培養(yǎng)物理優(yōu)秀學(xué)生的理論與實(shí)踐

 

十多年來，我一直致力于培養(yǎng)優(yōu)秀學(xué)生，并努力探索培養(yǎng)物理優(yōu)秀學(xué)生的一些規(guī)律性的東西．１９９１年以來，我校涌現(xiàn)出一批又一批政治思想健康、學(xué)習(xí)成績優(yōu)異的好學(xué)生，為國家輸送了一大批優(yōu)秀科技人才的后備力量，特別是王泰然、任宇翔、楊亮、謝小林、陳匯鋼等五位同學(xué)分別在第２２屆、第２５屆、第２６屆、第２７屆國際奧林匹克物理競賽（ＩＰｈＯ）中獲得金牌，為祖國爭得了榮譽(yù)．我校學(xué)生在全國物理競賽決賽中獲一、二等獎各８人次，獲上海賽區(qū)一等獎９４人次，１０人參加國家集訓(xùn)隊．在令人矚目的成績后面，一般都有科學(xué)規(guī)律的東西．

有人可能認(rèn)為培養(yǎng)優(yōu)秀學(xué)生主要靠課外小組和個別輔導(dǎo)，與課堂教學(xué)關(guān)系不大，這種看法是片面的，實(shí)際上課堂教學(xué)也是至關(guān)重要的．本文著重從高中物理課堂教學(xué)這一側(cè)面來總結(jié)取得這些成果的經(jīng)驗．

我們十多年來的課堂教學(xué)經(jīng)驗可以總結(jié)成三句話：追根尋源真一點(diǎn)，實(shí)驗研究多一點(diǎn)，能力要求高一點(diǎn)，簡稱“三點(diǎn)”教學(xué)法，因此我們稱自己的教材為“三點(diǎn)”法教材．

我們的“三點(diǎn)”法教學(xué)完全是根據(jù)國家教委頒布的高中物理教學(xué)大綱編寫的．因為我們面對的是全班學(xué)生，不可能而且也不應(yīng)該把課堂教學(xué)變成物理競賽輔導(dǎo)，我們確確實(shí)實(shí)通過課堂教學(xué)明顯提高了學(xué)生的素質(zhì)和能力，為學(xué)生在高考和物理競賽中取得優(yōu)異成績打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)．

一、追根尋源真一點(diǎn)

一個學(xué)生學(xué)習(xí)物理，首先接觸到的就是物理定律．因此，怎樣搞好物理定律教學(xué)，必然是每個物理教師首先要考慮的問題．

在進(jìn)行某一物理定律教學(xué)時，我們有意識補(bǔ)充了大量的與這一定律的建立過程有關(guān)的內(nèi)容，這就是所謂的“溯源”教學(xué)．任何一個重要物理定律的建立，都有一個艱辛而漫長的過程．探索定律的工作只所以能成功，這個定律最后只所以能夠確立起來，其中一定有很多科學(xué)的研究方法和正確的推理思維方式，這些內(nèi)容毫無疑問是屬于物理學(xué)科中最重要的東西，是人類一筆寶貴的知識財富，也是我們物理教學(xué)的寶貴財富．

在講授牛頓萬有引力定律時，我們從第谷對行星進(jìn)行幾十年的觀測積累的大量第一手資料講起，然后是開普勒在擁有這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過大量計算總結(jié)出描寫天體運(yùn)動的經(jīng)驗規(guī)律（開普勒三定律），最后才是牛頓用定量的動力學(xué)原理對這些規(guī)律予以解釋，終于發(fā)現(xiàn)了對天上、地上的物體具有普遍意義的萬有引力定律．在學(xué)習(xí)牛頓萬有引力定律的過程中，我們還著重向?qū)W生介紹了“歸納法”、“理想化”和“間接驗證”三種科學(xué)研究的重要方法．

