基于丘成桐中學(xué)物理獎(jiǎng)培養(yǎng)高中生學(xué)術(shù)潛質(zhì)的實(shí)踐探索

蘇 俊 王維國

(江蘇省海安高級(jí)中學(xué),江蘇 南通 226600)

“英特爾科學(xué)與工程獎(jiǎng)(Intel ISEF)”是美國面向中學(xué)生的著名科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng),在全美具有較高的影響力,1934年創(chuàng)設(shè)至今培養(yǎng)了大量科技精英和12名諾貝爾獎(jiǎng)獲得者.[1]為創(chuàng)設(shè)中國的“英特爾科學(xué)與工程獎(jiǎng)”,國際著名數(shù)學(xué)大師、菲爾茲獎(jiǎng)獲得者丘成桐教授設(shè)立了丘成桐中學(xué)科學(xué)獎(jiǎng),[2]每年由清華大學(xué)承辦競賽活動(dòng),泰康人壽董事長陳東升先生等社會(huì)人士提供了資金支持. 丘成桐中學(xué)科學(xué)獎(jiǎng)(下面簡稱“丘獎(jiǎng)”)邀請國際知名科學(xué)家擔(dān)任評委,參賽對象為全球華人高中生,設(shè)立數(shù)學(xué)獎(jiǎng)、物理獎(jiǎng)、化學(xué)獎(jiǎng)、生物獎(jiǎng)、計(jì)算機(jī)獎(jiǎng). 截至2017年,數(shù)學(xué)獎(jiǎng)已舉辦9屆,物理獎(jiǎng)舉辦5屆,化學(xué)獎(jiǎng)與生物獎(jiǎng)舉辦了2屆,計(jì)算機(jī)獎(jiǎng)舉辦了1屆. 丘獎(jiǎng)已經(jīng)納入清華大學(xué)自主招生“拔尖計(jì)劃”,隨著影響力與規(guī)格的提升,吸引了越來越多海內(nèi)外中學(xué)生的參與.

丘成桐中學(xué)物理獎(jiǎng)分為中國南部賽區(qū)、中國北部賽區(qū)和海外賽區(qū).要求參賽團(tuán)隊(duì)(每個(gè)團(tuán)隊(duì)不超過3人)自定一個(gè)物理研究課題,在當(dāng)年9月初提交研究報(bào)告.組委會(huì)先在各個(gè)賽區(qū)進(jìn)行評審,10月份公布入圍分賽區(qū)決賽名單,其中南部與北部賽區(qū)各約12個(gè)團(tuán)隊(duì)入圍.經(jīng)過分賽區(qū)中文答辯共選出約14個(gè)團(tuán)隊(duì)參加全國總決賽,未入圍全國總決賽的團(tuán)隊(duì)將會(huì)獲得分賽區(qū)獎(jiǎng). 全國總決賽于12月中旬在清華大學(xué)舉行,參賽同學(xué)需提交英文論文,進(jìn)行英文答辯,最終評審出金獎(jiǎng)1名,銀獎(jiǎng)1名,銅獎(jiǎng)3名,優(yōu)勝獎(jiǎng)5名,入圍獎(jiǎng)4名,其中前10名團(tuán)隊(duì)會(huì)獲得一定的獎(jiǎng)金,并有機(jī)會(huì)參加清華大學(xué)自主招生面試,2013—2015年共有15名學(xué)生獲得清華大學(xué)自主招生資格.[2]其他學(xué)科的參賽流程大致如此. 經(jīng)過多年發(fā)展,已有不少參加過丘獎(jiǎng)的學(xué)生進(jìn)入清華大學(xué)、哈佛大學(xué)等國內(nèi)外著名高校深造. 2015年共270個(gè)團(tuán)隊(duì)參加物理獎(jiǎng),2016年共227個(gè)團(tuán)隊(duì)參加物理獎(jiǎng),我校參賽團(tuán)隊(duì)均進(jìn)入了全國總決賽,2015年獲得入圍獎(jiǎng)(全國第12名),2016年獲得優(yōu)勝獎(jiǎng)(全國第8名).

