依托JSYPT培養(yǎng)高中生物理創(chuàng)新能力初探

張一馳

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院,江蘇　南京　210097)

·學(xué)生園地·

依托JSYPT培養(yǎng)高中生物理創(chuàng)新能力初探

張一馳

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院,江蘇南京210097)

摘要：本文在介紹江蘇省青年物理學(xué)家辯論賽(JSYPT)的起源和概況基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)比賽賽題特點(diǎn)和賽制評(píng)價(jià)機(jī)制的分析，探討了JSYPT對(duì)高中生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要作用，對(duì)依托JSYPT提高學(xué)生創(chuàng)新能力提出了建議.

關(guān)鍵詞：IYPT;JSYPT;創(chuàng)新能力

1從IYPT到JSYPT

當(dāng)今國(guó)際上面向中學(xué)生的物理競(jìng)賽主要有兩類(lèi)，它們分別是國(guó)際物理奧林匹克競(jìng)賽(International Physics Olympiad，簡(jiǎn)稱(chēng)IPhO)和國(guó)際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽(International Young Physicists’ Tournament，簡(jiǎn)稱(chēng)IYPT).IPhO引入中國(guó)的時(shí)間早，中學(xué)師生對(duì)此較為熟悉，而對(duì)IYPT大家不甚了解.IYPT作當(dāng)今國(guó)際上最有影響力的年度物理學(xué)競(jìng)賽之一，在競(jìng)賽理念和模式上與IPhO有所區(qū)別，這是一項(xiàng)由中學(xué)生參與、以團(tuán)隊(duì)對(duì)抗為形式的物理競(jìng)賽.它以培養(yǎng)參賽者的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力、協(xié)作精神和實(shí)踐能力為理念，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，IYPT被廣大媒體稱(chēng)為“物理世界杯”.

JSYPT即江蘇省青年物理學(xué)家辯論賽，該賽事由江蘇省教育廳主辦，江蘇省教育裝備與勤工儉學(xué)管理中心、南京大學(xué)物理學(xué)院、江蘇省物理學(xué)會(huì)承辦.比賽的理念與模式都來(lái)源于國(guó)際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽(IYPT).迄今為止江蘇省教育廳至今已經(jīng)成功主辦了兩屆JSYPT，基本情況如表1.

表1　歷屆JSYPT舉辦基本情況

在JSYPT的比賽的發(fā)展過(guò)程中，不僅江蘇省教育廳給予高度重視，更得到了江蘇省物理學(xué)會(huì)、南京大學(xué)、南京師范大學(xué)、蘇州大學(xué)等高校的大力支持.江蘇省教育廳領(lǐng)導(dǎo)就JSYPT競(jìng)賽指出：這項(xiàng)以實(shí)驗(yàn)和研究為基礎(chǔ)的活動(dòng)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐能力、協(xié)作精神具有重要的教育價(jià)值，是對(duì)教育教學(xué)方式方法變革的有益探索和實(shí)踐，也是對(duì)當(dāng)前高中物理教育的很好補(bǔ)充.希望通過(guò)活動(dòng)的舉辦，能進(jìn)一步推動(dòng)我省高中研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)的開(kāi)展，為創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)提供經(jīng)驗(yàn)和方法，同時(shí)也希望通過(guò)這項(xiàng)活動(dòng)，為中學(xué)與大學(xué)之間搭建溝通的橋梁和學(xué)習(xí)交流的平臺(tái)，為高校培養(yǎng)和發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀的人才提供一條新的途徑.

2JSYPT在培養(yǎng)高中生物理創(chuàng)新能力中的獨(dú)特作用

2.1　對(duì)物理創(chuàng)新能力的認(rèn)識(shí)

