近10年國內PT系列競賽相關研究的發展與現狀

張 楠 趙蕓赫 馬宇翰 徐明輝

（1.復旦大學高等教育研究所，上海 200433；2.首都師范大學附屬中學，北京 100048；3.中國工程物理研究院研究生院，北京 100193；4.山東大學計算機科學與技術學院，山東 青島 266237）

國際青年物理學家競賽（International Young Physicists' Tournament，簡稱IYPT）是由蘇聯于1988年發起的以團隊對抗為形式的中學生創新型物理競賽.2008年，中國隊首次參加在克羅地亞舉辦的第21屆IYPT.兩年后，第一屆中國大學生物理學術競賽（China Undergraduate Physics Tournament，簡稱CUPT）于2010年在南開大學成功舉辦.［1］自PT系列競賽首次進入中國，眾多高校及省市積極借鑒IYPT和CUPT的競賽模式，開展各類地區性賽事，PT系列競賽的影響力不斷擴大，其教育功能也備受關注.

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2020）》中指出，應當全面提高學生綜合素質、積極開展研究性學習、培養新時代創新人才.［2］區別于傳統物理競賽，PT系列競賽更注重對學生綜合能力的培養，同時由PT競賽引發的中學IYPT選修課程、［3］大學物理研究性實驗課程［4］等新型教學活動不僅可以提高競賽水平、改進競賽教學質量；更重要的是，PT系列競賽能夠啟發傳統物理課堂教學，探索依托于競賽的校本課程開發，提高學生學習的主動性和積極性，培養學生長期發展的能力，進而推動物理教學改革，是實現創新人才培養的有效途徑.［5］因此，開展針對PT系列競賽的研究是有必要的.PT系列競賽進入中國10余年，已形成主題分明的研究體系，但還缺乏針對PT系列競賽研究的全面綜述與系統分析.圍繞這一研究領域的綜述分析，能夠在厘清目前該領域的核心主題和發展趨勢的基礎上，進一步促進基于PT系列競賽的教育教學研究，為大學和中學的物理教學改革深化提供參考，以推動新時期創新人才培養的進程.

據此，本研究選擇近10年來（2009—2020年）國內物理及物理教學類相關期刊中與PT系列競賽相關的論文進行質性與量化分析：在中國知網數據庫（CNKI）中對IYPT、CUPT、CYPT、PT、物理學術競賽、青年物理學家競賽6個關鍵詞進行檢索，總計檢索出論文226篇.隨后從年度數量、作者單位、作者屬地、研究主題、期刊分布等維度對這些文章進行統計分析，揭示國內PT系列競賽研究現狀、梳理研究主題與熱點、探討可能的發展趨勢.

1 國內PT競賽的歷史沿革

國際青年物理學家競賽由蘇聯于1988年發起，最初由南開大學引進國內.［6］如圖1所示，經過10余年的發展，目前國內已經形成跨越中學、大學、研究生3階段、涵蓋全國—區域—省市—學校不同層次的系列性賽事.CUPT國賽、CUPT區域賽、CYPT參賽隊伍數量的年份變化趨勢在圖2中給出.可見，PT系列競賽在國內具有起步晚、發展快、覆蓋面廣的特點.

圖1 PT系列競賽發展時間線

圖2 CUPT國賽、CUPT區域賽、CYPT參賽隊伍數量隨年份變化圖

2 PT系列競賽的相關研究現狀

2.1 研究論文的時間分布

自2008年中國隊首次參與IYPT，國內開始進行針對PT系列競賽的研究.近10年，226篇PT系列競賽研究論文的發表數量時間分布如圖3所示，呈現整體上升趨勢.這是因為隨著PT系列競賽的影響力不斷擴大，參賽隊伍數量增加，該領域的研究熱度呈上升趨勢.值得一提的是，2015—2016年論文增幅最大（16篇），這與CUPT國賽隊伍數量變化趨勢一致，在2015到2016年期間，國賽參賽隊伍增幅為16支，是近年來最大增幅.

圖3 PT系列競賽相關研究的論文數量時間分布

2.2 作者單位分布

本研究將作者單位劃分為中學、高校及高校—中學合作3類，其數量分布如圖4所示.可以看出，高校研究者所占比重最大，約為73%，而高校—中學合作單位發表的論文數量最少，占比不到9%.

