競賽方法論: 開放性題目與探索創新能力培養

摘 要 全國大學生物理實驗競賽（創新）是拉動教育改革和教學質量提升的重要舉措，是檢驗學生科學素養、促進創新能力提升的良好載體。本文解析了物理實驗競賽之主題———開放性題目的特點和意義，提出競賽的總體目標應是通過開放性題目的實驗研究獲得“三新”（新發現、新技術、新工具），概要論述了獲取“三新”成果應把握和關注的“要素”“關節點”，闡述了組織學生參賽過程中“選人”與“選題”應遵循的基本原則和工作思路，并結合實際提出了參賽學生培訓的幾個基本方略，供實驗教學與參賽師生參考。

關鍵詞 物理實驗;競賽;方略;創新能力培養;開放性題目;新發現;新技術;新工具

近年來，高等學校國家級實驗教學示范中心聯席會、教育部高等學校大學物理課程教學指導委員會等部門倡導主辦的全國（及大區、省、校）大學生物理實驗競賽（創新）越來越受到廣大師生的關注，參賽人員、競賽規模和影響力越來越大。這一競賽活動不僅增強了大學物理實驗的吸引力，更因其以開放性題目[1]為主的特點促進了人才科學素養的培養和實驗教學質量的提高。

筆者認為，更好地組織學生參加競賽，并借以提高人才培養質量，必須從開放性題目的特點和意義出發，在實驗教學、競賽組織各個環節上下足功夫，深入研究影響人才成長的各個因素，更好地把握創新人才成長和教育培訓規律。只有這樣，才能使實驗教學和競賽活動中的科學素養培養（養成）更為有效，為國家現代化建設培養和輸送更多高素質人才。

1 開放性題目的特點、意義和創新關節點

1.1 開放性題目的特點

物理實驗競賽所給題目都比較接近生產、生活實際，看似簡單卻又不像一般的教學題目那樣有經典（現成）的實驗模式和儀器，大多涉及多個學科或學科分支。如：設計制作一種支持物理實驗的變溫裝置（2020，全國，命題類）、黏滯系數測量（2021，全國，命題類），實驗儀器制作、改進（自選類，全國、各年）。

并且，對于多數競賽題目，采取不同的實驗路徑、方法，或者內部參數、外部條件稍有改變，都可能導致實驗現象或結果上的較大差異，需要認真進行分辨，逐一研究和探索。如：冰的導熱系數（2022，全國，命題類），復雜結構的衍射與干涉（2023，全國，命題類）。

具體來說，開放性（競賽）題目主要有以下四個特點。

（1） 實驗內容、結果開放性，無現成結論、無標準答案;

（2） 運動形式比較復雜（多樣、可變），遵循的物質運動變化規律不明顯，不能用某一物理定律直接進行解答;

（3） 許多題目具有邊緣性、交叉性，涉及多學科（分支）知識，需要自主設計實驗程序、方法，研發儀器設備;

（4） 貼近自然、貼近生產生活實際，或居于科技前沿，應用價值（潛力）大。

1.2 開放性題目研究的意義

在人類科學探索與技術發展歷史上，大到開普勒行星運動三定律的發現，以及電磁感應、放射性、半導體的性質及應用，小到x光、偏振等的發現與應用，都是開放性研究與探索的結果。應該承認，凡是探索未知的題目（課題）都是開放性的。沒有開放性題目的設立與研究，就沒有科學理論的進步和技術上的創新。歸納起來，開放性題目研究的意義（亦即其總體要求和目標）有以下四點。

（1） 在理論層面，開放性題目的研究能觸發科學探索，促進自然規律的發現及驗證（證實或證偽）;

（2） 在技術層面，開放性題目的研究能促進技術發明和實用工具（儀器設備）創制;

（3） 在人才培養層面，開放性題目的研究能激發好奇心和研究、探索興趣，拉動自主解決實際問題能力和創新能力提升;

（4） 在競賽層面，開放性題目的研究能促使學生重視實踐性學習、應用性探索，相信學而有用，明確學習目標，提高學習熱情，改進學習態度和方法，促進學習質量提升，以及取得好的成績和名次等。

