基于探究思维的高中物理竞赛的实践研究

罗翀　罗艺璇

摘   要：新高考背景下可以通过学科竞赛的科学实施来促进学生探究思维能力的提高。围绕高中物理核心素养目标培养体系，从物理竞赛辅导实施过程的策略设计、先修课程开设的有益尝试及竞赛工作中的问题与思考等三个方面，对高中物理竞赛辅导的设计与实施情况作些探讨。

关键词： 物理竞赛;探究思维;先修课程

多年以来，笔者一直堅持从事高中物理奥赛辅导和拔尖学生的培养工作，投入4000个工作日编写80万字竞赛资料，收集5000个实验数据，走访了300多位竞赛学生，教育学生要正确看待竞赛名次，培养实事求是的科学精神和不怕挫折的坚强毅力，逐步摸索出从苗子挑选到能力提升、心理调整等一系列较为行之有效的方法。近年来，与学校物理组同仁合作，也取得了一定的竞赛成绩。下面，谈一谈在抓好物理学科竞赛第二课堂活动中的一些做法和体会。

1  物理竞赛辅导实施过程的策略设计

1.1  精确选才是竞赛成功的前提条件

要搞好学科竞赛，选才是首要任务，选到优秀的学生是学科竞赛成功的前提条件。我们的选才标准是：（1）对某学科有特殊的爱好和浓厚的兴趣，即只有兴趣浓厚的学生才会深入钻研、自主研究，才能在枯燥的学习过程中感到其乐无穷;（2）有勤奋刻苦的学习品质和良好的学习习惯，即只有勤奋刻苦的学生在漫长的辅导过程中，才能坚持不懈的努力、才能完成繁重的学习任务、才能不断提高知识与能力水平;（3）有优异的学习成绩，即各科总分成绩优秀的学生参加某一科兴趣小组后，才不会影响其它科目的学习，才能在学业全面发展的同时，在某一学科有特别突出的发展。

基于这三个标准，我们物理学科竞赛通过以下几种途径进行选拔：一是通过学校与三元区联合举办的初高中“总校杯”物理竞赛确定苗子学生;二是通过初中毕业班全市质检考试成绩的分析和初中老师的推荐;三是通过中考后的初高中衔接班的若干次学科选拔考试。通过上述办法，选拔出大约60名左右的学生组建物理学科兴趣小组，再经过高一上一个学期的认真辅导，进一步培养其学科兴趣，对热爱物理的苗子学生逐渐显露出来，这时可挑选出若干人作为重点培养对象。在接下来的高一到高三竞赛辅导过程中，再进行慢慢地自然淘汰和筛选，最后到高三时剩下10～20位的尖子选手参加最后的物理竞赛。

1.2  有效组织是竞赛成功的关键所在

为了组织好学科竞赛工作，需要学校、教师以及学生协调一致，科学安排。一是在学校方面：学校每年都从全市10个县（市、区）中招收一部分有学科特长的优秀学生，组建学科兴趣小组，这已成为学校培养拔尖学生的一项重要举措。物理学科竞赛辅导工作的实施采取“321”培养方案。“3”是指为每一位拔尖学生制定为期三年的培养方案;“2”是指物理学科竞赛辅导团队选聘两名首席导师实行“双导师负责制”;“1”是指物理学科与一所省内高校的实验室建立联系，让学生能尽早接触到物理学科的科学研究方法，从而为其将来大学学习的科研创新奠定基础[ 1 ]。二是在教师方面：各年级定教师、定专人负责辅导。各年级教师负责制定本年级的辅导计划，安排好本年级兴趣小组的学习进度，落实好上下年级的衔接关系，特别是针对苗子学生要制定好个性化的辅导方案，体现个体差异。在每年竞赛的冲刺阶段，则通常集中全组竞赛辅导老师的力量，分知识点分专题进行全面的综合训练提高。三是在学生方面：各年级都成立物理学科兴趣小组，兴趣小组平时活动时间每周两至三次，每次两课时，每逢周末则辅导半天。

1.3  精心辅导是竞赛成功的根本原因

学科竞赛的学生，若只是掌握课本上的基础知识还是远远不够的。所以教师必须经过细致辅导，一方面根据全国竞赛委员会发布的中学生物理竞赛考试大纲，深化、拓宽学科的知识与方法，另一方面更为重要的是使学生形成能在较短时间内获得大容量知识的自主学习能力。实践证明，在具体辅导方面要注意以下几点做法：