區別于CPHO相關研究的主體是中學教師，［7］PT系列競賽研究的主體是高校師生，其次是中學研究者.這可能是由如下兩個原因導致的：其一參加CUPT的高校隊伍數量遠大于CYPT的中學隊伍數量，高校參與師生人數更多；其次，PT系列競賽作為創新型競賽對學生和教師的科研能力提出了更高的要求.這一定程度上限制了中學在該類競賽上的研究.另外，高校與中學在PT系列競賽上的交流還處于初級階段，體現在其合作發表的論文占比最小.為了突破這一瓶頸，應當積極尋求高校—中學的合作研究與學習，以高校帶動中學參與競賽并進一步拓展PT系列競賽的相關研究，提高PT系列競賽在中學范圍內的影響力，實現高校—中學優勢互補.

2.3 研究論文的主題分布

根據文章內容，本文將其按照研究主題劃分為具體問題解決和基于PT系列競賽的課程與教學研究兩部分：具體問題解決是指對單一競賽題目的解決思路和方法的研究，PT系列競賽的課程與教學研究是指由競賽引發的課程設計或教學改進研究.

這兩個主題的研究論文數量的時間分布如圖3所示，總體呈上升趨勢.在2015年以前，PT系列競賽雖然在發展中，但是研究者對題目還沒有進行深入挖掘.2015年后，對具體問題進行研究的論文數量才有了顯著增長.自2014年CUPT競賽被列入中國物理學會物理教學指導委員會工作計劃中，更多的研究者開始注重PT競賽的教育功能，有關課程與教學研究的論文數量也有了明顯的上升趨勢.這反映出完善的政策對教學改革的實施具有推進作用.

如圖5（a）所示.在226篇論文中，具體問題解決的論文117篇（51.8%），課程與教學研究類論文109篇（48.2%），兩類論文數量的比例基本持平.這與發展更成熟的全國中學生物理奧林匹克競賽（Chinese Physics Olympiad，CPHO）吸引的研究側重點不同.文獻［7］對2008年－2017年間《物理教師》、《物理教學》中的252篇有關CPHO的研究類論文進行統計分類，其中229篇是針對競賽題目的解法研究，占總數的90.9%；有關競賽教學研究的論文數量有23篇，僅占9.1%，如圖5（b）所示.這說明PT系列競賽對課程與教學的影響更為廣泛，而CPHO相關研究更多關注某一個具體競賽題目的解答步驟與方法.從發展的角度來看，未來PT系列競賽對高校與中學物理教學可能具有更強的啟發和引領作用.

圖5

IYPT的賽題本身就具有很高的研究價值.組委會每年會從物理學的各個領域包括與其他學科的交叉領域選出17道開放性物理問題.比如IYPT2017的第5題“Leidenfrost Stars”：“萊頓弗羅斯特效應里面，一個水滴，可以在炙熱的表面上存在幾分鐘.在某些特殊的條件下，這樣的水滴會產生星形振動.請引入不同的振動模式，并且研究他們.”［8］這些題大多需要完整的理論建構到實驗驗證的過程，且不同學生完成題目的過程不盡相同.

有關PT競賽具體問題解決類論文來自于21種學術期刊.其中，按論文發表數排序前5名的期刊如圖6所示.這5份期刊共計發表具體問題解決類論文共92篇，占具體問題解決類論文總數的78.6%.發表在《物理實驗》雜志上的論文最多，為33篇，這表明研究者更側重從實驗的角度解決PT競賽問題.

圖6 具體問題解決類論文發表期刊分布（前5名）

以下，本文主要關注現階段基于PT系列競賽的課程與教學研究的主要方向，并詳細分析相關的研究熱點.

3 基于PT系列競賽的課程與教學研究

基于PT系列競賽的課程與教學研究論文共109篇，來自于37種學術期刊.按論文發表數排序，《物理教師》、《大學物理》、《物理與工程》、《物理實驗》、《物理教學》、《物理通報》、《大學物理實驗》和《物理教學探討》這8種期刊排在前列，總數占這一類所有論文數量的51.4%.其中，發表在《物理教師》雜志上的論文共11篇，說明PT系列競賽的模式與理念為物理課堂教學的反思與改革提供新思路.

