IYPT官網中的物理課程資源應用探究*

張一馳 吳 偉

(南京師范大學教師教育學院 江蘇 南京 210097)

(收稿日期：2016-05-22)

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IYPT官網中的物理課程資源應用探究*

張一馳 吳 偉

(南京師范大學教師教育學院 江蘇 南京 210097)

(收稿日期：2016-05-22)

課程資源的開發(fā)與利用是實現(xiàn)科學教育改革重要的實施途徑.IYPT(國際青年物理學家錦標賽)在被引入中國后受到廣泛關注，但IYPT的官網作為一個介紹IYPT賽事并總結其成果的平臺在國內鮮有人提及、應用.本文在總結IYPT官網內容和特色的基礎上，試圖借助IYPT官網開發(fā)原始問題庫、非良構問題解答庫和物理辯論視頻庫，從而構建了基于IYPT官網中探究課程資源的應用模式，最后給出一些建議.

IYPT IYPT官網 物理課程資源 應用模式

1 引言

21世紀物理教育教學改革背景下，課程資源的開發(fā)與利用是保證新課程實施的基本條件.隨著人們對新課程觀的理解，課程資源的開發(fā)和利用越來越受到重視，教科書再不是是惟一的課程資源.我國教育部制訂的《普通高中物理課程標準》(實驗)中，明確強調課程資源的開發(fā)與利用是實現(xiàn)科學(物理)教育改革重要的實施途徑，并指出應當利用信息技術，開發(fā)利用課程資源[1].然而，根據(jù)有關研究，提到物理課程資源，許多教師首先想到的就是物理教科書、教參、教輔讀物和各種練習冊等，或是實驗設備、計算機房和多媒體教室等硬件設施.提到開發(fā)和利用課程資源，就想到要編寫更好的練習冊、訂購更多的教輔讀物、購買先進的實驗儀器等[2].在新課程教育改革的背景下，這樣的課程資源觀略顯狹隘，進一步利用多媒體資源的開發(fā)與應用意義重大.本文將介紹一個特殊賽事IYPT的官方網頁，旨在構建對IYPT官網中物理課程資源的應用模式，豐富中學物理教學中的探究實驗素材，給我們的物理教學提出一些建議.

2 IYPT及其官網簡介

IYPT(International Young Physicist′s Tour-nament)是國際青年物理學家錦標賽的簡稱，它與國際物理奧林匹克競賽、國際青年學生科學論文競賽并稱三大頂級國際中學生物理競賽.IYPT是一項由中學生參與、以團隊對抗為形式的物理辯論競賽，其主要目的是考查中學生針對實際物理問題的科學探究、合作解決的能力.該項比賽從1988年開始，每年一屆.IYPT組委會會提前一年公布比賽所需的17道新穎獨特的賽題，這些賽題類似于一個個小課題，解決過程和結果是開放的.我國于2007年引進IYPT，在積極組隊參加國際比賽的同時，開始組織國內的比賽活動.在我國中學及大學均有類似IYPT模式的競賽，比如CYPT(中國青年物理學家錦標賽)、CUPT(全國大學生物理學術競賽)、JSYPT(江蘇省青年物理學家錦標賽)，IYPT賽事在中國發(fā)展迅速.

應該說IYPT在被引入中國后受到包括中國物理學會，中國高校專家以及部分地區(qū)的中學和一線教師的廣泛關注，但IYPT的官網作為一個介紹IYPT賽事并總結其成果的平臺在國內鮮有人提及.IYPT官網(http://www.iypt.org/)是一個介紹IYPT賽事并總結其成果的平臺，其主要欄目及內容如表1所示.

表1 IYPT官網欄目及主要內容

忽略其他一些介紹性性質的內容，在尋求探究課程資源的視角下，IYPT官網中主要特色有如下4點.

特色一：Archive-Problems欄目.該欄目提供了自1988年以來共476道賽題，每年的賽題源自世界各地對IYPT組委會的投稿，這些賽題可研究性極強，屬于精選的原始問題，具有開發(fā)“原始問題庫”的價值.