1 中學(xué)生物理學(xué)術(shù)研究類競賽

目前國內(nèi)面向中學(xué)生的物理學(xué)術(shù)研究類競賽主要有兩種,國際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽(IYPT)[3]與丘成桐中學(xué)物理獎(jiǎng).IYPT競賽由國際競賽組委會(huì)每年公布17個(gè)開放性課題,參賽學(xué)生從理論和實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行研究,比賽采用團(tuán)隊(duì)辯論對抗的形式進(jìn)行.IYPT自2007年由南開大學(xué)引入國內(nèi)以來,吸引了越來越多物理教育工作者的關(guān)注,眾多省市開展了中學(xué)生IYPT競賽活動(dòng),例如全國中學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽(CYPT,南開大學(xué)組辦)、江蘇省中學(xué)生物理學(xué)術(shù)創(chuàng)新競賽(JSYPT,江蘇省物理學(xué)會(huì)組辦)、上海市中學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽、北京市中學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽等．此外,還有眾多高校開展了IYPT競賽活動(dòng),例如全國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽CUPT．這些比賽均采用相同的IYPT課題和類似的比賽形式．丘成桐教授于2013年設(shè)立丘成桐中學(xué)物理獎(jiǎng),至今已舉辦了5屆,與IYPT競賽不同的是,丘成桐中學(xué)物理獎(jiǎng)不給定課題,而是參賽學(xué)生自定課題,參賽者從理論和實(shí)驗(yàn)上研究相關(guān)課題,寫出研究報(bào)告,后續(xù)要進(jìn)行中文和英文答辯.自2007年IYPT引入國內(nèi)以來已有眾多IYPT競賽相關(guān)的教育研究工作,但是丘成桐中學(xué)物理獎(jiǎng)競賽相關(guān)的教育研究工作卻并不多見.我們指導(dǎo)學(xué)生連續(xù)參加了2015年與2016年的物理獎(jiǎng)比賽,以下簡要分享指導(dǎo)丘成桐物理獎(jiǎng)的點(diǎn)滴經(jīng)驗(yàn),希望給有興趣的教師與學(xué)生提供一些幫助.

2 物理獎(jiǎng)項(xiàng)目輔導(dǎo)的5大環(huán)節(jié)

2.1 引導(dǎo)有能力、有激情學(xué)生參與

參加物理獎(jiǎng)本身就是物理小科研,需要參賽學(xué)生去學(xué)習(xí)與思考很多課本上沒有的知識(shí),要求參賽者具備較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力與物理素養(yǎng).興趣是最好的老師,參賽學(xué)生要真正對物理研究充滿興趣,并且具備良好的學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手能力、英文表達(dá)能力.

2.2 培養(yǎng)學(xué)生掌握基本的研究技能

除了課本知識(shí),多數(shù)中學(xué)生對如何開展研究知之甚少,這需要教師指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)一些新知識(shí)與研究技能.多數(shù) IYPT課題只涉及普通物理知識(shí),IYPT課題的研究方法會(huì)給物理獎(jiǎng)參賽提供很多幫助,參賽者會(huì)學(xué)到很多科研小技能,例如學(xué)會(huì)使用計(jì)算與繪圖軟件Mathemaica或Matlab,使用視頻運(yùn)動(dòng)分析軟件Video Tracker Analysis等.[4]物理獎(jiǎng)需要提交研究論文,如果進(jìn)入總決賽需要提交英文論文,而多數(shù)中學(xué)生對論文的認(rèn)識(shí)幾乎空白,因此指導(dǎo)教師輔導(dǎo)學(xué)生閱讀一些普通物理論文是非常有必要的. 指導(dǎo)教師需要為學(xué)生在漫無邊際的論文中挑選合適的論文,首先,我們建議參賽同學(xué)去閱讀丘成桐中學(xué)科學(xué)獎(jiǎng)官網(wǎng)公布的往年參賽論文.[2]通過閱讀這些論文可以了解到往年其他學(xué)生選了什么課題,做了什么研究,用了什么方法,從中會(huì)得到很多有益的啟發(fā);其次,我們推薦美國物理教師協(xié)會(huì)(AAPT)的《美國物理學(xué)雜志》(American Journal of Physics)與《物理教師》(The Physics Teacher)雜志,[5,6]還有英國物理學(xué)會(huì)(IOP)的《歐洲物理學(xué)學(xué)報(bào)》(European Journal of Physics)與《物理教育》(Physics Education)雜志.[7,8]這些普通物理教育類雜志經(jīng)常有一些新穎有趣的實(shí)驗(yàn)與理論研究.從這這些雜志中可以挑選出很多符合中學(xué)生物理認(rèn)識(shí)水平的論文. 通過輔導(dǎo)學(xué)生閱讀這些論文,學(xué)生可以了解到別人在做什么、怎樣做,從中學(xué)到很多新穎的實(shí)驗(yàn)與理論方法.