在學(xué)習(xí)庫侖定律的過程中，我們糾正了學(xué)生由于大多數(shù)教科書敘述籠統(tǒng)而形成的錯誤觀念，使他們明白：１．庫侖當(dāng)年只用扭秤做了兩個同種電荷互相排斥的實(shí)驗，而未做兩個異種電荷互相吸引的實(shí)驗，因為在后一實(shí)驗中的平衡有可能是不穩(wěn)定的．庫侖是用電擺來完成后一實(shí)驗的；２．無論是扭秤還是電擺，精確度都是很有限的，根本無法確定兩電荷之間的作用力與距離的平方成反比，更不是和距離的１．９８次方或２．０２次方成反比．當(dāng)年的庫侖（實(shí)際上還有更早的卡文迪許），以及后來的麥克斯韋、普林普頓等人都是用另一種實(shí)驗方法將指數(shù)的精度逐漸提高，直至今天的２±３×１０－１６，終于使庫侖定律成為當(dāng)今物理學(xué)中最精確的定律之一．結(jié)合庫侖定律的建立過程，我們還向?qū)W生介紹了“類比”和“演繹驗證”的方法．

在學(xué)習(xí)歐姆定律的過程中，學(xué)生一開始都以為研究通過導(dǎo)體的電流和導(dǎo)體兩端的電壓之間的關(guān)系是不困難的，只要用電流表、電壓表再加電源和可變電阻器等組成電路即可．可是我告訴他們，在歐姆那個年代，非但沒有電流表、電壓表等儀器，連電壓、電流和電阻的定義和單位都沒有，歐姆所面臨的困難之大是可想而知的．他到底是怎樣得到這個電學(xué)中最重要的定律的呢？學(xué)生頓時產(chǎn)生了濃厚的興趣．在學(xué)習(xí)歐姆定律誕生過程的同時，我們還結(jié)合歐姆的實(shí)踐，介紹了用圖線探究新規(guī)律的方法．

此外，我們還結(jié)合牛頓運(yùn)動定律介紹了“理想實(shí)驗”、“推理”、“實(shí)驗研究”等方法，結(jié)合氣體定律介紹了“分析法”，結(jié)合能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律介紹了“綜合法”．使學(xué)生比較系統(tǒng)地掌握了一些重要的.科學(xué)研究方法．有的同學(xué)深有體會地說：物理定律是寶貴的，但研究物理定律的科學(xué)方法更寶貴．誰掌握了這些方法，誰就能不斷地去探索大自然層出不窮的奧秘．

在物理定律的教學(xué)中，我們在課堂上經(jīng)常采用設(shè)問的方法，不是直接告訴學(xué)生某個定律是怎樣建立起來的，而是不斷地提出問題讓學(xué)生去思考，擺出困難讓學(xué)生去克服，提出任務(wù)讓學(xué)生去完成，制定目標(biāo)讓學(xué)生去實(shí)現(xiàn)．這樣可以有效地發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)造性思維和解決問題的能力．

我們要求學(xué)生在課外進(jìn)行大量自學(xué)．早在公元前４世紀(jì)，古希臘蘇格拉底明確強(qiáng)調(diào)過：“好的、正確的教學(xué)不是傳遞，而是對學(xué)生的自學(xué)輔導(dǎo)”．我一貫強(qiáng)調(diào)學(xué)生要學(xué)會自學(xué)、討論、研究．我教的優(yōu)秀學(xué)生，學(xué)得的物理知識，最多只有一半是在課堂上聽我講的，其它一概由他們自學(xué)．到一定階段，我開始指定幾個學(xué)得比較好的學(xué)生輪流給其他學(xué)生上課．每次課分兩部分，前半部分由主講同學(xué)講，后半部分由全體同學(xué)提問、討論．像王泰然和任宇翔在高二階段就給其他同學(xué)作過二十幾次講座，楊亮、謝小林、陳匯鋼等同學(xué)也不例外．

