基于探究思維的高中物理競賽的實踐研究

羅翀　羅藝璇

摘? ?要：新高考背景下可以通過學科競賽的科學實施來促進學生探究思維能力的提高。圍繞高中物理核心素養(yǎng)目標培養(yǎng)體系，從物理競賽輔導實施過程的策略設計、先修課程開設的有益嘗試及競賽工作中的問題與思考等三個方面，對高中物理競賽輔導的設計與實施情況作些探討。

關鍵詞： 物理競賽;探究思維;先修課程

多年以來，筆者一直堅持從事高中物理奧賽輔導和拔尖學生的培養(yǎng)工作，投入4000個工作日編寫80萬字競賽資料，收集5000個實驗數(shù)據(jù)，走訪了300多位競賽學生，教育學生要正確看待競賽名次，培養(yǎng)實事求是的科學精神和不怕挫折的堅強毅力，逐步摸索出從苗子挑選到能力提升、心理調(diào)整等一系列較為行之有效的方法。近年來，與學校物理組同仁合作，也取得了一定的競賽成績。下面，談一談在抓好物理學科競賽第二課堂活動中的一些做法和體會。

1? 物理競賽輔導實施過程的策略設計

1.1? 精確選才是競賽成功的前提條件

要搞好學科競賽，選才是首要任務，選到優(yōu)秀的學生是學科競賽成功的前提條件。我們的選才標準是：（1）對某學科有特殊的愛好和濃厚的興趣，即只有興趣濃厚的學生才會深入鉆研、自主研究，才能在枯燥的學習過程中感到其樂無窮;（2）有勤奮刻苦的學習品質(zhì)和良好的學習習慣，即只有勤奮刻苦的學生在漫長的輔導過程中，才能堅持不懈的努力、才能完成繁重的學習任務、才能不斷提高知識與能力水平;（3）有優(yōu)異的學習成績，即各科總分成績優(yōu)秀的學生參加某一科興趣小組后，才不會影響其它科目的學習，才能在學業(yè)全面發(fā)展的同時，在某一學科有特別突出的發(fā)展。

基于這三個標準，我們物理學科競賽通過以下幾種途徑進行選拔：一是通過學校與三元區(qū)聯(lián)合舉辦的初高中“總校杯”物理競賽確定苗子學生;二是通過初中畢業(yè)班全市質(zhì)檢考試成績的分析和初中老師的推薦;三是通過中考后的初高中銜接班的若干次學科選拔考試。通過上述辦法，選拔出大約60名左右的學生組建物理學科興趣小組，再經(jīng)過高一上一個學期的認真輔導，進一步培養(yǎng)其學科興趣，對熱愛物理的苗子學生逐漸顯露出來，這時可挑選出若干人作為重點培養(yǎng)對象。在接下來的高一到高三競賽輔導過程中，再進行慢慢地自然淘汰和篩選，最后到高三時剩下10～20位的尖子選手參加最后的物理競賽。

1.2? 有效組織是競賽成功的關鍵所在

為了組織好學科競賽工作，需要學校、教師以及學生協(xié)調(diào)一致，科學安排。一是在學校方面：學校每年都從全市10個縣（市、區(qū)）中招收一部分有學科特長的優(yōu)秀學生，組建學科興趣小組，這已成為學校培養(yǎng)拔尖學生的一項重要舉措。物理學科競賽輔導工作的實施采取“321”培養(yǎng)方案。“3”是指為每一位拔尖學生制定為期三年的培養(yǎng)方案;“2”是指物理學科競賽輔導團隊選聘兩名首席導師實行“雙導師負責制”;“1”是指物理學科與一所省內(nèi)高校的實驗室建立聯(lián)系，讓學生能盡早接觸到物理學科的科學研究方法，從而為其將來大學學習的科研創(chuàng)新奠定基礎[ 1 ]。二是在教師方面：各年級定教師、定專人負責輔導。各年級教師負責制定本年級的輔導計劃，安排好本年級興趣小組的學習進度，落實好上下年級的銜接關系，特別是針對苗子學生要制定好個性化的輔導方案，體現(xiàn)個體差異。在每年競賽的沖刺階段，則通常集中全組競賽輔導老師的力量，分知識點分專題進行全面的綜合訓練提高。三是在學生方面：各年級都成立物理學科興趣小組，興趣小組平時活動時間每周兩至三次，每次兩課時，每逢周末則輔導半天。

1.3? 精心輔導是競賽成功的根本原因

學科競賽的學生，若只是掌握課本上的基礎知識還是遠遠不夠的。所以教師必須經(jīng)過細致輔導，一方面根據(jù)全國競賽委員會發(fā)布的中學生物理競賽考試大綱，深化、拓寬學科的知識與方法，另一方面更為重要的是使學生形成能在較短時間內(nèi)獲得大容量知識的自主學習能力。實踐證明，在具體輔導方面要注意以下幾點做法：