1.3 開放性題目研究的創新內涵和關節點

開放性題目研究的具體成果（創新內涵）應體現為新發現、新技術、新工具（簡稱“三新”）。實現“三新”的物質（條件）要素、方法（路徑）要素，以及理論判斷（思維邏輯與推導）因由（包括假設），應視為創新（突破）的關節點。這些關節點很可能就是打開創新之門的“鑰匙”。找準關節點，精耕細作并有所收獲（即新發現、新技術、新工具），就是真實而有價值的創新。

對在校本科生來說，通過學習研究和實驗探索，無論在理論層面還是實用技術層面，只要能有一點新發現（新觀點）、建構一種新技術（新方法）、制作出某種新工具（新產品、新功能），都是莫大的成就。

結合教學、科研和組織學生參加競賽的實踐，筆者認為：

（1） 新發現（新觀點）應包括但不限于：

① 對物理過程底層邏輯（理論）和架構的思考;

② 對物理現象的解讀與判斷;

③ 現象與條件的關系，及其可控性等的研討;

④ 工程技術（工具）上的實用性判定與邏輯上的普適性判斷。

（2） 新技術（新方法）應包括但不限于：

① 外部條件控制，如溫度、濕度、電磁場強度、壓強（真空）、媒質與介質等條件的變化與控制;

② 內部因素控制，如材料及配比、濃度、電壓、粒子聚焦與掃描;

③ 工藝、程序的改變與調整，如先后順序變更、時長控制。

（3） 新工具（新產品、新功能）應包括但不限于：

① 產品、樣品，實用器具;

② 新物質或新功能，如軟硬度、柔韌性、密度（功能密度比）、導電性、導磁性、理化耐性（冷、熱、酸、堿）;

③ 信號的發射、接收感知、測定、記錄與存儲、放大;

④ 能量轉換與交換、傳導、存儲;

⑤ 自然條件的應用。

2 選人、選題與培訓指導的目標與思路

古人有言“取法乎上，僅得其中;取法其中，僅得其下”。意思是，即使選擇了較高級的目標和方法，最后仍有可能只得到中等的結果;而如果選擇中等目標方法，最后可能只達到低等的結果。我們想問題、做事情，只有放寬視野，確立更高的目標，采取更先進的方法（工具、路徑）才能取得更加令人滿意的成果。組織學生競賽也是一樣。

2.1 應確立的根本目標

結合實際工作經驗，筆者認為，在參賽學生的選拔、培訓和指導過程中，應貫徹黨的教育方針，確立下面兩個根本目標和原則：

一是激發潛能，培養探索創新能力。激發研究創新潛能，是學生投身題目研究與探索，并在科學素養上有所進益，在競賽中取得良好成績的必備條件。

二是樹人與立德并重。堅持立德樹人，注重正確世界觀、價值觀和科學倫理的培養與強化，對學生人生道路和事業發展都是十分重要，不能忽視、不可偏廢。

2.2 選人的重要性和基本原則

首先，應樹立“選人第一”思想。欲建非常之功，必有非常之人。在組織競賽過程中，與“選題”和“培訓”相比，“選人”更為重要。應盡可能地把頂尖人才選拔出來，吸引和激勵他們參加競賽，并對他們進行強化訓練、拔高培養。因為：這是物理（實驗）在科學技術中的重要基礎和前導地位決定的。物理學（實驗）在人類科學技術發展以及國家現代化建設，特別是大國競爭中占據無與倫比的重要地位，競賽活動是人才選拔、強化提升的重要載體，從為國育才的角度講，必須把頂尖人才吸收到物理實驗（競賽）的隊伍中來。

這是由競賽活動的比拼屬性決定的。競賽是刀鋒對刀鋒、頂尖對頂尖的比拼，其競爭特性與教育資源（物質、師資、時間、精力）的有限性決定了必須選拔頂尖人才，并集中優質資源對其進行強化培養，而這種培養不可能是普惠的，好鋼要用在刀刃上。要取得好的競賽成績，必須把選拔頂尖人才放在第一位。