我們這種自學(xué)討論式教學(xué)還延續(xù)到學(xué)生畢業(yè)以后．獲金牌或?qū)W有所成的學(xué)生進(jìn)了大學(xué)甚至出國留學(xué)后，有機(jī)會還回來給小同學(xué)談自己的體會．例如１９９４年暑假任宇翔從美國回國探親一個月，來學(xué)校給９５、９６屆學(xué)生講了１０次課．他向小學(xué)友介紹物理學(xué)中一些新進(jìn)展、中美物理教學(xué)中的差異以及他們當(dāng)年學(xué)習(xí)過程中曾激烈爭論過的問題，使聽課的學(xué)生大受裨益．１９９６年暑假，謝小林和陳匯鋼兩位金牌獲得者又為９７、９８屆同學(xué)講了十多天課．他們既講物理知識，又講國家集訓(xùn)隊隊員奮發(fā)學(xué)習(xí)的感人事跡，使小同學(xué)們大開眼界．

這樣的訓(xùn)練方法也得到了權(quán)威人士的肯定．１９９２年１０月，在上海召開的全國物理特級教師會議上，原中國物理學(xué)會副理事長、現(xiàn)全國中學(xué)物理競賽委員會主任、北京大學(xué)沈克琦教授在他的題為“國際物理奧林匹克競賽與中學(xué)物理教學(xué)”的報告中說：“我聽到兩名得金牌的上海學(xué)生講他們的老師如何培養(yǎng)他們的情況，我認(rèn)為這個經(jīng)驗倒很值得推廣．他們說他們的老師不是采取灌輸?shù)霓k法，而是啟發(fā)引導(dǎo)，要求他們給同學(xué)講課，這對他們搞清概念原理和科學(xué)地進(jìn)行表達(dá)都非常有幫助．我想這可能是提高優(yōu)秀學(xué)生能力的有效方法之一．”

那么自學(xué)為什么會對提高學(xué)生的能力起這么大的作用呢？從心理學(xué)角度來看，自學(xué)與聽課可能有以下兩點(diǎn)不同：

（１）人類的思維活動表現(xiàn)為分析、綜合、比較、抽象、概括等過程．一個學(xué)生在自學(xué)某一個新的物理內(nèi)容時，少不了理解、思考、建立正確的物理模型等工作，這里面充滿了分析、綜合、比較等過程．因此相對聽課而言，自學(xué)對學(xué)生的思維活動提出了更高的要求，從而使他們得到更大的鍛煉．

（２）人們的注意可分為無意注意、有意注意和有意后注意三種．事先沒有預(yù)定的目標(biāo)，也不需要作意志努力的注意叫做無意注意；有預(yù)定的目標(biāo)，在必要時還需作一定的意志努力的注意叫做有意注意．一個學(xué)生在自學(xué)的時候，他的目的一定是十分明確的，而且需要一定的意志努力（否則難以堅持），因此學(xué)生在自學(xué)時，可保證在絕大多時間內(nèi)都處于有意注意的狀態(tài)，這一點(diǎn)對提高學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)能力都是很有好處的．有的學(xué)生在自學(xué)中往往會十分投入，進(jìn)入一種旁若無人的境地，而相對來說，這種情況在聽課時就比較少．一個學(xué)生堅持自學(xué)一段時間之后，便能漸漸地從有意注意轉(zhuǎn)化到有意后注意，即不需要意志努力也能夠?qū)⒆约旱淖⒁饬﹂L期保持在這項工作上．有意后注意是一種高級類型的注意，它既有明確的目的，又不需要用意志努力來維持，是人類從事創(chuàng)造性活動的必需條件．學(xué)生一旦進(jìn)入這種狀態(tài)，他們的物理學(xué)習(xí)效率就會大大提高，學(xué)習(xí)成績就會有明顯進(jìn)步．

二、實(shí)驗研究多一點(diǎn)

