物理学术竞赛对学生从中学到大学过渡的桥梁作用

余 华 李川勇 吴 强 薄 方 刘智波 阎宝岩

(南开大学物理科学学院，天津 300071)

物理学术竞赛对学生从中学到大学过渡的桥梁作用

余 华 李川勇 吴 强 薄 方 刘智波 阎宝岩

(南开大学物理科学学院，天津 300071)

通过分析高中教育和大学教育的差异以及本科阶段创新实践能力的培养，本文阐述物理学术竞赛在学生从高中到大学的转型期的作用，以及在本科阶段培养学生基本科研能力方面的作用。本文还以南开大学为例，介绍物理学术竞赛在本科教育中的实施和发展。

物理学术竞赛；高中教育；大学教育；创新实践能力; 综合能力

素质教育中，创新能力和实践能力是非常重要的一部分。创新教育的基础是实践，实践教学对创新人才的培养起着至关重要的作用。科研实践教育的理念早在19世纪由德国教育家威廉·冯·洪堡提出[1]。在美国，实用主义教学思想创始人杜威和设计教学法之父克伯屈也提出了以解决问题为核心的研究性教学的要求[2]。1998年和2001年美国博耶委员会(The Boyer Commission)在《重建本科生教育：美国研究型大学发展蓝图》报告中的第一条建议就是“确立以研究为基础的学习”[3]。20世纪90年代，无论是欧洲的法国从初高中到大学预备班统一开设相互衔接实践类课程、芬兰主题学习法、丹麦的项目教学、瑞典的问题学习法，以及挪威的大班授课与小班讨论和辅导相结合，还是亚洲日本的自主性学习，创新实践教育越发受到教育工作者的关注[4]。目前中国的高校中，针对学生的创新实践能力的培养主要采用开放实验室、课外创新项目、创新实践基地、创新论坛等和与之配套的评估和奖励措施[5,6]。如清华大学于1995年提出学生科研训练SRT(Students research training，简称SRT)计划，随后，复旦、浙大和中科大也提出了各自的本科生研究计划，南开大学也于2003年开设本科生百项工程项目。这些举措以项目研究为抓手实现培养高素质创新型人才的4个基本要素，即：创新意识、创新平台、创新能力和创新文化。经过几十年的摸索和发展，高校针对学生创新实践能力的培养逐渐形成一整套各具特色的方式和方法。

创新实践教育是一项长期的、持续的并不断加以深入的过程，最终形成个体的创新习惯。虽然目前创新教育蓬勃发展，但是也不难发现一些问题。其一就是本科生的科研实践教育没有很好地针对其群体差异进行展开，其二就是与本科教育相衔接的高中和研究生教育没有形成科研实践教育的基础培养和深造准备阶段。我们的研究团队针对此问题进行了广泛调研和深入研究，以南开大学物理科学学院为试点，针对不同能力的本科生进行多层次的综合实践能力培养模式，打通高中阶段和研究生阶段的实践教育基地。形成“课内外，校内外，境内外”纵向多层次，高中—本科—研究生横向多点辐射发展的物理科研实践教育网状体系，使学生的培养形成“多层次，分阶段，可持续”的教育模式。

在研究中我们发现，从高中阶段被动式学习到大学阶段自主式学习的转变中，如何引导学生形成创新意识，转变思维模式显得非常困难，而物理学术竞赛的引入很好地解决了这一问题。本文将针对物理学术竞赛对于高中—大学转型期的学生如何从无到有建立创新习惯，具备创新基本素质进行探讨。

1 物理学术竞赛在高中—本科过渡期间的桥梁作用

在高中教育阶段，课堂教学作为主导，通过重复式的练习以达到学生对于知识的熟练掌握。尤其在高考的压力下，学生已经习惯于在教师的引领下通过大量的作业去巩固所学的知识。与之形成鲜明对比的是，大学的教育强调独立自主学习，在学习大量知识的同时不断提高自身的能力。在高中—本科的接棒过程中，很多学生会出现不适应、迷茫、自我否定等思想问题，严重影响其在大学中的学习。很多学者也提出将大学课程下放，在高中阶段提前修读一部分大学课程，以减少学生在大学学习期间的不适应感。但是，学生们在高中—本科阶段出现的不适应症状的真正来源不是来自于所学知识的欠缺，而是学习知识方法的迷茫。这时，就需要在学生刚刚进入大学阶段的时候，通过一些方式和方法使学生们逐渐进行自我转型，逐渐适应大学的学习模式，这才是解决问题的根本。