創(chuàng)新能力是人們從事科學(xué)技術(shù)和各種實(shí)踐活動(dòng)領(lǐng)域中不斷提供具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值、社會(huì)價(jià)值的新思想、新理論、新方法和新發(fā)明的能力.作為一種綜合能力，國(guó)內(nèi)外對(duì)創(chuàng)新能力的構(gòu)成和組成要素有多種不同的闡述.物理創(chuàng)新能力是建立在一定知識(shí)基礎(chǔ)上的物理創(chuàng)新思維、意識(shí)和技能.創(chuàng)新思維是創(chuàng)新能力的核心，是指以新穎獨(dú)創(chuàng)的方法解決問(wèn)題的思維過(guò)程，通過(guò)這種思維能突破常規(guī)思維的界限，以超常規(guī)甚至反常規(guī)的方法、視角去思考問(wèn)題，提出與眾不同的解決方案，從而產(chǎn)生新穎的、獨(dú)到的、有社會(huì)意義的思維成果.創(chuàng)新思維的本質(zhì)在于“超越”，實(shí)質(zhì)上就是突破現(xiàn)有的思維方式，表現(xiàn)為重組知識(shí)，突破經(jīng)驗(yàn)，變革觀念、方法等.創(chuàng)新意識(shí)是創(chuàng)新能力的前提，它是指依據(jù)社會(huì)或個(gè)人發(fā)展需求，提供創(chuàng)造之前所沒(méi)有的事物以及觀念的動(dòng)機(jī)，并在之后的應(yīng)用活動(dòng)中將其展現(xiàn)的愿望和意向.創(chuàng)新意識(shí)是人們進(jìn)行創(chuàng)造類(lèi)活動(dòng)的出發(fā)點(diǎn)和內(nèi)在動(dòng)力.而創(chuàng)新技能是創(chuàng)新能力的關(guān)鍵，沒(méi)有創(chuàng)新技能的使用，所謂創(chuàng)新能力也就無(wú)從談起.只有運(yùn)用一定的創(chuàng)新技能，才能將創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維所體現(xiàn)的實(shí)質(zhì)應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)，創(chuàng)新技能更多的是方法層面，常規(guī)而言，物理創(chuàng)新技能往往包含對(duì)比法、等量轉(zhuǎn)換法、等效替代法、隔離法、近似處理法、積疊法、實(shí)驗(yàn)法、數(shù)學(xué)法、微元法、圖像法等.無(wú)論是創(chuàng)新思維、創(chuàng)新意識(shí)還是創(chuàng)新技能，都是創(chuàng)新能力的要素.

2.2　JSYPT賽題的特點(diǎn)

每年JSYPT的賽題取自當(dāng)年的IYPT賽題.第一屆JSYPT取了2013年IYPT 17道賽題中的第1、2、3、5、6、7、8、9、10、12、13、14、16、17題，第二屆JSYPT取了2014年IYPT 17道賽題中的第2、4、5、6、7、8、9、10、13、14、16、17題.刪去了IYPT的部分賽題，除了出于安全考慮外，主要是綜合考量了我省中學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備和動(dòng)手探究能力等因素的結(jié)果.JSYPT賽題的特點(diǎn)總結(jié)如下：

(1)源于生產(chǎn)生活實(shí)際

傳統(tǒng)的物理題目往往源于教材等，以讓學(xué)生掌握知識(shí)為目的，對(duì)一些實(shí)際的問(wèn)題進(jìn)行整合、加工、簡(jiǎn)化并且抽象，使之成為純粹抽象的問(wèn)題.這樣的好處在于可以給出精確的解題過(guò)程，可以讓學(xué)生充分使用已經(jīng)學(xué)習(xí)的知識(shí)進(jìn)行解答，從而強(qiáng)化學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)的知識(shí).但缺點(diǎn)在于不能讓學(xué)生接觸真實(shí)的物理問(wèn)題，往往與實(shí)際生活脫軌.JSYPT的賽題則不同，原汁原味地給出了貼近生活的題目.例如2013年第1題“Invent yourself”：將一張紙折成手風(fēng)琴樣子或者卷成管子形狀就會(huì)難以彎曲.試用一張A4紙，需要的話(huà)可以用少許膠水來(lái)建造一個(gè)跨度為280毫米的橋.引入一些參數(shù)來(lái)描述橋的強(qiáng)度，并盡可能優(yōu)化這些參數(shù).(It is more difficult to bend a paper sheet, if it is folded “accordion style” or rolled into a tube. Using a single A4 sheet and a small amount of glue, if required, construct a bridge spanning a gap of 280 mm. Introduce parameters to describe the strength of your bridge, and optimise some or all of them.)它要求用A4紙折一個(gè)紙橋，自行引入一些參數(shù)來(lái)描述橋的強(qiáng)度并優(yōu)化這些參數(shù)，是個(gè)實(shí)際的動(dòng)手問(wèn)題.再如2013年第13題“Honey coils”的：纖細(xì),向下流動(dòng)的粘性液體,如蜂蜜,經(jīng)常會(huì)形成成圓形線(xiàn)圈，研究并解釋這一現(xiàn)象.這道題給出了流體下落形成線(xiàn)圈的奇妙生活現(xiàn)象，緊貼生活實(shí)際，其趣味性和生活性可以很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和探究興趣，不同于傳統(tǒng)的題型，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，鍛煉創(chuàng)新思維.