物理學(xué)是一門實(shí)驗科學(xué)，物理學(xué)中的每一個概念、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和確立主要依賴于實(shí)驗．因此，在高中物理教學(xué)中加強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗方面的訓(xùn)練，無疑是提高物理教學(xué)質(zhì)量的一條必由之路．

目前中學(xué)物理教學(xué)大綱中安排了相對數(shù)量的學(xué)生實(shí)驗和演示實(shí)驗，不難發(fā)現(xiàn)，這些實(shí)驗存在著某些不足，主要表現(xiàn)在下面幾個方面：

第一，教材中幾乎所有實(shí)驗是為配合所學(xué)內(nèi)容而安排的，目的是幫助學(xué)生加深對所學(xué)內(nèi)容的理解，因此學(xué)生不易通過這些實(shí)驗掌握一些重要的實(shí)驗方法．

第二，課本中每個實(shí)驗的實(shí)驗原理及操作步驟都講得十分清楚，學(xué)生只需按部就班地完成實(shí)驗操作即可．這樣的實(shí)驗只能增加學(xué)生的感性認(rèn)識，鍛煉學(xué)生的動手操作能力，而對學(xué)生創(chuàng)造性思維的訓(xùn)練是不夠的，也無法培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力．

第三，目前課本中的實(shí)驗大多是驗證性實(shí)驗，學(xué)生只要學(xué)懂了書上的定律，一般都能輕而易舉地完成實(shí)驗．這種安排違反了教育應(yīng)該走在學(xué)生智力發(fā)展前面的原則，對培養(yǎng)學(xué)生的能力是不利的．

針對以上不足，我們對實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行了改革，使實(shí)驗教學(xué)為發(fā)展學(xué)生的智力，提高學(xué)生的素質(zhì)服務(wù)．在實(shí)驗內(nèi)容的改革方面，我們主要采取了以下三條措施：

（１）增加實(shí)驗數(shù)量．

不論是在課堂演示實(shí)驗，還是在學(xué)生實(shí)驗或小實(shí)驗方面，平均增加了６０％的實(shí)驗．其中有一部分新實(shí)驗，學(xué)校沒有現(xiàn)成的儀器，安排學(xué)生自己制作，對學(xué)生有較高的要求．

（２）重視實(shí)驗誤差討論．

物理實(shí)驗離不開測量，測量是實(shí)驗科學(xué)最本質(zhì)的東西．從某種意義上講，結(jié)果準(zhǔn)確的實(shí)驗就是成功的實(shí)驗，反之就是不成功的實(shí)驗．因此在培養(yǎng)優(yōu)秀學(xué)生的過程中，應(yīng)該讓他們掌握一些必要的實(shí)驗誤差的基本知識．在設(shè)計實(shí)驗方案時，要求學(xué)生們盡量消除實(shí)驗的系統(tǒng)誤差；在選擇實(shí)驗器材時要考慮它的精確程度；在處理實(shí)驗數(shù)據(jù)時，要采用盡量科學(xué)的方法．

（３）加強(qiáng)重要實(shí)驗方法教學(xué)．

在實(shí)驗領(lǐng)域中有一些重要的方法，比如減小實(shí)驗系統(tǒng)誤差的方法、減小實(shí)驗偶然誤差的方法、實(shí)驗探究規(guī)律的方法、迂回測量的方法等，這些方法不是在個別實(shí)驗中，而是在許多實(shí)驗中都有應(yīng)用，因此具有一定的普遍意義，這些方法一定要讓學(xué)生很好地掌握．在必要時，我們甚至根據(jù)實(shí)驗方法來安排實(shí)驗內(nèi)容，集中安排幾個某種方法體現(xiàn)比較典型的實(shí)驗，這樣便于學(xué)生深刻領(lǐng)會和熟練掌握某一種實(shí)驗方法．

