物理學術競賽牽引下的大-中學生實驗能力協同培養探索

潘崇佩， 李川勇， 陳 靖， 陳宗強， 孔勇發

（南開大學a.基礎物理國家級實驗教學示范中心；b.教務處，天津300071）

0 引 言

作為教育結構中聯系緊密的兩個層次，大學教育與中學教育能否有效銜接，關系到兩者的培養目標能否實現有機統一，并直接影響到育人效果。對于高校當前的物理實驗教學而言，其成功之處在于提供了一系列成熟的實驗思想、方法和手段，在專業人才培養中展示出很強的公共性與基礎性［1］；然而在考量其與中等教育的銜接時，不難發現存在一些普遍性短板——低年級本科生在進行實驗時，動手操作能力薄弱、接觸新實驗時畏難情緒強烈、實驗的興趣不高、機械模仿多于主動思考［2］。這些情況在一定程度上反映了中學生升學后不能及時適應實驗課程的要求。究其原因，除了大-中學物理實驗課程在教學任務、評價機制等方面存在一定的制度性差異外，另一關鍵因素在于缺乏一個貫通大學-中學階段的學生實驗能力協同培養環境。在此背景下，如何落實物理實驗教學的系統培養觀念，創建大學-中學協同培養環境，以增強兩者之間的銜接性，成為一個值得關注的研究方向。

近年來興起的物理學術競賽，突破了大學生與中學生之間的認知壁壘，為實現大-中學生實驗能力的協同培養提供了一條有效路徑［3-5］。作為中學生與大學生接受系統實驗訓練的開端，物理實驗體現了大多數科學實驗的共性，具有很強的基礎性和層次性；而這些特點在物理學術競賽中得到了良好傳承：首先，物理學術競賽的題目來源于生活，涵蓋了日常生活中力學、熱學、光學和電學等各個方面［6-7］。學生利用身邊的材料和工具便可以開展實驗。其次，物理學術競賽具有很強的開放性和包容性。針對每一道題目，中學生、大學生甚至研究生都可以基于自身的認知與能力進行深入探究。這為不同教育層次的學生彼此進行交流學習，提供了統一的便利條件。

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》強調，要樹立系統培養觀念，推進中學、大學有機銜接；要注重知行統一，開發實踐課程和活動課程，增強學生科學實驗的成效。鑒于此，我校基礎物理國家級實驗教學示范中心（以下簡稱示范中心）以物理學術競賽為抓手，以實驗能力培養要求為指引，在實踐中不斷探究與物理學術競賽相融合的實驗教學新策略，構建適用于大-中學生的協同培養環境，推動大-中學生實驗水平共同提升。

1 物理學術競賽簡介

物理學術競賽可追溯至上世紀80 年代莫斯科大學選拔優秀學生的活動，發展至今演變為國際青年物理學家錦標賽（International Young Physicists’Tournament，IYPT）。截至2019 年，IYPT 已成功舉辦32 屆，是當今最具影響力的三大國際物理競賽之一。參賽學生需以3 ～5 人組成團隊，利用近1 年時間，就預先公布的17 道實際物理問題分工合作，進行基本知識、理論分析、實驗研究、結果討論等方面的準備，最后進行辯論性比賽。這種競賽形式不僅可以鍛煉學生分析問題、解決問題的能力，還能培養學生的創新意識、團隊合作精神、交流表達能力，使學生的知識、能力和素質得到全面發展。

2008 年，IYPT 的競賽形式首次進入我國。經過10余年發展，逐步形成了涵蓋全國-區域-省市-學校等不同層次的大學與中學系列性賽事［8］。在大學層面，全國性的“中國大學生物理學術競賽”（China Undergraduate Physics Tournament，CUPT）自2010 年發起，至今已成功舉辦10 屆；東北、華北、西北、華東、中南和西南等國內6 大賽區，每年均舉行區域級別的物理學術競賽；多個省市以及幾十余所高校每年亦自發組織開展相應的省賽、市賽或校賽。在中學層面，中國高中生物理創新競賽（China Young Physicists’Tournament，CYPT）自2013 年由南開大學發起，目前已舉辦7 屆；江蘇、上海、山東等省市以及人大附中、南京外國語學校、北師大實驗中學等許多知名高中，每年亦開展面向中學生的省賽、市賽或校賽。目前，每年有100 余所高校與普通高中參與到物理學術競賽的教學活動中，參賽人數和影響力逐年上升。

