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对当前物理教学改革的几点看法
对当前物理教学改革的几点看法
——在中国物理学会教学委员会第七届第一次全体(扩大)会议上的报告
(1999年11月6日)
赵凯华(北京大学物理系,北京100871)
摘 要:
就当前物理教学改革中的几个问题发表自己的看法
围绕物理课程改革,中国物理学会前两届教学委员会曾举办过一系列研讨会。
第一次1992年11月在重庆,主题是基础物理教学的现代化问题;第二次1995年4月在合肥,主题是物理教育与科学素质培养。
后来,1997年在无锡、1998年在南昌,又举办过两次会议,物理教学的改革一步步地深化。
新情况下有新问题,下面仅就我近来想到的、听到的,和被问到的问题,发表一些个人看法。
1、基本功的训练永远不可少
我们曾多次引用杨振宁先生的观点:
中美传统教育方法的区别之一是中国教育按部就班、严谨认真,而美国的教育是渗透式的,允许跳跃。
物理学是一门严谨的科学,基本观念、基本原理和基本技能等基本功的训练,永远是物理课程的核心,也是我国物理教学的优良传统,舍此谈不上什么科学素质教育。
在我国传统的物理教学中适当地引进渗透式教学方法,作一定程度的跳跃,可使学生不过分地依赖教师,有利于激发他们的独立思考和创新精神。
我们赞同杨先生的看法:
中美双方教育传统的长短是互补的,若能将二者和谐地统一起来,在教育上就是一个有意义的突破。
然而,对我国物理教育传统进行伤筋动骨的手术,必须慎重。
2、内容现代化不能只是新闻报道
20世纪科学突飞猛进,新技术层出不穷,令人目不暇接,眼花缭乱。
物理教学要富有时代感,但不能流于新闻式的报道,而应讲出其中的物理内涵。
近代物理的理论基础是相对论和量子力学,物理课中介绍现代科技成果时,应突出它们的近代物理原理。
3、学教育不能“软化”
自然科学都是严谨的“硬科学”,物理学尤其如此。
对青少年进行硬科学教育,对他们科学素质的培养,是必不可少的。
对于一个社会来说,普通国民受到扎实的硬科学教育,且不说对提高生产率和发展经济有利,对各种迷信和邪教的抵御能力也会大大增强。
今年8月在桂林召开的“99国际物理教师学术交流大会”上日本代表汇报了日本文部省(即教育部)的决定,将中学的物理、化学、生物、地学等科目合并为一门“综合理科”课,总课时大幅度地压缩,因而课程内容也大幅度地删减。
例如,物理课程大纲中只保留了“能量”的概念,将“功”和“功率”砍掉。
会上,各国代表听了为之一震。
欧洲物理学会代表说,这种将科学教育“软化”的趋势在世界上有一定的普遍性,其实质是使国民教育廉价化。
4、如何看“综合”
据说“综合”有利于培养学生的创新能力。
不错,现代的自然科学(物理学、化学、生物学、天文学、地质学、地理学)是从古希腊的自然哲学分化出来的,当前又呈现出综合起来的趋势。
当初的分化标志着认识的深化,现在的综合标志着认识的进一步深化,即所谓认识的螺旋式上升。
目前许多综合性的学科,如材料科学、环境科学、分子生物学等,培养人才的一般模式,是本科仍按传统学科分科培养,在研究生阶段进行综合。
这是有道理的,否则在低层次上“综合”,会造就出一批“万金油”式的毕业生,他们什么都知道一点,但哪门也不精通。
这样的人在综合性学科的攻坚战中很难动“真格”的。
其实一门精通,才能触类旁通。
5、要不要“破体系”
有人说:
生物课过去的体系是“门、纲、目、科、属”,现在改为“器官、细胞、蛋白质、DNA”体系大变;而物理课的体系过去是“力、热、电、光、原子”,现在仍是“力、热、电、光、原子”,体系该破了。
我们认为,“体系”是形式,形式应服从内容。
教学改革应以课程内容的改革为核心,“体系”破不破,是教学内容改革的结果,“破体系”不能作为教学改革的目标和出发点。
“大跃进”、“文化革命”、时代的教训,我们这一代人记忆犹新。
6、“还原论”还是“层次论”
物理学是追求“统一”的,物质的四种相互作用中电、弱统一了,高能物理学家们正在追求“大统一”,终极目标是包罗万象的TOE(TheoryofEverything),真到那个时候,是否我们什么其它问题都不必研究了?
