基于丘成桐中学物理奖培养高中生学术潜质的实践探索

苏 俊 王维国

(江苏省海安高级中学,江苏 南通 226600)

“英特尔科学与工程奖(Intel ISEF)”是美国面向中学生的著名科学奖项,在全美具有较高的影响力,1934年创设至今培养了大量科技精英和12名诺贝尔奖获得者.[1]为创设中国的“英特尔科学与工程奖”,国际著名数学大师、菲尔兹奖获得者丘成桐教授设立了丘成桐中学科学奖,[2]每年由清华大学承办竞赛活动,泰康人寿董事长陈东升先生等社会人士提供了资金支持. 丘成桐中学科学奖(下面简称“丘奖”)邀请国际知名科学家担任评委,参赛对象为全球华人高中生,设立数学奖、物理奖、化学奖、生物奖、计算机奖. 截至2017年,数学奖已举办9届,物理奖举办5届,化学奖与生物奖举办了2届,计算机奖举办了1届. 丘奖已经纳入清华大学自主招生“拔尖计划”,随着影响力与规格的提升,吸引了越来越多海内外中学生的参与.

丘成桐中学物理奖分为中国南部赛区、中国北部赛区和海外赛区.要求参赛团队(每个团队不超过3人)自定一个物理研究课题,在当年9月初提交研究报告.组委会先在各个赛区进行评审,10月份公布入围分赛区决赛名单,其中南部与北部赛区各约12个团队入围.经过分赛区中文答辩共选出约14个团队参加全国总决赛,未入围全国总决赛的团队将会获得分赛区奖. 全国总决赛于12月中旬在清华大学举行,参赛同学需提交英文论文,进行英文答辩,最终评审出金奖1名,银奖1名,铜奖3名,优胜奖5名,入围奖4名,其中前10名团队会获得一定的奖金,并有机会参加清华大学自主招生面试,2013—2015年共有15名学生获得清华大学自主招生资格.[2]其他学科的参赛流程大致如此. 经过多年发展,已有不少参加过丘奖的学生进入清华大学、哈佛大学等国内外著名高校深造. 2015年共270个团队参加物理奖,2016年共227个团队参加物理奖,我校参赛团队均进入了全国总决赛,2015年获得入围奖(全国第12名),2016年获得优胜奖(全国第8名).

1 中学生物理学术研究类竞赛

目前国内面向中学生的物理学术研究类竞赛主要有两种,国际青年物理学家锦标赛(IYPT)[3]与丘成桐中学物理奖.IYPT竞赛由国际竞赛组委会每年公布17个开放性课题,参赛学生从理论和实验上进行研究,比赛采用团队辩论对抗的形式进行.IYPT自2007年由南开大学引入国内以来,吸引了越来越多物理教育工作者的关注,众多省市开展了中学生IYPT竞赛活动,例如全国中学生物理学术竞赛(CYPT,南开大学组办)、江苏省中学生物理学术创新竞赛(JSYPT,江苏省物理学会组办)、上海市中学生物理学术竞赛、北京市中学生物理学术竞赛等．此外,还有众多高校开展了IYPT竞赛活动,例如全国大学生物理学术竞赛CUPT．这些比赛均采用相同的IYPT课题和类似的比赛形式．丘成桐教授于2013年设立丘成桐中学物理奖,至今已举办了5届,与IYPT竞赛不同的是,丘成桐中学物理奖不给定课题,而是参赛学生自定课题,参赛者从理论和实验上研究相关课题,写出研究报告,后续要进行中文和英文答辩.自2007年IYPT引入国内以来已有众多IYPT竞赛相关的教育研究工作,但是丘成桐中学物理奖竞赛相关的教育研究工作却并不多见.我们指导学生连续参加了2015年与2016年的物理奖比赛,以下简要分享指导丘成桐物理奖的点滴经验,希望给有兴趣的教师与学生提供一些帮助.

2 物理奖项目辅导的5大环节

2.1 引导有能力、有激情学生参与

参加物理奖本身就是物理小科研,需要参赛学生去学习与思考很多课本上没有的知识,要求参赛者具备较强的学习能力与物理素养.兴趣是最好的老师,参赛学生要真正对物理研究充满兴趣,并且具备良好的学习能力、动手能力、英文表达能力.

