解物理规律本质的过程中，形成系统的物理观念和科学思维习惯。（二）三级课程模块的设计基础课程——物理观念建立与思维奠基。高中化学与物理必修学分分别达到了各年级4学分的充分保障，这为系统进行物理知识教授与核心素养培育提供了充足的课时基础-37。在基础课程中，应当落实各学科跨学科主题学习不少于10%的教学要求，帮助学生将物理概念方法与实际问题相联系，建立扎实的知识根基和灵活的迁移运用能力-37。拓展课程——强基计划与学科竞赛专项提升。高中拔尖创新人才的培养，通过构建“学术共同体”、推行分层教学与定制化课程，兼顾高考与特长需求，着力破解培养难题-18。在课程体系上，应当开设“强基课程：数学、物理、化学、生物、信息学竞赛联合开发课程”，引入高校及科研院所的专家资源辅助授课，强化专业基础能力与学科视野的拓展-。专长课程——科研实践与课题研究深度进阶。依托校外导师与真实科研项目，实现个性化培养与过程性评价，保障学生的科学研究全过程体验。对于有志于以基础学科为终身志向的顶尖学生，积极协助其对接高校前置培养平台，如清华大学“丘成桐数学科学领军人才培养计划”等领军人才前置培养项目-29。【思维方法】在强基课程教学实践中，应当注重引导学生从“已知问题解决”走向“未知问题发现”。如上海中学数学拔尖创新人才培养实践表明，当课程从“设计—实践—展示”的完整探究链条展开时，学生在“失去工具”的限制条件下实现能力的迁移跃升，深刻体会学科问题的本质规律-9。四、赋能创新的课堂教学方式变革（一）问题驱动：从知识传授走向探究建构传统物理课堂教学中，教师往往按照“概念讲解—公式推导—例题示范—习题练习”的线性流程展开教学。在拔尖创新人才培养语境下，课堂教学方式需要发生深刻变革——学生不应是知识的被动容器，而应是问题的主动发现者和探究者。项目式学习和跨学科主题学习成为撬动课堂变革的重要支点。近期实践表明，推动基础教育从“知识本位”向“素养本位”转型，聚焦核心素养培育、跨学科学习与科学教育等战略重点，是深度贯彻落实《教育强国建设规划纲要（2024—2035年）》政策要求的关键举措-57。在高中物理“电磁感应”章节教学中，可以采用“设计并制作一台简易发电机”作为核心驱动任务。围绕这一任务，学生需要综合运用法拉第电磁感应定律、楞次定律、磁场分布规律等物理知识，还需要考虑材料选择、结构设计、效率优化等工程问题，并可延伸到能源利用和可持续发展等社会议题。学生在完成真实挑战性项目的过程中整合学科知识、发展高阶思维-56。【核心素养】在问题设置的梯度上，遵循“基础认知—综合应用—创新突破”的培养路径-39。首先在教材情境下设置追问环节，激发学生的深度思维；然后创设生活化或生产实践中的变式情境，训练学生的迁移建模能力；最后提供开放式探索议题，鼓励学生自主提出猜想、设计方案、验证结论，在真实情境中实现“定义问题”到“解决问题”能力的全面提升-2。（二）探究实践：实验室外的实验精神培养物理学是一门以实验为基础的学科，实验探究能力的培养是物理教育无法替代的核心环节。在拔尖创新人才培养中，实验教学的定位应从“验证已知”转向“探索未知”，从“按步骤操作”转向“自主设计方案”。以重庆市“青少年创新人才培养雏鹰计划”为范例，该计划搭建了“市区校三级联动、小初高三段进阶、选培评一体设计、政校家社四方协同”的青少年科研成长阶梯-11。其“微课题—小课题—专项课题”的分级研究体系值得借鉴：小学阶段实行兴趣启蒙的微课题研究，初中阶段倡导动手实践的小课题探究，高中阶段开展深度研究专长的专项课题训练，让处于不同发展层级的学生循序渐进地培养科研能力-11。