实际上,物质结构是有层次的,上面一个层次物质运动的规律往往与底层脱钩,例如物质的夸克结构并不反映到凝聚态或化学的层面上来。
在物理教学中,四种相互作用、物质与运动、对称性与守恒定律等高层次的思想概括,不能代替各分支学科具体原理的讲授。
也许为哲学系学生开设的物理课的例外。
从物理学的地位和作用看对中学物理教师的要求
赵凯华 北京大学物理系北京100871
摘 要:
物理学是一项国际事业,它对人类未来的进步起着关键的作用。
在中学的各门课程中,物理课在提高学生的科学素质方面起着无可替代的作用。
本文从物理学的重要作用出发阐述了对中学物理教师的要求。
国际纯粹物理和应用物理联合会第23届代表大会(1999美国亚特兰大市)通过决议,呼吁社会正视物理学的重要性。
对物理学的作用,大会的口号是“探索自然,驱动技术,拯救生命”。
决议指出:
“物理学——研究物质、能量和它们相互作用的学科——是一项国际事业,它对人类未来的进步起着关键的作用。
对物理教育的支持和研究,对所有国家都是重要的。
”
中等教育阶段,是一个人从少年步入青年的时期,是身心成长趋于成型的时期,是在知识上和能力上为今后的工作和学习打基础、作准备的时期,有着特殊的重要意义。
在中学的各门课程中,物理课在提高学生的科学素质方面起着无可替代的作用。
对于这个问题,我想从20世纪科技发展大的背景谈起。
1、物理学推动了20世纪科学技术的高速发展
20世纪,是科学技术空前高速发展的世纪。
在此世纪内,人类社会在科技进步上经历了一个又一个划时代的变革。
这个世纪之初,无论在动力和信息交流方面,人类社会就全面地进入了“电气化时代”。
这是19世纪安培、法拉第、麦克斯韦等一批物理学家和爱迪生等发明家努力的结果。
从上个世纪之交放射性的发现,经过近半个世纪原子物理、核物理的研究,40年代物理学使人类掌握了核能的奥秘,把人类社会带进了“原子时代”。
今天核技术的应用远不止于为社会提供长久可靠的能源,放射性与核磁共振在医学上的诊断与治疗作用,已为人所共知。
这个成果是和卢瑟福、玻尔、爱因斯坦、居里夫人和她的女婿和女儿约里奥-居里夫妇、海森伯、费米、哈恩等一大串光辉的名字分不开的。
到了50、60年代,物理学家又发明了激光,它的理论基础是爱因斯坦1916年提出的光的受激发射过程。
今天激光技术已广泛应于尖端科学研究、工业、农业、医学、通讯、计算、军事和日常生活,成为几十亿、上百亿的巨大产业。
20世纪科学技术给人类社会带来的最大的冲击,莫过于以现代计算机为基础发展起来的信息技术。
号称“信息时代”的到来被誉为“第二次产业革命”。
的确,计算机给人类社会带来如此广泛而深刻的变化,是二三十年前任何有远见的科学家都不可能预见到的。
现代计算机的硬件核心是半导体集成电路,PN结是基础。
半个多世纪前,巴丁、肖克莱、布赖顿等三位物理学家发明了晶体管,标志着信息时代的诞生。
从我们物理学家的眼光看来,这个婴儿在娘胎里至少孕育了20年。
这就是说,20年代建立量子力学之后,物理学家发展了费米-狄拉克统计、能带论,从此有了电子和空穴的概念。
尔后用掺杂的办法产生了N型和P型的半导体,这才为晶体管的发明打下基础。
以上成果又是和一连串物理学家光辉的名字——薛定谔、海森伯、狄拉克、泡利、布洛赫、索末菲等联系在一起的。
自从40年代末晶体管问世以来,60年代制成了集成电路,从70年代后期起,发展成为大规模集成电路,而后是超大规模集成电路,集成度以每10年1000倍的速度增长着。
在有的人看来,物理学对高技术的贡献属于过去,今天我国发展高技术的关键在于新材料、新工艺。
殊不知,微电子加工和分析手段本身,如离子注入、激光退火、卢瑟福背散射谱、俄歇电子谱、X射线发光光谱、二次发射离子质谱,以及高分辨的电子刻蚀、同步辐射光刻,哪一样不是从物理学各分支的实验室里移植到工业上去的!
