物理學(xué)科競(jìng)賽實(shí)驗(yàn)部分自主學(xué)習(xí)策略研究

劉蘭強(qiáng)

摘 ?要：物理學(xué)科競(jìng)賽是學(xué)生在高中階段可以參加的比賽，它是由中國(guó)物理學(xué)會(huì)主辦，各省自愿組織參加的群眾性比賽活動(dòng)，分理論考核與實(shí)驗(yàn)考核兩個(gè)部分，通過初賽以后，在復(fù)賽和決賽中才有實(shí)驗(yàn)部分的考核。該文專門針對(duì)物理學(xué)科競(jìng)賽的實(shí)驗(yàn)部分，對(duì)競(jìng)賽規(guī)則、注意問題、培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ牟呗苑椒ǖ确矫孀隽松钊氲难芯颗c介紹。

關(guān)鍵詞：物理學(xué)科競(jìng)賽 ?自主學(xué)習(xí) ?實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?/p>

中圖分類號(hào)：G640 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）12（c）-0171-02

物理學(xué)和化學(xué)一樣，是一門依托于實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐的科學(xué)，物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ母叩?，從一定程度上體現(xiàn)了物理水平的高低，因此物理學(xué)科競(jìng)賽對(duì)實(shí)驗(yàn)部分也非常重視，在復(fù)賽和決賽中的比重通常達(dá)30%以上。學(xué)科競(jìng)賽對(duì)于增強(qiáng)學(xué)科綜合能力大有裨益，如果在學(xué)科競(jìng)賽中獲得省級(jí)以上獎(jiǎng)勵(lì)，則具備了參加高校自主招生的資格，將會(huì)成為諸多985高校自主招生所爭(zhēng)搶的對(duì)象。所以，高中學(xué)生在學(xué)有余力的情況下，參加物理學(xué)科競(jìng)賽，并力爭(zhēng)在競(jìng)賽中取得優(yōu)異成績(jī)，對(duì)其參加高校自主招生及未來的高考都會(huì)帶來巨大的幫助。物理學(xué)科競(jìng)賽的難度很高，一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過高考物理的難度，實(shí)驗(yàn)部分也是一樣，它是高中基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)的升華，并且因?yàn)樗且豁?xiàng)課外學(xué)科競(jìng)賽，其學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)操作練習(xí)多是利用課余時(shí)間進(jìn)行，故而，培訓(xùn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主訓(xùn)練就顯得尤為非常重要。通過最近幾年給物理競(jìng)賽實(shí)驗(yàn)部分的考前輔導(dǎo)與監(jiān)考實(shí)踐，筆者逐步摸索出指導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)來提高物理實(shí)驗(yàn)綜合能力的手段和方法?，F(xiàn)將之匯總?cè)缦隆?/p>

1 ?了解競(jìng)賽規(guī)則

全國(guó)中學(xué)生物理競(jìng)賽（CPHO）的實(shí)驗(yàn)部分是在預(yù)賽通過后的復(fù)賽中進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)考試時(shí)間為3h，滿分40分，就是給條件做實(shí)驗(yàn)，一般在大學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，一對(duì)一監(jiān)考，每一個(gè)操縱動(dòng)作都有分，如果某一步不會(huì)做，可以請(qǐng)求監(jiān)考老師給予提示卡，并扣除此步驟分?jǐn)?shù)，你還可以根據(jù)提示繼續(xù)做，后面的步驟仍然有分?jǐn)?shù)。例如，有一年的考題是一個(gè)光學(xué)題，給了2片刀片，一根蠟燭，一包火柴，一塊玻璃，小燈，讓做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。此實(shí)驗(yàn)之難處就是想出制作雙縫方法，即用蠟燭把玻璃熏黑，然后用2片刀片并攏，在熏黑的部分畫線，就有了雙縫……讓學(xué)生通過參看相關(guān)競(jìng)賽輔導(dǎo)書籍，了解競(jìng)賽規(guī)則，是學(xué)生自主學(xué)習(xí)和備戰(zhàn)物理學(xué)科競(jìng)賽的第一步。

2 ?熟練掌握高中階段的每一個(gè)實(shí)驗(yàn)

