高中物理拔尖人才培養研究
——以南寧市第三中學為例

廣西南寧市第三中學（530000）黃文斌 張井衛

近年來，我國在航空航天、5G、人工智能等重大領域取得了舉世矚目的成就，但是在高端芯片等一些高精尖的技術領域，還有許多不足，還存在被人“卡脖子”的現象。要想在“卡脖子”技術領域有較大的突破，就需要各方努力，需要有更多基礎學科拔尖人才的加盟。2020 年教育部出臺的《關于在部分高校開展基礎學科招生改革試點工作的意見》（也稱“強基計劃”）顯得意義非凡，“強基計劃”的提出，讓人們的目光投向對國家戰略有幫助的基礎學科。高中是物理拔尖人才成長的重要階段和關鍵時期，因此，要特別重視高中物理拔尖人才的培養。

隨著新課程、新教材的全面實施，要推進適應學生全面而有個性發展的教育教學改革，推進有創造性改變的課堂教學改革。本文結合南寧市第三中學的教學實踐，從以下三個方面進行分析探討。

一、基于拔尖人才全面發展的五育并舉

（一）完善德育為先的實踐型德育模式

立德樹人應立德在先，育人先要育德。南寧市第三中學建于1897 年，已有120 多年的辦學歷史，在長期的探索實踐中，確立了“敦品力學”的校訓，形成了“真·愛”教育的辦學思想，構建了實踐型德育模式（如圖1）。讓學生從實踐中得到體驗，收獲做人做事的感悟，從而培養學生的高尚品格、家國情懷、國際視野及擔當精神。

圖1

（二）基于選課走班的智育發展模式

南寧市第三中學新高一啟動了新課程、新教材的改革，采用“3+1+2”的考試模式。學校本著以人為本、差異化競爭的理念，尊重學生的意愿和選擇，12 個組合，學生一共選擇了11 個組合，形成了20個行政班，41 個教學班，其中物理拔尖人才，選擇了物理化學生物、物理化學地理、物理化學政治三個組合。南寧市第三中學以課程為主要抓手，探究課程育人策略，著力打造通識類課程、研討類課程、特長類課程、探究類課程、體驗類課程五類選修課程，并展開國家課程的最優實施及課堂教學重構（如圖2）。讓物理拔尖人才有選擇權、有獲得感、有成就感，讓智育回歸自然，還教育以浪漫。

圖2

（三）基于個性化需求的體育項目式課程

體育與健康是高中課程中基于生命、指向生命、提升生命質量的學科。南寧市第三中學基于學生的興趣愛好及體育特長進行分類分層指導，創設了豐富多樣的“基礎與特色相輝映、興趣與特長相促進”的新型體育項目式課程，并把選擇權交給學生，滿足學生多種不同的鍛煉需求，這有利于物理拔尖人才的個性化發展以及人際交往與合作精神的培養，有利于促進物理拔尖人才身心健康，有利于提高物理拔尖人才的生命質量。

（四）基于藝術熏陶的美育課程和活動

南寧市第三中學各年級的美育課程開展完善齊全，高中模塊課程開展豐富多彩，音樂與歌唱，音樂與舞蹈，音樂與戲劇，音樂與演奏，均有課程體現。美育課程以校本特色課程、校園風景速寫、書簽設計、拼貼畫制作、藝術設計、影視與攝影等方式進行呈現。學校藝術類實踐活動豐富多彩，如高一紅歌賽、高三音樂會、高二高雅音樂進校園、學校新蕾文化藝術節、主持人大賽、元旦通宵晚會、音樂節、舞社專場、影像節等均為學生提供了展示藝術才華與實踐的機會。這些美育課程和活動能有效培養物理拔尖人才的藝術鑒賞能力、審美能力、豐富的想象力。

（五）多舉措開展勞動教育

勞動教育與德、智、體、美的發展密不可分，在“五育”中起著奠基的作用。響應國家物理拔尖人才培養戰略，南寧市第三中學開展了勞動價值觀研討會，組織學生參與學校的植樹活動，組織學生開展“魚菜共生”大棚種養活動，讓學生參加校園內每周一次的網格化勞動等。通過各種形式的勞動，有效培養了學生的勞動技能，進而培養學生愛校、愛家、愛城市、愛國家的情懷。