在高中物理实验教学中，可将课堂演示实验逐步改造为学生参与设计的探究性实验。例如，在“探究加速度与力、质量的关系”这一传统实验中，教师可引导学生自主设计实验方案、搭建实验装置、采集数据并分析误差，鼓励学生尝试运用不同的实验方法（如气垫导轨法、位移传感器法）进行对比研究，并在相互评价中改进完善。真实的科学探究过程将使学生体验从数据采集、方案优化到模型验证的全流程。【易错点】【易混点】在实验教学中要特别关注误差分析的系统性训练。拔尖学生能够自主识别系统误差和偶然误差的来源，能够设计对照实验来检验假设，这对培养严谨的科学态度和创新探索中的审辨意识至关重要。（三）数智赋能：人工智能与物理教学的深度融合教育部印发通知专项部署中小学人工智能教育，发布《中小学人工智能通识教育指南（2025年版）》和《中小学生成式人工智能使用指南（2025年版）》，科学规范推进人工智能的全学段通识教育-37。在高中物理教学中，人工智能技术可以从以下几个方面赋能拔尖创新人才的培养。一是利用智能平台实现个性化学习路径规划。通过对学生解题过程的智能分析，精准识别学生在物理概念理解中的薄弱环节和认知障碍，为不同层次的学生推送差异化的学习内容和训练任务。二是借助AI辅助的物理模拟与建模工具，帮助学生直观理解抽象的物理过程。对于电磁场分布、波的干涉衍射等难以通过传统实验展示的教学内容，数字模拟平台提供了情境化、交互式的学习体验，降低了概念理解的认知门槛。三是运用生成式人工智能支持学生的探究过程。学生在课题研究过程中，可以借助AI工具进行文献调研、数据分析辅助和报告撰写指导。未来的拔尖人才培养正在实现从“人单向学习知识”向“人机协同共创认知”的范式变革-2。【拓展延伸】建议学校建设物理数字化创新实验室，配备传感器数据采集系统、虚拟仿真实验平台和3D建模工具，探索跨学科融合的项目学习与完全基于真实场景的实验探究教学方式，并普遍应用以培养面向实用场景的复合型科学探究能力-39。五、科教融合：高校与科研院所协同育人的大中衔接机制（一）大中衔接的现实逻辑与政策依据拔尖创新人才的培养是一项贯穿学生成长关键期的系统工程，需要大学与中学打破学段壁垒，共同肩负起识别、滋养与引领的核心使命-47。在物理学科领域，中学物理教育与大学物理教育之间存在深刻的内在逻辑联系——中学阶段形成的物理观念和学习习惯直接影响大学阶段的学术发展后劲，而基于大学前沿研究的科学视野回馈又能激发中学阶段的学术志向和研究兴趣。教育部《关于做好2026年普通高等学校部分特殊类型招生工作的通知》明确“建立完善选拔、培养、评价一体化机制”，要求“加强选拔与培养衔接，有关高校要统筹谋划人才选育工作，制定专门的人才培养方案和课程体系，要强化资源配置和核心育人要素建设”-1。这为大中衔接机制的构建提供了明确的政策导向。【高频考点】“强基计划”自2020年实施以来，已有39所试点高校参与，在数学、物理、化学、生物、力学、历史、哲学、古文字学等基础学科以及国家重大战略领域相关专业招生-。2026年的强基计划政策调整体现为专业从基础学科向与国家战略紧密对接的前沿交叉学科扩容，数理化生等核心基础学科的权重进一步强化-。取消原有第二类具有突出才能考生的破格通道，进一步明确高考成绩仍然是人才选拔的硬核依据，引导中学物理教学回归基础与素养-。（二）高校先修课程与学术营地的前置布局在中学阶段前置高校物理课程资源，是实现大中无缝衔接的有效途径。波士顿等地区精心开设系列大学物理先修课程、专题讲座与实验研讨沙龙，邀请大学教授走进中学课堂，将前沿物理知识有机融入高中物理的教学体系。