基于探究思維的高中物理競賽的實(shí)踐研究

羅翀　羅藝璇

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

關(guān)鍵詞： 物理競賽;探究思維;先修課程

多年以來，筆者一直堅(jiān)持從事高中物理奧賽輔導(dǎo)和拔尖學(xué)生的培養(yǎng)工作，投入4000個(gè)工作日編寫80萬字競賽資料，收集5000個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，走訪了300多位競賽學(xué)生，教育學(xué)生要正確看待競賽名次，培養(yǎng)實(shí)事求是的科學(xué)精神和不怕挫折的堅(jiān)強(qiáng)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(xué)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(xué)科競賽第二課堂活動(dòng)中的一些做法和體會(huì)。

1? 物理競賽輔導(dǎo)實(shí)施過程的策略設(shè)計(jì)

1.1? 精確選才是競賽成功的前提條件

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

基于這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，我們物理學(xué)科競賽通過以下幾種途徑進(jìn)行選拔：一是通過學(xué)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(xué)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(xué)科選拔考試。通過上述辦法，選拔出大約60名左右的學(xué)生組建物理學(xué)科興趣小組，再經(jīng)過高一上一個(gè)學(xué)期的認(rèn)真輔導(dǎo)，進(jìn)一步培養(yǎng)其學(xué)科興趣，對熱愛物理的苗子學(xué)生逐漸顯露出來，這時(shí)可挑選出若干人作為重點(diǎn)培養(yǎng)對象。在接下來的高一到高三競賽輔導(dǎo)過程中，再進(jìn)行慢慢地自然淘汰和篩選，最后到高三時(shí)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(guān)鍵所在

為了組織好學(xué)科競賽工作，需要學(xué)校、教師以及學(xué)生協(xié)調(diào)一致，科學(xué)安排。一是在學(xué)校方面：學(xué)校每年都從全市10個(gè)縣（市、區(qū)）中招收一部分有學(xué)科特長的優(yōu)秀學(xué)生，組建學(xué)科興趣小組，這已成為學(xué)校培養(yǎng)拔尖學(xué)生的一項(xiàng)重要舉措。物理學(xué)科競賽輔導(dǎo)工作的實(shí)施采取“321”培養(yǎng)方案。“3”是指為每一位拔尖學(xué)生制定為期三年的培養(yǎng)方案;“2”是指物理學(xué)科競賽輔導(dǎo)團(tuán)隊(duì)選聘兩名首席導(dǎo)師實(shí)行“雙導(dǎo)師負(fù)責(zé)制”;“1”是指物理學(xué)科與一所省內(nèi)高校的實(shí)驗(yàn)室建立聯(lián)系，讓學(xué)生能盡早接觸到物理學(xué)科的科學(xué)研究方法，從而為其將來大學(xué)學(xué)習(xí)的科研創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)[ 1 ]。二是在教師方面：各年級(jí)定教師、定專人負(fù)責(zé)輔導(dǎo)。各年級(jí)教師負(fù)責(zé)制定本年級(jí)的輔導(dǎo)計(jì)劃，安排好本年級(jí)興趣小組的學(xué)習(xí)進(jìn)度，落實(shí)好上下年級(jí)的銜接關(guān)系，特別是針對苗子學(xué)生要制定好個(gè)性化的輔導(dǎo)方案，體現(xiàn)個(gè)體差異。在每年競賽的沖刺階段，則通常集中全組競賽輔導(dǎo)老師的力量，分知識(shí)點(diǎn)分專題進(jìn)行全面的綜合訓(xùn)練提高。三是在學(xué)生方面：各年級(jí)都成立物理學(xué)科興趣小組，興趣小組平時(shí)活動(dòng)時(shí)間每周兩至三次，每次兩課時(shí)，每逢周末則輔導(dǎo)半天。

1.3? 精心輔導(dǎo)是競賽成功的根本原因

學(xué)科競賽的學(xué)生，若只是掌握課本上的基礎(chǔ)知識(shí)還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。所以教師必須經(jīng)過細(xì)致輔導(dǎo)，一方面根據(jù)全國競賽委員會(huì)發(fā)布的中學(xué)生物理競賽考試大綱，深化、拓寬學(xué)科的知識(shí)與方法，另一方面更為重要的是使學(xué)生形成能在較短時(shí)間內(nèi)獲得大容量知識(shí)的自主學(xué)習(xí)能力。實(shí)踐證明，在具體輔導(dǎo)方面要注意以下幾點(diǎn)做法：

