物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽牽引下的大-中學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰f(xié)同培養(yǎng)探索

潘崇佩， 李川勇， 陳 靖， 陳宗強(qiáng)， 孔勇發(fā)

（南開大學(xué)a.基礎(chǔ)物理國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心；b.教務(wù)處，天津300071）

0 引 言

作為教育結(jié)構(gòu)中聯(lián)系緊密的兩個(gè)層次，大學(xué)教育與中學(xué)教育能否有效銜接，關(guān)系到兩者的培養(yǎng)目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)有機(jī)統(tǒng)一，并直接影響到育人效果。對(duì)于高校當(dāng)前的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)而言，其成功之處在于提供了一系列成熟的實(shí)驗(yàn)思想、方法和手段，在專業(yè)人才培養(yǎng)中展示出很強(qiáng)的公共性與基礎(chǔ)性［1］；然而在考量其與中等教育的銜接時(shí)，不難發(fā)現(xiàn)存在一些普遍性短板——低年級(jí)本科生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，動(dòng)手操作能力薄弱、接觸新實(shí)驗(yàn)時(shí)畏難情緒強(qiáng)烈、實(shí)驗(yàn)的興趣不高、機(jī)械模仿多于主動(dòng)思考［2］。這些情況在一定程度上反映了中學(xué)生升學(xué)后不能及時(shí)適應(yīng)實(shí)驗(yàn)課程的要求。究其原因，除了大-中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程在教學(xué)任務(wù)、評(píng)價(jià)機(jī)制等方面存在一定的制度性差異外，另一關(guān)鍵因素在于缺乏一個(gè)貫通大學(xué)-中學(xué)階段的學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰f(xié)同培養(yǎng)環(huán)境。在此背景下，如何落實(shí)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的系統(tǒng)培養(yǎng)觀念，創(chuàng)建大學(xué)-中學(xué)協(xié)同培養(yǎng)環(huán)境，以增強(qiáng)兩者之間的銜接性，成為一個(gè)值得關(guān)注的研究方向。

近年來興起的物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽，突破了大學(xué)生與中學(xué)生之間的認(rèn)知壁壘，為實(shí)現(xiàn)大-中學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ膮f(xié)同培養(yǎng)提供了一條有效路徑［3-5］。作為中學(xué)生與大學(xué)生接受系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的開端，物理實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)了大多數(shù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的共性，具有很強(qiáng)的基礎(chǔ)性和層次性；而這些特點(diǎn)在物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽中得到了良好傳承：首先，物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽的題目來源于生活，涵蓋了日常生活中力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和電學(xué)等各個(gè)方面［6-7］。學(xué)生利用身邊的材料和工具便可以開展實(shí)驗(yàn)。其次，物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽具有很強(qiáng)的開放性和包容性。針對(duì)每一道題目，中學(xué)生、大學(xué)生甚至研究生都可以基于自身的認(rèn)知與能力進(jìn)行深入探究。這為不同教育層次的學(xué)生彼此進(jìn)行交流學(xué)習(xí)，提供了統(tǒng)一的便利條件。

《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》強(qiáng)調(diào)，要樹立系統(tǒng)培養(yǎng)觀念，推進(jìn)中學(xué)、大學(xué)有機(jī)銜接；要注重知行統(tǒng)一，開發(fā)實(shí)踐課程和活動(dòng)課程，增強(qiáng)學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)的成效。鑒于此，我校基礎(chǔ)物理國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（以下簡(jiǎn)稱示范中心）以物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽為抓手，以實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)要求為指引，在實(shí)踐中不斷探究與物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽相融合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新策略，構(gòu)建適用于大-中學(xué)生的協(xié)同培養(yǎng)環(huán)境，推動(dòng)大-中學(xué)生實(shí)驗(yàn)水平共同提升。

1 物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽簡(jiǎn)介

物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽可追溯至上世紀(jì)80 年代莫斯科大學(xué)選拔優(yōu)秀學(xué)生的活動(dòng)，發(fā)展至今演變?yōu)閲?guó)際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽（International Young Physicists’Tournament，IYPT）。截至2019 年，IYPT 已成功舉辦32 屆，是當(dāng)今最具影響力的三大國(guó)際物理競(jìng)賽之一。參賽學(xué)生需以3 ～5 人組成團(tuán)隊(duì)，利用近1 年時(shí)間，就預(yù)先公布的17 道實(shí)際物理問題分工合作，進(jìn)行基本知識(shí)、理論分析、實(shí)驗(yàn)研究、結(jié)果討論等方面的準(zhǔn)備，最后進(jìn)行辯論性比賽。這種競(jìng)賽形式不僅可以鍛煉學(xué)生分析問題、解決問題的能力，還能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、團(tuán)隊(duì)合作精神、交流表達(dá)能力，使學(xué)生的知識(shí)、能力和素質(zhì)得到全面發(fā)展。