(2)突出自主實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

本文后續(xù)部分內(nèi)容安排如下:第1節(jié)介紹低功耗有損網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議RPL;第2節(jié)詳述新提出的RPL-FAHP協(xié)議并對(duì)其進(jìn)行性能分析;第3節(jié)進(jìn)行仿真分析;最后第4節(jié)總結(jié)全文并簡(jiǎn)介未來(lái)工作。

當(dāng)前，高中物理課堂的實(shí)驗(yàn)課主要目的是對(duì)物理規(guī)律的驗(yàn)證，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程(包含實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)采集、誤差分析等)都已經(jīng)有了系統(tǒng)化的操作流程.經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)過(guò)程固然需要學(xué)生掌握，但也減少了一部分學(xué)生自主探究的欲望和興趣，這讓高中物理實(shí)驗(yàn)課沒(méi)有想象中那樣受學(xué)生歡迎.而JSYPT的賽題充分突出了學(xué)生“自主實(shí)驗(yàn)”的環(huán)節(jié)，最大化地讓學(xué)生突破已有的經(jīng)驗(yàn)和方法，尋找合理且有趣的新的實(shí)驗(yàn)方式.例如2014年JSYPT的第2題“全息照相”：有人認(rèn)為全息照片可以由手工刻劃一個(gè)塑料板來(lái)制作.制作一個(gè)帶有“IYPT”字樣的“全息照片”，并且研究它的工作原理.(It is argued that a hologram can be hand made by scratching a piece of plastic. Produce such a ‘hologram’ with the letters ‘IYPT’ and investigate how it works.)該題強(qiáng)調(diào)動(dòng)手制作全息照片，對(duì)學(xué)生而言其實(shí)就是一個(gè)非常好的自主實(shí)驗(yàn).學(xué)生不僅要做出這么一個(gè)具有全息效應(yīng)的“照片”，還要對(duì)這個(gè)制作的“照片”進(jìn)行定量的研究，進(jìn)一步與自己的理論知識(shí)相比較，最終達(dá)到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論的目的，從而說(shuō)明它的工作原理.

(3)開(kāi)放度大

傳統(tǒng)的物理題目因?yàn)槠淅梅绞?、目的的局限性，往往以?shū)面形式出現(xiàn)，這就影響了其解答的開(kāi)放度.但JSYPT的賽題幾乎全部是開(kāi)放程度很大的題目，同一個(gè)題目可以建立不同的模型來(lái)解釋?zhuān)粋€(gè)實(shí)驗(yàn)可以使用不同測(cè)量方式，從不同的探究角度來(lái)進(jìn)行分析.因此，一道題往往會(huì)有不同的解讀方式.多角度的思考和理解本身就是一種對(duì)已有方法和經(jīng)驗(yàn)的“超越”，符合創(chuàng)新思維的本質(zhì)，這也無(wú)疑會(huì)讓學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新技能得到培養(yǎng).例如2014年第二屆JSYPT的賽場(chǎng)上，筆者作為裁判判罰的幾場(chǎng)比賽中，以第16題“磁制動(dòng)器”為例，江蘇省常州高級(jí)中學(xué)的學(xué)生使用磁偶極子的基本模型來(lái)進(jìn)行建模，而南京外國(guó)語(yǔ)學(xué)校的學(xué)生則使用了磁荷的基本模型來(lái)進(jìn)行建模，雖然方式不同，但最終都得到了理想的結(jié)論，這充分說(shuō)明了JSYPT的賽題給學(xué)生多維度的思考空間.