高中物理競(jìng)賽一共涉及高中階段的19個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，每年考題均不同，所以，誰都無法預(yù)測(cè)下一年的考試內(nèi)容，考生必須對(duì)每個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)都要準(zhǔn)備，達(dá)到實(shí)驗(yàn)原理爛熟于心，實(shí)驗(yàn)步驟了如指掌，實(shí)驗(yàn)器材的運(yùn)用得心應(yīng)手，不放過任何一個(gè)細(xì)節(jié)。要做到這些，需要對(duì)相關(guān)物理知識(shí)和原理有透徹的理解，需要自己泡實(shí)驗(yàn)室，需要自己多次重復(fù)的做同一個(gè)實(shí)驗(yàn)，揣摩實(shí)驗(yàn)要領(lǐng)。例如，“利用單擺測(cè)量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣取钡膶?shí)驗(yàn)，筆者安排在一個(gè)周末的下午進(jìn)行。其實(shí)驗(yàn)原理是單擺在偏角很小時(shí)，可近似認(rèn)為是簡(jiǎn)諧振動(dòng)，其振動(dòng)固有周期T=2π，從而得到g=4π2l/T2。據(jù)此，通過實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出擺長(zhǎng)l和周期T，即可計(jì)算得到重力加速度g。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理并不難，難的是對(duì)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的把握，是對(duì)實(shí)驗(yàn)器材的運(yùn)用，是如何運(yùn)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地繪制出實(shí)驗(yàn)圖像，即T2-l的圖像，它是以T2為縱軸，以l為橫軸繪制出的一條直線，在圖上得到直線的斜率即為4π2/g，從而求出重力加速度g。這個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)生自己去做，因?yàn)閿[動(dòng)角度不能超過10°，擺球在最低位置時(shí)開始計(jì)時(shí)，擺球通過最低點(diǎn)時(shí)計(jì)數(shù)，要觀測(cè)至少30次以上的振動(dòng)周期，所以實(shí)際操作起來很容易出錯(cuò)，只有幾個(gè)學(xué)生做了1h以后，才陸續(xù)繪出理想的實(shí)驗(yàn)圖像，大部分學(xué)生用的時(shí)間更長(zhǎng)?？梢?，必須重視基本功的訓(xùn)練，熟能生巧，通過多次重復(fù)練習(xí)，提升基本實(shí)驗(yàn)操作能力，為物理學(xué)科競(jìng)賽實(shí)戰(zhàn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 ?通過開放實(shí)驗(yàn)室自行加練課外實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步提升實(shí)驗(yàn)操作水平

高一階段，學(xué)生理論水平有限，可以通過擇優(yōu)方法，讓學(xué)習(xí)成績(jī)較好、學(xué)習(xí)主動(dòng)性強(qiáng)且學(xué)有余力的學(xué)生，在老師的指導(dǎo)下，利用課外時(shí)間自己到開放的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練。到了高二階段，除了熟練掌握高中階段規(guī)定的物理實(shí)驗(yàn)以外，學(xué)生要參考?xì)v年的物理競(jìng)賽復(fù)賽和決賽部分的實(shí)驗(yàn)試題，在事先不知道答案的基礎(chǔ)上，利用課余時(shí)間，自行到開放的實(shí)驗(yàn)室去進(jìn)行實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，實(shí)在進(jìn)行不下去的時(shí)候可以詢問輔導(dǎo)老師或看一下實(shí)驗(yàn)提示，根據(jù)提示再繼續(xù)進(jìn)行，直到得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，然后與標(biāo)準(zhǔn)答案相比，找出自己的差距，從而使實(shí)驗(yàn)理論與實(shí)驗(yàn)技能不斷得到提升。在摸索中鍛煉、在鍛煉中提升，這是學(xué)生自主提升實(shí)驗(yàn)技能的必經(jīng)之路。

4 ?鍛煉和培養(yǎng)發(fā)散思維與創(chuàng)新思維的能力，提高自主完成設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的能力

（1）高中物理學(xué)科競(jìng)賽的實(shí)驗(yàn)都是設(shè)計(jì)性很強(qiáng)、需要利用現(xiàn)有條件進(jìn)行發(fā)散思維和創(chuàng)新思維來創(chuàng)才能完成的，是學(xué)生根據(jù)給出的實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)要求，分析實(shí)驗(yàn)原理，打破常規(guī)實(shí)驗(yàn)思路，創(chuàng)造性地完成實(shí)驗(yàn)各個(gè)步驟，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)繪制出實(shí)驗(yàn)表格或圖像，研究其中所隱含的規(guī)律，從而出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。其實(shí)這種學(xué)生自主完成的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)超出了高中階段的雙基要求，是活化理論知識(shí)、提升實(shí)驗(yàn)技能、考核學(xué)生綜合素質(zhì)的有效手段。

（2）學(xué)生可以通過以下幾個(gè)辦法來鍛煉與培養(yǎng)完成設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的能力。

①自己閱讀教材和相關(guān)書籍資料，通過分析其中的著名實(shí)驗(yàn)，去思考和體驗(yàn)先知們的探索經(jīng)歷，與自己的思維與設(shè)想相比較，挖掘出它們?cè)O(shè)計(jì)思想之精髓。

②自己以已經(jīng)學(xué)習(xí)和掌握的知識(shí)為基礎(chǔ)，分析高中階段大綱上的必考實(shí)驗(yàn)，通過組合、變換、創(chuàng)新，探索新的、獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)方法與原理。