（1）注重打好基础，培养自主学习能力。万丈高楼平地起，学生的学科能力需要渐进培养。为此，在高一年级的竞赛基础辅导阶段，对学生进行高中物理基础课程的超前学习，同时配套训练不超过高考难度的系列校本作业;在高二、高三年级的竞赛提高辅导阶段，要在引导学生提出问题、分析问题、解决问题上下功夫，对物理疑难问题进行针对性的讲解和专题训练，进阶提升学生的科学思维能力[ 1 ];在赛前冲刺训练阶段，主要是进行竞赛模拟训练，限时训练若干套的历届竞赛真题，陈题往往是经典之题，对训练学生的解题方法迁移及试卷结构、试题难度、时间分配的体验，都将十分有益。同时，推荐一套适合的物理竞赛辅导丛书，鼓励学生自主学习，师生共同探讨书上的重难点问题。而对重点苗子学生，则要求他们多看几本的竞赛辅导书籍，并指导阅读《中学物理教学参考》《物理教师》《物理教学》等专业期刊上发表的有关文章，因为这些文章讨论的问题颇具方法性和前瞻性，往往是学生容易混淆出错的短板之处。

（2）注重变式迁移，培养科学思维能力。只有不断提高学生综合分析问题的能力才能使苗子成为真正的尖子。为此，在平时竞赛辅导中：一是应当注意通过大量的“举一反三”“一题多解”等方面的训练，培养学生思维的变通性，即对于形同而质异的题目则要求学生能够辨析、能够从本质上认识它们内在不同、认识解法不同的关键所在;二是对物理概念、规律、定律的理解要求学生分析其内涵与外延，对学科理论要能够系统化、网络化、精练化，以培养思维的独特性，;三是分析典型题目中蕴含着的物理思想方法，以培养思维的深刻性，即很多竞赛题具有深刻的学术背景，某一道题目可能就是大学中的一个专题问题、一个重要实验或一种特殊方法，这些问题的解决要依赖于很深刻的学科思想方法[ 2 ]。可以说，学科竞赛经常是用大学里的学科思想方法与中学里的知识手段相互融合来解决问题。为此，物理兴趣小组应该向学生介绍了一些大学一、二年级的问题研究思想方法。如：等效思想、对称思想、守恒思想、转换思想、微元思想等，让学生的数理思想能达到大学低年级的水平。

（3）注重因材施教，发展学科个性特长。尖子生都有较强的学习能力，同时他们也往往具有鲜明的个性。对于自主学习能力强、学科兴趣又浓厚的学生，为了鼓励他们更超前地学习，鼓励他们早出成绩，必须对他们进行了更加细致深入的辅导，根据个人情况制定详细学习计划。如2012届的两位陈姓同学，荣获第28届全国中学生物理竞赛全国二等奖，双双保送到北京大学，省复赛前笔者每周三个晚上对他们做个别辅导，在入选省集训队之后，为促进他们自主高效地考前冲刺，还为他们制定了详尽的全国决赛迎考学习方案，方案计划细到每一天、每个时段要完成什么任务。还须注意的是，对于基础扎实、刻苦认真的学生，我们辅导中除了在审题、计算、书写等方面严格要求之外，还要强化训练其对题目的认知敏锐性，要着力提升其学科思维的灵敏度和深刻度。如2021届姜姓同学荣获第37届全国中学生物理竞赛省一等奖，并获复赛实验单项成绩省冠军，辅导中我们就有意识针对性地训练，要求他深入研究《物理难题集萃》中的一些典型问题，理解弄通每一个大学物理实验的实验原理、实验步骤和误差分析。

2  物理竞赛先修课程开设的有益尝试

高中学科竞赛中，特别是物理、数学奥赛，一般要求学生有高超的演算技能，包括用到高等数学，如微积分和导数来解决数理问题，这就对学生的思维层次提出了更高要求，即要求学生在学习好高中基础课程的前提下，进一步学习部分大学物理先修课程的内容。那么，高中物理竞赛先修课程究竟要求学些什么？有何教学启示呢？现列举两例。

【例题1】在麦克斯韦方程组中，哪个方程可用来计算由于电场的变化而产生的磁场？

解析：本题正确选项为C。C选项中，方程左边是磁场对于一闭合路径的线积分，方程右边第二项则是通过以闭合路径为边界的任意曲面上的电通量变化率，这是由该面上电场变化所引起的，这一项亦称位移电流，是麦克斯韦提出的一项重要假设[ 3 ]。对于交变场，该假设的物理意义就是周期性振荡变化的电场将产生同周期同频率振荡变化的磁场[ 3 ]。麦克斯韦的这一位移电流的理论假设，后来被赫兹的电磁波实验所证实，从而最终成为整个麦克斯韦电磁场理论的基础，所以C选项方程符合题意[ 3 ]。