二、基于物理拔尖人才培養的課堂教學改革

培養物理拔尖人才，不可能僅靠傳統的教學方式，要有針對拔尖人才培養的課堂教學模式。具體可以基于大單元設計課堂教學模式，引導學生深度學習，讓高中物理教學與大學物理教學有效銜接，并適時開展能引導學生深入思考的項目式學習。

（一）基于大單元設計課堂教學模式

基于大單元設計的課堂教學模式，打破了傳統的一節一教案的零碎式教學模式，建立了以素養為導向、以單元主題為主線、以學習目標為焦點、以學習評價來激勵的大單元整體教學模式。“大單元設計”的理念讓教師和學生不局限于小打小鬧，能夠從全局和大視野去觀察、認識和理解同一大單元的大概念、大觀念，讓物理拔尖人才感受到這種不同章節的關聯與和諧統一，培養物理拔尖人才的大局觀。下面以“功和能”為例闡述大單元設計的路徑（如圖3）。

圖3 “功和能”大單元設計路徑結構圖

（二）深挖教材，做好高中物理與大學物理的銜接

比如在講“單擺”的規律時，單擺周期公式在高考要求是定性了解，在培養物理拔尖人才時，可以在高中物理教材的基礎上加深和挖掘，類似的還有彈簧振子，可用導數進行推導。

對彈簧振子（如圖4）有：

圖4

由實驗已經得到位移x=Asin(ω t+φ)，

求導得速度v=Aωcos(ω t+φ)，

再求導得到加速度a=-Aω2sin(ω t+φ)，

根據牛頓第二定律求加速度有a=

對單擺（如圖5）有：

圖5

在單擺中回復力F=-mgsinθ，

當θ＜10°時，=-kx，即k=，因為單擺和彈簧振子的回復力遵循一樣的規律，代入彈簧振子的周期公式得：

對高中物理教材的深度挖掘可以讓學生對概念的理解更深刻，而與大學物理教材的銜接，可讓學生站得更高，使學生的高階思維得以鍛煉，核心素養得以培養。

（三）開展項目式學習，引導學生深入思考

培養物理拔尖人才，需要開展學生感興趣的項目式學習，以引導學生深入思考，從而培養學生的發散性思維和抽象思維。比如，以小組為單位開展高考題研究，并形成報告。下面是某小組對2021年高考全國甲卷物理壓軸題（第25題）的研究。

該題計算量大且靈活，能很好地體現高考對物理學科核心素養的考查，對學生的綜合能力要求非常高［在此僅以該卷第25 題的第（2）（3）問為例，讓學生分小組從不同的視角進行探析］。

［原題］如圖5，長度均為l的兩塊擋板豎直相對放置，間距也為l，兩擋板上邊緣P和M處于同一水平線上，在該水平線的上方區域有方向豎直向下的勻強電場，電場強度大小為E；兩擋板間有垂直紙面向外、磁感應強度大小可調節的勻強磁場。一質量為m，電荷量為q(q＞0)的粒子自電場中某處以大小為v0的速度水平向右發射，恰好從P點處射入磁場，從兩擋板下邊緣Q和N之間射出磁場，運動過程中粒子未與擋板碰撞。

圖6

已知粒子射入磁場時的速度方向與PQ的夾角為60°，不計重力，求：

（1）求粒子發射位置到P點的距離；

（2）求磁感應強度大小的取值范圍；

（3）若粒子正好從QN的中點射出磁場，求粒子在磁場中的軌跡與擋板MN的最近距離。

【試題解析】本題第（1）問考查帶電粒子在靜電場中的類平拋運動，解法從略。本文重點從不同角度探析第（2）問和第（3）問的三種解法。

解法一：常規解法

第（2）問：如圖7，對粒子，從Q射出，相應的圓周運動半徑為r1，磁感應強度為B1，設P點速度v與PQ邊的夾角為α，α=60°。

圖7

如圖8，從N射出，C為PN中點，相應的圓周運動半徑為r2，磁感應強度為B2。

圖8

第（3）問：如圖9，對粒子，從F射出，相應的圓周運動半徑為r3，PF與PQ的夾角為β，PF與速度v間的夾角為γ。由幾何關系知：

圖9

又由β+γ=60°，可知速度方向在磁場中偏轉的角度為：2γ=2(60° -β) ＞60°

【小組評析】采用常規解法充分考查了學生利用數學知識解決物理問題的能力，需要能將較復雜的實際問題中的對象和過程轉換成物理模型，對綜合性物理問題進行分析和推理，獲得正確結論并做出解釋。