物理學術競賽對于大-中學生培養的普適性，源于各類比賽均統一使用IYPT 賽題。這些題目由國際選題委員會經嚴格篩選確定，確保最不發達地區的學生也能夠利用身邊器材進行科學實驗，探究物理原理。與此同時，這些題目還具有極強的開放性和豐富的內涵，難度適宜，適合不同知識背景的學生進行不同層次的探究與挖掘。以2019 年17 道賽題中的第5 題為例，題目描述為“當一豎直水流進入瓶子，聲音有可能隨之產生；隨著瓶子被填滿，聲音可能發生變化。要求探究不同因素對于聲音變化的影響”。對于中學生而言，可以利用中學物理的基礎知識，從聲音來源、聲音特性（響度、頻率、音色）等方面進行探究；對于本科生來說，可以就腔體共振、流體力學等方面進行更為深入的理論和實驗研究。每年競賽均包含17 道不同賽題，其特點與上題類似，實驗取材簡單但可供探索的內容十分豐富，涵蓋了力學、熱學、電學、光學、磁學等生活中的常見開放性問題，為大-中學生等不同知識背景人群就同一實際物理問題進行討論交流提供了平臺。

2 基于物理學術競賽的實驗能力協同培養

我校長期開展面向大-中學生的物理學術競賽活動，例如承辦第22 屆IYPT，組織發起第1 屆CUPT，每年舉辦校賽以及面向中學生的CYPT，選拔并培訓IYPT中國國家隊等。在多年的實踐過程中，示范中心積累了豐富的教學經驗，逐步發展起物理學術競賽與實驗教學相融合的實驗能力培養方案，并在推動大-中學銜接方面取得了一定成效。

2.1 成果導向教育，貫穿實驗能力培養各個方面

實驗能力不能狹隘地視同為動手操作能力。根據2007 年教育部發布的大學物理基礎課程教學基本要求，實驗能力應包括獨立實驗能力、分析與研究的能力、理論聯系實際的能力以及創新能力等方面［9］。因此，對于實驗能力的有效培養，必須是建立在這幾個方面之上的全方位培養。

傳統的大學-中學物理實驗課程以驗證性實驗項目為主［10］。其劣勢在于：實驗方法和實驗結論是既定不變的；教學過程中較少涉及學生自行查閱文獻、解決實際問題、針對前人工作進行創新等環節，致使學生的學習興趣和主動性被削弱，教學效果不佳。

物理學術競賽為實驗能力的全面培養提供了新思路。它從本質上符合OBE，即成果導向教育（Outcomes-based Education）理念［11-12］。學術競賽的賽題對于學生的學習產出給出了具體的預期，從而倒推出學生在實驗過程中應當掌握的知識與能力。以2019 年賽題中的第16 題為例，題目描述為：“當一個盛有液體（例如水）的容器垂直振動時，液體中的氣泡可能不會上升，而是向下運動。探究這一現象”。針對這一特定的物理問題，任何實驗教材都不會給出一套現成的解決方案。學生需要就題目的要求自行設計、優化并完成實驗。例如在本題中，為了實現容器的垂直振動，學生便需要對常用機械振動臺的原理及操作方式進行學習。

作為實踐OBE理念的重要載體，示范中心相繼開設了IYPT-學習物理新思路、物理創新實驗等本科實驗類課程。此外，示范中心每周定期開放實驗室，為學生提供實驗場所以及基本的實驗測量儀器，學生提前預約即可使用。利用暑假前的小學期，學生可以選擇參加為期4 周的系列實驗課，在指導教師的安排下集中完成某一賽題的實驗研究。除在校學生外，實驗室開放活動吸引了很多對物理學術競賽感興趣的中學生來到實驗室。高中生與本科生就同一題目進行討論并合作開展實驗，展示出基于物理學術競賽的實驗教學活動由大學向中學傳播的輻射作用。

2.2 朋輩互助為主，教師指導為輔

物理學術競賽所涉及的實驗項目具有很強的開放性，這對傳統實驗教學方法而言是一個挑戰。一方面，這些題目不存在一個標準的實驗方案，任何團隊都可以根據自己的思路與實驗條件，選擇器材、搭建系統、進行研究，指導教師不應當強制學生采用某一特定方案；另一方面，學生不僅有意愿參與示范中心開設的IYPT-學習物理新思路、物理創新實驗等課程，更多時間則是在課堂外（例如預約的實驗室中）自行進行實驗。這種課上-課下串聯、教學空間不斷延展的新趨勢，使得教師講授、學生操作的傳統課堂模式不再完全適用。基于這些變化，示范中心在物理學術競賽的教學活動中推行朋輩互助為主、教師指導為輔的建構主義策略，使學生在教學活動中的主體地位得以保證［13-14］。