现在教育界大谈素质教育和培养学生的创新精神,我想,20世纪高科技发展的事实证明,重大的创造来源于新的物理思想,否则只是“小打小闹”,成不了大气候。
2、物理学和其它自然科学的关系
谈了物理学对高技术的推动之后,我们再谈谈物理学和其它自然科学的关系。
物理学和天文学由来已久的血缘关系,是有目共睹的。
当今物理学的研究领域里有两个尖端,一个是高能或粒子物理,另一个是天体物理。
前者在最小的尺度上探索物质更深层次的结构,后者在最大的尺度上追寻宇宙的演化和起源。
可是近几十年的进展表明,这两个极端竟奇妙地衔接在一起,成为一对密不可分的姊妹学科。
物理学和化学从来就是并肩前进的。
自从伽利略、牛顿以来,物理学与天文学已是精密的理论科学,然而长期以来,包括化学在内的其它自然科学却一直是经验性科学。
1998年的诺贝尔化学奖颁给了W.Kohn和J.A.Pople,以表彰他们在量子化学方面所做的开创性贡献。
颁奖的公报说,量子化学将化学带入一个新的时代,化学不再是纯实验科学了。
化学是研究分子的学科。
此前,如果说物理化学还是物理学和化学在较唯象层次上的结合,则量子化学已深入到化学现象的微观机理。
近年来,量子化学、激光化学、分子反应动力学、固体表面催化和功能材料等物理学与化学间的交叉学科,取得了长足的进展,今后两学科之间的合作将更为兴旺发达。
物理学研究的是物质世界普遍而基本的规律,这些规律对有机界和无机界同样适用。
物理学构成所有自然科学的理论基础,其中包括生物学在内。
物理学和生物学的相互渗透,前途是不可估量的。
早在40年代,量子力学的创始人之一薛定谔在《生命是什么?
》一书里预言:
“生命的物质载体是非周期性晶体,遗传基因分子正是这种有大量原子秩序井然地结合起来的非周期性晶体;这种非周期性晶体的结构,可以有无限可能的排列,不同样式的排列相当于遗传的微型密码;……”他所说的这种“非周期性晶体”,就是存在于细胞核染色体中的DNA分子。
1953年沃森(J.D.Watson,年青的细菌遗传学博士)和克里克(F.H.C.Crick,一位二战前受过传统物理学训练的人,战后转为生物物理学研究生)共同发现DNA分子的双螺旋结构。
核物理学家伽莫夫(G.Gamow,大爆炸宇宙论的创始人)用信息论的方法推测,DNA的遗传密码中,每个“单词”都是用三个“字母”组成的。
这些推测相继得到实验证实,20世纪60年代三联密码逐一被破译。
薛定谔在《生命是什么?
》一书中还有另一段名言:
“生命之所以能存在,就在于从环境中不断得到‘负熵’”。
作者还说:
“有机体是依赖负熵为生的”。
这就是生命的热力学基础。
60年代比利时科学家普里高津(I.Prigogine)的耗散结构理论,证实了薛定谔的预言。
当前生命科学中分子生物学、量子生物学、遗传信息学、蛋白质结构等新兴学科的研究正方兴未艾。
人们说21世纪是生命科学的世纪,一位物理学家则说,21世纪是物理科学全面介入生命科学的世纪。
1997年诺贝尔经济学奖授予的项目,是一个对全球金融产生巨大影响的期权定价模型—BlackScholes公式。
公式的主要创建人F.S.Black的学历背景如下:
1959年毕业于哈佛大学物理系,1964年获该校应用数学系博士,1971年任芝加哥大学经济系教授。
可惜他于1995年去世,未能享受诺贝尔奖的殊荣。
当前出身数理的人跻身于经济学界的大有人在。
翻阅一下现在物理学的许多重要期刊,或看看许多国际物理学术会议的日程,就会发现,诸如蛋白质折叠、免疫网络、化学键断裂、水土流失、交通堵塞等,大量本不属于物理学内容的标题,赫然入目。
人们不禁要问:
“什么是物理学?
