基于丘成桐中學物理獎培養高中生學術潛質的實踐探索

蘇 俊 王維國

(江蘇省海安高級中學,江蘇 南通 226600)

“英特爾科學與工程獎(Intel ISEF)”是美國面向中學生的著名科學獎項,在全美具有較高的影響力,1934年創設至今培養了大量科技精英和12名諾貝爾獎獲得者.[1]為創設中國的“英特爾科學與工程獎”,國際著名數學大師、菲爾茲獎獲得者丘成桐教授設立了丘成桐中學科學獎,[2]每年由清華大學承辦競賽活動,泰康人壽董事長陳東升先生等社會人士提供了資金支持. 丘成桐中學科學獎(下面簡稱“丘獎”)邀請國際知名科學家擔任評委,參賽對象為全球華人高中生,設立數學獎、物理獎、化學獎、生物獎、計算機獎. 截至2017年,數學獎已舉辦9屆,物理獎舉辦5屆,化學獎與生物獎舉辦了2屆,計算機獎舉辦了1屆. 丘獎已經納入清華大學自主招生“拔尖計劃”,隨著影響力與規格的提升,吸引了越來越多海內外中學生的參與.

丘成桐中學物理獎分為中國南部賽區、中國北部賽區和海外賽區.要求參賽團隊(每個團隊不超過3人)自定一個物理研究課題,在當年9月初提交研究報告.組委會先在各個賽區進行評審,10月份公布入圍分賽區決賽名單,其中南部與北部賽區各約12個團隊入圍.經過分賽區中文答辯共選出約14個團隊參加全國總決賽,未入圍全國總決賽的團隊將會獲得分賽區獎. 全國總決賽于12月中旬在清華大學舉行,參賽同學需提交英文論文,進行英文答辯,最終評審出金獎1名,銀獎1名,銅獎3名,優勝獎5名,入圍獎4名,其中前10名團隊會獲得一定的獎金,并有機會參加清華大學自主招生面試,2013—2015年共有15名學生獲得清華大學自主招生資格.[2]其他學科的參賽流程大致如此. 經過多年發展,已有不少參加過丘獎的學生進入清華大學、哈佛大學等國內外著名高校深造. 2015年共270個團隊參加物理獎,2016年共227個團隊參加物理獎,我校參賽團隊均進入了全國總決賽,2015年獲得入圍獎(全國第12名),2016年獲得優勝獎(全國第8名).

1 中學生物理學術研究類競賽

目前國內面向中學生的物理學術研究類競賽主要有兩種,國際青年物理學家錦標賽(IYPT)[3]與丘成桐中學物理獎.IYPT競賽由國際競賽組委會每年公布17個開放性課題,參賽學生從理論和實驗上進行研究,比賽采用團隊辯論對抗的形式進行.IYPT自2007年由南開大學引入國內以來,吸引了越來越多物理教育工作者的關注,眾多省市開展了中學生IYPT競賽活動,例如全國中學生物理學術競賽(CYPT,南開大學組辦)、江蘇省中學生物理學術創新競賽(JSYPT,江蘇省物理學會組辦)、上海市中學生物理學術競賽、北京市中學生物理學術競賽等．此外,還有眾多高校開展了IYPT競賽活動,例如全國大學生物理學術競賽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年設立丘成桐中學物理獎,至今已舉辦了5屆,與IYPT競賽不同的是,丘成桐中學物理獎不給定課題,而是參賽學生自定課題,參賽者從理論和實驗上研究相關課題,寫出研究報告,后續要進行中文和英文答辯.自2007年IYPT引入國內以來已有眾多IYPT競賽相關的教育研究工作,但是丘成桐中學物理獎競賽相關的教育研究工作卻并不多見.我們指導學生連續參加了2015年與2016年的物理獎比賽,以下簡要分享指導丘成桐物理獎的點滴經驗,希望給有興趣的教師與學生提供一些幫助.

2 物理獎項目輔導的5大環節

2.1 引導有能力、有激情學生參與

參加物理獎本身就是物理小科研,需要參賽學生去學習與思考很多課本上沒有的知識,要求參賽者具備較強的學習能力與物理素養.興趣是最好的老師,參賽學生要真正對物理研究充滿興趣,并且具備良好的學習能力、動手能力、英文表達能力.

2.2 培養學生掌握基本的研究技能

除了課本知識,多數中學生對如何開展研究知之甚少,這需要教師指導學生學習一些新知識與研究技能.多數 IYPT課題只涉及普通物理知識,IYPT課題的研究方法會給物理獎參賽提供很多幫助,參賽者會學到很多科研小技能,例如學會使用計算與繪圖軟件Mathemaica或Matlab,使用視頻運動分析軟件Video Tracker Analysis等.[4]物理獎需要提交研究論文,如果進入總決賽需要提交英文論文,而多數中學生對論文的認識幾乎空白,因此指導教師輔導學生閱讀一些普通物理論文是非常有必要的. 指導教師需要為學生在漫無邊際的論文中挑選合適的論文,首先,我們建議參賽同學去閱讀丘成桐中學科學獎官網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生選了什么課題,做了什么研究,用了什么方法,從中會得到很多有益的啟發;其次,我們推薦美國物理教師協會(AAPT)的《美國物理學雜志》(American Journal of Physics)與《物理教師》(The Physics Teacher)雜志,[5,6]還有英國物理學會(IOP)的《歐洲物理學學報》(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常有一些新穎有趣的實驗與理論研究.從這這些雜志中可以挑選出很多符合中學生物理認識水平的論文. 通過輔導學生閱讀這些論文,學生可以了解到別人在做什么、怎樣做,從中學到很多新穎的實驗與理論方法.