其次，必須注重興趣和韌勁。對自我意識較強的當代青年學生來說，興趣是原動力，而韌勁是克服困難、有所作為的必備素質。確定參賽選手，應該把興趣和韌勁作為主要指標來考量，把平時成績和知識基礎放在第二位。也就是說，要在同等條件下，找到那些（個）好奇心強，對某項目（題目、事物、現象）非常感興趣的人;選定那些（個）求勝心強，（性格上）不服輸、有韌勁的人;而不是選擇按部就班、看上去（平時成績）不錯的學生。

2.3 選題應把握的原則和方法

2.3.1 選題原則

筆者認為，無論是在給定的命題中選，還是自設參賽實驗題目，都應遵循開放性、實用性和先進性原則。

開放性，就是無現成的實驗程序或路徑、無明確的實驗結果或答案，因而更具挑戰性。

實用性，就是貼近生產、生活實際，貼近教學教改需要，更具現實意義。

先進性，既可以是題目本身（理論與實踐）的超前性、前導性，也可以是程序、技術和方法上的先進性，還可以是拉動生產、生活方式前進和改變的先行性。先進的東西，才更有研究價值，在學生創新能力培養上也更有意義。

2.3.2 題目來源

一是選手感興趣———興趣是最好的導師、也是最根本的動力;

二是科研子題目[2-3]———通常具有很好的應用性（實用性）和先進性，且與師生專長密切相關，易出成果;

三是圍繞技術創新需要或瓶頸選題———挑戰性強，收益也大（如新質生產力相關題目）。

2.3.3 選題方式與方法

應堅持學生為主，教師協助的原則。指導教師應積極介紹競賽要求、以往參賽情況和經驗教訓，為學生提供更多、更有質量的備選題目，但不要由教師包辦、替學生作主。因為競賽的宗旨是培養學生創新意識和創新能力，而不是培養遵命聽呵的提線木偶。

綜合上述原則和要求，在具體操作上，筆者建議：在給定命題范圍內，應首選學生興趣濃厚、富有挑戰性，且與他們專業、特長關聯度較大、實驗內容和結果應用性較強的題目。給定命題范圍之外，可參考上述方法，采取類比、提升的方式設題，也可以根據學生的興趣和想法確定參賽題目。

3 行之有效的工作方略

3.1 一般（普適）方略

第一，堅持廣泛發動、廣泛參與，重在選優、重在培養。組織校內競賽進行廣而告之和普遍篩選;推動學校頒布適當的獎勵政策以為激勵;加強競賽優勝及獎勵、激勵宣傳，擴大影響;平時教學中注意發現好苗子，并積極開展針對性培養訓練。比如，第一時間在校園網發布競賽通知，及時組建參賽選手、指導教師微信群、QQ 群，幫助學生選題并指定指導教師，開展集中培訓和個別輔導等。

第二，注重師生配合。堅持教師指導、學生自主相結合;堅持學生為主、指導教師積極跟進;做到真教、真學，真抓、真干———咬定青山不放松。

教師要想盡一切辦法，抓緊一切時間，幫助學生找到一切資料，引導他們試探一切思路，窮盡一切可能，提高研究探索質量。

第三，注重發揮青年骨干教師作用。堅持新老結合、組隊參戰。要特別注意發揮青年教師學歷高、知識結構新;思想活躍，固有觀念、套路少;有沖勁、沒包袱，成敗都是贏，都是積累和進步等知識、思想、心理上的優勢，發揮博士、學科帶頭人、重點科研項目主持者的作用。

第四，注重應用能力和創新能力培養。重視敏銳性與自覺性培養，強化小發現也可以有大應用的思想，提高學生觀察、思考和發現問題的能力。重視動手操作能力提升，強化小發明、小創造可以有大作為的思想，提高學生制作、試驗、發明創造能力。重視綜合分析與應用能力提升，強化見微知著、舉一反三、類比拓展，以及逆向思維、打破常規、獨辟蹊徑的意識和能力，提高學生跨學科、跨行業、跨領域學習研究和應用的能力。

第五，保持良好心態。要引導和幫助學生樹立為國家發展、民族振興而學，為成才而參賽的思想。所謂的只問耕耘，不問收獲，是因為他知道耕耘的價值，早已明確了方向。要打造淡化功利、勇往直前的良好作風。強調全情投入，摒棄猶豫觀望、左顧右盼。患得患失的結果是浪費時間和資源，失去出成果的機會。對個別學風不正的，要強力糾正，或盡早淘汰出局。