在實(shí)驗教學(xué)方法改革方面，我們做了以下嘗試：

（１）在課堂上創(chuàng)設(shè)一些實(shí)驗問題讓學(xué)生研究．

在高中階段，

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每周至少有４節(jié)物理課，充分利用物理課中碰到的各種各樣問題，可設(shè)計一些供學(xué)生討論的實(shí)驗題目，并引導(dǎo)他們一步一步地探索、解決．

我在講功率一節(jié)時，設(shè)計了這樣一個實(shí)驗題目：要求測定一個人騎自行車的功率．在自行車由靜止啟動的過程中，人做的功除了增加人和車的動能之外，還要克服空氣阻力和地面的摩擦力，其中哪些因素是主要的，哪些因素是次要的？學(xué)生根據(jù)自己騎自行車的經(jīng)驗，認(rèn)為空氣阻力是很明顯的，不能忽略，而地面和車輪之間的滾動摩擦一般比較小，可以忽略．接下來的問題是怎樣測量人克服空氣阻力做的功？學(xué)生都有這樣的體會：頂風(fēng)騎車時，騎得越快風(fēng)的阻力越大，因此可以設(shè)風(fēng)的阻力和車的速度成正比．車的速度怎樣測？風(fēng)的.阻力和車速成正比的比例因數(shù)是多少？問題一個接著一個地出現(xiàn)，被大家一個又一個地解決，終于找到了一個大家都比較滿意的實(shí)驗方案．接著全班同學(xué)興高采烈地到操場上去做實(shí)驗，最后再回到教室里，師生一起處理實(shí)驗數(shù)據(jù)，作出圖象，得出實(shí)驗結(jié)果．在整個實(shí)驗過程中，除了實(shí)驗題目是由老師提出的外，實(shí)驗方案和解決問題的途徑都是由學(xué)生討論研究出來的，因此他們都覺得很有意思，收獲很大．

（２）對課本中一些重要實(shí)驗進(jìn)行深入研究．

物理課本中有大量現(xiàn)成的實(shí)驗，有時可以對這些實(shí)驗進(jìn)行一些討論和改進(jìn)．

在做直流電路的實(shí)驗時，我們讓學(xué)生對伏安法測量導(dǎo)體的電阻這個實(shí)驗進(jìn)行了深入的研究．用簡單的伏安法電路，不論是采用電流表內(nèi)接還是電流表外接，都有系統(tǒng)誤差．結(jié)合這個問題，我給學(xué)生介紹了補(bǔ)償?shù)乃枷�，然后由學(xué)生自己設(shè)計了電流補(bǔ)償和電壓補(bǔ)償兩種線路．補(bǔ)償法解決了由于實(shí)驗電路不完善帶來的系統(tǒng)誤差，但這個矛盾解決了，電流表和電壓表不夠準(zhǔn)確的問題上升為主要矛盾．怎么辦？經(jīng)過進(jìn)一步研究改進(jìn)，大家認(rèn)為可以用準(zhǔn)確度高得多的電阻箱來取代電壓表和電流表，再輔以靈敏度很高的電流表，便可以明顯提高實(shí)驗結(jié)果的準(zhǔn)確度，這就是常用的惠斯通電橋．接下來學(xué)生分別用簡單伏安法、補(bǔ)償伏安法和惠斯通電橋測量了同一個標(biāo)準(zhǔn)電阻，比較測量結(jié)果，可以證實(shí)先前的想法．在歷史上，從伏安法到惠斯通電橋是有一個很長的過程的，而在我們這堂實(shí)驗課中，學(xué)生經(jīng)歷了這么一個碰到問題、分析問題、解決問題的完整過程．這樣的實(shí)驗課對增強(qiáng)學(xué)生的能力是很有幫助的．

（１）和（２）實(shí)際上都是不斷地給學(xué)生提出新的目標(biāo)，誘導(dǎo)他們提高實(shí)驗水平，我們有時稱之為“目的誘導(dǎo)法”．