圖7 課程與教學研究類論文發表期刊分布（前8名）

課程與教學研究包括競賽對學生培養的意義與作用、［9］基于 PT 的大學［10］和中學［11］課程教學模式探討、PT系列競賽的培訓組織經驗［12］以及基于競賽的大—中學生一體化培養研究［13］這5類主題，如表1.數量最多的是基于PT的中學課程與教學模式研究，共發表37篇論文，占樣本總量的33.9%.在大學階段進行PT系列競賽的課程與教學改革研究數量次之，也是相對較熱的研究方向.然而，盡管PT系列競賽是覆蓋大學、中學，甚至研究生的競賽活動，基于競賽的學生一體化培養研究還相對較少.下面，本文將對不同主題中的代表性工作進行簡述.

表1 基于PT系列競賽的課程與教學研究論文主題分布

3.1 PT系列競賽對學生培養的意義與作用

雖然PT系列競賽進入中國的時間較晚，但仍然能和奧林匹克物理競賽一樣成為目前最具影響力的物理競賽之一.這得益于PT系列競賽在學生培養中所發揮的積極作用.相比于傳統物理競賽，PT系列競賽的題目多為貼近實際、開放性的研究型問題，學生在研究過程中需和小組成員共同嘗試不同的實驗方案、討論實驗結果、調動開放性思維，這會提高學生的團隊協作、創新實踐、問題解決等能力.［14］同時，參加PT系列競賽還利于提升高校物理專業學生的專業興趣.［15］

《普通高中物理課程標準（實驗）》中明確了物理課程的總目標，包括：學生能運用科學思維方法解決實際問題；具有科學探究意識、設計探究方案和獲取證據的能力；具有交流的意愿與能力、主動與他人合作，并基于證據和邏輯發表自己的見解.區別于傳統課堂教學的學生培養模式，學生在解決PT問題時都需要經歷完整的科學探究過程，因此參與PT系列競賽是實現物理課程總目標的有效途徑.同時，在高中階段接觸PT系列競賽，能幫助學生轉變學習方式：由被動式學習轉向主動探究式學習，促進高中學習與大學學習接軌.［16］

3.2 基于PT系列競賽的大學課程與教學模式

CUPT是面向大學生層面的PT系列競賽，隨著各大高校的廣泛參與，一些高校研究者建議依托和借鑒CUPT進行大學物理課程與教學改革：一部分高校利用競賽的內容及題目作為拓展性課程的內容，比如西安交通大學［17］和華東理工大學［18］就將CUPT題目作為本科生科研訓練和實驗物理技術的作業題目，學生自由組隊并選擇有興趣的課題進行一學期的研究，通過查閱文獻資料、自行設計實驗方案進行實驗研究，最后撰寫研究報告并參與答辯.一部分高校借鑒PT系列競賽的答辯模式開展了大學物理實驗研究性探索，比如重慶大學物理學院［19］就以普通物理實驗教學內容為基礎，同時開放“測鈉光雙線波長差”等4個研究性實驗供學生選題，經過完整的自主研究過程，最后采用CUPT的模式開展答辯.實證結果表明，參與研究性實驗項目的班級表現顯著優于普通班級，這也意味著依托CUPT模式的大學物理實驗研究性學習能夠提高教學的成效.

此外，包括CUPT競賽在內的創新型競賽也促進了物理實驗教學基地的建設.例如，清華大學、［20］大連理工大學［21］等多所高校近年來都創建了面向本科生的創新實踐活動平臺.這些平臺為CUPT競賽提供實驗場地，鼓勵學生進行自主研究探索.

3.3 基于PT系列競賽的中學課程與教學模式

基于PT系列競賽的中學課程與教學模式探索共有37篇.本文按照各論文的第一作者所屬地進行統計，結果如圖8所示.可以看出，江蘇省和上海市的研究者占總數的87.2%.這一研究者所屬地集中的現象可能與江蘇和上海進入新課程改革的時間更長有關.然而，作為傳統的物理競賽強省——浙江省、湖南省并未出現在排名中，這說明傳統物理競賽的成績和水平與對PT系列競賽的關注程度并無直接關系.

