物理學科競賽實驗部分自主學習策略研究

劉蘭強

摘 ?要：物理學科競賽是學生在高中階段可以參加的比賽，它是由中國物理學會主辦，各省自愿組織參加的群眾性比賽活動，分理論考核與實驗考核兩個部分，通過初賽以后，在復賽和決賽中才有實驗部分的考核。該文專門針對物理學科競賽的實驗部分，對競賽規則、注意問題、培養和鍛煉學生自主實驗能力的策略方法等方面做了深入的研究與介紹。

關鍵詞：物理學科競賽 ?自主學習 ?實驗能力

中圖分類號：G640 ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）12（c）-0171-02

物理學和化學一樣，是一門依托于實驗和實踐的科學，物理實驗能力的高低，從一定程度上體現了物理水平的高低，因此物理學科競賽對實驗部分也非常重視，在復賽和決賽中的比重通常達30%以上。學科競賽對于增強學科綜合能力大有裨益，如果在學科競賽中獲得省級以上獎勵，則具備了參加高校自主招生的資格，將會成為諸多985高校自主招生所爭搶的對象。所以，高中學生在學有余力的情況下，參加物理學科競賽，并力爭在競賽中取得優異成績，對其參加高校自主招生及未來的高考都會帶來巨大的幫助。物理學科競賽的難度很高，一般遠遠超過高考物理的難度，實驗部分也是一樣，它是高中基礎物理實驗的升華，并且因為它是一項課外學科競賽，其學習與實驗操作練習多是利用課余時間進行，故而，培訓學生自主學習、自主訓練就顯得尤為非常重要。通過最近幾年給物理競賽實驗部分的考前輔導與監考實踐，筆者逐步摸索出指導學生自主學習來提高物理實驗綜合能力的手段和方法。現將之匯總如下。

1 ?了解競賽規則

全國中學生物理競賽（CPHO）的實驗部分是在預賽通過后的復賽中進行的，實驗考試時間為3h，滿分40分，就是給條件做實驗，一般在大學實驗室進行，一對一監考，每一個操縱動作都有分，如果某一步不會做，可以請求監考老師給予提示卡，并扣除此步驟分數，你還可以根據提示繼續做，后面的步驟仍然有分數。例如，有一年的考題是一個光學題，給了2片刀片，一根蠟燭，一包火柴，一塊玻璃，小燈，讓做雙縫干涉實驗。此實驗之難處就是想出制作雙縫方法，即用蠟燭把玻璃熏黑，然后用2片刀片并攏，在熏黑的部分畫線，就有了雙縫……讓學生通過參看相關競賽輔導書籍，了解競賽規則，是學生自主學習和備戰物理學科競賽的第一步。

2 ?熟練掌握高中階段的每一個實驗

高中物理競賽一共涉及高中階段的19個基礎實驗，每年考題均不同，所以，誰都無法預測下一年的考試內容，考生必須對每個基礎實驗都要準備，達到實驗原理爛熟于心，實驗步驟了如指掌，實驗器材的運用得心應手，不放過任何一個細節。要做到這些，需要對相關物理知識和原理有透徹的理解，需要自己泡實驗室，需要自己多次重復的做同一個實驗，揣摩實驗要領。例如，“利用單擺測量當地的重力加速度”的實驗，筆者安排在一個周末的下午進行。其實驗原理是單擺在偏角很小時，可近似認為是簡諧振動，其振動固有周期T=2π，從而得到g=4π2l/T2。據此，通過實驗方法測出擺長l和周期T，即可計算得到重力加速度g。這個實驗的原理并不難，難的是對實驗細節的把握，是對實驗器材的運用，是如何運用實驗數據準確地繪制出實驗圖像，即T2-l的圖像，它是以T2為縱軸，以l為橫軸繪制出的一條直線，在圖上得到直線的斜率即為4π2/g，從而求出重力加速度g。這個實驗學生自己去做，因為擺動角度不能超過10°，擺球在最低位置時開始計時，擺球通過最低點時計數，要觀測至少30次以上的振動周期，所以實際操作起來很容易出錯，只有幾個學生做了1h以后，才陸續繪出理想的實驗圖像，大部分學生用的時間更長。可見，必須重視基本功的訓練，熟能生巧，通過多次重復練習，提升基本實驗操作能力，為物理學科競賽實戰打下堅實的基礎。

3 ?通過開放實驗室自行加練課外實驗，進一步提升實驗操作水平

高一階段，學生理論水平有限，可以通過擇優方法，讓學習成績較好、學習主動性強且學有余力的學生，在老師的指導下，利用課外時間自己到開放的實驗室進行基礎物理實驗的學習與訓練。到了高二階段，除了熟練掌握高中階段規定的物理實驗以外，學生要參考歷年的物理競賽復賽和決賽部分的實驗試題，在事先不知道答案的基礎上，利用課余時間，自行到開放的實驗室去進行實驗訓練，實在進行不下去的時候可以詢問輔導老師或看一下實驗提示，根據提示再繼續進行，直到得出實驗結果，然后與標準答案相比，找出自己的差距，從而使實驗理論與實驗技能不斷得到提升。在摸索中鍛煉、在鍛煉中提升，這是學生自主提升實驗技能的必經之路。