”的确,今天再从研究对象来回答这个问题已很困难。
我们的看法是,不管什么问题,当物理学家用物理学的方法去研究它时,就把它变成了物理问题。
物理学,是一门理论和实验高度结合的精确科学。
物理学中有一套最全面最有效的科学方法。
我们说,在对学生的科学素质教育中,物理课有着无可替代的重要作用,根据就在于此。
3、对中学物理教师的要求
我认为,作一名优秀的中学教师,除了良好的师德之外,最重要的是两条:
一是先进的教育思想,二是较高的学术水平。
3.1转变教育思想
先谈教育思想。
过去比较重视知识传授,现在提倡素质教育,其实两者不应是对立的。
学校的功能是传授知识,脱离了科学知识的背景,科学素质教育是空的。
在传授知识的同时,应注意培养学生的科学素质。
但绝不能把素质异化为知识,灌输给学生。
科学素质教育中很重要的一点,是培养学生的创新精神。
关于这个问题,我想借杨振宁先生的话来发挥。
下表是杨先生为中、美教育所作的比较:
中
美
严格、坚实的训练
不规范的训练
谦虚和循规蹈矩
自大并充满活力
小心谨慎、缺乏自信
勇敢、自信
兴趣集中于相对较窄的领域
随心涉足广阔领域、兴趣广泛
被动
主动进攻
上表中的词句是褒是贬,和我们中国教育的传统看法恐怕有些出入。
事物往往不那么绝对,说褒贬参半也许更为恰当,不过这里包含了中西教育思想上的重大差别。
杨先生认为:
“中国传统教育提倡按部就班的教学方法,认真的学习态度,这有利于学生打下扎实的基础,但相对来说,缺少创新意识;美国提倡‘渗透式’的教育方法,其特点是学生在学习的时候,对所学的内容往往还不太清楚,然而就在这过程中已经一点一滴地学到了许多东西,这是一种‘体会式’的学习方法,培养出来的学生有较强的独立思考和创造能力。
易于很快地进入科学发展的前沿,但不如前者具有扎实的根基。
中美两种教育方式各具特色,长短互补,若能将两者的优点和谐地统一起来,在教育方法上无疑是一个突破。
”
在我国,有一种普遍的提法:
作为一名好教师应当“课堂上解决问题”,把所教的内容都“讲深讲透”,不给学生课后留下疑难,让学生课后提不出问题。
所以我国的教师都习惯于把知识组织得井井有条,对课程内容的每个细节作详尽的解说,对学生可能发生的误解一一予以告诫。
我粗略地估计,同样的内容,在我国现在课上所用的学时,至少比西方多50~100%。
现代物理学中的新事物,怕不能讲透而引起麻烦的,在课堂上宁可只字不提。
这就是我国细嚼慢咽的讲授风格,封闭式的教学方法。
著名理论物理学家和物理教育家韦斯科夫(V.F.Weisskopf)说:
“科学不是死记硬背的知识、公式、名词。
科学是好奇,是不断发现事物和不断询问‘为什么,为什么它是这样的?
’科学的目的是发问,问如何和问为什么。
它主要是询问的过程,而不是知识的获得(很可惜多数人认为是后者,而且是这样教的)。
”所以好的老师不是讲得学生没问题可问,而是启发学生提出深刻的问题。
长期以来在我国有种提法,即“培养学生分析问题、解决问题的能力”。
我认为这个提法没有说到点子上。
“启发学生提出问题的能力”才是科学素质教育的关键。
伟大的科学家之所以伟大,往往就在这一条上。
有一次记者问玻尔:
“您可是那位知道科学中大部分问题答案的人?
”玻尔回答说:
“啊,不,不过也许我比别人多知道一点问题。
”
国际物理教育委员会前主席焦塞姆(L.E.Jossem)说:
“最好的老师,是让学生知道他们自己是自己最好的老师。
”亦即,老师的责任是教会学生自己去取得知识,老师教的目的是让学生以后不需要老师。
以上是我们教育思想最需要转变的方面。
教好物理学,关键是教思路,教方法,启发学生“勤于思考,悟物穷理”,自觉地努力锻炼自己自学的能力。
鼓励勤于思考,就要让学生对新的概念、定义、公式中的符号和公式本身的含义,用自己的语言陈述出来。
对于定理的证明、公式的推导,最好在了解了基本思路之后,让学生自己背着书本演算出来。
这样学生才能对它们成立的条件、关键的步骤、推演的技巧等有深刻的理解。
倡导悟物穷理,就要启发学生多向自己提问:
哪些是事实?