评述：相对于常规物理教学，高中物理竞赛不少试题是由不变稳态转为变化微元问题，甚至提高到包括瞬变现象[ 3 ]，这就涉及大学物理的内容和方法。本题根据麦克斯韦电磁场理论也可以定性判断出正确选项为C，但作为探究思维的开发，我们要引导学生利用微元的思想方法进行定量的分析，这也是中学物理竞赛课程所提倡的。麦克斯韦方程组代表了宏观电磁现象的变化规律，彰显了从物理图象到数学方法的完美结合[ 3 ]。可见，从现象入手，以数学方法总结提升到理论构架，麦克斯韦方程组是极为光辉的一个范例。所以说本题被编成物理奥赛试题的一个选择题是一道好题，对训练竞赛学生的科学思维能力颇有益处。

【例题2】如图1所示，一半径为R的均匀非导体圆环带有电荷量为+Q，z轴通过圆环中心并垂直于圆环平面。

（1）试计算z轴上任一点处电势，用Q、E、R以及基本常量表示你的结果。

（2）在z轴上那一点或哪些点处，电势有最大值？电势的最大值是多少？

（3）求z轴上任一点处的电场强度，用Q、E、R及基本常量表示你的结果。

关于场强E的方向从z轴上单位正电荷受力方向分析可知沿z轴方向，令为沿z轴之单位矢量，则场强矢量可表示为=

评述：本题是采用微元法处理的一道典型竞赛问题，分析的思路是首先要在带电圆环上正确选取微元研究对象，在此基础上将其视作点电荷写出电势和场强的解析表达式，求解的关键是进一步确定待求未知量的积分变量和微分变量[ 3 ]，这对学生利用数学方法处理物理问题的能力要求较高，要求学生有一定的数学微积分基础。类似本题这样利用数学的手段解决物理问题，这对探究思维素养的培育十分重要。

3  物理竞赛工作中的问题与思考

通过长期的高中物理学科竞赛的研究实践，我们还有以下两点思考：

（1）适当学习先修课程是做好学科竞赛的关键一环。目前，不少高中物理试题，由于片面追求试题的选拔功能而一味地加大难度，在一定程度上偏离了物理学的本质规律和内容[ 3 ]。例如近年一些带电粒子在电场、磁场中运动的试题不断出现，题目难度并不是难在物理的核心内容上[ 3 ]，而是难在求粒子运动轨迹的曲率半径或椭圆轨道参量等一些繁杂数学运算上。可见，在高中学段，特别是高中物理竞赛当中，可以适当引导学生学习一些高等数学方法和大学物理的基础知识。实践证明这样做，一是在学科核心素养的科学思维、科学探究维度上，可以拓宽学生的学科视野，提升思考问题的站位高度，利用更先进的物理思想方法去解决问题;二是在物理观念、科学态度与责任维度上，可以简化复杂物理问题的繁杂计算，甚至处理一些初等数学无法解决的问题，给学生的思想观念以学科智慧的启迪。

（2）需要不断加强竞赛教练队伍的专业化建设。在几十年的学科竞赛辅导工作中，我校虽然取得了一些成绩，但也存在一些不足和困难：在全国决赛中取得一流成绩入选国家集训队的人数总体较少，竞赛有大、小年份的差异，并且竞赛成绩学科间也不够平衡。究其原因，一是竞赛辅导教师队伍的建设存在困难，优秀辅导团队的传帮带不够，导致辅导教师的梯队建设困难重重;二是师生的学科竞赛培训以及竞赛辅导团队的建设缺少资金，与外界交流联系获取信息还不够。为此，我们正在对上述问题作进一步探索，除教师在业务上刻苦钻研外，还要加強学科间的横向交流以及向竞赛先进学校学习，加强竞赛的理论与实验教学，改善实验室设备，进一步为拔尖学生的培养创造良好的学习环境。

参考文献：

[1] 廖伯琴.普通高中物理课程标准（2017年版）解读[M].北京：高等教育出版社，2018：50-58.

[2] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S] .北京：人民教育出版社，2018.

[3] 钱振华，徐在新.先修物理课程学什么？——美国AP物理介绍之二[J].物理教学，2013（12）：18.