2.3 論文的選題

愛因斯坦說過,“提出一個問題比解決一個問題更重要”.這句話耳熟能詳,當要進行選題時才能體會到愛因斯坦真正要表達的意思. 選題是整個物理獎研究過程中比較大的困難,選一個恰當的課題非常重要. 如果選的課題太難,會超出中學生的認識范圍;如果選的課題太常見,或許別人已經研究過. 我們鼓勵學生充分發揮想象力,搜羅生活中有趣的物理現象,并通過百度學術、谷歌學術等搜索引擎進行文獻調研,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學生閱讀,參賽學生通過閱讀這些論文也會積淀很多想法,這些想法也可以是選題的來源.

我們2015年參加物理獎的課題源于輔導學生閱讀《美國物理學雜志》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動問題.筆者指導的研究小組查閱了這篇論文的引用文獻,發現之前也有一些從理論上討論引力勢阱的論文,卻沒有發現從實驗上進行引力勢阱研究的工作. 3D打印技術可以打印出任何符合數學表達式的模型,于是筆者指導的研究小組用Mathematica將三維函數畫出,生成3D打印文件,利用3D打印機打出引力勢阱,從實驗上成功地呈現了理論. 后來,筆者指導的研究小組對這個方法進行了拓展研究,陸續在國際物理教育雜志發表了兩篇研究論文,其中一篇發表在著名物理教育SCI雜志《美國物理學雜志》,[10]另一篇發表在英國物理學會的《物理教育》.[11]2016年物理獎課題則源于一個學生的想法: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. 經過前期的大量文獻調研,發現是一種物理不穩定機制在發揮作用,由此筆者指導學生學習了流體物理的一些基本知識,并進行了各種實驗,實驗發現了一些新奇的實驗規律,開展了詳細的理論與實驗研究.

2.4 課題的開展案例與剖析

在課題研究的過程中,教師需要引導學生來研讀一些文獻,設計實驗,更需要引導學生去思考和解決問題．在參加2015年物理獎的過程中,筆者指導的研究小組用3D打印機打印出了一個引力勢阱,由于3D打印的實物表面比較粗糙,小球在上面的運動效果不理想．學生嘗試使用拋光液、打磨等方法來使得勢阱表面光滑,但是效果始終不理想．偶然的機會,一個學生父親的車發生了剮蹭事故,車被拖到了汽車修理店做烤漆,這個學生突然有了想法,能否將引力勢阱實物表面做上烤漆來使得表面光滑. 于是嘗試做了烤漆,讓大家驚喜的是實驗效果非常好.愛因斯坦說,“如果我們知道需要做什么,那就不叫研究”.帶學生的研究過程中經歷了很多周折后才意識到研究的魅力所在,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 丘獎項目研究的指導對中學教師的新要求以及指導策略

指導教師在課題研究過程中扮演什么角色?與高校的研究生比,中學生知識儲備缺乏,以及有限的空余時間,這就需要指導教師輔導學生學習一些基本的研究方法,研讀一些文獻資料. 另外指導教師要具備基本的物理科研素質,同時也需要有較強的責任心.

每年入圍全國總決賽的團隊絕大多數來自一線城市的重點中學,很多參賽團隊指導教師來自高校．相比之下,其他地區的中學生由于地方教育資源的限制不能得到有效的指導. 這些困境在一定程度上可以克服. 首先,物理獎重點是鍛煉學生的創造力、研究能力,參賽的多數課題局限于普通物理中的力學、電磁學,并不需要高端的實驗儀器,也不需要高深的物理理論. 其次,不同于傳統大課堂開展的實驗,研究丘獎課題不需要批量采購實驗器材,而是實驗需要什么再準備什么,有較強的針對性和很好的自由度,課題研究在實驗方面對多數中學不會有太大的障礙.

3 丘獎對中學生學術潛質培養的作用

“英特爾科學與工程獎”經過80多年的發展與積淀被證明是成功的,為美國培養了大批科技精英,受到了美國社會的認可與贊譽.丘成桐教授創立的“丘成桐中學科學獎”也是同樣的定位,借鑒“英特爾科學與工程獎”的組織與選拔模式,舍棄試卷與標準答案,讓學生參與科學研究,激發全球華人中學生對科研的興趣與創造力,發掘并培養有前途的年輕科學人才.

我們連續參加了兩屆物理獎競賽,對此感觸頗深.不同于傳統的物理考試或者奧賽,物理獎需要學生在教師指導下完成一個課題研究,寫出研究報告.在研究過程中學生可以真切體會到尋求“未知答案”煎熬與樂趣,在解決課題困難的過程中,激發他們的靈感與創造力;通過繁雜的實驗、數據分析、理論計算等,培養他們的團隊協作能力.

我們參加了兩屆丘獎,初步積累了些許參賽經驗,筆者希望本文能對有熱情參與丘獎的教師與學生提供幫助. 其實,真正能入圍總決賽的團隊是極少數,但是培養有科學潛能的學生開展課題研究并不是為了獲獎,學生在開展研究的過程中,懂得了科研流程,學到更多課本上沒有的知識,思考了別人沒有想過的問題,感受到了研究過程的樂趣.這對學生的成長就是最大的財富.這也是丘成桐教授的初衷.丘獎在國內還是一個新生事物,相關人才的培養模式與教育價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,為中學生提供了一個全新的平臺. 感謝南京師范大學教師教育學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：

1 英特爾科學與工程獎,https://student.societyforscience.org/intel-isef/.

2 丘成桐中學科學獎,http://www.yau-awards.science/.

3 IYPT,全稱“國際青年物理學家錦標賽”,http://www.iypt.org/.

4 一個開源的運動視頻分析軟件,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.