IYPT官網(wǎng)中的物理課程資源應(yīng)用探究*

張一馳 吳 偉

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院 江蘇 南京 210097)

(收稿日期：2016-05-22)

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IYPT官網(wǎng)中的物理課程資源應(yīng)用探究*

張一馳 吳 偉

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院 江蘇 南京 210097)

(收稿日期：2016-05-22)

課程資源的開發(fā)與利用是實(shí)現(xiàn)科學(xué)教育改革重要的實(shí)施途徑.IYPT(國際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽)在被引入中國后受到廣泛關(guān)注，但I(xiàn)YPT的官網(wǎng)作為一個(gè)介紹IYPT賽事并總結(jié)其成果的平臺在國內(nèi)鮮有人提及、應(yīng)用.本文在總結(jié)IYPT官網(wǎng)內(nèi)容和特色的基礎(chǔ)上，試圖借助IYPT官網(wǎng)開發(fā)原始問題庫、非良構(gòu)問題解答庫和物理辯論視頻庫，從而構(gòu)建了基于IYPT官網(wǎng)中探究課程資源的應(yīng)用模式，最后給出一些建議.

IYPT IYPT官網(wǎng) 物理課程資源 應(yīng)用模式

1 引言

21世紀(jì)物理教育教學(xué)改革背景下，課程資源的開發(fā)與利用是保證新課程實(shí)施的基本條件.隨著人們對新課程觀的理解，課程資源的開發(fā)和利用越來越受到重視，教科書再不是是惟一的課程資源.我國教育部制訂的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(實(shí)驗(yàn))中，明確強(qiáng)調(diào)課程資源的開發(fā)與利用是實(shí)現(xiàn)科學(xué)(物理)教育改革重要的實(shí)施途徑，并指出應(yīng)當(dāng)利用信息技術(shù)，開發(fā)利用課程資源[1].然而，根據(jù)有關(guān)研究，提到物理課程資源，許多教師首先想到的就是物理教科書、教參、教輔讀物和各種練習(xí)冊等，或是實(shí)驗(yàn)設(shè)備、計(jì)算機(jī)房和多媒體教室等硬件設(shè)施.提到開發(fā)和利用課程資源，就想到要編寫更好的練習(xí)冊、訂購更多的教輔讀物、購買先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)儀器等[2].在新課程教育改革的背景下，這樣的課程資源觀略顯狹隘，進(jìn)一步利用多媒體資源的開發(fā)與應(yīng)用意義重大.本文將介紹一個(gè)特殊賽事IYPT的官方網(wǎng)頁，旨在構(gòu)建對IYPT官網(wǎng)中物理課程資源的應(yīng)用模式，豐富中學(xué)物理教學(xué)中的探究實(shí)驗(yàn)素材，給我們的物理教學(xué)提出一些建議.

2 IYPT及其官網(wǎng)簡介

IYPT(International Young Physicist′s Tour-nament)是國際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽的簡稱，它與國際物理奧林匹克競賽、國際青年學(xué)生科學(xué)論文競賽并稱三大頂級國際中學(xué)生物理競賽.IYPT是一項(xiàng)由中學(xué)生參與、以團(tuán)隊(duì)對抗為形式的物理辯論競賽，其主要目的是考查中學(xué)生針對實(shí)際物理問題的科學(xué)探究、合作解決的能力.該項(xiàng)比賽從1988年開始，每年一屆.IYPT組委會會提前一年公布比賽所需的17道新穎獨(dú)特的賽題，這些賽題類似于一個(gè)個(gè)小課題，解決過程和結(jié)果是開放的.我國于2007年引進(jìn)IYPT，在積極組隊(duì)參加國際比賽的同時(shí)，開始組織國內(nèi)的比賽活動.在我國中學(xué)及大學(xué)均有類似IYPT模式的競賽，比如CYPT(中國青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽)、CUPT(全國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽)、JSYPT(江蘇省青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽)，IYPT賽事在中國發(fā)展迅速.