（1）注重打好基礎(chǔ)，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力。萬丈高樓平地起，學(xué)生的學(xué)科能力需要漸進(jìn)培養(yǎng)。為此，在高一年級(jí)的競賽基礎(chǔ)輔導(dǎo)階段，對學(xué)生進(jìn)行高中物理基礎(chǔ)課程的超前學(xué)習(xí)，同時(shí)配套訓(xùn)練不超過高考難度的系列校本作業(yè);在高二、高三年級(jí)的競賽提高輔導(dǎo)階段，要在引導(dǎo)學(xué)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(jìn)行針對性的講解和專題訓(xùn)練，進(jìn)階提升學(xué)生的科學(xué)思維能力[ 1 ];在賽前沖刺訓(xùn)練階段，主要是進(jìn)行競賽模擬訓(xùn)練，限時(shí)訓(xùn)練若干套的歷屆競賽真題，陳題往往是經(jīng)典之題，對訓(xùn)練學(xué)生的解題方法遷移及試卷結(jié)構(gòu)、試題難度、時(shí)間分配的體驗(yàn)，都將十分有益。同時(shí)，推薦一套適合的物理競賽輔導(dǎo)叢書，鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，師生共同探討書上的重難點(diǎn)問題。而對重點(diǎn)苗子學(xué)生，則要求他們多看幾本的競賽輔導(dǎo)書籍，并指導(dǎo)閱讀《中學(xué)物理教學(xué)參考》《物理教師》《物理教學(xué)》等專業(yè)期刊上發(fā)表的有關(guān)文章，因?yàn)檫@些文章討論的問題頗具方法性和前瞻性，往往是學(xué)生容易混淆出錯(cuò)的短板之處。

（2）注重變式遷移，培養(yǎng)科學(xué)思維能力。只有不斷提高學(xué)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(shí)競賽輔導(dǎo)中：一是應(yīng)當(dāng)注意通過大量的“舉一反三”“一題多解”等方面的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生思維的變通性，即對于形同而質(zhì)異的題目則要求學(xué)生能夠辨析、能夠從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)它們內(nèi)在不同、認(rèn)識(shí)解法不同的關(guān)鍵所在;二是對物理概念、規(guī)律、定律的理解要求學(xué)生分析其內(nèi)涵與外延，對學(xué)科理論要能夠系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、精練化，以培養(yǎng)思維的獨(dú)特性，;三是分析典型題目中蘊(yùn)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(xué)術(shù)背景，某一道題目可能就是大學(xué)中的一個(gè)專題問題、一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)或一種特殊方法，這些問題的解決要依賴于很深刻的學(xué)科思想方法[ 2 ]。可以說，學(xué)科競賽經(jīng)常是用大學(xué)里的學(xué)科思想方法與中學(xué)里的知識(shí)手段相互融合來解決問題。為此，物理興趣小組應(yīng)該向?qū)W生介紹了一些大學(xué)一、二年級(jí)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(xué)生的數(shù)理思想能達(dá)到大學(xué)低年級(jí)的水平。

（3）注重因材施教，發(fā)展學(xué)科個(gè)性特長。尖子生都有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，同時(shí)他們也往往具有鮮明的個(gè)性。對于自主學(xué)習(xí)能力強(qiáng)、學(xué)科興趣又濃厚的學(xué)生，為了鼓勵(lì)他們更超前地學(xué)習(xí)，鼓勵(lì)他們早出成績，必須對他們進(jìn)行了更加細(xì)致深入的輔導(dǎo)，根據(jù)個(gè)人情況制定詳細(xì)學(xué)習(xí)計(jì)劃。如2012屆的兩位陳姓同學(xué)，榮獲第28屆全國中學(xué)生物理競賽全國二等獎(jiǎng)，雙雙保送到北京大學(xué)，省復(fù)賽前筆者每周三個(gè)晚上對他們做個(gè)別輔導(dǎo)，在入選省集訓(xùn)隊(duì)之后，為促進(jìn)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(xué)習(xí)方案，方案計(jì)劃細(xì)到每一天、每個(gè)時(shí)段要完成什么任務(wù)。還須注意的是，對于基礎(chǔ)扎實(shí)、刻苦認(rèn)真的學(xué)生，我們輔導(dǎo)中除了在審題、計(jì)算、書寫等方面嚴(yán)格要求之外，還要強(qiáng)化訓(xùn)練其對題目的認(rèn)知敏銳性，要著力提升其學(xué)科思維的靈敏度和深刻度。如2021屆姜姓同學(xué)榮獲第37屆全國中學(xué)生物理競賽省一等獎(jiǎng)，并獲復(fù)賽實(shí)驗(yàn)單項(xiàng)成績省冠軍，輔導(dǎo)中我們就有意識(shí)針對性地訓(xùn)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(gè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟和誤差分析。