2008 年，IYPT 的競(jìng)賽形式首次進(jìn)入我國(guó)。經(jīng)過10余年發(fā)展，逐步形成了涵蓋全國(guó)-區(qū)域-省市-學(xué)校等不同層次的大學(xué)與中學(xué)系列性賽事［8］。在大學(xué)層面，全國(guó)性的“中國(guó)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽”（China Undergraduate Physics Tournament，CUPT）自2010 年發(fā)起，至今已成功舉辦10 屆；東北、華北、西北、華東、中南和西南等國(guó)內(nèi)6 大賽區(qū)，每年均舉行區(qū)域級(jí)別的物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽；多個(gè)省市以及幾十余所高校每年亦自發(fā)組織開展相應(yīng)的省賽、市賽或校賽。在中學(xué)層面，中國(guó)高中生物理創(chuàng)新競(jìng)賽（China Young Physicists’Tournament，CYPT）自2013 年由南開大學(xué)發(fā)起，目前已舉辦7 屆；江蘇、上海、山東等省市以及人大附中、南京外國(guó)語學(xué)校、北師大實(shí)驗(yàn)中學(xué)等許多知名高中，每年亦開展面向中學(xué)生的省賽、市賽或校賽。目前，每年有100 余所高校與普通高中參與到物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽的教學(xué)活動(dòng)中，參賽人數(shù)和影響力逐年上升。

物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽對(duì)于大-中學(xué)生培養(yǎng)的普適性，源于各類比賽均統(tǒng)一使用IYPT 賽題。這些題目由國(guó)際選題委員會(huì)經(jīng)嚴(yán)格篩選確定，確保最不發(fā)達(dá)地區(qū)的學(xué)生也能夠利用身邊器材進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)，探究物理原理。與此同時(shí)，這些題目還具有極強(qiáng)的開放性和豐富的內(nèi)涵，難度適宜，適合不同知識(shí)背景的學(xué)生進(jìn)行不同層次的探究與挖掘。以2019 年17 道賽題中的第5 題為例，題目描述為“當(dāng)一豎直水流進(jìn)入瓶子，聲音有可能隨之產(chǎn)生；隨著瓶子被填滿，聲音可能發(fā)生變化。要求探究不同因素對(duì)于聲音變化的影響”。對(duì)于中學(xué)生而言，可以利用中學(xué)物理的基礎(chǔ)知識(shí)，從聲音來源、聲音特性（響度、頻率、音色）等方面進(jìn)行探究；對(duì)于本科生來說，可以就腔體共振、流體力學(xué)等方面進(jìn)行更為深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究。每年競(jìng)賽均包含17 道不同賽題，其特點(diǎn)與上題類似，實(shí)驗(yàn)取材簡(jiǎn)單但可供探索的內(nèi)容十分豐富，涵蓋了力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)等生活中的常見開放性問題，為大-中學(xué)生等不同知識(shí)背景人群就同一實(shí)際物理問題進(jìn)行討論交流提供了平臺(tái)。

2 基于物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰f(xié)同培養(yǎng)

我校長(zhǎng)期開展面向大-中學(xué)生的物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽活動(dòng)，例如承辦第22 屆IYPT，組織發(fā)起第1 屆CUPT，每年舉辦校賽以及面向中學(xué)生的CYPT，選拔并培訓(xùn)IYPT中國(guó)國(guó)家隊(duì)等。在多年的實(shí)踐過程中，示范中心積累了豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，逐步發(fā)展起物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相融合的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)方案，并在推動(dòng)大-中學(xué)銜接方面取得了一定成效。

2.1 成果導(dǎo)向教育，貫穿實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)各個(gè)方面

實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Σ荒塥M隘地視同為動(dòng)手操作能力。根據(jù)2007 年教育部發(fā)布的大學(xué)物理基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求，實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?yīng)包括獨(dú)立實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、分析與研究的能力、理論聯(lián)系實(shí)際的能力以及創(chuàng)新能力等方面［9］。因此，對(duì)于實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ挠行囵B(yǎng)，必須是建立在這幾個(gè)方面之上的全方位培養(yǎng)。

傳統(tǒng)的大學(xué)-中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為主［10］。其劣勢(shì)在于：實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)論是既定不變的；教學(xué)過程中較少涉及學(xué)生自行查閱文獻(xiàn)、解決實(shí)際問題、針對(duì)前人工作進(jìn)行創(chuàng)新等環(huán)節(jié)，致使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性被削弱，教學(xué)效果不佳。

