高中物理競賽學生問題解決能力的培養

張新華

1 問題的提出

物理學家王淦昌認為：“物理學既是一門重要的基礎理論學科，又是一門具有廣泛實際應用的科學。21世紀國與國之間的競爭，實質上就是高科技的競爭、人才的競爭，而下一世紀大量優秀的科學技術人才將來源于今日的中學生。因此，在中學生中大力發現和培養英才學生，實在是一項非常重要的任務。”而“全國中學生物理競賽是在中國科協領導下，由中國物理學會主辦，各省、自治區、直轄市自愿參加的群眾性的課外學科競賽活動”?！案傎惖哪康氖谴偈怪袑W生提高學習物理的主動性和興趣，改進學習方法，增強學習能力；幫助學校開展多樣化的物理課外活動，活躍學習空氣；發現具有突出才能的青少年，以便更好地對他們進行培養”。因此，在按照教學計劃正常完成課堂教學任務的基礎上，鼓勵并組織學有余力的學生參加物理競賽活動，對于激發學生學習物理的興趣，開闊眼界，提高分析、解決問題的能力，培養學生良好的學習習慣是十分有益的。但是，由于物理“競賽內容的深度和廣度可以比中學物理教學大綱和教材有所提高及擴展”，競賽所需的知識多，信息量大，領域寬廣，所要解決的問題難度大，新穎性強。因此，如何提高高中物理競賽學生的問題解決能力，就成為競賽輔導工作者所面臨的一個重要問題。

2 目標背景

近幾年來關于問題解決的研究取得了重大進展，并從這些問題解決的研究中得到重要發現。1）問題表征是問題解決的關鍵，若問題有了正確的表征，可以說已解決了一半。2）梁寧建(1997年)進行的研究發現，專家和新手在解決問題時，對問題中的信息具有不同的編碼和加工程序，專家能熟練地運用手段—目的分析策略，利用問題中的信息向前解；新手在解決問題時較多地進行盲目搜索，一般根據問題中的提問往回解。3）在問題解決策略的元認知研究中發現：在解決問題時，使用最多的是類推策略，最少的是自由產生策略(梁寧建，2001年)。問題解決的認知策略和解題規則的選擇與掌握，對解決問題具有重要的影響作用，只有選對解題規則與解題認知策略才能解決問題。4）在問題難度對解決問題的影響研究中發現：問題中的未知參數越多，解題難度越大；當問題中的中間未知參數不予提示時，問題難度顯著增加；問題中的參數排列方式越亂，問題難度越大；而對過去題目中某些特征的抽象與概括水平越高，解決問題的經驗就越容易遷移，從而影響當前問題的難度，使問題解決的難度有所降低。5）隨著心理對應圖式在問題解決中的成功運用，越來越多的心理對應圖式將會得到儲存，對問題解決將日益發揮促進作用。6）劉電芝從解題思維策略訓練方面來提高小學生解題能力，結果表明：策略訓練中受益最大的是中等生，優等生次之，而差生幾乎不受益。

根據已有的文獻資料表明，問題解決的研究大多是以物理學和數學科目為研究對象，并以在學的中學生或大學生為測試對象，分析和研究他們在問題解決過程中，問題解決規則掌握的發展水平和影響問題解決規則的各種因素。但是將這些研究成果用于指導教學實踐，特別是指導高中物理競賽學生問題解決能力的提高未有實驗研究。由于高中物理競賽難度大、內容深、時間短，因此，高中物理競賽學生問題解決能力提高的研究有著重要的意義。

3 經驗總結

3.1 各種能力訓練對高中學生物理問題解決能力的影響通過對高中物理競賽學生進行專門的、系統的模型思維能力和解題技巧與方法的訓練、實驗設計及操作能力的訓練、自學能力的培養，能迅速提高競賽學生的建模能力、實驗設計能力和綜合分析能力，并最終提高競賽學生的物理問題解決能力。

那么所采取的各種能力訓練是否可以應用或推廣到其他或大多數學生身上？在輔導競賽的過程中，筆者也曾把這些方法在課堂教學和課外輔導中應用到其他學生身上，做了定性的研究，并在實踐中有以下發現。

1）模型思維的滲透對于各個層次的學生都是適用的，但不同層次的學生接受能力有所不同，基礎較差的學生對于過程較為復雜、模型較為抽象的問題接受較慢，對于這些學生必須從基礎知識抓起。

2）解題技巧與方法的訓練對于優秀學生和部分中等層次的學生有著明顯的效果，而對于部分中等學生和基礎較差的學生，效果不顯著。因為解題技巧與方法的應用本身要求學生的思維有較大的靈活性，而基礎差的學生，由于知識的欠缺其思維的靈活性較差，通常表現為能聽懂，但不會應用。

3）在實驗方面，由于實驗對學生的綜合能力要求較高，對于一些較為簡單、難度不大的課外小實驗等，大多數學生表現出較大的興趣，然而對于那些高難度、過程復雜的設計性實驗，中差層次的學生明顯地表現出由于能力不足而出現中途放棄的現象，高難度的實驗訓練反而會增加他們的負擔，產生一些負效應。

4）自學能力的培養對于各個層次的學生始終是最有效的培養方法，特別是對于一些基礎較差的學生，這些學生之所以物理成績差，其中有一大部分學生是由于對物理缺乏興趣。筆者通過幾次的集體自學，給這些基礎較差的學生大量的物理雜志、物理材料閱讀，隨著知識的拓寬，這些基礎較差的學生對物理的興趣明顯地提高了，雖然他們的學習成績在短期內無法取得較大進步，但他們學習物理的積極性明顯地增強了，這說明對于基礎較差的學生，激發他們的學習興趣是最關鍵的。

