培养物理优秀学生的理论与实践

 

十多年来，我一直致力于培养优秀学生，并努力探索培养物理优秀学生的一些规律性的东西．１９９１年以来，我校涌现出一批又一批政治思想健康、学习成绩优异的好学生，为国家输送了一大批优秀科技人才的后备力量，特别是王泰然、任宇翔、杨亮、谢小林、陈汇钢等五位同学分别在第２２届、第２５届、第２６届、第２７届国际奥林匹克物理竞赛（ＩＰｈＯ）中获得金牌，为祖国争得了荣誉．我校学生在全国物理竞赛决赛中获一、二等奖各８人次，获上海赛区一等奖９４人次，１０人参加国家集训队．在令人瞩目的成绩后面，一般都有科学规律的东西．

有人可能认为培养优秀学生主要靠课外小组和个别辅导，与课堂教学关系不大，这种看法是片面的，实际上课堂教学也是至关重要的．本文着重从高中物理课堂教学这一侧面来总结取得这些成果的经验．

我们十多年来的课堂教学经验可以总结成三句话：追根寻源真一点，实验研究多一点，能力要求高一点，简称“三点”教学法，因此我们称自己的教材为“三点”法教材．

我们的“三点”法教学完全是根据国家教委颁布的高中物理教学大纲编写的．因为我们面对的是全班学生，不可能而且也不应该把课堂教学变成物理竞赛辅导，我们确确实实通过课堂教学明显提高了学生的素质和能力，为学生在高考和物理竞赛中取得优异成绩打下了扎实的基础．

一、追根寻源真一点

一个学生学习物理，首先接触到的就是物理定律．因此，怎样搞好物理定律教学，必然是每个物理教师首先要考虑的问题．

在进行某一物理定律教学时，我们有意识补充了大量的与这一定律的建立过程有关的内容，这就是所谓的“溯源”教学．任何一个重要物理定律的建立，都有一个艰辛而漫长的过程．探索定律的工作只所以能成功，这个定律最后只所以能够确立起来，其中一定有很多科学的研究方法和正确的推理思维方式，这些内容毫无疑问是属于物理学科中最重要的东西，是人类一笔宝贵的知识财富，也是我们物理教学的宝贵财富．

在讲授牛顿万有引力定律时，我们从第谷对行星进行几十年的观测积累的大量第一手资料讲起，然后是开普勒在拥有这些数据的基础上，通过大量计算总结出描写天体运动的经验规律（开普勒三定律），最后才是牛顿用定量的动力学原理对这些规律予以解释，终于发现了对天上、地上的物体具有普遍意义的万有引力定律．在学习牛顿万有引力定律的过程中，我们还着重向学生介绍了“归纳法”、“理想化”和“间接验证”三种科学研究的重要方法．

在学习库仑定律的过程中，我们纠正了学生由于大多数教科书叙述笼统而形成的错误观念，使他们明白：１．库仑当年只用扭秤做了两个同种电荷互相排斥的实验，而未做两个异种电荷互相吸引的实验，因为在后一实验中的平衡有可能是不稳定的．库仑是用电摆来完成后一实验的；２．无论是扭秤还是电摆，精确度都是很有限的，根本无法确定两电荷之间的作用力与距离的平方成反比，更不是和距离的１．９８次方或２．０２次方成反比．当年的库仑（实际上还有更早的卡文迪许），以及后来的麦克斯韦、普林普顿等人都是用另一种实验方法将指数的精度逐渐提高，直至今天的２±３×１０－１６，终于使库仑定律成为当今物理学中最精确的定律之一．结合库仑定律的建立过程，我们还向学生介绍了“类比”和“演绎验证”的方法．

在学习欧姆定律的过程中，学生一开始都以为研究通过导体的电流和导体两端的电压之间的关系是不困难的，只要用电流表、电压表再加电源和可变电阻器等组成电路即可．可是我告诉他们，在欧姆那个年代，非但没有电流表、电压表等仪器，连电压、电流和电阻的定义和单位都没有，欧姆所面临的困难之大是可想而知的．他到底是怎样得到这个电学中最重要的定律的呢？学生顿时产生了浓厚的兴趣．在学习欧姆定律诞生过程的同时，我们还结合欧姆的实践，介绍了用图线探究新规律的方法．

此外，我们还结合牛顿运动定律介绍了“理想实验”、“推理”、“实验研究”等方法，结合气体定律介绍了“分析法”，结合能量的转化和守恒定律介绍了“综合法”．使学生比较系统地掌握了一些重要的科学研究方法．有的同学深有体会地说：物理定律是宝贵的，但研究物理定律的科学方法更宝贵．谁掌握了这些方法，谁就能不断地去探索大自然层出不穷的奥秘．