（1）專題授課，學生主講。授課教師邀請曾參與往屆競賽的高年級學生作為朋輩講師，就某些通用的實驗專題為低年級選課學生講授。常見的專題包括測量儀器的使用方法、數據處理、誤差處理等。教學活動中的授課主體與聽課主體均是學生；教師不再作為知識的灌輸者，而只是起到從旁輔助的作用，通過有針對性地設計專題、適時地拋出思考題、把控課堂中的關鍵節點，從而高效地引導講者與聽眾互促互學。

（2）社團引領，支援課外。社團活動作為課堂教學的重要補充，在學生的課外教育中發揮著重要作用［15-16］。在此背景下，往屆學術競賽的參與者自發組成了校內學術團體“思辨社”，體現了高年級學生對于物理學術競賽的認同感。示范中心的教師定期聯絡團員，通過開展社團活動，將思辨社“傳幫帶”的作用惠及更多學生。對學術競賽感興趣的每個團隊或學生個體，都能夠找到對應的社團成員作為朋輩導師，參加包括文獻交流會、宿舍面對面、方案討論會等在內的各項活動。通過“教師引導、社團輻射、學生互促”的服務學習形式，達到跨年級本科生協同培養的效果。

（3）集中備賽，銜接中學。每年7 ～8 月份，是IYPT與CUPT 的集中備賽時間。在近1 個月的時間里，參與備賽的大學生與中學生共享實驗室，就各自的實驗方案、實驗分析和實驗結論進行面對面的深入探討。通過大-中學生間的交流，將朋輩互助的教學理念延展至中學領域，切實增強大學與中學物理實驗能力培養的協同性。

2.3 以賽促學，以賽促教

比賽是實驗能力培養效果的試金石，也是大-中學生實驗水平加速提升的助推器。學校每年面向在校本科生舉辦校賽以及面向全國中學生舉辦CYPT。這些比賽很好地體現了“以賽促學、以賽促教”的特點。具體地說：

（1）在競賽形式方面。物理學術競賽以辯論賽的形式進行，一場比賽中存在正方、反方和評論方3 種角色。3 支隊伍需要分別擔任這些角色，并就同一個物理問題進行陳述及交流。對于中學生而言，通過比賽能夠初步感受由知識性學習至研究性學習的轉變過程。對于大學生而言，通過比賽能夠增強專業認知，學會從不同角度理解自身工作的優缺點。對于帶隊教師而言，通過學生間的切磋交流，教師能夠精準地獲知學生實驗能力的薄弱之處，為以后的針對性教學提供標靶。

（2）在競賽氛圍方面。物理學術競賽匯集了本校以及來自全國高中的眾多參賽隊伍。每一道賽題都形成了極為豐富的實驗方案庫。通過參加競賽，大-中學生能夠就不同案例的實驗細節與同齡人進行交流、辨析與碰撞，激發起后續學習的興趣；而不同中學帶隊教師間彼此學習，能夠從其他學校的教學活動中汲取經驗，從而提升自身的教學水平。

（3）在競賽人員方面。物理學術競賽鼓勵不同知識背景的學生自由組隊，支持跨年級的物理專業人才培養。在本校開展的面向中學生的CYPT 比賽中，每個賽場均配有一名富有比賽經驗的本科生作為評委，從朋輩角度出發，對比賽中出現的物理理論與實驗方面的不足之處進行點評與建議。物理學術競賽可視為一種廣義的教學活動，其過程涉及大學生、中學生和教師等各個角色，能夠有效實現學生互動與師生互動，在大-中學銜接方面展示出一定成效。

3 結 語

針對大學與中學物理實驗教學中普遍存在的銜接性不強、協同培養不足的問題，提出基于物理學術競賽的大-中學生實驗能力協同培養方案。以物理實驗能力培養的各項要求作為指引，將OBE理念貫穿于實驗能力培養的各個方面，采取朋輩互助為主、教師指導為輔的靈活教學策略，以賽促學，以賽促教，克服了傳統實驗課教學模式的弊端，增強了學生學習的興趣和主動性，切實推動了大學與中學物理實驗教學的有效銜接。相關教學成果曾獲得2018 年高等教育國家級教學成果獎二等獎1 項、天津市級教學成果獎一等獎1 項。