圖8 基于PT系列競賽的中學課程與教學模式作者所屬地域分布

面向中學生的PT系列競賽主要是IYPT和CYPT.依托這兩個競賽進行的課程與教學研究受到了教育研究者和中學教師的重點關注.相關研究可以分為以下3個方面：（1）基于IYPT的高中校本課程設計與實踐，例如研究者以IYPT資源為基礎設計了研究型選修課程，給出了以培養學生創新能力、問題意識、合作交流能力為目的的培養方案.［22］（2）依托IYPT模式的探究式教學研究，比如將IYPT中的相關賽題引入到日常高中物理課堂教學中，拓展教學內容，促進學生的深度理解，引導學生進行探究性學習；［23，24］或者將IYPT的比賽模式引入日常教學，讓學生針對某一問題進行自主探究，并進行辯論形式的交流討論，激發學生的學習興趣.［25］（3）以IYPT為特色的高中物理課程基地建設，比如南京市金陵中學構建了以IYPT社團為核心的基地架構，開設“傳感器為載體的物化課程”特色課程.［26］

3.4 PT系列競賽的培訓與組織經驗

隨著PT系列競賽的規模不斷擴大，越來越多的中學和高校參與進來，PT系列競賽的培訓、參賽和組織經驗也逐漸成為研究熱點.

在PT系列競賽的培訓經驗方面，劉珊珊等針對近幾年競賽問題解決過程中可能出現的問題給出了解決策略的6個步驟：界定問題——表征問題——探究建模——因素分析——實驗驗證——談論反思，并且針對CUPT問題解決給出了建議解決模式，這種解決策略的系統歸納不僅能幫助學生解決PT類問題，也為教師進行競賽的指導與培訓提供參考.［27］

國防科技大學［28］和西安電子科技大學［29］等高校結合本校組織CUPT競賽的經驗，探究其競賽組織和后續人才培養工作模式.比如西安科技大學的研究者從學校選拔、省級競賽的縱向選拔和開放實驗室資源、發揮領隊作用的橫向培養兩

2020年，受新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）影響，幾乎所有的PT系列競賽改變了組織模式，由線下轉為線上.北京師范大學的李佳蓮等人分別從參賽者、裁判、志愿者和學校組織者的角度，對疫情時代的線上比賽的準備過程、賽況和組織模式進行了總結和討論.［31］

3.5 基于PT系列競賽的大—中學生一體化培養

自IYPT競賽引入中國以來，南開大學將PT在高中階段和研究生階段推行，包括CYPT和面向研究生的國際物理學家錦標賽（International Physics' Tournament，簡稱IPT），使得PT系列競賽成為覆蓋高中—本科—研究生3個階段的物理學術競賽.因此，PT系列競賽能加強大中學物理教育的銜接，幫助學生完成從高中階段的被動式學習向大學階段自主式學習的轉變.［32］

南開大學作為最早將PT競賽引入國內的高校，發起了CUPT和CYPT，并首先依托PT系列競賽，開展了貫穿大—中學物理教育的人才培養模式探索.南開大學物理學院的教研團隊基于學生特點和實驗室資源，開發了科研方法論、創新研究與訓練、PT學習物理新思路等物理學術競賽教學模式系列課程，并且建設了基于現代技術的主動學習教室.［33］在備賽階段，中學和大學可以互相觀摩研究問題的匯報、辯論，南開大學為不同學段的學生及教師交流提供了共享平臺.［34］這樣的一種相通相助、共建共享、互促互強的模式也促進了大中學物理教學的有效銜接.［35］

3.6 學位論文

除了中學教師和高校研究者對PT系列競賽開展了教學研究之外，部分在讀研究生也在導師指導下對基于PT競賽的教學模式改革與實踐進行了研究.從研究單位的分布來說，南京師范大學、［36］華東師 范大 學［37］和 上海 師 范大 學［38］是 主力.例如，南京師范大學教師教育學院的陸建隆教授課題組基于IYPT的競賽形式與內容，設計了物理實驗教學或綜合實踐活動.他們進一步以某一初中或高中為實踐校，進行案例教學，最后對教學及研究過程中的問題進行總結和思考.［39］

