培養(yǎng)物理優(yōu)秀學生的理論與實踐

 

十多年來，我一直致力于培養(yǎng)優(yōu)秀學生，并努力探索培養(yǎng)物理優(yōu)秀學生的一些規(guī)律性的東西．１９９１年以來，我校涌現出一批又一批政治思想健康、學習成績優(yōu)異的好學生，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．我校學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人參加國家集訓隊．在令人矚目的成績后面，一般都有科學規(guī)律的東西．

有人可能認為培養(yǎng)優(yōu)秀學生主要靠課外小組和個別輔導，與課堂教學關系不大，這種看法是片面的，實際上課堂教學也是至關重要的．本文著重從高中物理課堂教學這一側面來總結取得這些成果的經驗．

我們十多年來的課堂教學經驗可以總結成三句話：追根尋源真一點，實驗研究多一點，能力要求高一點，簡稱“三點”教學法，因此我們稱自己的教材為“三點”法教材．

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

一、追根尋源真一點

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

在進行某一物理定律教學時，我們有意識補充了大量的與這一定律的建立過程有關的內容，這就是所謂的“溯源”教學．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的研究方法和正確的推理思維方式，這些內容毫無疑問是屬于物理學科中最重要的東西，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據的基礎上，通過大量計算總結出描寫天體運動的經驗規(guī)律（開普勒三定律），最后才是牛頓用定量的動力學原理對這些規(guī)律予以解釋，終于發(fā)現了對天上、地上的物體具有普遍意義的萬有引力定律．在學習牛頓萬有引力定律的過程中，我們還著重向學生介紹了“歸納法”、“理想化”和“間接驗證”三種科學研究的重要方法．

在學習庫侖定律的過程中，我們糾正了學生由于大多數教科書敘述籠統(tǒng)而形成的錯誤觀念，使他們明白：１．庫侖當年只用扭秤做了兩個同種電荷互相排斥的實驗，而未做兩個異種電荷互相吸引的實驗，因為在后一實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．當年的庫侖（實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驗方法將指數的精度逐漸提高，直至今天的２±３×１０－１６，終于使庫侖定律成為當今物理學中最精確的定律之一．結合庫侖定律的建立過程，我們還向學生介紹了“類比”和“演繹驗證”的方法．

在學習歐姆定律的過程中，學生一開始都以為研究通過導體的電流和導體兩端的電壓之間的關系是不困難的，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中最重要的定律的呢？學生頓時產生了濃厚的興趣．在學習歐姆定律誕生過程的同時，我們還結合歐姆的實踐，介紹了用圖線探究新規(guī)律的方法．

此外，我們還結合牛頓運動定律介紹了“理想實驗”、“推理”、“實驗研究”等方法，結合氣體定律介紹了“分析法”，結合能量的轉化和守恒定律介紹了“綜合法”．使學生比較系統(tǒng)地掌握了一些重要的.科學研究方法．有的同學深有體會地說：物理定律是寶貴的，但研究物理定律的科學方法更寶貴．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．

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

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

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

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

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

（１）人類的思維活動表現為分析、綜合、比較、抽象、概括等過程．一個學生在自學某一個新的物理內容時，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，自學對學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．事先沒有預定的目標，也不需要作意志努力的注意叫做無意注意；有預定的目標，在必要時還需作一定的意志努力的注意叫做有意注意．一個學生在自學的時候，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），因此學生在自學時，可保證在絕大多時間內都處于有意注意的狀態(tài)，這一點對提高學習效率和學習能力都是很有好處的．有的學生在自學中往往會十分投入，進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．一個學生堅持自學一段時間之后，便能漸漸地從有意注意轉化到有意后注意，即不需要意志努力也能夠將自己的注意力長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．學生一旦進入這種狀態(tài)，他們的物理學習效率就會大大提高，學習成績就會有明顯進步．

二、實驗研究多一點

物理學是一門實驗科學，物理學中的每一個概念、規(guī)律的發(fā)現和確立主要依賴于實驗．因此，在高中物理教學中加強學生實驗方面的訓練，無疑是提高物理教學質量的一條必由之路．