3.2 數理基礎對高中物理競賽學生問題解決能力的影響教學實驗效果還表明，不管是對不同班級同一水平學生的差異進行檢驗，還是對同一班級不同水平學生之間的差異進行檢驗，數理基礎較好的高分組學生的效果都比中分組學生的效果更為顯著，這說明數理基礎對高中物理競賽學生問題解決能力的提高有著重要的積極的影響。

1）由于物理競賽的內容、難度、強度都遠遠超過普通物理教學所規定的范圍，物理競賽輔導不同于普通的物理教學(物理競賽以“選拔”少數尖子生為主要目的，普通物理教學以培養大多數學生為主要目的)，大多數教師都采用層層拔高的輔導方法，隨著輔導的進展，輔導的難度也會越來越大，在這個難度小于中等學生的接受能力時，他們的進步也會很大，一旦這個難度超過他們的接受能力時，他們就表現出穩定狀態。本實驗所進行的各項輔導和訓練，也是采取這種層層拔高的方法，隨著難度的加大，部分中等生和部分毅志力較弱的學生，開始出現動搖的心理(有的甚至選擇放棄)。而對于大部分高分組的學生，由于他們有良好的數理基礎、認知能力及綜合分析能力，通過這些訓練可使他們所學的知識得到迅速的升華、能力得到迅速的發展，最終導致學生問題解決能力的極大提高。

2）在歷屆物理競賽中，大多試題的計算過程都較為復雜，要求學生有較高的數學運算能力，多數輔導過競賽的教師都有深刻的體會：物理競賽中，只有一半是考物理，另一半是考數學。通過模型思維能力和解題技巧與方法的訓練，雖然能提高競賽學生的建模能力，但物理模型的建立離不開一定的數學能力和較成熟的思維方式。

3.3 開展物理競賽活動中應注意的問題

1）注意激發學生的興趣，鑄造學生堅韌的意志品質。物理競賽由于它的大運動量，高難度與高強度，注定了它不僅是智力的比賽，更是意志與毅力的考驗。一個較難問題的解決往往需要篩選各種模型，討論不同情況，充分運用數學技巧與近似手段，費時很多，解題篇幅冗長，競賽者若沒有頑強的毅力，沒有堅持到底的勇氣，沒有堅決克服困難的意志是很難取得好成績的。在指導競賽中，通過觀察、提問、測試等手段發現每個學生的思維薄弱點，并明確告知學生，以引起他們的重視。同時，把一些競賽問題分門別類，找出它們對思維要求的側重點，有針對性、有步驟、有計劃地訓練學生的思維品質。由于競賽問題容量大、難度深，對思維的深刻性、獨創性、靈活性、批判性要求特別高，很適合于對優秀學生思維品質的培養。

2）注意正確對待競賽結果。學校和教師要用素質教育的眼光正確看待競賽結果，應僅僅把取得競賽好成績看作是培養優秀學生所設定的一個階段性的子目標。只有這樣，教師才能把更多的關注投入到競賽指導過程中的素質教育因素，才能在輔導中摒棄“題海戰術”等應試手段，才能充分體驗物理競賽的素質教育價值。

3）正確處理普及與提高的關系。為使大多數參加物理競賽活動的學生真正能夠從中受益，應該處理好競賽及競賽輔導工作中普及與提高的關系。中學生隨年齡的增長，知識的積累，其認知能力及綜合分析能力也在不斷提高。在開展物理競賽活動中，遵循學生智力、能力發展規律，分階段、分層次對學生進行輔導和培養。

4）注意正確處理學習物理與解物理題的關系。解物理習題是學生學習物理過程中一個重要的環節，它對于學生深入理解所學的物理知識，培養分析、解決問題的能力是必不可少的。解物理習題本身并不是科學研究，但在解題過程中對題目的分析、表達、推導運算以及通過解題結果對問題的再認識，對于學生良好的學習習慣和研究能力的培養卻有重要的作用。

5）注意學生物理學科和其他學科均衡發展。高中物理競賽考的不僅只有物理知識，還有其他學科的知識，特別是數學知識，是一種綜合能力的考試，學生綜合能力的高低直接影響著物理競賽的成績。因此，這些參賽學生不能只學物理而不學其他學科的知識，也不能認為物理已經夠好了，就不用再花時間、花精力去學、去鉆研了，要讓這些學生在各個學科都得到均衡的發展。

本研究以現代教學理論為基礎，以培養高中物理競賽學生問題解決能力為目的，針對物理學科、物理競賽和參加物理競賽學生的特點，提出培養高中物理競賽學生問題解決能力的重要策略—模型思維能力和解題技巧與方法的訓練、實驗設計與操作能力的訓練、自學能力的培養。據此，自編訓練教程，對數理基礎不同的學生進行實驗，并對研究結果進行差異顯著性檢驗。研究結果表明，本研究所提出的各種訓練方法能有效提高數理基礎不同的競賽學生的問題解決能力，但由于高中物理競賽所要解決的問題屬于高難度的問題，通常需要復雜的數學運算，因而這些訓練對于數理基礎較好的高學習能力的學生效果更為顯著。另外，從研究中也發現：教師只有很好地掌握物理競賽的“問題結構”，才能夠有的放矢地進行輔導。