学生在高中习惯的学习模式为“解题做作业”，而大学阶段的学习模式为“自主研究探索”。物理学术竞赛恰恰满足这两个阶段的双重特点。物理学术竞赛是就一些实际物理问题进行团队合作研究，然后就其物理知识、理论分析、实验方案、结果讨论等进行辩论性的比赛[7]。物理学术竞赛乍看上去就是一道一道的物理习题，有已知条件和求解的问题，但是这些物理问题是开放性的，解题的过程不仅仅需要常规的利用所学的知识进行运算，还需要通过自己设计简单的实验进行验证。不仅仅要用到学生已有的知识，更多的是让学生学会自己去查阅和学习未知的知识点并加以运用。此外，这些开放性的物理问题和日常生活联系紧密，生动有趣中蕴含丰富的物理原理。学生们在“解题做作业”的过程中逐渐学会了“自主研究探索”，何况这些开放性的物理问题没有标准答案，学生学习的转型过程是个性化的，是最符合学生自身特点的，每一位学生通过物理学术竞赛都会找到自己最适应的大学学习方法。

物理学术竞赛是一座搭建在高中—本科过程中的桥梁，学生们通过物理学术竞赛可以选择自己最适应的方式走过这座桥进行大学的学习。物理学术竞赛的桥梁作用正是由于自身的双重特点，满足了高中和本科阶段进行衔接的要求，更重要的是在学生心中播撒了创新实践能力培育的种子。

2 物理学术竞赛是本科阶段进行科学研究的基础

素质教育的提出使本科阶段越来越多的学生进行科研实践基地锻炼自己的科研素质。学生要真正进入课题组进行科学研究需要提前进行一些基本知识和能力的培训，比如查阅文献、数据的搜集和基本处理、编程语言的使用、科研汇报和写作、团队协作等。这些科研基本能力的培养在以前往往是通过在科研过程中逐渐的积累，这势必使得科研的脚步放缓。物理学术竞赛便很好地解决了这一问题。

学生们在物理学术竞赛的准备阶段，需要组队对题目进行分析，通过分工对题目进行解析。在这一过程中，为了使自己得到的结果更具有说服力，便要查阅很多的文献进行论证，通过实验和理论模拟计算进行佐证，然后通过清晰和规范的展示环节说明得到结果的可靠性和正确性。在这些准备和展示环节中，学生们通过自学和向老师咨询逐步获得了科研的基本能力。在学习的过程中，学生主动地通过各种资源获取自己所需的知识，通过与老师或者同学间的交流学会如何表达自己的观点，以及如何吸纳别人好的建议，在实验过程中更是通过自己动手掌握了实验的基本技能。在团队中，学生们学会如何发挥每一个人的特长以期实现团队的更大产出比。在展示自己的成果中，学生们更是要通过自己的摸索和学习使得自己的展示更加的正式。

物理学术竞赛更像是学生真正进入科学研究之前的预科班，在这里学生是通过自我的需求而不是填鸭式的教育积极主动的去学习各类科学研究的基本能力，为本科甚至是研究生阶段进入科学研究打下基础。

3 物理学术竞赛是培养学生综合能力的基础

素质教育不仅仅指的是创新和实践能力的培养，更着重于人的培养。交流表达能力、团队合作能力、主动解决问题的能力和思辨思维的形成在人的成长过程中十分重要，这些能力的形成需要通过具体的事件并亲身参与其中才能逐渐领悟和学会。