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

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

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

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

針對以上不足，我們對實驗教學內容和教學方法進行了改革，使實驗教學為發(fā)展學生的智力，提高學生的素質服務．在實驗內容的改革方面，我們主要采取了以下三條措施：

（１）增加實驗數量．

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

（２）重視實驗誤差討論．

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

（３）加強重要實驗方法教學．

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

在實驗教學方法改革方面，我們做了以下嘗試：

（１）在課堂上創(chuàng)設一些實驗問題讓學生研究．

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，可設計一些供學生討論的實驗題目，并引導他們一步一步地探索、解決．

我在講功率一節(jié)時，設計了這樣一個實驗題目：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？學生根據自己騎自行車的經驗，認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？學生都有這樣的體會：頂風騎車時，騎得越快風的阻力越大，因此可以設風的阻力和車的速度成正比．車的速度怎樣測？風的.阻力和車速成正比的比例因數是多少？問題一個接著一個地出現，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驗方案．接著全班同學興高采烈地到操場上去做實驗，最后再回到教室里，師生一起處理實驗數據，作出圖象，得出實驗結果．在整個實驗過程中，除了實驗題目是由老師提出的外，實驗方案和解決問題的途徑都是由學生討論研究出來的，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驗進行深入研究．

物理課本中有大量現成的實驗，有時可以對這些實驗進行一些討論和改進．

在做直流電路的實驗時，我們讓學生對伏安法測量導體的電阻這個實驗進行了深入的研究．用簡單的伏安法電路，不論是采用電流表內接還是電流表外接，都有系統(tǒng)誤差．結合這個問題，我給學生介紹了補償的思想，然后由學生自己設計了電流補償和電壓補償兩種線路．補償法解決了由于實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確的問題上升為主要矛盾．怎么辦？經過進一步研究改進，大家認為可以用準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，便可以明顯提高實驗結果的準確度，這就是常用的惠斯通電橋．接下來學生分別用簡單伏安法、補償伏安法和惠斯通電橋測量了同一個標準電阻，比較測量結果，可以證實先前的想法．在歷史上，從伏安法到惠斯通電橋是有一個很長的過程的，而在我們這堂實驗課中，學生經歷了這么一個碰到問題、分析問題、解決問題的完整過程．這樣的實驗課對增強學生的能力是很有幫助的．

（１）和（２）實際上都是不斷地給學生提出新的目標，誘導他們提高實驗水平，我們有時稱之為“目的誘導法”．

（３）給特優(yōu)學生安排一些特殊實驗．

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

三、能力要求高一點

物理習題教學是物理教學的重要組成部分．不論是教師還是學生，都在解習題上花費了大量的時間，因此，習題教學的改革是一個很重要的問題．

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

我們常用以下兩種方法來進行習題教學：

（１）按照解題方法組織習題教學

一般的習題都是按力、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，這樣比較有利于學生掌握一些重要的解題方法．到學習的某一階段，集中將一批用解決方法相同的習題安排給學生練習，使他們由不會用到會用這種方法．在以后的學習中，每隔一定階段讓這種方法再出現一次，以加深這種解題方法在大腦中的印象，達到牢固掌握，應用自如的目的．

（２）采用“臺階法”幫助學生掌握一些難度較高的解題方法．學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容相似，難度較小一點的題讓他去做，或者是出一道內容完全不同，但所用方法有某些類似之處的題讓他去做，直至他領悟出這道難題應該怎樣解為止．我們稱這種方法是搭一個臺階讓學生自己往上爬，用這種“臺階法”進行習題教學能使學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、物理實驗以及物理習題教學三方面介紹了我們在高中物理課堂教學中的一些行之有效的做法．最近筆者根據國家教委１９９６年最新頒布的《高中物理教學大綱》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中學或普通中學的提高班使用，歡迎對“三點”教學法感興趣的老師和作者聯系。

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