江西省实施的“英才计划”试点工作，每年选拔50名品学兼优的高中一、二年级学生进入高校，在自然科学基础学科领域知名教授的悉心指导下参与科学研究、学术研讨和科研实践，发掘具有学科特长与创新潜质的优秀中学生，推动中学教育与高等教育顺畅衔接-23。2026年江苏“中学生英才计划”进一步扩增至227名优秀中学生成功入选，培养高校新增两所，参与中学扩至42所，高校与中学的协同培养模式日益完善-。在高中物理教学中，可以通过与高校和科研院所合作的方式，将量子力学入门、相对论初步、凝聚态物理前沿等大学物理内容以科普讲座、选修课或学术社团等形式引入中学。这不仅能够拓宽学生的学术视野，也有助于学生在高中阶段就建立起对物理学科前沿领域的宏观认知，为国家未来工程技术攻关与物理基础研究储备拔尖后备人才。在高中物理教学中，可以探索引入半导体物理等前沿领域的模块化课程。北京市第二十中学与中国科学院半导体研究所联合发起的“黄昆半导体科学拔尖创新人才培养项目”，由半导体所科学家与中学骨干教师联合研发大中贯通课程，让中学生体验从硅单晶到集成电路、再到低维材料与量子器件的科技前沿历程-51。（三）科研实践：在真实情境中培养创新能力中学生参与真实科研项目是激发学术潜能、提升创新能力的有效方式。重庆市“雏鹰计划”的学员在高校导师指导下完成中药药渣转化为碳负极材料的研究，成果获得企业战略合作协议签约，展现出中学生科研实践的广阔潜力和应用前景-11。在高中物理学科中，可鼓励学有余力的学生在物理教师的指导下，利用高校实验室或科研院所的硬件条件开展微型课题研究，如利用光栅光谱仪研究不同光源的光谱特征、设计小型可控温装置研究材料热学性能等。学生需要通过从课题申报、文献调研、实验设计到数据分析、成果展示的完整科研流程训练，真正实现在做中学、在创中成长。六、深化评价改革与强基竞赛的理性回归（一）破除唯分数、唯奖项的单一评价视角拔尖创新人才的有效识别与全面评价，迫切需要超越传统“掐尖”的不良竞争，即不能仅以学业成绩或竞赛获奖作为硬性指标，忽视对其创新潜质的深度识别与个性化滋养-。高中物理人才早期发现应当树立全面、多元、动态的评价观念，重点考察学生的物理学习兴趣指向、坚持探究的意志品质以及解决复杂问题的创新能力。在日常教学评价中，应将课堂参与表现、实验报告质量、课题研究过程记录等纳入综合评价体系，建立健全学生成长档案袋，实现发展性的过程记录和及时评价与反馈。综合素质评价应从“软挂钩”走向“硬挂钩”，将学生的创新实践成果、课题研究经历和学术志趣纳入升学参考的核心指标-。【基础】物理学习评价应兼顾探索新颖解题方法、论证独特实验方案等创新能力和攻克经典物理模型，掌握核心主干知识这两个并重的方面，明确基础扎实与特长突出协同并进的育人导向。（二）学科竞赛的育人本质回归当前学科竞赛正在经历深刻的正本清源的过程。《加强面向中小学生的全国性竞赛活动管理办法》及白名单赛事制度密集出台，划定了三年周期的47项规范赛事，13项过度商业化的赛事被剔除。这正是引导学生从“为升学而竞赛”转向“为热爱而探索”的关键转变-3。在高中物理竞赛辅导中，应以拓展学科视野、锤炼思维品质为根本宗旨，严禁将竞赛完全等同于升学的工具性撬棍。具体而言，应坚持以下原则：第一，竞赛学习应当以坚实的课内学习为基础，避免因过度投入竞赛而荒废其他学科的正常学习；第二，竞赛过程中的思维训练和方法习得比最终取得的成绩奖项更重要；第三，应当尊重学生的兴趣选择和自主发展意愿，避免行政干预和强制参与，将拔尖人才的培养建立在尊重学生自主选择的基础上。