(4)研究性強(qiáng)

傳統(tǒng)的物理題目因?yàn)閷?shí)際問(wèn)題的復(fù)雜性，對(duì)真實(shí)的問(wèn)題進(jìn)行了整合、加工、簡(jiǎn)化并且抽象，使之去除了很多實(shí)際因素的影響而成為理想的物理模型.其特點(diǎn)是物理圖像明確，研究?jī)?nèi)容確定，研究方式遵循特定的物理思路.JSYPT的賽題則需要對(duì)理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行全方面的考慮，從假設(shè)、建模、實(shí)驗(yàn)、誤差分析到得出結(jié)論，所有過(guò)程均需要學(xué)生自主完成，具有很強(qiáng)的研究性.例如2014年JSYPT的的第6題“氣泡晶體”：在含有肥皂水的液體表面上，漂浮著大量非常小的、相似的氣泡.氣泡會(huì)自動(dòng)排列成一個(gè)類(lèi)似晶格的規(guī)則圖案.想出一種方法來(lái)獲得大小一致的氣泡，并研究這種氣泡晶體的形成.(A large number of very small, similar air bubbles float on the surface of a soapy liquid. The bubbles will arrange themselves into a regular pattern similar to a crystal line lattice. Propose a method to obtain bubbles of a consistent size, and investigate the formation of such a bubble crystal.)該題需要學(xué)生首先制造出這種“氣泡晶體”，在此基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的模型來(lái)研究其形成過(guò)程.鑒于晶體形成的階段不同，模型同樣需要分類(lèi)，最后從理論和實(shí)驗(yàn)上加以結(jié)合.這類(lèi)題目開(kāi)發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維，并在實(shí)踐探究中讓學(xué)生的創(chuàng)新技能得到提高，

2.3　JSYPT賽制凸顯創(chuàng)新能力的評(píng)價(jià)

JSYPT競(jìng)賽和形式采納國(guó)際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽的團(tuán)隊(duì)競(jìng)賽模式，在這種賽制之中，參與各隊(duì)分別扮演正方、反方與評(píng)論方，就解決給定開(kāi)放性物理問(wèn)題的基本知識(shí)、理論分析、實(shí)驗(yàn)方案、結(jié)果討論等進(jìn)行辯論.在正式比賽的過(guò)程中，無(wú)論是正方、反方或者評(píng)論方，每支隊(duì)伍只能由一個(gè)人做主控報(bào)告，其他人不允許發(fā)言，但可以與主控交流.這就要求主控和自己的隊(duì)友充分合作，交流溝通，通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)作更好地展現(xiàn)自己的匯報(bào)內(nèi)容.因此，該項(xiàng)賽事的賽制充分體現(xiàn)出JSPYT提倡知識(shí)學(xué)習(xí)與探索實(shí)踐相結(jié)合，物理學(xué)與日常生活相結(jié)合，學(xué)術(shù)能力與人際交往能力相結(jié)合，個(gè)人能力與團(tuán)隊(duì)合作相結(jié)合.在筆者作為第二屆JSYPT比賽第三輪裁判時(shí)，看到了前黃高級(jí)中學(xué)比賽的時(shí)候有著良好的團(tuán)隊(duì)表現(xiàn)，主控在發(fā)言的同時(shí)，主控以外的所有隊(duì)員相互之間都能積極交流，把建議寫(xiě)在紙條上，在討論環(huán)節(jié)傳遞給主控，而且銜接十分自然，體現(xiàn)了非常良好的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神.合作學(xué)習(xí)作為現(xiàn)代非常重要的科研模式，讓學(xué)生之間能夠取長(zhǎng)補(bǔ)短、共同提高，為提高創(chuàng)新能力奠定了很好的基礎(chǔ).

在評(píng)價(jià)層面，傳統(tǒng)的物理競(jìng)賽往往只注重紙面成績(jī)以及實(shí)驗(yàn)成績(jī)的考察，考察面相對(duì)較窄，并且以終結(jié)性的評(píng)價(jià)(考核分?jǐn)?shù))為主.JSYPT競(jìng)賽采用PPT展示的形式進(jìn)行匯報(bào)，裁判將主要從匯報(bào)的以下幾個(gè)角度進(jìn)行評(píng)分：

理論部分：要求物理圖像清晰，重點(diǎn)突出，模型可靠，推導(dǎo)正確，數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.

實(shí)驗(yàn)部分：要求實(shí)驗(yàn)方案數(shù)據(jù)可靠合理，圖表和結(jié)果分析正確.

PPT匯報(bào)部分：要求結(jié)構(gòu)層次清晰，照片視頻運(yùn)用合理，數(shù)據(jù)處理恰當(dāng)，并且講解過(guò)程思路清晰，表達(dá)清楚.