哪些是推论?
推论是怎样得来的?
我为什么相信它?
3.2提高学术水平
现在谈中学教师的学术水平问题。
在教学中提高学生的素质,需要老师有较高的素质。
提高教学水平的关键是师资的学术水平。
学术水平高,教学水平不一定高;但学术水平不高,教学水平最多达到一定程度就饱和了,不可能太高。
中学教师的学术水平怎样才算高?
至少应该是大学本科毕业。
师范还是理科?
我们的看法,师范物理系与理科物理系在学术水准上不应有区别。
如果说要体现师范性,那就是在基础物理方面对师范生的要求更高。
培养学生创新意识,更需要老师自己有过创新的经历。
从长远看,中学教师应达到硕士水平,我指的是物理学硕士,因为在研究生阶段才有真正从事创造性工作的经历。
现在许多中学为了对付高考,都在高中拿出一年的时间进行“题海操练”,学生没有心思顾及与高考无关的问题。
这种情况大大伤害了学生创造性的思维。
这是一个社会性问题,我们已有另文评论,不在此地多说。
正常的教育环境下,中学生思想应该很活跃,能给这样的学生有效的指导,对教师的要求是很高的。
就物理教师而言,真正理解中学物理的课程内容,要求对大学物理有较透澈的理解;能给学生一些启发,教师要对物理学和其它科学的当代发展比较熟悉。
为了提高中小学教师队伍整体素质,教育部提出中小学教师继续教育的规定。
《大学物理》本是针对大学物理教学的,从这个角度看,它正好能对中学物理教师的继续教育发挥自己的作用。
所以我们特开辟“中学物理教师继续教育”这一栏目,以便在这方面作出我们的贡献。
从中学生负担过重说起
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赵凯华(中国物理学会教学委员会主任,北京大学教授100871)
丛树桐(中国物理学会教学委员会副主任,北京大学教授100871)
贾起民(中国物理学会教学委员会副主任,复旦大学教授200433)
值此世纪之交,谁都承认,21世纪将是一个科技竞争更加激烈的世纪。
竞争靠科技,科技靠人才,人才靠教育。
把“科教兴国”定为我们的国策也有好几年了。
倡导科教兴国需要有投资,需要各级领导乃至全民认识科技的价值,需要有教育优先的意识。
这些问题无疑都是非常重要的,但本文不想涉及。
我们在此要谈的是另一个问题,此问题也严重地影响着科教兴国方针的贯彻。
我们指的是中学生沉重的负担问题。
中等教育阶段,特别是高中阶段,是一个人从少年步入青年的时期,是身心成长趋于成型的时期,是在知识上和能力上为今后的工作和学习打基础、作准备的时期。
这个时期正是青少年开始思维深化,独立思考,创造意识发展的阶段。
但目前我国高中教育存在的突出问题是,绝大部分学校累加起来约拿出1/3的时间(一整年),用题海战术组织学生对付高考。
把一部分水平较低的学生拉入苦诵强记、负担沉重、甚至令他们丧失学习信心的状态,又把一批优秀的学生引入索然寡味的重复做题中去,消磨了他们的精力、锐气和创造能力。
我国高中毕业生在全民中的比例已经是少得可怜了,他们都是科技队伍的后备军。
上述状况长此以往,我国人才素质的前景,实在令人堪忧。
下面谈谈我们对这个问题的一些看法。
学习是一种负担但不等于负担过重
学习要付出艰苦的劳动,才能有所收获。
从这种意义上讲,学习是一种负担。
然而负担与负担过重是两回事。
如果在学习过程中,学生有较充裕的自由支配时间,能根据自己的爱好进行思考、钻研,乃至能去做些小实验,搞些小发明。
这种学习是主动的,有兴味的,虽然在体力上负担也可能较重,但心情是轻松的,乃至是愉快的。
这不能叫做“学习负担过重”。
如果学校企图通过“大运动量”的方式训练学生“条件反射式”的解题本领,学生整天被学校布置的作业牵着鼻子走,一批又一批没完没了的习题,解题又没有研究思考的余地,只能盲目地追求答案,这是痛苦的学习,负担过重的学习。
令人遗憾的是,这种现象在全国相当普遍。
有考试必有应试但不等于就要搞应试教育