3.2 普通院校如何與重點院校PK

首先，普通院校要充分認識競賽的重要意義。競賽不只是對拔尖人才的培養和檢驗，也是對教師和教學的拉動和檢驗，是更高層次的教與學。因此，各院校都要積極參與，各省（大區）也應積極舉辦不同層次的競賽活動，調動大家的積極性。

其次，要敢于確立更高的目標。從人才成長規律上看，人才成長的路徑、方式千差萬別，有的幼慧早熟，有的大器晚成。普通院校在正視差距與困難的同時，要堅信小學校可以有大作為，小項目可以出大成果（如碳纖維釣魚竿研究解決了航空用高強度材料問題;民營索具企業解決了艦載機落地緩沖問題），引導和鼓勵學生勇于攻堅克難，積極選擇難度系數較大的題目。

第三，要摒棄功利心態。學生，要放下基礎、條件、名次等包袱，輕裝前行，大膽闖、大膽做，勇于攀高峰、爭上游。老師，要專心育才，培養良好的學風，而不是把學生當做出成績的工具。名次上，要相信努力、相信耕耘，相信水到渠成，而不必刻意追求。教學與培訓中，要堅持育人樹人與立德并重，從老師做起，把追求真理、積極探索作為旨歸，而不是一味追求名次。要充分認識到，競賽也是人才培養的一種載體，要克服功利思想，樹立教在當前、功在長遠的思想，緊盯提高學生科學素養的目標，“有心瞄準、無意擊發”，有意栽花、無心插柳。

第四，要注重發揮團隊優勢。注重分工合作、優勢互補，相互砥礪、共同提高。理論課教師，要發揮理論功底扎實，善于理性思考的優勢，著重解決實驗需要的理論問題;實驗課教師，要發揮動手能力強，操作規范，熟悉儀器設備性能的優勢，帶領學生開闊實驗思路，創新方式方法，解決實驗中遇到的問題;領銜（參與）項目研究的教師（如我校等離子體、凝聚態物理）要發揮專業特長，引領學生緊跟時代前沿，圍繞科研子項目進行有針對性研究。

4 結語

就全局而言，開展競賽活動的根本目的是促進教學水平提升、促進創新型人才的選拔與培養，競賽只是一個平臺、一種形式、一種鞭策，開放性題目研究是實現目標的良好載體。

通過開放性實驗（研究探索），能在物質某種運動規律上有新發現（新觀點，理論建樹）當然最好;能找到或發現某個過程（路徑、方法、條件…）與現象、結果相應的關系，或者建構某種解決問題的新思路、新技術（新方法），就很了不起;能制作出某種（個）實用的新工具，或對原有工具進行新的開發和提升，也是非常有意義、有價值的。

面對激烈競爭的發展環境，培養適應新時代國家現代化建設的新型人才，必須把創新能力培養放在首要位置。要抓住學生參加物理實驗競賽（創新）的良好機遇，明確方向、理清思路，積極進取，大力促進實驗教學改革和質量提升，并以此促進學生科技素養和創新能力提升。我們將不斷努力、繼續前行。

參 考 文 獻

[1] 教育部高等學校大學物理課程教學指導委員會.理工科類大學物理課程教學基本要求 理工科類大學物理實驗課程教學基本要求（2023年版）[M].北京：高等教育出版社，2023.

Teaching Guidance Committee for College Physics Courses in Higher Education Institutions of the Ministry of Education.Basic requirements for teaching physics courses in science and engineering universities （2023 Edition）[M]. Beijing：Higher Education Press， 2023.

[2] 張映輝.大學物理實驗[M].2版.北京：機械工業出版社，2017.

ZHANG Y H. Experiment of physics[M]. 2nd ed. Beijing： Machinery Industry Press， 2017.

[3] 張映輝.大學物理實驗學習指導書[M].2版.北京：高等教育出版社，2021.

ZHANG Y H. University physics experiments study instruction[M]. 2nd ed. Beijing： Higher Education Press，2021.