在物理学术竞赛的过程中，学生需要利用身边的各种资源，需要向学长、同学、老师、网络等寻求帮助，需要联系老师借用实验室完成实验工作。在有限的经费资助下，学生们会想办法寻求更好的解决路径以期获得最大的回报。在这些过程中，学生锻炼了与人交流表达的能力，学会更好地设计自己的实验方案以满足自己的“解题”需求。无论是在准备比赛的过程中，还是在比赛场上，互相协作的能量要远大于单打独斗。

特别需要指出的是，在比赛场上，如何有礼仪地提出反对的声音，对于别人的质疑如何应对，如何正确且恰当地评价别人的工作。这些能力可能与学习物理知识完全没有关系，但是对于人的培养来说，是一个人综合能力的一种体现。在学术竞赛的比赛过程中，正反双方的辩论和评论方的点评恰恰正是对于这种能力的一种训练和培养。

在南开大学，凡是代表学校参加过各种形式学术竞赛的队员回校之后都会成为物理思辨社的成员，为下一届新生更好地参与学术竞赛提供各类服务，包括如何准备、学术ppt的制作、比赛规则解读、各类资源咨询指南等，这种志愿服务也是培养学生一种社会责任感，一种回报和感恩的素质。这种精神力量的辐射作用在育人的过程中显得尤为重要，这也是学术竞赛带给学生们一生享用的财富。

物理学术竞赛通过其特有的比赛形式，很好的培养了学生以上能力，这些能力的养成不仅仅在学生的学习阶段十分重要，而且在学生一生的发展过程中都是大有裨益的。

4 物理学术竞赛在南开的发展

2008年，南开大学将物理学术竞赛引入中国，先后发起了中国大学生物理学术竞赛(China Undergraduate PhysicsTournament，简称CUPT)和中国高中生物理创新竞赛(China Young Physicists’ Tournament，简称CYPT)。在南开大学物理科学学院，本科生有一系列多层次的创新实践培训课程，其中本科一年级的物理学术竞赛，本科二年级的课外创新项目，本科三年级的创新研究与训练课程和本科四年级的毕业论文形成了一系列初步深入的创新实践能力培养体系。针对于国家拔尖学生培养计划的学生，则采用一年级的学术竞赛，二年级和三年级的物理研讨、科研训练、课外创新项目和海外实践基地科研实习，加上四年级的毕业论文更深入地加大对于拔尖学生的培养。由此可见，无论是针对于一般本科生还是拔尖学生的培养，物理学术竞赛都是最基本的一种训练手段，其主旨也是在于其对于学生创新实践能力的培育作用。

针对物理学术竞赛，在南开大学也有不同层级的培养方式。对于大一的本科生，可以参加物理学院举办的年度物理学术竞赛，在此竞赛的基础上，通过学生的自愿报名也可参加全国的CUPT，与全国各个高校的同学共同交流，取长补短。为了锻炼学生的英语表达能力和与研究生交流协作的能力，学生也可参加台湾地区的大专生物理辩论高峰会(Taiwan College-student Physicists’ Tournament，简称TCPT)和国际物理学家锦标赛(International Physicists’ Tournament，简称IPT)，通过不同层级的物理学术竞赛使具有不同能力和特长的学生得到锻炼，他们在各类物理学术竞赛上的收获在回校后都会进行交流和分享，使得每位学生都能有所收益。

在南开大学，物理学术竞赛参加的学生基本上是本科一年级的学生，学生进入本科二年级时就开始申报各类课外创新项目，通过多年的观察和科研导师的反馈，明显感觉到经过物理学术竞赛的学生能够在科研中更快地进入角色，成为导师的得力助手。通过物理学术竞赛也使学生对于本专业的课程学习更加有兴趣。此外，参加过学术竞赛的学生在接人待物、奉献精神、社会责任感等方面也颇受老师和用人单位的好评。由此可见，物理学术竞赛真正起到了对于本科生综合能力培育的作用。

[1] 赵祥麟，王天一，单中惠. 外国教育家评卷(第2卷)[M].上海:上海教育出版社，1992.

[2] 应俊峰.研究型课程[M]. 天津:天津教育出版社，2002.