應(yīng)該說IYPT在被引入中國后受到包括中國物理學(xué)會，中國高校專家以及部分地區(qū)的中學(xué)和一線教師的廣泛關(guān)注，但I(xiàn)YPT的官網(wǎng)作為一個(gè)介紹IYPT賽事并總結(jié)其成果的平臺在國內(nèi)鮮有人提及.IYPT官網(wǎng)(http://www.iypt.org/)是一個(gè)介紹IYPT賽事并總結(jié)其成果的平臺，其主要欄目及內(nèi)容如表1所示.

表1 IYPT官網(wǎng)欄目及主要內(nèi)容

忽略其他一些介紹性性質(zhì)的內(nèi)容，在尋求探究課程資源的視角下，IYPT官網(wǎng)中主要特色有如下4點(diǎn).

特色一：Archive-Problems欄目.該欄目提供了自1988年以來共476道賽題，每年的賽題源自世界各地對IYPT組委會的投稿，這些賽題可研究性極強(qiáng)，屬于精選的原始問題，具有開發(fā)“原始問題庫”的價(jià)值.

特色二：Archive-Solutions欄目.該欄目提供了自1988年以來網(wǎng)站搜集的來自全球各地參賽隊(duì)的正方匯報(bào)PPT以及相關(guān)題目的論文PDF，考慮到IYPT賽題都是精選的物理原始問題，這類題目的解答可以開發(fā)成“非良構(gòu)問題的解答庫”.

特色三：Magazine欄目.該欄目提供了IYPT的官方雜志，一年一刊，包括IYPT介紹類的有關(guān)論文和各國優(yōu)秀賽題論文，官方優(yōu)秀論文同樣可以加入“非良構(gòu)問題的解答庫”.

特色四：IYPT子網(wǎng)頁下的圖像及視頻資源.IYPT各年份有自己當(dāng)年的官方網(wǎng)頁，往往會提供當(dāng)年比賽的大量信息，照片和決賽以及小組賽視頻等.考慮到IYPT是一項(xiàng)以團(tuán)隊(duì)對抗為形式的物理辯論競賽，這個(gè)欄目的資源可以開發(fā)成“物理辯論視頻庫”.

3 應(yīng)用IYPT官網(wǎng)模式構(gòu)建

根據(jù)以上對IYPT官網(wǎng)特色的分析，在開發(fā)課程資源的視角下，我們認(rèn)為，可以從已有的網(wǎng)站特色內(nèi)容中開發(fā)出“原始問題庫”，“非良構(gòu)問題的解答庫”和“物理辯論視頻庫”這3個(gè)方面的資源，基于這樣的構(gòu)思，我們繪制了如圖1所示的應(yīng)用IYPT官網(wǎng)的模式圖.

圖1 應(yīng)用IYPT官網(wǎng)模式圖

3.1 原始問題庫

IYPT官網(wǎng)中Archive-Problems欄目提供了賽事所使用的物理題目，它們具有不同于一般物理題目的特性，有學(xué)者認(rèn)為其具有貼近生活、開放性大、研究性強(qiáng)、考查面廣的特點(diǎn)[3]，也有學(xué)者認(rèn)為具有發(fā)散性、可研究性、綜合性等特點(diǎn)[4].例如2014年IYPT賽題的第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、相似氣泡.氣泡會自動排列成一個(gè)類似晶格的規(guī)則圖案.想出一種方法來獲得大小一致的氣泡，并研究這種氣泡晶體的形成.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)的模型來研究其形成過程.鑒于晶體形成的階段不同，模型同樣需要分類，最后理論和實(shí)驗(yàn)加以結(jié)合.

IYPT從1988年開辦，截止2015年已舉辦28屆，每屆都有17道賽題，總計(jì)共476道題.如果對這些題目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將題目的主要方向分為制作挑戰(zhàn)類、觀察解釋類、定義設(shè)計(jì)類、實(shí)驗(yàn)探究類和測量優(yōu)化類5種.