2.2 培养学生掌握基本的研究技能

除了课本知识,多数中学生对如何开展研究知之甚少,这需要教师指导学生学习一些新知识与研究技能.多数 IYPT课题只涉及普通物理知识,IYPT课题的研究方法会给物理奖参赛提供很多帮助,参赛者会学到很多科研小技能,例如学会使用计算与绘图软件Mathemaica或Matlab,使用视频运动分析软件Video Tracker Analysis等.[4]物理奖需要提交研究论文,如果进入总决赛需要提交英文论文,而多数中学生对论文的认识几乎空白,因此指导教师辅导学生阅读一些普通物理论文是非常有必要的. 指导教师需要为学生在漫无边际的论文中挑选合适的论文,首先,我们建议参赛同学去阅读丘成桐中学科学奖官网公布的往年参赛论文.[2]通过阅读这些论文可以了解到往年其他学生选了什么课题,做了什么研究,用了什么方法,从中会得到很多有益的启发;其次,我们推荐美国物理教师协会(AAPT)的《美国物理学杂志》(American Journal of Physics)与《物理教师》(The Physics Teacher)杂志,[5,6]还有英国物理学会(IOP)的《欧洲物理学学报》(European Journal of Physics)与《物理教育》(Physics Education)杂志.[7,8]这些普通物理教育类杂志经常有一些新颖有趣的实验与理论研究.从这这些杂志中可以挑选出很多符合中学生物理认识水平的论文. 通过辅导学生阅读这些论文,学生可以了解到别人在做什么、怎样做,从中学到很多新颖的实验与理论方法.

2.3 论文的选题

爱因斯坦说过,“提出一个问题比解决一个问题更重要”.这句话耳熟能详,当要进行选题时才能体会到爱因斯坦真正要表达的意思. 选题是整个物理奖研究过程中比较大的困难,选一个恰当的课题非常重要. 如果选的课题太难,会超出中学生的认识范围;如果选的课题太常见,或许别人已经研究过. 我们鼓励学生充分发挥想象力,搜罗生活中有趣的物理现象,并通过百度学术、谷歌学术等搜索引擎进行文献调研,来确定什么样的课题是可以研究的. 之前我们提到过挑选合适的论文辅导学生阅读,参赛学生通过阅读这些论文也会积淀很多想法,这些想法也可以是选题的来源.

我们2015年参加物理奖的课题源于辅导学生阅读《美国物理学杂志》上的一篇论文.[9]这篇论文在理论上讨论小球在引力势阱中的运动问题.笔者指导的研究小组查阅了这篇论文的引用文献,发现之前也有一些从理论上讨论引力势阱的论文,却没有发现从实验上进行引力势阱研究的工作. 3D打印技术可以打印出任何符合数学表达式的模型,于是笔者指导的研究小组用Mathematica将三维函数画出,生成3D打印文件,利用3D打印机打出引力势阱,从实验上成功地呈现了理论. 后来,笔者指导的研究小组对这个方法进行了拓展研究,陆续在国际物理教育杂志发表了两篇研究论文,其中一篇发表在著名物理教育SCI杂志《美国物理学杂志》,[10]另一篇发表在英国物理学会的《物理教育》.[11]2016年物理奖课题则源于一个学生的想法:泡泡是怎样吹出来的,也就是泡泡是怎样从肥皂膜中形成的. 经过前期的大量文献调研,发现是一种物理不稳定机制在发挥作用,由此笔者指导学生学习了流体物理的一些基本知识,并进行了各种实验,实验发现了一些新奇的实验规律,开展了详细的理论与实验研究.

2.4 课题的开展案例与剖析

在课题研究的过程中,教师需要引导学生来研读一些文献,设计实验,更需要引导学生去思考和解决问题．在参加2015年物理奖的过程中,笔者指导的研究小组用3D打印机打印出了一个引力势阱,由于3D打印的实物表面比较粗糙,小球在上面的运动效果不理想．学生尝试使用抛光液、打磨等方法来使得势阱表面光滑,但是效果始终不理想．偶然的机会,一个学生父亲的车发生了剐蹭事故,车被拖到了汽车修理店做烤漆,这个学生突然有了想法,能否将引力势阱实物表面做上烤漆来使得表面光滑. 于是尝试做了烤漆,让大家惊喜的是实验效果非常好.爱因斯坦说,“如果我们知道需要做什么,那就不叫研究”.带学生的研究过程中经历了很多周折后才意识到研究的魅力所在,没有参考答案,不断尝试,不断受阻,不断思考,再不断尝试,最终才有可能取得成果.