除此以外，裁判還會(huì)考察所在學(xué)生團(tuán)隊(duì)的團(tuán)隊(duì)協(xié)作、辯論風(fēng)度、創(chuàng)新點(diǎn)、回答裁判問(wèn)題時(shí)的理解能力、溝通能力和回應(yīng)技巧等.所以說(shuō)JSYPT競(jìng)賽在整個(gè)過(guò)程中都會(huì)對(duì)參賽選手進(jìn)行考察，更加能體現(xiàn)賽事的評(píng)價(jià)機(jī)制的優(yōu)越性，是凸顯創(chuàng)新能力的評(píng)價(jià)體制.這種評(píng)價(jià)模式，學(xué)生能夠從各方面得到肯定，有利于增強(qiáng)學(xué)生的成就動(dòng)機(jī)，為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力提供了最好的環(huán)境.例如2014年JSYPT第三輪第二場(chǎng)的比賽過(guò)程中，南京市第十三中學(xué)在做正方匯報(bào)的時(shí)候，就正方主控的匯報(bào)而言表現(xiàn)一般，但他自己比較中肯地指出了自己的不足和缺點(diǎn)，不但思路清晰，而且風(fēng)度極佳，裁判一致推薦其獲最佳風(fēng)度獎(jiǎng)，并在其基本分上給予了適當(dāng)加分，這也充分體現(xiàn)JSYPT的綜合性評(píng)價(jià)的優(yōu)越性.

3依托JSYPT提高學(xué)生物理創(chuàng)新能力的幾點(diǎn)建議

(1)學(xué)校應(yīng)廣泛宣傳JSYPT，積極引導(dǎo)學(xué)生參加JSYPT活動(dòng).例如學(xué)?？梢蚤_(kāi)設(shè)相關(guān)JSYPT的選修課或者建立社團(tuán)來(lái)增強(qiáng)JSYPT的影響.南師附中就成立了一個(gè)社團(tuán)，社團(tuán)內(nèi)按照選題把學(xué)生分成幾組，進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究.在探究過(guò)程中共同出謀劃策，相互提問(wèn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，最后數(shù)據(jù)共享但獨(dú)立成文.這類(lèi)社團(tuán)的目的是讓學(xué)生學(xué)會(huì)合作，學(xué)會(huì)在合作中學(xué)習(xí)，同樣也能夠讓更多對(duì)此有興趣的同學(xué)加入到JSYPT活動(dòng)中來(lái)，讓學(xué)校能夠借助JSYPT的形式來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力.

(2)學(xué)生應(yīng)該重視JSYPT比賽，主動(dòng)提問(wèn)，大膽探索，積極準(zhǔn)備.由于JSYPT的賽題和賽制相較于傳統(tǒng)物理教學(xué)模式的特殊性，其本身對(duì)學(xué)生而言就有極大的吸引力，因此有能力應(yīng)付常規(guī)學(xué)習(xí)工作的學(xué)生會(huì)對(duì)JSYPT比賽有足夠的興趣.但是也正因?yàn)镴SYPT采用了獨(dú)特的比賽模式，讓大多數(shù)剛接觸的同學(xué)會(huì)感覺(jué)挑戰(zhàn)很大，無(wú)從下手.這就要求引導(dǎo)學(xué)生放開(kāi)思路，不拘泥于傳統(tǒng)學(xué)習(xí)模式，用興趣引導(dǎo)自己思考，大膽探究并細(xì)心求證.這個(gè)過(guò)程是創(chuàng)新能力培養(yǎng)最重要的階段，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的必經(jīng)之路.

(3)教師應(yīng)基于“JSYPT模式”的物理教學(xué)進(jìn)行知識(shí)層面和能力層面的再研修，以勝任指導(dǎo)學(xué)生做好物理探究的工作.在引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)提問(wèn)、大膽探索、積極準(zhǔn)備的同時(shí)，也就要求物理教師有相應(yīng)的指導(dǎo)能力.建議物理老師首先觀摩JSYPT比賽，隨后可以在所在學(xué)校組織有關(guān)學(xué)生進(jìn)行JSYPT活動(dòng)，最后也需要積極與相關(guān)高校加強(qiáng)交流，從知識(shí)層面和能力層面有效指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展JSYPT活動(dòng).

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(指導(dǎo)教師：南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院 陸建隆教授)