4 ?鍛煉和培養發散思維與創新思維的能力，提高自主完成設計性實驗的能力

（1）高中物理學科競賽的實驗都是設計性很強、需要利用現有條件進行發散思維和創新思維來創才能完成的，是學生根據給出的實驗器材、實驗要求，分析實驗原理，打破常規實驗思路，創造性地完成實驗各個步驟，并根據實驗所得數據繪制出實驗表格或圖像，研究其中所隱含的規律，從而出實驗結論。其實這種學生自主完成的設計性實驗，已經超出了高中階段的雙基要求，是活化理論知識、提升實驗技能、考核學生綜合素質的有效手段。

（2）學生可以通過以下幾個辦法來鍛煉與培養完成設計性實驗的能力。

①自己閱讀教材和相關書籍資料，通過分析其中的著名實驗，去思考和體驗先知們的探索經歷，與自己的思維與設想相比較，挖掘出它們設計思想之精髓。

②自己以已經學習和掌握的知識為基礎，分析高中階段大綱上的必考實驗，通過組合、變換、創新，探索新的、獨特的實驗方法與原理。

③通過老師的啟發性提示或暗示，開啟思路、拓寬思維寬度，自己去完善、補充、提煉出新的實驗方法，完成系統的實驗過程，并不斷地進行總結歸納，使得創新性思維形成一種習慣。

5 ?在老師的指導下，創設物理競賽的實驗環境，讓學生進行競賽實驗模擬，鍛煉心理素質和應變能力

（1）在物理學科競賽復賽和決賽階段的物理實驗考核，都是在大學的物理實驗室進行，由大學監考老師一對一監控，整個考試過程中老師都在學生旁邊，不僅負責記錄學生的實驗動作和實驗步驟，還要對學生實驗步驟和實驗操作的合理性現場做出判斷，這樣一來，學生思想壓力會非常之大。所以，學生心理素質和應變能力的鍛煉與培養就顯得尤為重要，而這些能力的培養，最直接最有效的方法就是給學生創設競賽環境，讓學生獨立完成模擬實驗。

（2）比如第21屆全國中學生奧林匹克物理競賽復賽部分的光學實驗試題，“測量金屬絲的直徑”，給出儀器與用具是：未知波長的激光器、凸透鏡、待測金屬絲、物屏、像屏CD光盤、米尺、三角板、支架若干、金屬夾等。實驗內容：①測量激光器的波長;②測量待測金屬絲的直徑。實驗要求：①己設計實驗方法，根據需要從以上儀器與用具中選擇合適的器材，采取適當方法和措施，盡量準確地測量。②畫出測量光路圖，準確地反映出各器件間的位置、角度等關系，在圖中注明各量。③簡述為提高測量準確性所采取的方法和措施。④完整記錄測量數據，寫出計算公式，計算結果。實驗說明：①待測金屬絲已裝在物屏的中心孔處。②CD光盤表面是一些在光滑平面上連續不斷的“坑點”同心圓軌跡，其密度為625條/mm。該題標準答案的實驗步驟為：①入射光應采取垂直照射。可以用光線是否沿原路返回來判斷是否垂直照射。②為避免入射光不垂直照射而造成正、負級譜線關于零級譜不對稱，只測量一側譜線造成衍射角測量誤差，應測量正、負1級譜線間總夾角，除以2后得到垂直入射時的衍射角。③應盡量使屏與光盤平行，并與入射光垂直。可用測量不同位置光盤與屏間的距離是否相等來判斷。④為準確測量衍射光斑位置，可在光源后加凸透鏡，將光斑匯聚成較小的光點。⑤多次測量。

（3）從以上考題看出，分析實驗原理，得出實驗數據很重要，但是寫出完整的實驗步驟、計算方法、繪制必要的數據圖表，也同樣重要，考核中實驗細節處理通常都細化到每步1～2分。而所有這些都需要在規定時間內并在老師的監督下獨立完成。所以，為學生創設標準競賽環境，讓學生獨立完成競賽模擬，是學生參加學科競賽前必須經歷的最后磨練。

學生自主實驗能力的提升是一個漫長的過程，需要從高一開始，有計劃、有步驟、循序漸進地進行培養和鍛煉。學生要在老師的指導下自己制定出一套完整的自主學習與訓練計劃，有效地利用各種資源，在不同的學習階段均進行有針對性的訓練，使自己的基本操作能力、分析解決問題能力、創造性設計實驗能力等都得到穩步提升，從物理學科競賽中脫穎而出。

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