高中物理竞赛学生问题解决能力的培养

张新华

1 问题的提出

物理学家王淦昌认为：“物理学既是一门重要的基础理论学科，又是一门具有广泛实际应用的科学。21世纪国与国之间的竞争，实质上就是高科技的竞争、人才的竞争，而下一世纪大量优秀的科学技术人才将来源于今日的中学生。因此，在中学生中大力发现和培养英才学生，实在是一项非常重要的任务。”而“全国中学生物理竞赛是在中国科协领导下，由中国物理学会主办，各省、自治区、直辖市自愿参加的群众性的课外学科竞赛活动”。“竞赛的目的是促使中学生提高学习物理的主动性和兴趣，改进学习方法，增强学习能力；帮助学校开展多样化的物理课外活动，活跃学习空气；发现具有突出才能的青少年，以便更好地对他们进行培养”。因此，在按照教学计划正常完成课堂教学任务的基础上，鼓励并组织学有余力的学生参加物理竞赛活动，对于激发学生学习物理的兴趣，开阔眼界，提高分析、解决问题的能力，培养学生良好的学习习惯是十分有益的。但是，由于物理“竞赛内容的深度和广度可以比中学物理教学大纲和教材有所提高及扩展”，竞赛所需的知识多，信息量大，领域宽广，所要解决的问题难度大，新颖性强。因此，如何提高高中物理竞赛学生的问题解决能力，就成为竞赛辅导工作者所面临的一个重要问题。

2 目标背景

近几年来关于问题解决的研究取得了重大进展，并从这些问题解决的研究中得到重要发现。1）问题表征是问题解决的关键，若问题有了正确的表征，可以说已解决了一半。2）梁宁建(1997年)进行的研究发现，专家和新手在解决问题时，对问题中的信息具有不同的编码和加工程序，专家能熟练地运用手段—目的分析策略，利用问题中的信息向前解；新手在解决问题时较多地进行盲目搜索，一般根据问题中的提问往回解。3）在问题解决策略的元认知研究中发现：在解决问题时，使用最多的是类推策略，最少的是自由产生策略(梁宁建，2001年)。问题解决的认知策略和解题规则的选择与掌握，对解决问题具有重要的影响作用，只有选对解题规则与解题认知策略才能解决问题。4）在问题难度对解决问题的影响研究中发现：问题中的未知参数越多，解题难度越大；当问题中的中间未知参数不予提示时，问题难度显著增加；问题中的参数排列方式越乱，问题难度越大；而对过去题目中某些特征的抽象与概括水平越高，解决问题的经验就越容易迁移，从而影响当前问题的难度，使问题解决的难度有所降低。5）随着心理对应图式在问题解决中的成功运用，越来越多的心理对应图式将会得到储存，对问题解决将日益发挥促进作用。6）刘电芝从解题思维策略训练方面来提高小学生解题能力，结果表明：策略训练中受益最大的是中等生，优等生次之，而差生几乎不受益。

根据已有的文献资料表明，问题解决的研究大多是以物理学和数学科目为研究对象，并以在学的中学生或大学生为测试对象，分析和研究他们在问题解决过程中，问题解决规则掌握的发展水平和影响问题解决规则的各种因素。但是将这些研究成果用于指导教学实践，特别是指导高中物理竞赛学生问题解决能力的提高未有实验研究。由于高中物理竞赛难度大、内容深、时间短，因此，高中物理竞赛学生问题解决能力提高的研究有着重要的意义。

3 经验总结

3.1 各种能力训练对高中学生物理问题解决能力的影响通过对高中物理竞赛学生进行专门的、系统的模型思维能力和解题技巧与方法的训练、实验设计及操作能力的训练、自学能力的培养，能迅速提高竞赛学生的建模能力、实验设计能力和综合分析能力，并最终提高竞赛学生的物理问题解决能力。

那么所采取的各种能力训练是否可以应用或推广到其他或大多数学生身上？在辅导竞赛的过程中，笔者也曾把这些方法在课堂教学和课外辅导中应用到其他学生身上，做了定性的研究，并在实践中有以下发现。

1）模型思维的渗透对于各个层次的学生都是适用的，但不同层次的学生接受能力有所不同，基础较差的学生对于过程较为复杂、模型较为抽象的问题接受较慢，对于这些学生必须从基础知识抓起。

2）解题技巧与方法的训练对于优秀学生和部分中等层次的学生有着明显的效果，而对于部分中等学生和基础较差的学生，效果不显著。因为解题技巧与方法的应用本身要求学生的思维有较大的灵活性，而基础差的学生，由于知识的欠缺其思维的灵活性较差，通常表现为能听懂，但不会应用。

3）在实验方面，由于实验对学生的综合能力要求较高，对于一些较为简单、难度不大的课外小实验等，大多数学生表现出较大的兴趣，然而对于那些高难度、过程复杂的设计性实验，中差层次的学生明显地表现出由于能力不足而出现中途放弃的现象，高难度的实验训练反而会增加他们的负担，产生一些负效应。

4）自学能力的培养对于各个层次的学生始终是最有效的培养方法，特别是对于一些基础较差的学生，这些学生之所以物理成绩差，其中有一大部分学生是由于对物理缺乏兴趣。笔者通过几次的集体自学，给这些基础较差的学生大量的物理杂志、物理材料阅读，随着知识的拓宽，这些基础较差的学生对物理的兴趣明显地提高了，虽然他们的学习成绩在短期内无法取得较大进步，但他们学习物理的积极性明显地增强了，这说明对于基础较差的学生，激发他们的学习兴趣是最关键的。