物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽為實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ娜媾囵B(yǎng)提供了新思路。它從本質(zhì)上符合OBE，即成果導(dǎo)向教育（Outcomes-based Education）理念［11-12］。學(xué)術(shù)競(jìng)賽的賽題對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)產(chǎn)出給出了具體的預(yù)期，從而倒推出學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)當(dāng)掌握的知識(shí)與能力。以2019 年賽題中的第16 題為例，題目描述為：“當(dāng)一個(gè)盛有液體（例如水）的容器垂直振動(dòng)時(shí)，液體中的氣泡可能不會(huì)上升，而是向下運(yùn)動(dòng)。探究這一現(xiàn)象”。針對(duì)這一特定的物理問題，任何實(shí)驗(yàn)教材都不會(huì)給出一套現(xiàn)成的解決方案。學(xué)生需要就題目的要求自行設(shè)計(jì)、優(yōu)化并完成實(shí)驗(yàn)。例如在本題中，為了實(shí)現(xiàn)容器的垂直振動(dòng)，學(xué)生便需要對(duì)常用機(jī)械振動(dòng)臺(tái)的原理及操作方式進(jìn)行學(xué)習(xí)。

作為實(shí)踐OBE理念的重要載體，示范中心相繼開設(shè)了IYPT-學(xué)習(xí)物理新思路、物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)等本科實(shí)驗(yàn)類課程。此外，示范中心每周定期開放實(shí)驗(yàn)室，為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所以及基本的實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器，學(xué)生提前預(yù)約即可使用。利用暑假前的小學(xué)期，學(xué)生可以選擇參加為期4 周的系列實(shí)驗(yàn)課，在指導(dǎo)教師的安排下集中完成某一賽題的實(shí)驗(yàn)研究。除在校學(xué)生外，實(shí)驗(yàn)室開放活動(dòng)吸引了很多對(duì)物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽感興趣的中學(xué)生來到實(shí)驗(yàn)室。高中生與本科生就同一題目進(jìn)行討論并合作開展實(shí)驗(yàn)，展示出基于物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)由大學(xué)向中學(xué)傳播的輻射作用。

2.2 朋輩互助為主，教師指導(dǎo)為輔

物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽所涉及的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具有很強(qiáng)的開放性，這對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法而言是一個(gè)挑戰(zhàn)。一方面，這些題目不存在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)方案，任何團(tuán)隊(duì)都可以根據(jù)自己的思路與實(shí)驗(yàn)條件，選擇器材、搭建系統(tǒng)、進(jìn)行研究，指導(dǎo)教師不應(yīng)當(dāng)強(qiáng)制學(xué)生采用某一特定方案；另一方面，學(xué)生不僅有意愿參與示范中心開設(shè)的IYPT-學(xué)習(xí)物理新思路、物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)等課程，更多時(shí)間則是在課堂外（例如預(yù)約的實(shí)驗(yàn)室中）自行進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這種課上-課下串聯(lián)、教學(xué)空間不斷延展的新趨勢(shì)，使得教師講授、學(xué)生操作的傳統(tǒng)課堂模式不再完全適用?；谶@些變化，示范中心在物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽的教學(xué)活動(dòng)中推行朋輩互助為主、教師指導(dǎo)為輔的建構(gòu)主義策略，使學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中的主體地位得以保證［13-14］。

（1）專題授課，學(xué)生主講。授課教師邀請(qǐng)?jiān)鴧⑴c往屆競(jìng)賽的高年級(jí)學(xué)生作為朋輩講師，就某些通用的實(shí)驗(yàn)專題為低年級(jí)選課學(xué)生講授。常見的專題包括測(cè)量?jī)x器的使用方法、數(shù)據(jù)處理、誤差處理等。教學(xué)活動(dòng)中的授課主體與聽課主體均是學(xué)生；教師不再作為知識(shí)的灌輸者，而只是起到從旁輔助的作用，通過有針對(duì)性地設(shè)計(jì)專題、適時(shí)地拋出思考題、把控課堂中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，從而高效地引導(dǎo)講者與聽眾互促互學(xué)。

（2）社團(tuán)引領(lǐng)，支援課外。社團(tuán)活動(dòng)作為課堂教學(xué)的重要補(bǔ)充，在學(xué)生的課外教育中發(fā)揮著重要作用［15-16］。在此背景下，往屆學(xué)術(shù)競(jìng)賽的參與者自發(fā)組成了校內(nèi)學(xué)術(shù)團(tuán)體“思辨社”，體現(xiàn)了高年級(jí)學(xué)生對(duì)于物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽的認(rèn)同感。示范中心的教師定期聯(lián)絡(luò)團(tuán)員，通過開展社團(tuán)活動(dòng)，將思辨社“傳幫帶”的作用惠及更多學(xué)生。對(duì)學(xué)術(shù)競(jìng)賽感興趣的每個(gè)團(tuán)隊(duì)或?qū)W生個(gè)體，都能夠找到對(duì)應(yīng)的社團(tuán)成員作為朋輩導(dǎo)師，參加包括文獻(xiàn)交流會(huì)、宿舍面對(duì)面、方案討論會(huì)等在內(nèi)的各項(xiàng)活動(dòng)。通過“教師引導(dǎo)、社團(tuán)輻射、學(xué)生互促”的服務(wù)學(xué)習(xí)形式，達(dá)到跨年級(jí)本科生協(xié)同培養(yǎng)的效果。