（1）注重打好基礎，培養(yǎng)自主學習能力。萬丈高樓平地起，學生的學科能力需要漸進培養(yǎng)。為此，在高一年級的競賽基礎輔導階段，對學生進行高中物理基礎課程的超前學習，同時配套訓練不超過高考難度的系列校本作業(yè);在高二、高三年級的競賽提高輔導階段，要在引導學生提出問題、分析問題、解決問題上下功夫，對物理疑難問題進行針對性的講解和專題訓練，進階提升學生的科學思維能力[ 1 ];在賽前沖刺訓練階段，主要是進行競賽模擬訓練，限時訓練若干套的歷屆競賽真題，陳題往往是經(jīng)典之題，對訓練學生的解題方法遷移及試卷結構、試題難度、時間分配的體驗，都將十分有益。同時，推薦一套適合的物理競賽輔導叢書，鼓勵學生自主學習，師生共同探討書上的重難點問題。而對重點苗子學生，則要求他們多看幾本的競賽輔導書籍，并指導閱讀《中學物理教學參考》《物理教師》《物理教學》等專業(yè)期刊上發(fā)表的有關文章，因為這些文章討論的問題頗具方法性和前瞻性，往往是學生容易混淆出錯的短板之處。

（2）注重變式遷移，培養(yǎng)科學思維能力。只有不斷提高學生綜合分析問題的能力才能使苗子成為真正的尖子。為此，在平時競賽輔導中：一是應當注意通過大量的“舉一反三”“一題多解”等方面的訓練，培養(yǎng)學生思維的變通性，即對于形同而質(zhì)異的題目則要求學生能夠辨析、能夠從本質(zhì)上認識它們內(nèi)在不同、認識解法不同的關鍵所在;二是對物理概念、規(guī)律、定律的理解要求學生分析其內(nèi)涵與外延，對學科理論要能夠系統(tǒng)化、網(wǎng)絡化、精練化，以培養(yǎng)思維的獨特性，;三是分析典型題目中蘊含著的物理思想方法，以培養(yǎng)思維的深刻性，即很多競賽題具有深刻的學術背景，某一道題目可能就是大學中的一個專題問題、一個重要實驗或一種特殊方法，這些問題的解決要依賴于很深刻的學科思想方法[ 2 ]。可以說，學科競賽經(jīng)常是用大學里的學科思想方法與中學里的知識手段相互融合來解決問題。為此，物理興趣小組應該向?qū)W生介紹了一些大學一、二年級的問題研究思想方法。如：等效思想、對稱思想、守恒思想、轉(zhuǎn)換思想、微元思想等，讓學生的數(shù)理思想能達到大學低年級的水平。

（3）注重因材施教，發(fā)展學科個性特長。尖子生都有較強的學習能力，同時他們也往往具有鮮明的個性。對于自主學習能力強、學科興趣又濃厚的學生，為了鼓勵他們更超前地學習，鼓勵他們早出成績，必須對他們進行了更加細致深入的輔導，根據(jù)個人情況制定詳細學習計劃。如2012屆的兩位陳姓同學，榮獲第28屆全國中學生物理競賽全國二等獎，雙雙保送到北京大學，省復賽前筆者每周三個晚上對他們做個別輔導，在入選省集訓隊之后，為促進他們自主高效地考前沖刺，還為他們制定了詳盡的全國決賽迎考學習方案，方案計劃細到每一天、每個時段要完成什么任務。還須注意的是，對于基礎扎實、刻苦認真的學生，我們輔導中除了在審題、計算、書寫等方面嚴格要求之外，還要強化訓練其對題目的認知敏銳性，要著力提升其學科思維的靈敏度和深刻度。如2021屆姜姓同學榮獲第37屆全國中學生物理競賽省一等獎，并獲復賽實驗單項成績省冠軍，輔導中我們就有意識針對性地訓練，要求他深入研究《物理難題集萃》中的一些典型問題，理解弄通每一個大學物理實驗的實驗原理、實驗步驟和誤差分析。

2? 物理競賽先修課程開設的有益嘗試

高中學科競賽中，特別是物理、數(shù)學奧賽，一般要求學生有高超的演算技能，包括用到高等數(shù)學，如微積分和導數(shù)來解決數(shù)理問題，這就對學生的思維層次提出了更高要求，即要求學生在學習好高中基礎課程的前提下，進一步學習部分大學物理先修課程的內(nèi)容。那么，高中物理競賽先修課程究竟要求學些什么？有何教學啟示呢？現(xiàn)列舉兩例。

【例題1】在麥克斯韋方程組中，哪個方程可用來計算由于電場的變化而產(chǎn)生的磁場？

解析：本題正確選項為C。C選項中，方程左邊是磁場對于一閉合路徑的線積分，方程右邊第二項則是通過以閉合路徑為邊界的任意曲面上的電通量變化率，這是由該面上電場變化所引起的，這一項亦稱位移電流，是麥克斯韋提出的一項重要假設[ 3 ]。對于交變場，該假設的物理意義就是周期性振蕩變化的電場將產(chǎn)生同周期同頻率振蕩變化的磁場[ 3 ]。麥克斯韋的這一位移電流的理論假設，后來被赫茲的電磁波實驗所證實，從而最終成為整個麥克斯韋電磁場理論的基礎，所以C選項方程符合題意[ 3 ]。