③通過老師的啟發(fā)性提示或暗示，開啟思路、拓寬思維寬度，自己去完善、補(bǔ)充、提煉出新的實(shí)驗(yàn)方法，完成系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過程，并不斷地進(jìn)行總結(jié)歸納，使得創(chuàng)新性思維形成一種習(xí)慣。

5 ?在老師的指導(dǎo)下，創(chuàng)設(shè)物理競(jìng)賽的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓學(xué)生進(jìn)行競(jìng)賽實(shí)驗(yàn)?zāi)M，鍛煉心理素質(zhì)和應(yīng)變能力

（1）在物理學(xué)科競(jìng)賽復(fù)賽和決賽階段的物理實(shí)驗(yàn)考核，都是在大學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，由大學(xué)監(jiān)考老師一對(duì)一監(jiān)控，整個(gè)考試過程中老師都在學(xué)生旁邊，不僅負(fù)責(zé)記錄學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)作和實(shí)驗(yàn)步驟，還要對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)操作的合理性現(xiàn)場(chǎng)做出判斷，這樣一來，學(xué)生思想壓力會(huì)非常之大。所以，學(xué)生心理素質(zhì)和應(yīng)變能力的鍛煉與培養(yǎng)就顯得尤為重要，而這些能力的培養(yǎng)，最直接最有效的方法就是給學(xué)生創(chuàng)設(shè)競(jìng)賽環(huán)境，讓學(xué)生獨(dú)立完成模擬實(shí)驗(yàn)。

（2）比如第21屆全國(guó)中學(xué)生奧林匹克物理競(jìng)賽復(fù)賽部分的光學(xué)實(shí)驗(yàn)試題，“測(cè)量金屬絲的直徑”，給出儀器與用具是：未知波長(zhǎng)的激光器、凸透鏡、待測(cè)金屬絲、物屏、像屏CD光盤、米尺、三角板、支架若干、金屬夾等。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：①測(cè)量激光器的波長(zhǎng);②測(cè)量待測(cè)金屬絲的直徑。實(shí)驗(yàn)要求：①己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法，根據(jù)需要從以上儀器與用具中選擇合適的器材，采取適當(dāng)方法和措施，盡量準(zhǔn)確地測(cè)量。②畫出測(cè)量光路圖，準(zhǔn)確地反映出各器件間的位置、角度等關(guān)系，在圖中注明各量。③簡(jiǎn)述為提高測(cè)量準(zhǔn)確性所采取的方法和措施。④完整記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，寫出計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果。實(shí)驗(yàn)說明：①待測(cè)金屬絲已裝在物屏的中心孔處。②CD光盤表面是一些在光滑平面上連續(xù)不斷的“坑點(diǎn)”同心圓軌跡，其密度為625條/mm。該題標(biāo)準(zhǔn)答案的實(shí)驗(yàn)步驟為：①入射光應(yīng)采取垂直照射?？梢杂霉饩€是否沿原路返回來判斷是否垂直照射。②為避免入射光不垂直照射而造成正、負(fù)級(jí)譜線關(guān)于零級(jí)譜不對(duì)稱，只測(cè)量一側(cè)譜線造成衍射角測(cè)量誤差，應(yīng)測(cè)量正、負(fù)1級(jí)譜線間總夾角，除以2后得到垂直入射時(shí)的衍射角。③應(yīng)盡量使屏與光盤平行，并與入射光垂直?？捎脺y(cè)量不同位置光盤與屏間的距離是否相等來判斷。④為準(zhǔn)確測(cè)量衍射光斑位置，可在光源后加凸透鏡，將光斑匯聚成較小的光點(diǎn)。⑤多次測(cè)量。

（3）從以上考題看出，分析實(shí)驗(yàn)原理，得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很重要，但是寫出完整的實(shí)驗(yàn)步驟、計(jì)算方法、繪制必要的數(shù)據(jù)圖表，也同樣重要，考核中實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)處理通常都細(xì)化到每步1～2分。而所有這些都需要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)并在老師的監(jiān)督下獨(dú)立完成。所以，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)競(jìng)賽環(huán)境，讓學(xué)生獨(dú)立完成競(jìng)賽模擬，是學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽前必須經(jīng)歷的最后磨練。

學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ奶嵘且粋€(gè)漫長(zhǎng)的過程，需要從高一開始，有計(jì)劃、有步驟、循序漸進(jìn)地進(jìn)行培養(yǎng)和鍛煉。學(xué)生要在老師的指導(dǎo)下自己制定出一套完整的自主學(xué)習(xí)與訓(xùn)練計(jì)劃，有效地利用各種資源，在不同的學(xué)習(xí)階段均進(jìn)行有針對(duì)性的訓(xùn)練，使自己的基本操作能力、分析解決問題能力、創(chuàng)造性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ榷嫉玫椒€(wěn)步提升，從物理學(xué)科競(jìng)賽中脫穎而出。

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