（3）集中備賽，銜接中學(xué)。每年7 ～8 月份，是IYPT與CUPT 的集中備賽時(shí)間。在近1 個(gè)月的時(shí)間里，參與備賽的大學(xué)生與中學(xué)生共享實(shí)驗(yàn)室，就各自的實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行面對(duì)面的深入探討。通過大-中學(xué)生間的交流，將朋輩互助的教學(xué)理念延展至中學(xué)領(lǐng)域，切實(shí)增強(qiáng)大學(xué)與中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)的協(xié)同性。

2.3 以賽促學(xué)，以賽促教

比賽是實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)效果的試金石，也是大-中學(xué)生實(shí)驗(yàn)水平加速提升的助推器。學(xué)校每年面向在校本科生舉辦校賽以及面向全國(guó)中學(xué)生舉辦CYPT。這些比賽很好地體現(xiàn)了“以賽促學(xué)、以賽促教”的特點(diǎn)。具體地說：

（1）在競(jìng)賽形式方面。物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽以辯論賽的形式進(jìn)行，一場(chǎng)比賽中存在正方、反方和評(píng)論方3 種角色。3 支隊(duì)伍需要分別擔(dān)任這些角色，并就同一個(gè)物理問題進(jìn)行陳述及交流。對(duì)于中學(xué)生而言，通過比賽能夠初步感受由知識(shí)性學(xué)習(xí)至研究性學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變過程。對(duì)于大學(xué)生而言，通過比賽能夠增強(qiáng)專業(yè)認(rèn)知，學(xué)會(huì)從不同角度理解自身工作的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于帶隊(duì)教師而言，通過學(xué)生間的切磋交流，教師能夠精準(zhǔn)地獲知學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ谋∪踔?，為以后的針?duì)性教學(xué)提供標(biāo)靶。

（2）在競(jìng)賽氛圍方面。物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽匯集了本校以及來自全國(guó)高中的眾多參賽隊(duì)伍。每一道賽題都形成了極為豐富的實(shí)驗(yàn)方案庫。通過參加競(jìng)賽，大-中學(xué)生能夠就不同案例的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)與同齡人進(jìn)行交流、辨析與碰撞，激發(fā)起后續(xù)學(xué)習(xí)的興趣；而不同中學(xué)帶隊(duì)教師間彼此學(xué)習(xí)，能夠從其他學(xué)校的教學(xué)活動(dòng)中汲取經(jīng)驗(yàn)，從而提升自身的教學(xué)水平。

（3）在競(jìng)賽人員方面。物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽鼓勵(lì)不同知識(shí)背景的學(xué)生自由組隊(duì)，支持跨年級(jí)的物理專業(yè)人才培養(yǎng)。在本校開展的面向中學(xué)生的CYPT 比賽中，每個(gè)賽場(chǎng)均配有一名富有比賽經(jīng)驗(yàn)的本科生作為評(píng)委，從朋輩角度出發(fā)，對(duì)比賽中出現(xiàn)的物理理論與實(shí)驗(yàn)方面的不足之處進(jìn)行點(diǎn)評(píng)與建議。物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽可視為一種廣義的教學(xué)活動(dòng)，其過程涉及大學(xué)生、中學(xué)生和教師等各個(gè)角色，能夠有效實(shí)現(xiàn)學(xué)生互動(dòng)與師生互動(dòng)，在大-中學(xué)銜接方面展示出一定成效。

3 結(jié) 語

針對(duì)大學(xué)與中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中普遍存在的銜接性不強(qiáng)、協(xié)同培養(yǎng)不足的問題，提出基于物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽的大-中學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰f(xié)同培養(yǎng)方案。以物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)的各項(xiàng)要求作為指引，將OBE理念貫穿于實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)的各個(gè)方面，采取朋輩互助為主、教師指導(dǎo)為輔的靈活教學(xué)策略，以賽促學(xué)，以賽促教，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式的弊端，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性，切實(shí)推動(dòng)了大學(xué)與中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效銜接。相關(guān)教學(xué)成果曾獲得2018 年高等教育國(guó)家級(jí)教學(xué)成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1 項(xiàng)、天津市級(jí)教學(xué)成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1 項(xiàng)。