源于學術研究論文的中學生物理學術競賽題的命制探索

蘇 俊 王維國 陳 晨 陸建隆

(1. 江蘇省海安高級中學,江蘇 南通 226600; 2. 金陵中學仙林分校中學部,江蘇 南京 210000;3. 南京師范大學教師教育學院,江蘇 南京 210097)

1 導論

國際青年物理學家錦標賽(International Young Physicists’ Tournament,簡稱IYPT)是以一項以賽題研究、團隊辯論對抗的形式開展的中學生國際性物理學術競賽,IYPT競賽組委會每年公布17個賽題,參賽團隊需要從理論和實驗兩個方面研究這些問題．[1]2007年南開大學物理學院將IYPT競賽引入到國內以來,吸引了越來越多師生的關注,國內組織開展了各種形式的YPT競賽活動(Young Physicists’ Tournament,簡稱YPT),既有全國中學生物理學術創新競賽(CYPT,南開大學物理學院主辦),也有各種省市級的比賽,比如江蘇省中學生物理學術創新競賽(JSYPT),北京市中學生物理學術競賽,上海市中學生物理學術競賽,南京市中學生物理學術競賽等．

這些競賽全部采用與IYPT相同的賽題以及幾乎相同的比賽規則．采用相同的賽題和比賽規則固然可以統一評價標準,從選拔的角度可以遴選出優秀的隊員代表國家參加國際賽事．但是,從推廣和普及的角度來看,不同地區的學生特點和優勢各有不同,相同的賽題適用的學生層次相對局限,不利于賽事的推廣,此外參與的學生因為賽題的重復性在一定程度上失去了比賽的積極性,變成了簡單地機械操作和訓練,失去了問題的趣味性,也失去了對物理問題本源的探索．因此各級主辦方應針對參賽對象命制適合參賽學生的賽題．

2 IYPT賽題的來源與特點

IYPT賽題的來源主要是通過推薦．每年有眾多IYPT愛好者給IYPT國際組委會推薦賽題,組委會經過討論與投票選出17個賽題作為當年的IYPT賽題．這些賽題的來源大致分為以下幾個方面: (1) 源于生活或工作中的有趣物理現象,對這些現象進行研究和解釋,例如第31屆IYPT賽題第5題,吸管:當一根吸管放在一杯碳酸飲料里的時候,它可以浮起來,有時倒在玻璃杯的邊緣．[1]研究并解釋吸管的運動,并判斷在哪種條件下,吸管會倒下. (2) 源于網友發布于Youtube視頻網站等網絡媒體的有趣的物理實驗,讓學生重現實驗并對實驗裝置進行優化,例如第31屆IYPT賽題第3題,硬幣跳舞:準備一個冷卻充分的瓶子,把一枚硬幣放在它的瓶口上,過一段時間你會聽見聲響并看到硬幣在移動,解釋這個現象并研究相關因素是如何影響這舞蹈的.[1](3) 源于物理學術論文的研究內容,從某一個角度出發進行深入研究,例如第31屆IYPT賽題第16題,聲懸浮:小物件可以在豎直的聲波中懸浮,研究這個現象,你對小物件的操縱能達到什么程度．[1]另外,筆者通過分析歷年的IYPT賽題,發現這些賽題的研究過程有如下特點: (1) 所用的實驗器材與設備簡單化、生活化．相比于實驗室中傳統的數字按鈕式的實驗器材,IYPT實驗的器材有些可以直接從生活中獲取加以改造就變成了實驗器材,利用這些改進的器材學生容易做出實驗現象; (2) 實驗數據采集和分析的專業化．實驗過程中要收集數據,數據越精確、越系統,結論才越可信．數據采集設備可以來源于生活或者中學物理實驗室,如手機的慢動作功能、實驗室的各種物理傳感器等;而在數據處理上經常需要用到相關的分析軟件,如Mathematica、Matlab等軟件．(3) 所涉及的物理背景多數是大學普通物理知識,物理基礎較好的中學生有能力去學習掌握這些知識．

筆者結合自己的帶隊經歷和觀摩各類YPT比賽發現中學生基本能夠做出實驗現象并完成一些數據的采集與分析工作,但是很多時候對物理規律的認識并不清晰,缺乏詳盡的理論分析,一些IYPT賽題的物理背景超出了中學生的知識與能力范疇,不能很好地匹配各層次參賽者的物理知識與認識能力,也使得比賽內容和流程變得千篇一律,做出實驗現象進行簡單的物理分析,并沒有從本質上解釋現象,缺少了YPT活動的物理味．因此,主辦方命制適合參賽對象的賽題顯得尤為必要．

3 YPT賽題的來源與命制

由IYPT賽題可以看出,命制YPT新賽題要符合3個特征: (1) 物理現象具有新穎性和趣味性．任何物理問題都是從生活中產生,最后回歸生活,而生活中的現象很多都極具趣味性,這樣能夠激發學生的好奇性和求知欲,全身心投入到賽題研究中來; (2) 賽題內容符合中學生的物理認知水平．理論分析是賽題研究必不可少的一部分,但是理論不易過難,超出了學生的認知范圍讓學生無從下手失去了比賽的意義,也打擊了學生的積極性．因此所涉及理論不應超過大學普通物理的范疇; (3) 實驗的可視化和數據化程度高,在生活中或物理實驗室都可以做出實驗現象,并且可以利用手機、常見的物理傳感器采集實驗數據．因此,要找到滿足這3個特征的YPT賽題并非易事．