特色二：Archive-Solutions欄目.該欄目提供了自1988年以來網站搜集的來自全球各地參賽隊的正方匯報PPT以及相關題目的論文PDF，考慮到IYPT賽題都是精選的物理原始問題，這類題目的解答可以開發(fā)成“非良構問題的解答庫”.

特色三：Magazine欄目.該欄目提供了IYPT的官方雜志，一年一刊，包括IYPT介紹類的有關論文和各國優(yōu)秀賽題論文，官方優(yōu)秀論文同樣可以加入“非良構問題的解答庫”.

特色四：IYPT子網頁下的圖像及視頻資源.IYPT各年份有自己當年的官方網頁，往往會提供當年比賽的大量信息，照片和決賽以及小組賽視頻等.考慮到IYPT是一項以團隊對抗為形式的物理辯論競賽，這個欄目的資源可以開發(fā)成“物理辯論視頻庫”.

3 應用IYPT官網模式構建

根據(jù)以上對IYPT官網特色的分析，在開發(fā)課程資源的視角下，我們認為，可以從已有的網站特色內容中開發(fā)出“原始問題庫”，“非良構問題的解答庫”和“物理辯論視頻庫”這3個方面的資源，基于這樣的構思，我們繪制了如圖1所示的應用IYPT官網的模式圖.

圖1 應用IYPT官網模式圖

3.1 原始問題庫

IYPT官網中Archive-Problems欄目提供了賽事所使用的物理題目，它們具有不同于一般物理題目的特性，有學者認為其具有貼近生活、開放性大、研究性強、考查面廣的特點[3]，也有學者認為具有發(fā)散性、可研究性、綜合性等特點[4].例如2014年IYPT賽題的第6題“氣泡晶體”：在含有肥皂水的液體表面上，漂浮著大量非常小的、相似氣泡.氣泡會自動排列成一個類似晶格的規(guī)則圖案.想出一種方法來獲得大小一致的氣泡，并研究這種氣泡晶體的形成.該題需要學生首先制造出這種“氣泡晶體”，在此基礎上建立相應的模型來研究其形成過程.鑒于晶體形成的階段不同，模型同樣需要分類，最后理論和實驗加以結合.

IYPT從1988年開辦，截止2015年已舉辦28屆，每屆都有17道賽題，總計共476道題.如果對這些題目進行統(tǒng)計分析，將題目的主要方向分為制作挑戰(zhàn)類、觀察解釋類、定義設計類、實驗探究類和測量優(yōu)化類5種.

制作挑戰(zhàn)類會要求學生制作特定的實驗裝置來完成實驗；觀察解釋類是指現(xiàn)象已知，以理論解釋方面的要求為主；定義設計類重在設計實驗；實驗探究類以實驗研究方面的要求為主；測量優(yōu)化類則要求精確測量相關數(shù)據(jù)并得到實驗最優(yōu)情況.

依據(jù)關鍵詞我們總結得到如表2所示.

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計可以看出題目的要求和特點，大部分IYPT的賽題需要我們解釋相關現(xiàn)象或探究未知內容，可以認為是被精選的物理原始問題，其源于生產實際，突出自主探究，開放度大、研究性強，可以有效激發(fā)學習熱情，引導學生探究.

同時進一步研究這些題目，這些題目覆蓋了力學、熱學、光學、電磁學等經典物理的領域，這使得IYPT題庫的實驗與基礎教學范圍達成一致，從而能夠向教師提供正確有效的信息并引導教師重視學生從事該類探究的主動性.

表2 IYPT題庫統(tǒng)計

注：因為有些題目能力要求不唯一，所以統(tǒng)計的總數(shù)有598道，超過476道.

3.2 非良構問題解答庫

IYPT官網中Archive-Solutions欄目以及Magazine欄目提供了來自全球各地參賽隊的正方匯報PPT以及相關題目的論文PDF，這些PPT或者文章的內容反映了非良構物理問題的解答過程，這些解答方法并不唯一，結論未必完美但均思路清晰，極具參考意義.