評述：相對于常規(guī)物理教學，高中物理競賽不少試題是由不變穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)為變化微元問題，甚至提高到包括瞬變現(xiàn)象[ 3 ]，這就涉及大學物理的內(nèi)容和方法。本題根據(jù)麥克斯韋電磁場理論也可以定性判斷出正確選項為C，但作為探究思維的開發(fā)，我們要引導學生利用微元的思想方法進行定量的分析，這也是中學物理競賽課程所提倡的。麥克斯韋方程組代表了宏觀電磁現(xiàn)象的變化規(guī)律，彰顯了從物理圖象到數(shù)學方法的完美結合[ 3 ]。可見，從現(xiàn)象入手，以數(shù)學方法總結提升到理論構架，麥克斯韋方程組是極為光輝的一個范例。所以說本題被編成物理奧賽試題的一個選擇題是一道好題，對訓練競賽學生的科學思維能力頗有益處。

【例題2】如圖1所示，一半徑為R的均勻非導體圓環(huán)帶有電荷量為+Q，z軸通過圓環(huán)中心并垂直于圓環(huán)平面。

（1）試計算z軸上任一點處電勢，用Q、E、R以及基本常量表示你的結果。

（2）在z軸上那一點或哪些點處，電勢有最大值？電勢的最大值是多少？

（3）求z軸上任一點處的電場強度，用Q、E、R及基本常量表示你的結果。

關于場強E的方向從z軸上單位正電荷受力方向分析可知沿z軸方向，令為沿z軸之單位矢量，則場強矢量可表示為=

評述：本題是采用微元法處理的一道典型競賽問題，分析的思路是首先要在帶電圓環(huán)上正確選取微元研究對象，在此基礎上將其視作點電荷寫出電勢和場強的解析表達式，求解的關鍵是進一步確定待求未知量的積分變量和微分變量[ 3 ]，這對學生利用數(shù)學方法處理物理問題的能力要求較高，要求學生有一定的數(shù)學微積分基礎。類似本題這樣利用數(shù)學的手段解決物理問題，這對探究思維素養(yǎng)的培育十分重要。

3? 物理競賽工作中的問題與思考

通過長期的高中物理學科競賽的研究實踐，我們還有以下兩點思考：

（1）適當學習先修課程是做好學科競賽的關鍵一環(huán)。目前，不少高中物理試題，由于片面追求試題的選拔功能而一味地加大難度，在一定程度上偏離了物理學的本質(zhì)規(guī)律和內(nèi)容[ 3 ]。例如近年一些帶電粒子在電場、磁場中運動的試題不斷出現(xiàn)，題目難度并不是難在物理的核心內(nèi)容上[ 3 ]，而是難在求粒子運動軌跡的曲率半徑或橢圓軌道參量等一些繁雜數(shù)學運算上。可見，在高中學段，特別是高中物理競賽當中，可以適當引導學生學習一些高等數(shù)學方法和大學物理的基礎知識。實踐證明這樣做，一是在學科核心素養(yǎng)的科學思維、科學探究維度上，可以拓寬學生的學科視野，提升思考問題的站位高度，利用更先進的物理思想方法去解決問題;二是在物理觀念、科學態(tài)度與責任維度上，可以簡化復雜物理問題的繁雜計算，甚至處理一些初等數(shù)學無法解決的問題，給學生的思想觀念以學科智慧的啟迪。

（2）需要不斷加強競賽教練隊伍的專業(yè)化建設。在幾十年的學科競賽輔導工作中，我校雖然取得了一些成績，但也存在一些不足和困難：在全國決賽中取得一流成績?nèi)脒x國家集訓隊的人數(shù)總體較少，競賽有大、小年份的差異，并且競賽成績學科間也不夠平衡。究其原因，一是競賽輔導教師隊伍的建設存在困難，優(yōu)秀輔導團隊的傳幫帶不夠，導致輔導教師的梯隊建設困難重重;二是師生的學科競賽培訓以及競賽輔導團隊的建設缺少資金，與外界交流聯(lián)系獲取信息還不夠。為此，我們正在對上述問題作進一步探索，除教師在業(yè)務上刻苦鉆研外，還要加強學科間的橫向交流以及向競賽先進學校學習，加強競賽的理論與實驗教學，改善實驗室設備，進一步為拔尖學生的培養(yǎng)創(chuàng)造良好的學習環(huán)境。

參考文獻：

[1] 廖伯琴.普通高中物理課程標準（2017年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2018：50-58.

[2] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S] .北京：人民教育出版社，2018.

[3] 錢振華，徐在新.先修物理課程學什么？——美國AP物理介紹之二[J].物理教學，2013（12）：18.