在物理定律的教学中，我们在课堂上经常采用设问的方法，不是直接告诉学生某个定律是怎样建立起来的，而是不断地提出问题让学生去思考，摆出困难让学生去克服，提出任务让学生去完成，制定目标让学生去实现．这样可以有效地发展学生的创造性思维和解决问题的能力．

我们要求学生在课外进行大量自学．早在公元前４世纪，古希腊苏格拉底明确强调过：“好的、正确的教学不是传递，而是对学生的自学辅导”．我一贯强调学生要学会自学、讨论、研究．我教的优秀学生，学得的物理知识，最多只有一半是在课堂上听我讲的，其它一概由他们自学．到一定阶段，我开始指定几个学得比较好的学生轮流给其他学生上课．每次课分两部分，前半部分由主讲同学讲，后半部分由全体同学提问、讨论．像王泰然和任宇翔在高二阶段就给其他同学作过二十几次讲座，杨亮、谢小林、陈汇钢等同学也不例外．

我们这种自学讨论式教学还延续到学生毕业以后．获金牌或学有所成的学生进了大学甚至出国留学后，有机会还回来给小同学谈自己的体会．例如１９９４年暑假任宇翔从美国回国探亲一个月，来学校给９５、９６届学生讲了１０次课．他向小学友介绍物理学中一些新进展、中美物理教学中的差异以及他们当年学习过程中曾激烈争论过的问题，使听课的学生大受裨益．１９９６年暑假，谢小林和陈汇钢两位金牌获得者又为９７、９８届同学讲了十多天课．他们既讲物理知识，又讲国家集训队队员奋发学习的感人事迹，使小同学们大开眼界．

这样的训练方法也得到了权威人士的肯定．１９９２年１０月，在上海召开的全国物理特级教师会议上，原中国物理学会副理事长、现全国中学物理竞赛委员会主任、北京大学沈克琦教授在他的题为“国际物理奥林匹克竞赛与中学物理教学”的报告中说：“我听到两名得金牌的上海学生讲他们的老师如何培养他们的情况，我认为这个经验倒很值得推广．他们说他们的老师不是采取灌输的办法，而是启发引导，要求他们给同学讲课，这对他们搞清概念原理和科学地进行表达都非常有帮助．我想这可能是提高优秀学生能力的有效方法之一．”

那么自学为什么会对提高学生的能力起这么大的作用呢？从心理学角度来看，自学与听课可能有以下两点不同：

（１）人类的思维活动表现为分析、综合、比较、抽象、概括等过程．一个学生在自学某一个新的物理内容时，少不了理解、思考、建立正确的物理模型等工作，这里面充满了分析、综合、比较等过程．因此相对听课而言，自学对学生的思维活动提出了更高的要求，从而使他们得到更大的锻炼．

（２）人们的注意可分为无意注意、有意注意和有意后注意三种．事先没有预定的目标，也不需要作意志努力的注意叫做无意注意；有预定的目标，在必要时还需作一定的意志努力的注意叫做有意注意．一个学生在自学的时候，他的目的一定是十分明确的，而且需要一定的意志努力（否则难以坚持），因此学生在自学时，可保证在绝大多时间内都处于有意注意的状态，这一点对提高学习效率和学习能力都是很有好处的．有的学生在自学中往往会十分投入，进入一种旁若无人的境地，而相对来说，这种情况在听课时就比较少．一个学生坚持自学一段时间之后，便能渐渐地从有意注意转化到有意后注意，即不需要意志努力也能够将自己的注意力长期保持在这项工作上．有意后注意是一种高级类型的注意，它既有明确的目的，又不需要用意志努力来维持，是人类从事创造性活动的必需条件．学生一旦进入这种状态，他们的物理学习效率就会大大提高，学习成绩就会有明显进步．

二、实验研究多一点

物理学是一门实验科学，物理学中的每一个概念、规律的发现和确立主要依赖于实验．因此，在高中物理教学中加强学生实验方面的训练，无疑是提高物理教学质量的一条必由之路．

目前中学物理教学大纲中安排了相对数量的学生实验和演示实验，不难发现，这些实验存在着某些不足，主要表现在下面几个方面：

第一，教材中几乎所有实验是为配合所学内容而安排的，目的是帮助学生加深对所学内容的理解，因此学生不易通过这些实验掌握一些重要的实验方法．

第二，课本中每个实验的实验原理及操作步骤都讲得十分清楚，学生只需按部就班地完成实验操作即可．这样的实验只能增加学生的感性认识，锻炼学生的动手操作能力，而对学生创造性思维的训练是不够的，也无法培养学生解决问题的能力．