制作挑戰(zhàn)類會要求學(xué)生制作特定的實(shí)驗(yàn)裝置來完成實(shí)驗(yàn)；觀察解釋類是指現(xiàn)象已知，以理論解釋方面的要求為主；定義設(shè)計(jì)類重在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)探究類以實(shí)驗(yàn)研究方面的要求為主；測量優(yōu)化類則要求精確測量相關(guān)數(shù)據(jù)并得到實(shí)驗(yàn)最優(yōu)情況.

依據(jù)關(guān)鍵詞我們總結(jié)得到如表2所示.

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)可以看出題目的要求和特點(diǎn)，大部分IYPT的賽題需要我們解釋相關(guān)現(xiàn)象或探究未知內(nèi)容，可以認(rèn)為是被精選的物理原始問題，其源于生產(chǎn)實(shí)際，突出自主探究，開放度大、研究性強(qiáng)，可以有效激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，引導(dǎo)學(xué)生探究.

同時(shí)進(jìn)一步研究這些題目，這些題目覆蓋了力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)等經(jīng)典物理的領(lǐng)域，這使得IYPT題庫的實(shí)驗(yàn)與基礎(chǔ)教學(xué)范圍達(dá)成一致，從而能夠向教師提供正確有效的信息并引導(dǎo)教師重視學(xué)生從事該類探究的主動性.

表2 IYPT題庫統(tǒng)計(jì)

注：因?yàn)橛行╊}目能力要求不唯一，所以統(tǒng)計(jì)的總數(shù)有598道，超過476道.

3.2 非良構(gòu)問題解答庫

IYPT官網(wǎng)中Archive-Solutions欄目以及Magazine欄目提供了來自全球各地參賽隊(duì)的正方匯報(bào)PPT以及相關(guān)題目的論文PDF，這些PPT或者文章的內(nèi)容反映了非良構(gòu)物理問題的解答過程，這些解答方法并不唯一，結(jié)論未必完美但均思路清晰，極具參考意義.

著名學(xué)者喬納森(2000)清楚地指出了非良構(gòu)問題解決過程的特征如下：

(1)擁有不可知或者在任何程度上都無法知曉的問題的要素.

(2)擁有多樣的解決方案，解決途徑或者根本沒有解決的方法.

(3)擁有多樣的評判解決方案的標(biāo)準(zhǔn).

(4)經(jīng)常需要學(xué)習(xí)者做出判斷或者表述自己的觀點(diǎn)和信條[5].

在國際上，大量的研究證實(shí)了非良構(gòu)問題比良構(gòu)問題在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)方面更具優(yōu)越性(Albanese & Mitchell, 1993; Gallagher,Stepien, & Rosenthal, 1992; Hmelo, 1998)[5].因此，在我國教育中滲透非良構(gòu)問題以及這類問題的解決思路十分必要.而非良構(gòu)問題的解決過程顯然與IYPT官網(wǎng)提供的賽題解決思路是相一致的.

這里我們以Magazine欄目中提供的來自韓國隊(duì)的論文“Study on gravity in 2-dimensional space through elastic membrane experiment”為例.

圖2 Magzine “2013 Problem 2” 論文

這道題是2013年IYPT的第2題“Elastic Space(彈性空間)”，原始的題目是這樣的:The dynamics and apparent interactions of massive balls rolling on a stretched horizontal membrane are often used to illustrate gravitation. Investigate the system further. Is it possible to define and measure the apparent “gravitational constant” in such a “world”? (我們常用在一張舒展的水平薄膜上的大球之間的相互作用來描述萬有引力.進(jìn)一步研究這個(gè)系統(tǒng)，盡可能地定義并測量在這個(gè)“空間”中的“引力常量”.)

為了清晰地展示該論文描述的研究過程，我們不妨用一張表格展現(xiàn)一下詳細(xì)過程[6]，如表3所示.