（３）給特優(yōu)學(xué)生安排一些特殊實(shí)驗．

我校有一批進(jìn)口物理儀器，性能比較好，涉及的實(shí)驗內(nèi)容面也比較廣．這批儀器的說明書是英文或日文的，我指定一名學(xué)生準(zhǔn)備某一個實(shí)驗，要求他先翻譯好說明書，準(zhǔn)備好器材，然后帶領(lǐng)其他同學(xué)做實(shí)驗．這個主講的學(xué)生還要準(zhǔn)備好一些討論題，在實(shí)驗后供同學(xué)們討論．學(xué)生對這樣的實(shí)驗非常感興趣．此類實(shí)驗雖然有時和高考、競賽沒有直接的關(guān)系，但是這種帶有研究性的實(shí)驗對優(yōu)秀學(xué)生很有好處．

三、能力要求高一點(diǎn)

物理習(xí)題教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分．不論是教師還是學(xué)生，都在解習(xí)題上花費(fèi)了大量的時間，因此，習(xí)題教學(xué)的改革是一個很重要的問題．

就本質(zhì)來說，物理習(xí)題是人們編制的一些假想物理場景．毫無疑問，物理學(xué)家是不會去做物理習(xí)題的，而他們是在研究那些真實(shí)的、尚未發(fā)現(xiàn)的物理規(guī)律．同樣，發(fā)明家也是不會去做物理習(xí)題的，他們是在力圖應(yīng)用已有的物理規(guī)律去解決一系列實(shí)際問題，那么我們?yōu)槭裁匆�讓學(xué)生做那么多人為假想的物理習(xí)題？目的無非是要培養(yǎng)學(xué)生的理解、分析、推理等能力．所以物理習(xí)題教學(xué)應(yīng)該圍繞這個目標(biāo)來進(jìn)行．

我們常用以下兩種方法來進(jìn)行習(xí)題教學(xué)：

（１）按照解題方法組織習(xí)題教學(xué)

一般的習(xí)題都是按力、熱、電、光的.順序來講授的，但我們比較傾向于按照解題方法來講解物理習(xí)題．例如理想化法、整體法和隔離法、等效替代法、小量分析法、疊加法、對稱法、圖象法等，這樣比較有利于學(xué)生掌握一些重要的解題方法．到學(xué)習(xí)的某一階段，集中將一批用解決方法相同的習(xí)題安排給學(xué)生練習(xí)，使他們由不會用到會用這種方法．在以后的學(xué)習(xí)中，每隔一定階段讓這種方法再出現(xiàn)一次，以加深這種解題方法在大腦中的印象，達(dá)到牢固掌握，應(yīng)用自如的目的．

（２）采用“臺階法”幫助學(xué)生掌握一些難度較高的解題方法．學(xué)生有一道難題不會做怎么辦？老師不是直接告訴他怎么做，而是另外出幾道與這道難題內(nèi)容相似，難度較小一點(diǎn)的題讓他去做，或者是出一道內(nèi)容完全不同，但所用方法有某些類似之處的題讓他去做，直至他領(lǐng)悟出這道難題應(yīng)該怎樣解為止．我們稱這種方法是搭一個臺階讓學(xué)生自己往上爬，用這種“臺階法”進(jìn)行習(xí)題教學(xué)能使學(xué)生自己提高自己的水平，比被動地聽老師講解那道難題的效果要好得多．

以上只是我們分別從物理定律、物理實(shí)驗以及物理習(xí)題教學(xué)三方面介紹了我們在高中物理課堂教學(xué)中的一些行之有效的做法．最近筆者根據(jù)國家教委１９９６年最新頒布的《高中物理教學(xué)大綱》編寫了《名師講高中物理》（中國青年出版社出版），這套書比較適合重點(diǎn)中學(xué)或普通中學(xué)的提高班使用，歡迎對“三點(diǎn)”教學(xué)法感興趣的老師和作者聯(lián)系。

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