3.2 数理基础对高中物理竞赛学生问题解决能力的影响教学实验效果还表明，不管是对不同班级同一水平学生的差异进行检验，还是对同一班级不同水平学生之间的差异进行检验，数理基础较好的高分组学生的效果都比中分组学生的效果更为显著，这说明数理基础对高中物理竞赛学生问题解决能力的提高有着重要的积极的影响。

1）由于物理竞赛的内容、难度、强度都远远超过普通物理教学所规定的范围，物理竞赛辅导不同于普通的物理教学(物理竞赛以“选拔”少数尖子生为主要目的，普通物理教学以培养大多数学生为主要目的)，大多数教师都采用层层拔高的辅导方法，随着辅导的进展，辅导的难度也会越来越大，在这个难度小于中等学生的接受能力时，他们的进步也会很大，一旦这个难度超过他们的接受能力时，他们就表现出稳定状态。本实验所进行的各项辅导和训练，也是采取这种层层拔高的方法，随着难度的加大，部分中等生和部分毅志力较弱的学生，开始出现动摇的心理(有的甚至选择放弃)。而对于大部分高分组的学生，由于他们有良好的数理基础、认知能力及综合分析能力，通过这些训练可使他们所学的知识得到迅速的升华、能力得到迅速的发展，最终导致学生问题解决能力的极大提高。

2）在历届物理竞赛中，大多试题的计算过程都较为复杂，要求学生有较高的数学运算能力，多数辅导过竞赛的教师都有深刻的体会：物理竞赛中，只有一半是考物理，另一半是考数学。通过模型思维能力和解题技巧与方法的训练，虽然能提高竞赛学生的建模能力，但物理模型的建立离不开一定的数学能力和较成熟的思维方式。

3.3 开展物理竞赛活动中应注意的问题

1）注意激发学生的兴趣，铸造学生坚韧的意志品质。物理竞赛由于它的大运动量，高难度与高强度，注定了它不仅是智力的比赛，更是意志与毅力的考验。一个较难问题的解决往往需要筛选各种模型，讨论不同情况，充分运用数学技巧与近似手段，费时很多，解题篇幅冗长，竞赛者若没有顽强的毅力，没有坚持到底的勇气，没有坚决克服困难的意志是很难取得好成绩的。在指导竞赛中，通过观察、提问、测试等手段发现每个学生的思维薄弱点，并明确告知学生，以引起他们的重视。同时，把一些竞赛问题分门别类，找出它们对思维要求的侧重点，有针对性、有步骤、有计划地训练学生的思维品质。由于竞赛问题容量大、难度深，对思维的深刻性、独创性、灵活性、批判性要求特别高，很适合于对优秀学生思维品质的培养。

2）注意正确对待竞赛结果。学校和教师要用素质教育的眼光正确看待竞赛结果，应仅仅把取得竞赛好成绩看作是培养优秀学生所设定的一个阶段性的子目标。只有这样，教师才能把更多的关注投入到竞赛指导过程中的素质教育因素，才能在辅导中摒弃“题海战术”等应试手段，才能充分体验物理竞赛的素质教育价值。

3）正确处理普及与提高的关系。为使大多数参加物理竞赛活动的学生真正能够从中受益，应该处理好竞赛及竞赛辅导工作中普及与提高的关系。中学生随年龄的增长，知识的积累，其认知能力及综合分析能力也在不断提高。在开展物理竞赛活动中，遵循学生智力、能力发展规律，分阶段、分层次对学生进行辅导和培养。

4）注意正确处理学习物理与解物理题的关系。解物理习题是学生学习物理过程中一个重要的环节，它对于学生深入理解所学的物理知识，培养分析、解决问题的能力是必不可少的。解物理习题本身并不是科学研究，但在解题过程中对题目的分析、表达、推导运算以及通过解题结果对问题的再认识，对于学生良好的学习习惯和研究能力的培养却有重要的作用。

5）注意学生物理学科和其他学科均衡发展。高中物理竞赛考的不仅只有物理知识，还有其他学科的知识，特别是数学知识，是一种综合能力的考试，学生综合能力的高低直接影响着物理竞赛的成绩。因此，这些参赛学生不能只学物理而不学其他学科的知识，也不能认为物理已经够好了，就不用再花时间、花精力去学、去钻研了，要让这些学生在各个学科都得到均衡的发展。

本研究以现代教学理论为基础，以培养高中物理竞赛学生问题解决能力为目的，针对物理学科、物理竞赛和参加物理竞赛学生的特点，提出培养高中物理竞赛学生问题解决能力的重要策略—模型思维能力和解题技巧与方法的训练、实验设计与操作能力的训练、自学能力的培养。据此，自编训练教程，对数理基础不同的学生进行实验，并对研究结果进行差异显著性检验。研究结果表明，本研究所提出的各种训练方法能有效提高数理基础不同的竞赛学生的问题解决能力，但由于高中物理竞赛所要解决的问题属于高难度的问题，通常需要复杂的数学运算，因而这些训练对于数理基础较好的高学习能力的学生效果更为显著。另外，从研究中也发现：教师只有很好地掌握物理竞赛的“问题结构”，才能够有的放矢地进行辅导。