2.3 論文的選題

愛因斯坦說過,“提出一個(gè)問題比解決一個(gè)問題更重要”.這句話耳熟能詳,當(dāng)要進(jìn)行選題時(shí)才能體會(huì)到愛因斯坦真正要表達(dá)的意思. 選題是整個(gè)物理獎(jiǎng)研究過程中比較大的困難,選一個(gè)恰當(dāng)?shù)恼n題非常重要. 如果選的課題太難,會(huì)超出中學(xué)生的認(rèn)識(shí)范圍;如果選的課題太常見,或許別人已經(jīng)研究過. 我們鼓勵(lì)學(xué)生充分發(fā)揮想象力,搜羅生活中有趣的物理現(xiàn)象,并通過百度學(xué)術(shù)、谷歌學(xué)術(shù)等搜索引擎進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研,來確定什么樣的課題是可以研究的. 之前我們提到過挑選合適的論文輔導(dǎo)學(xué)生閱讀,參賽學(xué)生通過閱讀這些論文也會(huì)積淀很多想法,這些想法也可以是選題的來源.

我們2015年參加物理獎(jiǎng)的課題源于輔導(dǎo)學(xué)生閱讀《美國物理學(xué)雜志》上的一篇論文.[9]這篇論文在理論上討論小球在引力勢阱中的運(yùn)動(dòng)問題.筆者指導(dǎo)的研究小組查閱了這篇論文的引用文獻(xiàn),發(fā)現(xiàn)之前也有一些從理論上討論引力勢阱的論文,卻沒有發(fā)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行引力勢阱研究的工作. 3D打印技術(shù)可以打印出任何符合數(shù)學(xué)表達(dá)式的模型,于是筆者指導(dǎo)的研究小組用Mathematica將三維函數(shù)畫出,生成3D打印文件,利用3D打印機(jī)打出引力勢阱,從實(shí)驗(yàn)上成功地呈現(xiàn)了理論. 后來,筆者指導(dǎo)的研究小組對這個(gè)方法進(jìn)行了拓展研究,陸續(xù)在國際物理教育雜志發(fā)表了兩篇研究論文,其中一篇發(fā)表在著名物理教育SCI雜志《美國物理學(xué)雜志》,[10]另一篇發(fā)表在英國物理學(xué)會(huì)的《物理教育》.[11]2016年物理獎(jiǎng)?wù)n題則源于一個(gè)學(xué)生的想法:泡泡是怎樣吹出來的,也就是泡泡是怎樣從肥皂膜中形成的. 經(jīng)過前期的大量文獻(xiàn)調(diào)研,發(fā)現(xiàn)是一種物理不穩(wěn)定機(jī)制在發(fā)揮作用,由此筆者指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)了流體物理的一些基本知識(shí),并進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一些新奇的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,開展了詳細(xì)的理論與實(shí)驗(yàn)研究.

2.4 課題的開展案例與剖析

在課題研究的過程中,教師需要引導(dǎo)學(xué)生來研讀一些文獻(xiàn),設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),更需要引導(dǎo)學(xué)生去思考和解決問題．在參加2015年物理獎(jiǎng)的過程中,筆者指導(dǎo)的研究小組用3D打印機(jī)打印出了一個(gè)引力勢阱,由于3D打印的實(shí)物表面比較粗糙,小球在上面的運(yùn)動(dòng)效果不理想．學(xué)生嘗試使用拋光液、打磨等方法來使得勢阱表面光滑,但是效果始終不理想．偶然的機(jī)會(huì),一個(gè)學(xué)生父親的車發(fā)生了剮蹭事故,車被拖到了汽車修理店做烤漆,這個(gè)學(xué)生突然有了想法,能否將引力勢阱實(shí)物表面做上烤漆來使得表面光滑. 于是嘗試做了烤漆,讓大家驚喜的是實(shí)驗(yàn)效果非常好.愛因斯坦說,“如果我們知道需要做什么,那就不叫研究”.帶學(xué)生的研究過程中經(jīng)歷了很多周折后才意識(shí)到研究的魅力所在,沒有參考答案,不斷嘗試,不斷受阻,不斷思考,再不斷嘗試,最終才有可能取得成果.

2.5 丘獎(jiǎng)項(xiàng)目研究的指導(dǎo)對中學(xué)教師的新要求以及指導(dǎo)策略

指導(dǎo)教師在課題研究過程中扮演什么角色?與高校的研究生比,中學(xué)生知識(shí)儲(chǔ)備缺乏,以及有限的空余時(shí)間,這就需要指導(dǎo)教師輔導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)一些基本的研究方法,研讀一些文獻(xiàn)資料. 另外指導(dǎo)教師要具備基本的物理科研素質(zhì),同時(shí)也需要有較強(qiáng)的責(zé)任心.