YPT賽題命制的基本思路與國際IYPT賽題類似,一方面是基于生活中的有趣物理現象或網絡媒體上的新奇物理實驗,這種命題方式有一定的偶然性,需要命題者找出新奇有趣的實驗,并且能夠判斷出實驗的新奇之處,對中學生完成實驗以及所需的物理背景要有可行性的預估．另一方面是基于已發表的物理學術論文,通過研究歷年國際IYPT賽題的參考資料,[2]其中所涉及的參考文獻經常會出現這樣幾種歐美物理雜志,如表1,前兩種是SCI收錄的物理教育類雜志,它們的定位類似于國內的《大學物理》,而《物理教師》與《物理教育》主要定位于中學物理教育．[3-6]由于教育文化的差異,歐美物理教育雜志的一個鮮明特征是刊登很多研究有趣實驗的論文．另外,美國物理學會(APS)為了給喜愛物理的人士提供一個介紹物理前沿進展的平臺,設置了“物理”(Physics)專欄,編輯從APS出版的雜志中挑選出一些新穎的物理研究工作放在Physics專欄．[7]

表1 相關物理學術期刊目錄

筆者通過查閱近2年表1中列出的物理教育和學術類雜志,篩選出一些符合上述特征的論文.下面將從閱讀過的3篇學術論文來嘗試改編與命制YPT新賽題,以供參考．

案例1.論文題目:The Chappaquiddick Incident[8](查帕奎迪克島交通事故).

論文來源:The Physics Teacher.

出版時間:2016年12月.

內容概要:本文圍繞1969年發生在美國馬薩諸塞州查帕奎迪克島的一起交通事故.美國參議員愛德華·肯尼迪駕駛汽車從一座低矮的橋上墜入淺水河中,汽車沉入2.1m深的河水中,車頂朝下,肯尼迪夫人死亡.由于河水太淺,人們認為肯尼迪夫人的死亡是有蹊蹺的.這件交通事故在美國引發了很多爭議．本文作者以玩具汽車落入水箱來模擬這次交通事故,實驗上研究了玩具汽車在空中的翻轉以及在落水后的運動過程,并將玩具車與真實的汽車落水做了簡單的對比研究．

在這篇有趣的論文中,使用的實驗器材有玩具小車、相機、收納箱,數據分析用到了Tracker軟件,[9]物理知識涉及到了普通力學．這些實驗與理論背景都符合中學生的認知能力,因此可以將其改編成一個YPT新賽題.

小車落水:一輛玩具小車從桌面上以一定的速度落入桌子旁邊的水箱中,研究玩具車在空中以及落水后的運動過程,并探討它與真實汽車落水的異同．

中學生可以從這些方面去研究本課題,比如玩具汽車在空中的翻轉角速度與什么有關,汽車落水時水的阻力跟車的落入角度有什么關系,水的阻力與速度是否成正比,是否要考慮水的浮力,車在水中如何運動等．

案例2.論文題目:How tall can gelatin towers be? An introduction to elasticity and buckling.[10]

中文譯文:明膠“磚塊”能搭多高的塔?

出版時間:2017年10月.

論文來源:American Journal of Physics.

內容概要:本文用明膠來做成磚塊來堆砌“建筑物”,研究了在倒塌前所能堆砌的最大高度,以及各種搭建結構對建筑物穩定性的影響．

論文涉及實驗器材有明膠粉、樂高模具、相機等,數據分析可以用Tracker軟件,物理背景是普通力學中的一般振動問題,適合中學生研究．我們可以將這篇論文改編如下.

論明膠塔的倒掉:用明膠可以制作“果凍磚塊”,研究用這些磚塊能夠堆砌出的最大高度,并研究“磚塊”強度以及搭建結構對最大高度的影響．

中學生使用明膠粉去制作“果凍磚塊”,“果凍磚塊”的強度對明膠凝固時的溫度及其敏感,[10]控制“果凍磚塊”的強度既是實驗的重點也是難點.這可以很好地培養學生的動手能力．搭建物結構的設計也是非常重要的,這也需要研究者進行相關研究與討論．

案例3.論文題目:Demonstrating the conservation of angular momentum using spherical magnets.[11]

中文譯文:利用磁性小球演示系統角動量守恒定律.

出版時間:2018年1月.

論文來源:American Journal of Physics.

內容概要:兩個磁性小球以一定的速度相互靠近,兩者間的磁力會將它們吸引在一起.本文研究了這個“合并”過程中的系統角動量守恒,并與黑洞合并以及產生的引力波做了一些類比．

論文涉及的實驗器材:磁性小球、高斯計、iPhone手機(慢動作功能)等,數據分析仍然可以使用Tracker軟件,可能需要普通力學和電磁學的物理背景知識．自從2016年LIGO等小組發現黑洞合并時產生的引力波以來,引力波的探測引起了眾多人的興趣,但是準確去理解引力波需要廣義相對論的知識．但是,我們可以做一些類比,比如這里的磁性小球合并的研究,可以將這個論文改編如下.

磁球“雙星”合并:兩個以一定速度相向運動的磁性小球在相互作用的過程中會發生類似于“雙星合并”的現象,研究磁極方向等相關參數對合并過程的影響．

學生可以來探測磁性小球合并過程中感應線圈產生的感應電流,模擬“引力波”信號．還可以研究系統的角動量守恒問題,或者系統的機械能守恒問題,在探究實踐中體驗物理規律．

通過上述3個案例可以看到將一些通俗有趣的學術論文進行合理改編,可以改編成類似于IYPT的新賽題,針對不同層次的參賽對象可以設置不同的YPT賽題,通過挑選素材來源以及設計的研究問題來控制不同的難度和興趣點．

4 結論

本文通過分析IYPT賽題的命題方式,賽題的主要來源和特點,總結出了命制新YPT賽題的一些方法,并嘗試從學術論文中提取素材和命制了3個YPT的新賽題．