考试有很多种,其中有的是检查效果的考试,有的是选拔考试。
检查学生学习效果的考试是一种必要的教学手段,没有检查的教学是一种没有质量的教学。
但考试决不是教学的目的,教学不能以教学生怎样对付考试为目的。
选拔考试则应服从选拔的水平及比例,有区分度是第一位的。
中学各校生源和办学条件差别极大,不能将选拔考试混同于评价某老师或某学校教学效果的检查考试。
不管哪类考试,有考试必有应试。
复习功课准备应试是学生自己的事,不应该由学校来操办、甚至包办。
说到“应试教育”,那么,那种历历在目,几乎无所不在的“教考”代替“教学”,就是一种最典型的“应试教育”。
本文下面提到的“应试教育”,就是针对这种实际状况而言的。
举行摸底考、模拟考,乃至有“一模、二模、三模”等,考完后进行成绩统计排队。
总之,组织和领导“应试”,检查和督促“应试”,总结和评比“应试”,已成为许多教育管理部门的主要工作。
这正是应试教育普遍通行的、已规范化了的组织形式。
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如果应试补习是一种市场需求,学生或他们的家长自愿出钱去上什么补习班、托福班,危害还不那么大;但国家的正规教育竟形成了这样有规模有组织地应试教育化,后果就严重了。
学习负担过重是怎样造成的?
学生学习负担过重,是多年来我国中学教育的一个受到各方面严重关切的问题。
在我国高中三年内,多数学校真正用于课本教学的只有两年,第三年完全用于应付高考复习。
即使在前两年中,课上花在讲课本内容的时间也较少,不少学校大部分时间讲如何解题。
在高中三年中,每门课会考,其它课皆要让路,以便进行题海操练和模拟考。
有的地方在一门课刚开始就把难题布置给学生,名曰“瞄准高考,一步到位”。
教学要从学生的实际出发,要因材施教,这是教育界无论哪个学派都同意的原则。
我国目前的情况是,各中学无论在办学条件上,或生源水平上,都存在着巨大的差别。
在相当大一批学校中,需要老师从学生的实际出发,经过耐心的教导,才能使他们达到教学大纲规定的最低要求。
可是有的地方为了追求升学率,迫使一些学校和老师不顾本校的生源情况,一律按高考试题去要求全体学生。
高考是选拔考试,其试题中必需包括一些只有思考能力较强的学生才做得出的题目。
用这些试题去要求所有学生,必然造成很大一部分学生负担过重。
再有一个造成全体学生都负担过重的做法就是所谓“题海战术”。
就物理课来说,学物理,当然应该,而且必需做一些习题,尤其在中学阶段。
做习题可以使学生加深对理论的理解,提高他们分析问题和理论联系实际的能力。
如果解题是独立而主动的,经过自己的深入思考、多维联想,学生就可能在物理观念和物理思想上有些较深刻的体会,发展自己的想象力、洞察力和创造性。
然而题海战术则不这样,它是要学生化大量时间,甚至牺牲理论学习和观察、实验的时间,翻来复去地做许多基本上是重复性的习题,生怕有一点遗漏,将来高考题未落在学生做过的“题海”之内。
训练的方法则是要学生领会老师总结出来的所谓“解题方法”、“解题程序”,和所谓“解题技巧”、“解题窍门”。
结果,学生脑海中充斥了这些东西,无暇通过独立思考去获得自己的观点、思想和能力。
高考是从选拔的需要出发,要把学生在能力方面的差别区分出来。
高考需要考查学生在举一反三、灵活应用等方面的能力。
可是应试教育者经过研究,把从“一”可能反出的“三”统统变成了“一”,再用甲、乙、丙、丁的考题“分类学”,分门别类地配上诀窍,然后一股脑地灌输给学生。
之后还要用一年左右的时间进行大运动量的操练,以期学生应试时能不加思索、条件反射式地答出考卷。
高考总要有一点能考查学生真实能力的题目,当这类所谓“新题”一出现,应试教育者就一而十、十而百地“克隆”出新考题“品种
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