每年入圍全國總決賽的團(tuán)隊(duì)絕大多數(shù)來自一線城市的重點(diǎn)中學(xué),很多參賽團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)教師來自高校．相比之下,其他地區(qū)的中學(xué)生由于地方教育資源的限制不能得到有效的指導(dǎo). 這些困境在一定程度上可以克服. 首先,物理獎(jiǎng)重點(diǎn)是鍛煉學(xué)生的創(chuàng)造力、研究能力,參賽的多數(shù)課題局限于普通物理中的力學(xué)、電磁學(xué),并不需要高端的實(shí)驗(yàn)儀器,也不需要高深的物理理論. 其次,不同于傳統(tǒng)大課堂開展的實(shí)驗(yàn),研究丘獎(jiǎng)?wù)n題不需要批量采購實(shí)驗(yàn)器材,而是實(shí)驗(yàn)需要什么再準(zhǔn)備什么,有較強(qiáng)的針對性和很好的自由度,課題研究在實(shí)驗(yàn)方面對多數(shù)中學(xué)不會(huì)有太大的障礙.

3 丘獎(jiǎng)對中學(xué)生學(xué)術(shù)潛質(zhì)培養(yǎng)的作用

“英特爾科學(xué)與工程獎(jiǎng)”經(jīng)過80多年的發(fā)展與積淀被證明是成功的,為美國培養(yǎng)了大批科技精英,受到了美國社會(huì)的認(rèn)可與贊譽(yù).丘成桐教授創(chuàng)立的“丘成桐中學(xué)科學(xué)獎(jiǎng)”也是同樣的定位,借鑒“英特爾科學(xué)與工程獎(jiǎng)”的組織與選拔模式,舍棄試卷與標(biāo)準(zhǔn)答案,讓學(xué)生參與科學(xué)研究,激發(fā)全球華人中學(xué)生對科研的興趣與創(chuàng)造力,發(fā)掘并培養(yǎng)有前途的年輕科學(xué)人才.

我們連續(xù)參加了兩屆物理獎(jiǎng)競賽,對此感觸頗深.不同于傳統(tǒng)的物理考試或者奧賽,物理獎(jiǎng)需要學(xué)生在教師指導(dǎo)下完成一個(gè)課題研究,寫出研究報(bào)告.在研究過程中學(xué)生可以真切體會(huì)到尋求“未知答案”煎熬與樂趣,在解決課題困難的過程中,激發(fā)他們的靈感與創(chuàng)造力;通過繁雜的實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析、理論計(jì)算等,培養(yǎng)他們的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力.

我們參加了兩屆丘獎(jiǎng),初步積累了些許參賽經(jīng)驗(yàn),筆者希望本文能對有熱情參與丘獎(jiǎng)的教師與學(xué)生提供幫助. 其實(shí),真正能入圍總決賽的團(tuán)隊(duì)是極少數(shù),但是培養(yǎng)有科學(xué)潛能的學(xué)生開展課題研究并不是為了獲獎(jiǎng),學(xué)生在開展研究的過程中,懂得了科研流程,學(xué)到更多課本上沒有的知識(shí),思考了別人沒有想過的問題,感受到了研究過程的樂趣.這對學(xué)生的成長就是最大的財(cái)富.這也是丘成桐教授的初衷.丘獎(jiǎng)在國內(nèi)還是一個(gè)新生事物,相關(guān)人才的培養(yǎng)模式與教育價(jià)值還需要我們教育工作者去深入研究.

4 致謝

感謝丘成桐教授,為中學(xué)生提供了一個(gè)全新的平臺(tái). 感謝南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院陸建隆教授的修改建議. 感謝陶洪教授,王思慧教授,呂建校長,張華老師等人的支持與幫助.

參考文獻(xiàn)：

1 英特爾科學(xué)與工程獎(jiǎng),https://student.societyforscience.org/intel-isef/.

2 丘成桐中學(xué)科學(xué)獎(jiǎng),http://www.yau-awards.science/.

3 IYPT,全稱“國際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽”,http://www.iypt.org/.

4 一個(gè)開源的運(yùn)動(dòng)視頻分析軟件,http://physlets.org/tracker/.

5 American Journal of Physics,http://aapt.scitation.org/journal/ajp/.

6 The Physics Teacher,http://aapt.scitation.org/journal/pte/.

7 European Journal of Physics,http://iopscience.iop.org/.

8 Physics Education,http://iopscience.iop.org/.

9 C A Middleton. The 2D surfaces that generate Newtonian and general relativistic orbits with smallEccentricities[J], American Journal of Physics, 2015, 83(7): 608-615.

10 J Su, W Wang, et.al, Visualization of gravitational potential wells using 3D printing technology[J], American Journal of Physics, 2016, 84(12): 943-947.

11 M Lu, J Su et.al, Visualisation of Kepler’s laws of planetary motion[J], Physics Education, 2017, 52(2): 025006.