（三）动态管理与持续激励机制构建拔尖创新人才的特殊培养班型应当推行科学的动态进退机制，学生可根据自身发展状况、个人意愿及学科教师评估适时进行动态调整-19。在物理学科中，动态管理是确保每一位具有特殊潜能的学生都能获得适度发展的前提。一方面，对在物理学习中表现突出、潜能超常的学生，应提供加速发展和深度探索的个性化成长空间；另一方面，对于暂时因兴趣转移或阶段性不适应而退出特殊培养计划的学生，应给予充分尊重和多元选择的学术自由。学校还应当建立全过程、多维度的激励机制，表彰在物理科研实践、学科竞赛和课题研究中取得创新成果的学生个体或团队，激发全体学生勇于探索、乐于创新的内在热情。通过定期的学术风采展示、创新成果汇报等活动，营造崇尚科学、尊重创新、宽容失败的校园文化氛围。七、师资建设：打造引领创新的“学术共同体”（一）优化物理教师队伍的学科素养与创新指导能力高素质的专业教师队伍是实施拔尖创新人才早期培养的核心支撑力量。教育部等六部门发布了《关于加强新时代高校青年教师队伍建设的指导意见》，加大了对青年教师的各类引导支持力度，突出创新能力、质量、实效、贡献导向，科学确定评价指标，科学设置考核周期，客观评估个人与团队贡献-。这样的指导理念同样适用于中学物理教师的专业发展。中学物理教师应当不断更新学科知识体系，持续跟进物理学科的前沿研究领域和成果进展，并积极转化运用于日常教学，为学生成长提供最崭新的学科滋养。在培养和培训环节，《关于加强中小学科技教育的意见》明确提出，将科技教育全面融入教师培养与培训体系，在“双一流”建设高校开展科技教育硕士培养，定向培育具备跨学科知识与技能的复合型教育人才，推行“学术+产业”双导师制的专业发展模式-。物理教师应成为能够指导学生开展课题研究、跨学科创新实践的卓越教育才干。（二）专家引领与同伴互助的教研文化构建拔尖创新人才培养中的教学过程充满着挑战性的问题预设和富有创造性的实践探索，这要求物理教研组建立开放、协作、共享的教研文化，持续开展精深的课堂专题研讨、课题研究交流等教研活动，在学术共同体中实现共同成长。跨学段贯通式教研活动对物理拔尖人才的一体化培养具有重要意义。中学物理教师应主动建立与大学物理院系的常态化交流机制，定期邀请大学教授参与中学物理课程的研讨与优化设计，实现教学资源的共创共享与培养方向的前后贯通。在学科教练队伍建设方面，学校应组建专业的物理竞赛教练团队和强基课程教学团队，定期组织教练的专题培训与经验交流分享，建立健全相关的激励机制，以保障物理拔尖人才早期培养工作的专业水准与可持续发展。八、实践案例与分析（一）基础课程中的高阶思维培养——“单规作图”类探究任务的设计上海市上海中学开发的“单规作图”探究课程是一个值得深入分析的典型教学案例。在这门课程中，学生在已掌握尺规作图知识的基础上，被引导探究圆内接正五边形的单规作图方案。课程通过“设计—实践—展示”的完整探究路径，引导学生在“失去直尺”的限制条件下，以“圆的交点”替代“线与线的交点”实现作图方法的能力迁移，学生深刻体会到几何问题背后的本质规律，逻辑推理与数学抽象素养得到充分发展-9。这一案例给高中物理拔尖创新人才培养带来的启示是：高阶思维能力的培养并非需要通过额外的、孤立的“加餐”来实现，而是完全可以融入常态的基础课程教学之中。关键在于教师如何设计具有适度挑战性的教学情境，创设让学生“跳一跳才够得着”的认知冲突空间，鼓励学生在限制条件下探索多元解决的途径，养成在探究中反思、在反思中创造的思维习惯。（二）跨学科项目式学习的物理学科实践重庆垫江中学校实施的“八项贯通”实践打破了学部与年级之间的纵向分割，实现了文化、课程、学段、师资、机制、评价等核心资源深度融合的