2? 物理競賽先修課程開設(shè)的有益嘗試

高中學(xué)科競賽中，特別是物理、數(shù)學(xué)奧賽，一般要求學(xué)生有高超的演算技能，包括用到高等數(shù)學(xué)，如微積分和導(dǎo)數(shù)來解決數(shù)理問題，這就對學(xué)生的思維層次提出了更高要求，即要求學(xué)生在學(xué)習(xí)好高中基礎(chǔ)課程的前提下，進(jìn)一步學(xué)習(xí)部分大學(xué)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(xué)些什么？有何教學(xué)啟示呢？現(xiàn)列舉兩例。

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

解析：本題正確選項(xiàng)為C。C選項(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)亦稱位移電流，是麥克斯韋提出的一項(xiàng)重要假設(shè)[ 3 ]。對于交變場，該假設(shè)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(shè)，后來被赫茲的電磁波實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，從而最終成為整個(gè)麥克斯韋電磁場理論的基礎(chǔ)，所以C選項(xiàng)方程符合題意[ 3 ]。

評述：相對于常規(guī)物理教學(xué)，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(xué)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(xiàng)為C，但作為探究思維的開發(fā)，我們要引導(dǎo)學(xué)生利用微元的思想方法進(jìn)行定量的分析，這也是中學(xué)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(xué)方法的完美結(jié)合[ 3 ]?？梢姡瑥默F(xiàn)象入手，以數(shù)學(xué)方法總結(jié)提升到理論構(gòu)架，麥克斯韋方程組是極為光輝的一個(gè)范例。所以說本題被編成物理奧賽試題的一個(gè)選擇題是一道好題，對訓(xùn)練競賽學(xué)生的科學(xué)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(dǎo)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(jì)算z軸上任一點(diǎn)處電勢，用Q、E、R以及基本常量表示你的結(jié)果。

（2）在z軸上那一點(diǎn)或哪些點(diǎn)處，電勢有最大值？電勢的最大值是多少？

（3）求z軸上任一點(diǎn)處的電場強(qiáng)度，用Q、E、R及基本常量表示你的結(jié)果。

關(guān)于場強(qiáng)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(qiáng)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(chǔ)上將其視作點(diǎn)電荷寫出電勢和場強(qiáng)的解析表達(dá)式，求解的關(guān)鍵是進(jìn)一步確定待求未知量的積分變量和微分變量[ 3 ]，這對學(xué)生利用數(shù)學(xué)方法處理物理問題的能力要求較高，要求學(xué)生有一定的數(shù)學(xué)微積分基礎(chǔ)。類似本題這樣利用數(shù)學(xué)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(xué)科競賽的研究實(shí)踐，我們還有以下兩點(diǎn)思考：

（1）適當(dāng)學(xué)習(xí)先修課程是做好學(xué)科競賽的關(guān)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(xué)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)軌跡的曲率半徑或橢圓軌道參量等一些繁雜數(shù)學(xué)運(yùn)算上?？梢?，在高中學(xué)段，特別是高中物理競賽當(dāng)中，可以適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)一些高等數(shù)學(xué)方法和大學(xué)物理的基礎(chǔ)知識(shí)。實(shí)踐證明這樣做，一是在學(xué)科核心素養(yǎng)的科學(xué)思維、科學(xué)探究維度上，可以拓寬學(xué)生的學(xué)科視野，提升思考問題的站位高度，利用更先進(jìn)的物理思想方法去解決問題;二是在物理觀念、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任維度上，可以簡化復(fù)雜物理問題的繁雜計(jì)算，甚至處理一些初等數(shù)學(xué)無法解決的問題，給學(xué)生的思想觀念以學(xué)科智慧的啟迪。

（2）需要不斷加強(qiáng)競賽教練隊(duì)伍的專業(yè)化建設(shè)。在幾十年的學(xué)科競賽輔導(dǎo)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(xùn)隊(duì)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(xué)科間也不夠平衡。究其原因，一是競賽輔導(dǎo)教師隊(duì)伍的建設(shè)存在困難，優(yōu)秀輔導(dǎo)團(tuán)隊(duì)的傳幫帶不夠，導(dǎo)致輔導(dǎo)教師的梯隊(duì)建設(shè)困難重重;二是師生的學(xué)科競賽培訓(xùn)以及競賽輔導(dǎo)團(tuán)隊(duì)的建設(shè)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(jìn)一步探索，除教師在業(yè)務(wù)上刻苦鉆研外，還要加強(qiáng)學(xué)科間的橫向交流以及向競賽先進(jìn)學(xué)校學(xué)習(xí)，加強(qiáng)競賽的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)，改善實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，進(jìn)一步為拔尖學(xué)生的培養(yǎng)創(chuàng)造良好的學(xué)習(xí)環(huán)境。

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