對本題來說，第（2）問求r2的方法還有很多，比如用余弦定理或正弦定理等，第（3）問也可以用軌跡圓的方程求解，這些做法對數學計算能力有較高的要求，都可以歸為常規做法。那么，能否換個角度重新審視這個問題呢？答案是肯定的！

解法二：利用動量定理求解

第（2）問：建立如圖10所示的坐標系，由x方向動量定理有：

圖10

qvyBΔt=-mΔvx，

qBΔy=-mΔvx，

兩邊求和可得：

qB(y2-y1)=-m(vx2-vx1)，

對粒子，由P運動到Q，有：qB1l=2mvx=2mvsin 60°，

建立如圖11 所示和坐標系，由幾何關系有PN=

圖11

對粒子，由P運動到N，有=2mvx=2mvsin(60° -45°)，

第（3）問：設磁感應強度為B3，建立如圖12所示的坐標系。

圖12

對粒子，由P運動到F，有=2mvx=2mvsinγ，

代入解法一中的sinγ及v的值，可得：B3=

建立如圖13 所示的坐標系，粒子從P點到G點，

圖13

由y方向動量定理有：

qB3(l-dmin)=mv-mvcos 60°

【小組評析】利用動量定理求解降低了對數學知識的要求，甚至在不畫圖的情況下也能求出，在不求半徑的情況下能直接求出磁感應強度B的值。

解法三：利用正則動量守恒求解

守恒思想是自然界的一種基本思想，也是物理學科核心素養對高中生的基本要求，那么本題可以用守恒思想解決嗎？本題看似動量不守恒，但是我們如果構造一個“新動量”（正則動量），就可以利用動量守恒來求解了。

由解法二可知：qB(y2-y1)=-m(vx2-vx1)，

可得：qBy2+mvx2=qBy1+mvx1=C(常數)，

定義x方向正則動量為：px=qBy+mvx，

由于第（2）問和第（3）兩問相似，我們就不再贅述了。下面我們僅以第（2）問求B1為例來說明如何用正則動量守恒求解。

第（2）問：以P為原點建立如圖14 的坐標系，對粒子，由P運動到Q，可得：qB1l+(-mvsinα)=mvsinα

圖14

【教師評析】各小組在教師的指導下順利完成了推導過程。定義正則動量，利用守恒思想求解，能開拓學生的思維，提升學生的能力。

文中解法一充分體現了學生應用數學知識解決物理實際問題的能力，是平時教學的常規方法，應讓學生熟練掌握；解法二和解法三分別從動量定理和正則動量守恒角度揭示事物的本質，充分展現物理的和諧美，平時教學中應適當介紹，因為這兩種解法更能培養學生的物理學科核心素養。

把高考題作為項目研究，一題多解并不斷深挖，只是項目之一。項目還可以是對教材某個知識點進行研究，比如電磁感應中的單桿和雙桿問題、帶電容的問題；項目還可以是研究物理實驗或科技實驗，比如多用電表的制作或者是收音機的制作。

三、基于拔尖人才培養的物理奧賽培養體系

南寧市第三中學除了對課堂進行改革，還開設了拔尖創新課程，對學生開設奧賽課程和部分大學基礎課程，形成了相對完整的奧賽培養體系（如圖15）。南寧市第三中有自己的奧賽教練團隊，還經常請大學教授到校上物理奧賽課，還會讓學生在線學習一些發達地區的名師課。

圖15 物理奧賽培養體系

創新從廣義上來說，在任何課程、任何時候、任何地方都可以實施，它可以是普通物理課程中的靈光一閃，可以是小組研究某個項目時突如其來的好想法，可以是物理與科技融合時相互對比得到的奇思妙想，可以是研究奧賽課程時對課程的延伸……創新的產生，需要必要的刺激，讓學生參與小組活動、班級活動、社團活動、社會組織活動的過程中不斷獲得成長。

南寧市第三中學將繼續完善“強基計劃”背景下物理拔尖人才的培養模式。