被收錄的這篇論文符合科學(xué)探究的一般程序，從問題還原到提出猜想，從理論環(huán)節(jié)到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最后是理論和實(shí)驗(yàn)的關(guān)系研究.值得一提的是，關(guān)于這個(gè)賽題的研究，除了韓國隊(duì)的這篇論文以外，網(wǎng)站上還可以下載到來自巴西隊(duì)、斯洛伐克隊(duì)、俄羅斯隊(duì)、克羅地亞隊(duì)的匯報(bào)PPT和PDF論文文件.不同國家對同個(gè)問題的研究各有特點(diǎn)，均提供了完整的解決方案，但這些方案又都不盡完美.這些資源有利于啟示教師和學(xué)生解決非良構(gòu)問題的思路，并對探究式教學(xué)和研究性學(xué)習(xí)有指導(dǎo)意義.

表3 Magzine “2013 Problem 2”研究過程

3.3 物理辯論視頻庫

理論性探究的一個(gè)重要途徑是科學(xué)辯論，即“為解決科學(xué)爭端進(jìn)行的理性磋商”[7,11].隨著對科學(xué)的社會屬性關(guān)注日深，哲學(xué)家們認(rèn)識到，科學(xué)辯論是建構(gòu)和篩選高質(zhì)量科學(xué)理論的必經(jīng)之路，在知識的產(chǎn)生發(fā)展過程中占據(jù)核心地位[8].在國際上，實(shí)證數(shù)據(jù)說明有機(jī)會大量參與科學(xué)辯論的學(xué)生，在科學(xué)推理能力、認(rèn)知觀和概念理解等方面的學(xué)習(xí)效果會大大優(yōu)于僅靠個(gè)人探究或傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)的學(xué)生[9].奧斯本(Osborne)也認(rèn)為，科學(xué)課堂中缺少科學(xué)辯論是“現(xiàn)代教育的嚴(yán)重問題”[9].

然而在我國，科學(xué)探究教學(xué)多處于“以食譜式的方式強(qiáng)調(diào)技巧發(fā)展和對已知理論的證明”階段[10]，很大原因不在于教師不打算把科學(xué)辯論引入物理教學(xué)和物理活動，而是缺乏系統(tǒng)的科學(xué)辯論的指導(dǎo)和評價(jià)體系，當(dāng)然也缺乏足夠的辯論視頻資源.

IYPT的子網(wǎng)頁提供了豐富的視頻資源，如圖3所示，這些資源象征了國際最高水平的物理辯論.這些視頻資源可以整合成物理辨論視頻庫，賽事流程和評價(jià)機(jī)制也可以為一線教師提供啟發(fā)意義.

圖3 IYPT2009決賽視頻

3.4 啟發(fā)與建議

IYPT官網(wǎng)提供了大量開放的、原始的、探究性強(qiáng)且綜合性廣的物理問題.趙凱華教授曾指出,“教學(xué)過程中，同一問題既可以把原始的物理問題給學(xué)生，也可以把原始的物理問題分解或抽象成一定的數(shù)學(xué)模型后再提供給學(xué)生.習(xí)慣于解決后一類問題的學(xué)生，在遇到前一類問題時(shí)，往往會不知所措.”現(xiàn)階段物理教學(xué)中大量的理想物理模型的解題，很大程度阻礙了學(xué)生綜合素養(yǎng)的培養(yǎng).因此，物理原始問題庫可以給教師提供足夠的探究式教學(xué)保障.教師可以直接將IYPT賽題放入問題庫，IYPT的賽題本就是IYPT委員會每年向世界各方征集的有趣的生活化問題，本身就是可直接使用的素材.同時(shí)，教師可以查閱相關(guān)的趣味物理實(shí)驗(yàn)和科技生活雜志，將一些前人已經(jīng)開發(fā)的實(shí)驗(yàn)題總結(jié)，形成物理原始問題.在有了足夠的經(jīng)驗(yàn)后，教師也擁有了對物理原始問題特征的深入理解，教師能夠從日常生活出發(fā)，自主尋找生活中物理問題的本質(zhì)，重現(xiàn)原始問題.其次，一個(gè)優(yōu)秀的資源庫，應(yīng)該與教學(xué)相一致，是融入教學(xué)中的持續(xù)過程.如果說IYPT競賽只是為了比賽而進(jìn)行的活動，那我們可以把從IYPT官網(wǎng)中開發(fā)的非良構(gòu)問題解答庫與辯論視頻庫的資源發(fā)展到物理學(xué)習(xí)的方方面面，使其更具持續(xù)性.例如，可以將這些內(nèi)容引入研究性學(xué)習(xí)、科技節(jié)或物理辯論賽，甚至可以發(fā)展為學(xué)校的特色活動定期舉辦.再如，可以開辦以IYPT有關(guān)賽題研究為導(dǎo)向的IYPT社團(tuán)，開發(fā)相關(guān)資源的校本課程，使IYPT官網(wǎng)的資源融入物理活動的方方面面.