[3] 刘赞英,王岚,朱静然,等.国外大学研究性教学经验及其启示[J].河北科技大学学报:社会科学版.2007(1):68-75.

Liu Zanying, Wang Lan, Zhu Jingran, et al. Enlightenment and experience of the research teaching of the higher education abroad[J]. Journal of Hebei University of Science and Technology(Social Sciences), 2007(1): 68-75. (in Chinese)

[4] 路慧.理工类研究型大学开展研究性教学的实践探索与模式建构—基于大连理工大学的实例分析[D].大连理工大学,2013.

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Tang Jiale, Cheng Fang, Huang Chunhui, et al. Cultivation of practice ability and innovation ability of college students for quality education[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2013(1): 88-89(in Chinese)

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Zhou Zhiping, Guo Suzhen, Zhang Mingxuan, et al. Development of student scientific research & innovative practical ability in university[J]. Theory and Practice of Education, 2010(24): 12-14. (in Chinese)

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简讯

清华大学龙桂鲁研究组在量子控制方面取得进展

在量子信息领域，实现量子系统的高精度控制是构建大规模量子计算机的关键因素，也是面临的巨大挑战之一。尽管日前IBM称已能对50量子比特的系统进行控制，然而就已发表的文章看来，最先进的量子计算实验平台很少超过10量子位，且大多数情况下只能提供简单的控制。本工作成功地实现了高精度操作12个量子比特的核磁共振量子信息处理器；所发展出来的实验技术可以移植到氮空位色心、离子阱或超导电路等易于拓展的量子系统。

龙桂鲁教授及其博士生李可仁、辛涛，以及已经毕业的冯冠儒、李行与滑铁卢大学Raymond Laflamme教授研究组、圭尔夫大学曾蓓教授研究组合作，演示了对一个12量子位核磁共振系统的操控，制备了12个量子比特的相干态。本工作的一个特点就是在这个12比特量子体系本身进行反馈控制优化算法(MQFC)，来优化对自身系统的控制脉冲序列。与经典计算运算相比，不仅大大减少了计算时间，而且将控制精度提高了10%。这种方法一方面更有效地优化了系统控制，另一方面可以利用系统自身的优化消除不确定系统的噪声影响。

该成果以“Enhancing quantum control by bootstrapping a quantum processor of 12 qubits” 为题于2017年10月23日发表在npj Quantum Information 3, 45 (2017)。博士生李可仁为共同第一作者。MIT的Lloyd教授等在今年Nature发表的“Quantum Machine Learning”综述论文中引用了该论文(Arxiv的版本)。

文章链接： https://www.nature.com/articles/s41534-017-0045-z

(摘编自清华大学物理系工作简报，原文由龙桂鲁老师研究组供稿)

THEBRIDGINGROLEOFPHYSICSTOURNAMENTINTHETRANSITIONFROMHIGHSCHOOLTOCOLLEGE

YUHuaLIChuanyongWUQiangBOFangLIUZhiboYANBaoyan

(School of Physics, Nankai University, Tianjin 300071)

Through the analysis of the differences between high school education and college education and the training of innovative practical ability in the undergraduate stage, this paper investigatesthe role of physics tournament in the transition from high school to college including cultivating students’ basic scientific research ability and personal skill. Futhermore, there is a brief introduction of the implementation of physics tournament and its development in Nankai University.

physics tournament; high school education; college education; innovative practical ability; comprehensive ability

2016-06-21

国家基础科学人才培养基金(J1103208)，国家基础学科拔尖学生培养试验计划2017年课题，天津市普通高等学校本科教学质量与教学改革研究计划(D03-0702)，南开大学教育教学改革项目资助。

余华，男，副教授，主要从事发光物理学与本科教学研究工作，yuhua@nankai.edu.cn。

李川勇，女，教授，主要从事物理教学和生物物理研究工作，chuan@nankai.edu.cn。

余华，李川勇，吴强，等. 物理学术竞赛对学生从中学到大学过渡的桥梁作用[J]. 物理与工程，2017，27(6)：104-107.

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