第三，目前课本中的实验大多是验证性实验，学生只要学懂了书上的定律，一般都能轻而易举地完成实验．这种安排违反了教育应该走在学生智力发展前面的原则，对培养学生的能力是不利的．

针对以上不足，我们对实验教学内容和教学方法进行了改革，使实验教学为发展学生的智力，提高学生的素质服务．在实验内容的改革方面，我们主要采取了以下三条措施：

（１）增加实验数量．

不论是在课堂演示实验，还是在学生实验或小实验方面，平均增加了６０％的实验．其中有一部分新实验，学校没有现成的仪器，安排学生自己制作，对学生有较高的要求．

（２）重视实验误差讨论．

物理实验离不开测量，测量是实验科学最本质的东西．从某种意义上讲，结果准确的实验就是成功的实验，反之就是不成功的实验．因此在培养优秀学生的过程中，应该让他们掌握一些必要的实验误差的基本知识．在设计实验方案时，要求学生们尽量消除实验的系统误差；在选择实验器材时要考虑它的精确程度；在处理实验数据时，要采用尽量科学的方法．

（３）加强重要实验方法教学．

在实验领域中有一些重要的方法，比如减小实验系统误差的方法、减小实验偶然误差的方法、实验探究规律的方法、迂回测量的方法等，这些方法不是在个别实验中，而是在许多实验中都有应用，因此具有一定的普遍意义，这些方法一定要让学生很好地掌握．在必要时，我们甚至根据实验方法来安排实验内容，集中安排几个某种方法体现比较典型的实验，这样便于学生深刻领会和熟练掌握某一种实验方法．

在实验教学方法改革方面，我们做了以下尝试：

（１）在课堂上创设一些实验问题让学生研究．

在高中阶段，

每周至少有４节物理课，充分利用物理课中碰到的各种各样问题，可设计一些供学生讨论的实验题目，并引导他们一步一步地探索、解决．

我在讲功率一节时，设计了这样一个实验题目：要求测定一个人骑自行车的功率．在自行车由静止启动的过程中，人做的功除了增加人和车的动能之外，还要克服空气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？学生根据自己骑自行车的经验，认为空气阻力是很明显的，不能忽略，而地面和车轮之间的滚动摩擦一般比较小，可以忽略．接下来的问题是怎样测量人克服空气阻力做的功？学生都有这样的体会：顶风骑车时，骑得越快风的阻力越大，因此可以设风的阻力和车的速度成正比．车的速度怎样测？风的阻力和车速成正比的比例因数是多少？问题一个接着一个地出现，被大家一个又一个地解决，终于找到了一个大家都比较满意的实验方案．接着全班同学兴高采烈地到操场上去做实验，最后再回到教室里，师生一起处理实验数据，作出图象，得出实验结果．在整个实验过程中，除了实验题目是由老师提出的外，实验方案和解决问题的途径都是由学生讨论研究出来的，因此他们都觉得很有意思，收获很大．

（２）对课本中一些重要实验进行深入研究．

物理课本中有大量现成的实验，有时可以对这些实验进行一些讨论和改进．

在做直流电路的实验时，我们让学生对伏安法测量导体的电阻这个实验进行了深入的研究．用简单的伏安法电路，不论是采用电流表内接还是电流表外接，都有系统误差．结合这个问题，我给学生介绍了补偿的思想，然后由学生自己设计了电流补偿和电压补偿两种线路．补偿法解决了由于实验电路不完善带来的系统误差，但这个矛盾解决了，电流表和电压表不够准确的问题上升为主要矛盾．怎么办？经过进一步研究改进，大家认为可以用准确度高得多的电阻箱来取代电压表和电流表，再辅以灵敏度很高的电流表，便可以明显提高实验结果的准确度，这就是常用的惠斯通电桥．接下来学生分别用简单伏安法、补偿伏安法和惠斯通电桥测量了同一个标准电阻，比较测量结果，可以证实先前的想法．在历史上，从伏安法到惠斯通电桥是有一个很长的过程的，而在我们这堂实验课中，学生经历了这么一个碰到问题、分析问题、解决问题的完整过程．这样的实验课对增强学生的能力是很有帮助的．

（１）和（２）实际上都是不断地给学生提出新的目标，诱导他们提高实验水平，我们有时称之为“目的诱导法”．

（３）给特优学生安排一些特殊实验．

我校有一批进口物理仪器，性能比较好，涉及的实验内容面也比较广．这批仪器的说明书是英文或日文的，我指定一名学生准备某一个实验，要求他先翻译好说明书，准备好器材，然后带领其他同学做实验．这个主讲的学生还要准备好一些讨论题，在实验后供同学们讨论．学生对

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