著名學者喬納森(2000)清楚地指出了非良構問題解決過程的特征如下：

(1)擁有不可知或者在任何程度上都無法知曉的問題的要素.

(2)擁有多樣的解決方案，解決途徑或者根本沒有解決的方法.

(3)擁有多樣的評判解決方案的標準.

(4)經常需要學習者做出判斷或者表述自己的觀點和信條[5].

在國際上，大量的研究證實了非良構問題比良構問題在培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)方面更具優(yōu)越性(Albanese & Mitchell, 1993; Gallagher,Stepien, & Rosenthal, 1992; Hmelo, 1998)[5].因此，在我國教育中滲透非良構問題以及這類問題的解決思路十分必要.而非良構問題的解決過程顯然與IYPT官網提供的賽題解決思路是相一致的.

這里我們以Magazine欄目中提供的來自韓國隊的論文“Study on gravity in 2-dimensional space through elastic membrane experiment”為例.

圖2 Magzine “2013 Problem 2” 論文

這道題是2013年IYPT的第2題“Elastic Space(彈性空間)”，原始的題目是這樣的:The dynamics and apparent interactions of massive balls rolling on a stretched horizontal membrane are often used to illustrate gravitation. Investigate the system further. Is it possible to define and measure the apparent “gravitational constant” in such a “world”? (我們常用在一張舒展的水平薄膜上的大球之間的相互作用來描述萬有引力.進一步研究這個系統(tǒng)，盡可能地定義并測量在這個“空間”中的“引力常量”.)

為了清晰地展示該論文描述的研究過程，我們不妨用一張表格展現(xiàn)一下詳細過程[6]，如表3所示.

被收錄的這篇論文符合科學探究的一般程序，從問題還原到提出猜想，從理論環(huán)節(jié)到實驗驗證，最后是理論和實驗的關系研究.值得一提的是，關于這個賽題的研究，除了韓國隊的這篇論文以外，網站上還可以下載到來自巴西隊、斯洛伐克隊、俄羅斯隊、克羅地亞隊的匯報PPT和PDF論文文件.不同國家對同個問題的研究各有特點，均提供了完整的解決方案，但這些方案又都不盡完美.這些資源有利于啟示教師和學生解決非良構問題的思路，并對探究式教學和研究性學習有指導意義.

表3 Magzine “2013 Problem 2”研究過程

3.3 物理辯論視頻庫

理論性探究的一個重要途徑是科學辯論，即“為解決科學爭端進行的理性磋商”[7,11].隨著對科學的社會屬性關注日深，哲學家們認識到，科學辯論是建構和篩選高質量科學理論的必經之路，在知識的產生發(fā)展過程中占據(jù)核心地位[8].在國際上，實證數(shù)據(jù)說明有機會大量參與科學辯論的學生，在科學推理能力、認知觀和概念理解等方面的學習效果會大大優(yōu)于僅靠個人探究或傳統(tǒng)實驗進行學習的學生[9].奧斯本(Osborne)也認為，科學課堂中缺少科學辯論是“現(xiàn)代教育的嚴重問題”[9].

然而在我國，科學探究教學多處于“以食譜式的方式強調技巧發(fā)展和對已知理論的證明”階段[10]，很大原因不在于教師不打算把科學辯論引入物理教學和物理活動，而是缺乏系統(tǒng)的科學辯論的指導和評價體系，當然也缺乏足夠的辯論視頻資源.

IYPT的子網頁提供了豐富的視頻資源，如圖3所示，這些資源象征了國際最高水平的物理辯論.這些視頻資源可以整合成物理辨論視頻庫，賽事流程和評價機制也可以為一線教師提供啟發(fā)意義.