4 總結與展望

本文對近10年PT系列競賽相關研究的統計分析表明：隨著PT系列競賽的蓬勃發展，研究熱度明顯上升；具體問題解決和基于PT系列競賽的課程與教學研究這兩個研究主題分布均勻，比例持平；以師范類高校為首的大學是PT研究的主陣地；大學與中學在依托PT系列競賽進行新課程教學模式探索的基礎上，逐漸開始嘗試大中學生一體化培養模式的研究與建構.盡管PT系列競賽的研究有了快速發展，取得了很多研究成果，但還在以下方面存在較大的發展空間：

（1）現有的具體問題解決類研究視角單一.在對PT競賽的題目進行研究時，研究者多偏向于研究單個問題或由其引申的某一個物理現象的解決過程，少有對某一類問題的解決策略的探索.針對此問題，北京師范大學研究者趙蕓赫和劉珊珊［40］通過對歷年IYPT物理問題的歸納，基于科學研究方法，提出了CUPT問題解決策略，并針對探究性類物理問題提出了建議性解決模式.在未來，研究者應在PT問題解決策略研究方面進行持續聚焦，從“就題論題”的研究范式轉向深入進行系統的問題解決模式研究.

（2）在現有的基于PT系列競賽的相關研究，特別是課程與教學研究中，鮮有實證研究.目前，來自高校和中學的研究者依托IYPT的形式內容和競賽理念，設計了相關選修課程、新型課堂教學模式，少有研究者利用實證的方法檢驗其教學效果來直接證明PT系列競賽或由其引發的課程與教學改革能真正培養學生的綜合能力［41］，導致很多新模式因缺乏科學依據僅僅止步于構想層面，難以推廣并實踐.這也說明，推進PT系列競賽的實證研究是必然趨勢.

（3）PT系列競賽的相關研究地域性明顯，存在區域不均衡的特點.在基于PT系列競賽的課程與教學研究中，中學研究者主要集中在江蘇、上海兩個省份，而高校研究者的所屬地相對分散.這一方面是因為江蘇和上海是國內最先開始進行新課程改革的地區，PT系列競賽因其對學生綜合素質的培養符合新課程標準的理念；另一方面，區別于CUPT競賽每一年都由國內大學輪流承辦，CYPT競賽一直是由南開大學負責承辦，參賽中學的區域分布相對固化.本文建議CYPT競賽可以輪流地由全國范圍內的優秀中學與當地一流高校合作承辦，從而促進PT系列在中學內的傳播與發展.上海已優先在SYPT中進行了這樣的嘗試.

（4）研究者多來自高校，缺乏大學與中學的合作研究.從統計分析資料來看，高校研究者的人數比例最高，高校與中學合作研究論文的數量最少.然而，與高校合作研究的中學無論是在競賽組織還是基于PT系列競賽的研究中都具有更高的熱方面闡述了如何在目前的競賽規則下提高競賽水平.在中學層面，中國人民大學附屬中學積極舉辦校內競賽，開設相關研究課程，已經有了相當成熟的校內比賽組織、選拔機制.［30］情，因此為了打通高校研究與中學研究之間的壁壘，未來應積極開展高校與中學的合作研究與學習，在共同備賽的基礎上進一步拓展PT系列競賽的相關研究.

（5）有關如何加強大中學物理教育的銜接，一直是物理教育學界關注的重點問題.PT系列競賽作為輻射大學和高中的創新型競賽，重視學生對知識的應用以及創新實踐、團隊合作和解決問題的能力，因此是推進大中學物理教育銜接的有效途徑.目前，國內只有南開大學對推進大中學生能力培養一體化模式進行了理論層面的探索，還有一些高校和中學開展了實踐層面的合作：例如南京大學與省內中學共同組織青年物理學家友誼賽、［41］青島二中與中國海洋大學的聯合培育計劃等.［34］事實上，高校和中學都可利用當地資源，互相結對，共同探索拔尖創新人才的一體化培養，推動大學與中學物理教育的有效銜接.