2.5 丘奖项目研究的指导对中学教师的新要求以及指导策略

指导教师在课题研究过程中扮演什么角色?与高校的研究生比,中学生知识储备缺乏,以及有限的空余时间,这就需要指导教师辅导学生学习一些基本的研究方法,研读一些文献资料. 另外指导教师要具备基本的物理科研素质,同时也需要有较强的责任心.

每年入围全国总决赛的团队绝大多数来自一线城市的重点中学,很多参赛团队指导教师来自高校．相比之下,其他地区的中学生由于地方教育资源的限制不能得到有效的指导. 这些困境在一定程度上可以克服. 首先,物理奖重点是锻炼学生的创造力、研究能力,参赛的多数课题局限于普通物理中的力学、电磁学,并不需要高端的实验仪器,也不需要高深的物理理论. 其次,不同于传统大课堂开展的实验,研究丘奖课题不需要批量采购实验器材,而是实验需要什么再准备什么,有较强的针对性和很好的自由度,课题研究在实验方面对多数中学不会有太大的障碍.

3 丘奖对中学生学术潜质培养的作用

“英特尔科学与工程奖”经过80多年的发展与积淀被证明是成功的,为美国培养了大批科技精英,受到了美国社会的认可与赞誉.丘成桐教授创立的“丘成桐中学科学奖”也是同样的定位,借鉴“英特尔科学与工程奖”的组织与选拔模式,舍弃试卷与标准答案,让学生参与科学研究,激发全球华人中学生对科研的兴趣与创造力,发掘并培养有前途的年轻科学人才.

我们连续参加了两届物理奖竞赛,对此感触颇深.不同于传统的物理考试或者奥赛,物理奖需要学生在教师指导下完成一个课题研究,写出研究报告.在研究过程中学生可以真切体会到寻求“未知答案”煎熬与乐趣,在解决课题困难的过程中,激发他们的灵感与创造力;通过繁杂的实验、数据分析、理论计算等,培养他们的团队协作能力.

我们参加了两届丘奖,初步积累了些许参赛经验,笔者希望本文能对有热情参与丘奖的教师与学生提供帮助. 其实,真正能入围总决赛的团队是极少数,但是培养有科学潜能的学生开展课题研究并不是为了获奖,学生在开展研究的过程中,懂得了科研流程,学到更多课本上没有的知识,思考了别人没有想过的问题,感受到了研究过程的乐趣.这对学生的成长就是最大的财富.这也是丘成桐教授的初衷.丘奖在国内还是一个新生事物,相关人才的培养模式与教育价值还需要我们教育工作者去深入研究.

4 致谢

感谢丘成桐教授,为中学生提供了一个全新的平台. 感谢南京师范大学教师教育学院陆建隆教授的修改建议. 感谢陶洪教授,王思慧教授,吕建校长,张华老师等人的支持与帮助.

参考文献：

1 英特尔科学与工程奖,https://student.societyforscience.org/intel-isef/.

2 丘成桐中学科学奖,http://www.yau-awards.science/.

3 IYPT,全称“国际青年物理学家锦标赛”,http://www.iypt.org/.

4 一个开源的运动视频分析软件,http://physlets.org/tracker/.

5 American Journal of Physics,http://aapt.scitation.org/journal/ajp/.

6 The Physics Teacher,http://aapt.scitation.org/journal/pte/.

7 European Journal of Physics,http://iopscience.iop.org/.

8 Physics Education,http://iopscience.iop.org/.

9 C A Middleton. The 2D surfaces that generate Newtonian and general relativistic orbits with smallEccentricities[J], American Journal of Physics, 2015, 83(7): 608-615.

10 J Su, W Wang, et.al, Visualization of gravitational potential wells using 3D printing technology[J], American Journal of Physics, 2016, 84(12): 943-947.

11 M Lu, J Su et.al, Visualisation of Kepler’s laws of planetary motion[J], Physics Education, 2017, 52(2): 025006.