圖3 IYPT2009決賽視頻

3.4 啟發(fā)與建議

IYPT官網提供了大量開放的、原始的、探究性強且綜合性廣的物理問題.趙凱華教授曾指出,“教學過程中，同一問題既可以把原始的物理問題給學生，也可以把原始的物理問題分解或抽象成一定的數(shù)學模型后再提供給學生.習慣于解決后一類問題的學生，在遇到前一類問題時，往往會不知所措.”現(xiàn)階段物理教學中大量的理想物理模型的解題，很大程度阻礙了學生綜合素養(yǎng)的培養(yǎng).因此，物理原始問題庫可以給教師提供足夠的探究式教學保障.教師可以直接將IYPT賽題放入問題庫，IYPT的賽題本就是IYPT委員會每年向世界各方征集的有趣的生活化問題，本身就是可直接使用的素材.同時，教師可以查閱相關的趣味物理實驗和科技生活雜志，將一些前人已經開發(fā)的實驗題總結，形成物理原始問題.在有了足夠的經驗后，教師也擁有了對物理原始問題特征的深入理解，教師能夠從日常生活出發(fā)，自主尋找生活中物理問題的本質，重現(xiàn)原始問題.其次，一個優(yōu)秀的資源庫，應該與教學相一致，是融入教學中的持續(xù)過程.如果說IYPT競賽只是為了比賽而進行的活動，那我們可以把從IYPT官網中開發(fā)的非良構問題解答庫與辯論視頻庫的資源發(fā)展到物理學習的方方面面，使其更具持續(xù)性.例如，可以將這些內容引入研究性學習、科技節(jié)或物理辯論賽，甚至可以發(fā)展為學校的特色活動定期舉辦.再如，可以開辦以IYPT有關賽題研究為導向的IYPT社團，開發(fā)相關資源的校本課程，使IYPT官網的資源融入物理活動的方方面面.

總之，IYPT官網提供了豐富的物理課程資源，稍加開發(fā)應用便可以形成原始問題庫、非良構問題解答庫以及物理辯論視頻庫.這些資源庫的建成和應用可以極大地豐富中學教學中的探究實驗與辯論課程的素材，同樣可以為教師的探究式教學，學生的研究性學習等方面提供充足的素材和指導.同時，利用類似IYPT的官方網頁這樣的國外優(yōu)秀物理類網站，也為我們整合和開發(fā)物理課程資源提供了新途徑.

1 中華人民共和國教育部.物理課程標準(實驗).北京：人民教育出版社，2003

2 王莉華，李健.基于高中課程改革的物理課程資源建設.現(xiàn)代教育科學：普教研究，2012(4)：160～161

3 張晚云，曾交龍，陸彥文，等.依托大學生物理學術競賽培養(yǎng)高素質創(chuàng)新人才.大學物理,2011,30(6):35～37

4 房頤，陸建隆.在研究中開始 在討論中延續(xù) 在經歷中提升——國際青年物理學家競賽(IYPT)及其教育功能.物理教師，2012(2)

5 Manu Kapur, Charles K. Kinzer. Examining the effect of problem type in a synchronous computer-supported collaborative learning (CSCL) environment. Education Tech Research, 2007, 55:439～459

6 Jungwoo Choi, Sungwook Kim. Study on gravity in 2-dimensional space through elastic membrane experiment. IYPT magzine，2014：62～72

7 Driver R, Newton P, Osborne J., Estabilshing the Norms of Scientific Argumentation in Classrooms. Science Education, 2000, 84: 287～312

8 Fuller S.Science.Buckingham, UK: Open University Press,1997

9 Osborne J. Arguing to Learn in Science: The Roleof Collaborative, Critical Discourse. Science, 2010,328：463～466

10潘瑤珍．基于論證的科學教育．全球教育展望，2010,39(6)：82～86

11唐小為, 李佳, 宋乃慶. 課堂科學辯論實施探究——以中美中小學科學課堂案例比較分析為例. 課程·教材·教法, 2012(5):105～110

*江蘇省教育科學“十二五”規(guī)劃課題“我國探究教學實施中的問題及其對策研究”成果之一，項目編號：D/2013/01/082;江蘇省普通高校專業(yè)學位研究生實踐創(chuàng)新計劃項目“培養(yǎng)高中生非線性思維品質的思考與實踐”階段成果之一.

張一馳(1992- )，男，在讀碩士研究生，研究方向物理課程與教學.

吳偉(1964- )，男，博士，教授,研究方向為物理課程與教學論.