總之，IYPT官網(wǎng)提供了豐富的物理課程資源，稍加開發(fā)應(yīng)用便可以形成原始問題庫、非良構(gòu)問題解答庫以及物理辯論視頻庫.這些資源庫的建成和應(yīng)用可以極大地豐富中學(xué)教學(xué)中的探究實(shí)驗(yàn)與辯論課程的素材，同樣可以為教師的探究式教學(xué)，學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)等方面提供充足的素材和指導(dǎo).同時(shí)，利用類似IYPT的官方網(wǎng)頁這樣的國外優(yōu)秀物理類網(wǎng)站，也為我們整合和開發(fā)物理課程資源提供了新途徑.

1 中華人民共和國教育部.物理課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn)).北京：人民教育出版社，2003

2 王莉華，李健.基于高中課程改革的物理課程資源建設(shè).現(xiàn)代教育科學(xué)：普教研究，2012(4)：160～161

3 張晚云，曾交龍，陸彥文，等.依托大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才.大學(xué)物理,2011,30(6):35～37

4 房頤，陸建隆.在研究中開始 在討論中延續(xù) 在經(jīng)歷中提升——國際青年物理學(xué)家競賽(IYPT)及其教育功能.物理教師，2012(2)

5 Manu Kapur, Charles K. Kinzer. Examining the effect of problem type in a synchronous computer-supported collaborative learning (CSCL) environment. Education Tech Research, 2007, 55:439～459

6 Jungwoo Choi, Sungwook Kim. Study on gravity in 2-dimensional space through elastic membrane experiment. IYPT magzine，2014：62～72

7 Driver R, Newton P, Osborne J., Estabilshing the Norms of Scientific Argumentation in Classrooms. Science Education, 2000, 84: 287～312

8 Fuller S.Science.Buckingham, UK: Open University Press,1997

9 Osborne J. Arguing to Learn in Science: The Roleof Collaborative, Critical Discourse. Science, 2010,328：463～466

10潘瑤珍．基于論證的科學(xué)教育．全球教育展望，2010,39(6)：82～86

11唐小為, 李佳, 宋乃慶. 課堂科學(xué)辯論實(shí)施探究——以中美中小學(xué)科學(xué)課堂案例比較分析為例. 課程·教材·教法, 2012(5):105～110

*江蘇省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題“我國探究教學(xué)實(shí)施中的問題及其對策研究”成果之一，項(xiàng)目編號：D/2013/01/082;江蘇省普通高校專業(yè)學(xué)位研究生實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目“培養(yǎng)高中生非線性思維品質(zhì)的思考與實(shí)踐”階段成果之一.

張一馳(1992- )，男，在讀碩士研究生，研究方向物理課程與教學(xué).

吳偉(1964- )，男，博士，教授,研究方向?yàn)槲锢碚n程與教學(xué)論.