源于学术研究论文的中学生物理学术竞赛题的命制探索

苏 俊 王维国 陈 晨 陆建隆

(1. 江苏省海安高级中学,江苏 南通 226600; 2. 金陵中学仙林分校中学部,江苏 南京 210000;3. 南京师范大学教师教育学院,江苏 南京 210097)

1 导论

国际青年物理学家锦标赛(International Young Physicists’ Tournament,简称IYPT)是以一项以赛题研究、团队辩论对抗的形式开展的中学生国际性物理学术竞赛,IYPT竞赛组委会每年公布17个赛题,参赛团队需要从理论和实验两个方面研究这些问题．[1]2007年南开大学物理学院将IYPT竞赛引入到国内以来,吸引了越来越多师生的关注,国内组织开展了各种形式的YPT竞赛活动(Young Physicists’ Tournament,简称YPT),既有全国中学生物理学术创新竞赛(CYPT,南开大学物理学院主办),也有各种省市级的比赛,比如江苏省中学生物理学术创新竞赛(JSYPT),北京市中学生物理学术竞赛,上海市中学生物理学术竞赛,南京市中学生物理学术竞赛等．

这些竞赛全部采用与IYPT相同的赛题以及几乎相同的比赛规则．采用相同的赛题和比赛规则固然可以统一评价标准,从选拔的角度可以遴选出优秀的队员代表国家参加国际赛事．但是,从推广和普及的角度来看,不同地区的学生特点和优势各有不同,相同的赛题适用的学生层次相对局限,不利于赛事的推广,此外参与的学生因为赛题的重复性在一定程度上失去了比赛的积极性,变成了简单地机械操作和训练,失去了问题的趣味性,也失去了对物理问题本源的探索．因此各级主办方应针对参赛对象命制适合参赛学生的赛题．

2 IYPT赛题的来源与特点

IYPT赛题的来源主要是通过推荐．每年有众多IYPT爱好者给IYPT国际组委会推荐赛题,组委会经过讨论与投票选出17个赛题作为当年的IYPT赛题．这些赛题的来源大致分为以下几个方面: (1) 源于生活或工作中的有趣物理现象,对这些现象进行研究和解释,例如第31届IYPT赛题第5题,吸管:当一根吸管放在一杯碳酸饮料里的时候,它可以浮起来,有时倒在玻璃杯的边缘．[1]研究并解释吸管的运动,并判断在哪种条件下,吸管会倒下. (2) 源于网友发布于Youtube视频网站等网络媒体的有趣的物理实验,让学生重现实验并对实验装置进行优化,例如第31届IYPT赛题第3题,硬币跳舞:准备一个冷却充分的瓶子,把一枚硬币放在它的瓶口上,过一段时间你会听见声响并看到硬币在移动,解释这个现象并研究相关因素是如何影响这舞蹈的.[1](3) 源于物理学术论文的研究内容,从某一个角度出发进行深入研究,例如第31届IYPT赛题第16题,声悬浮:小物件可以在竖直的声波中悬浮,研究这个现象,你对小物件的操纵能达到什么程度．[1]另外,笔者通过分析历年的IYPT赛题,发现这些赛题的研究过程有如下特点: (1) 所用的实验器材与设备简单化、生活化．相比于实验室中传统的数字按钮式的实验器材,IYPT实验的器材有些可以直接从生活中获取加以改造就变成了实验器材,利用这些改进的器材学生容易做出实验现象; (2) 实验数据采集和分析的专业化．实验过程中要收集数据,数据越精确、越系统,结论才越可信．数据采集设备可以来源于生活或者中学物理实验室,如手机的慢动作功能、实验室的各种物理传感器等;而在数据处理上经常需要用到相关的分析软件,如Mathematica、Matlab等软件．(3) 所涉及的物理背景多数是大学普通物理知识,物理基础较好的中学生有能力去学习掌握这些知识．

笔者结合自己的带队经历和观摩各类YPT比赛发现中学生基本能够做出实验现象并完成一些数据的采集与分析工作,但是很多时候对物理规律的认识并不清晰,缺乏详尽的理论分析,一些IYPT赛题的物理背景超出了中学生的知识与能力范畴,不能很好地匹配各层次参赛者的物理知识与认识能力,也使得比赛内容和流程变得千篇一律,做出实验现象进行简单的物理分析,并没有从本质上解释现象,缺少了YPT活动的物理味．因此,主办方命制适合参赛对象的赛题显得尤为必要．

3 YPT赛题的来源与命制

由IYPT赛题可以看出,命制YPT新赛题要符合3个特征: (1) 物理现象具有新颖性和趣味性．任何物理问题都是从生活中产生,最后回归生活,而生活中的现象很多都极具趣味性,这样能够激发学生的好奇性和求知欲,全身心投入到赛题研究中来; (2) 赛题内容符合中学生的物理认知水平．理论分析是赛题研究必不可少的一部分,但是理论不易过难,超出了学生的认知范围让学生无从下手失去了比赛的意义,也打击了学生的积极性．因此所涉及理论不应超过大学普通物理的范畴; (3) 实验的可视化和数据化程度高,在生活中或物理实验室都可以做出实验现象,并且可以利用手机、常见的物理传感器采集实验数据．因此,要找到满足这3个特征的YPT赛题并非易事．

YPT赛题命制的基本思路与国际IYPT赛题类似,一方面是基于生活中的有趣物理现象或网络媒体上的新奇物理实验,这种命题方式有一定的偶然性,需要命题者找出新奇有趣的实验,并且能够判断出实验的新奇之处,对中学生完成实验以及所需的物理背景要有可行性的预估．另一方面是基于已发表的物理学术论文,通过研究历年国际IYPT赛题的参考资料,[2]其中所涉及的参考文献经常会出现这样几种欧美物理杂志,如表1,前两种是SCI收录的物理教育类杂志,它们的定位类似于国内的《大学物理》,而《物理教师》与《物理教育》主要定位于中学物理教育．[3-6]由于教育文化的差异,欧美物理教育杂志的一个鲜明特征是刊登很多研究有趣实验的论文．另外,美国物理学会(APS)为了给喜爱物理的人士提供一个介绍物理前沿进展的平台,设置了“物理”(Physics)专栏,编辑从APS出版的杂志中挑选出一些新颖的物理研究工作放在Physics专栏．[7]

表1 相关物理学术期刊目录

笔者通过查阅近2年表1中列出的物理教育和学术类杂志,筛选出一些符合上述特征的论文.下面将从阅读过的3篇学术论文来尝试改编与命制YPT新赛题,以供参考．

案例1.论文题目:The Chappaquiddick Incident[8](查帕奎迪克岛交通事故).

论文来源:The Physics Teacher.

出版时间:2016年12月.

内容概要:本文围绕1969年发生在美国马萨诸塞州查帕奎迪克岛的一起交通事故.美国参议员爱德华·肯尼迪驾驶汽车从一座低矮的桥上坠入浅水河中,汽车沉入2.1m深的河水中,车顶朝下,肯尼迪夫人死亡.由于河水太浅,人们认为肯尼迪夫人的死亡是有蹊跷的.这件交通事故在美国引发了很多争议．本文作者以玩具汽车落入水箱来模拟这次交通事故,实验上研究了玩具汽车在空中的翻转以及在落水后的运动过程,并将玩具车与真实的汽车落水做了简单的对比研究．

在这篇有趣的论文中,使用的实验器材有玩具小车、相机、收纳箱,数据分析用到了Tracker软件,[9]物理知识涉及到了普通力学．这些实验与理论背景都符合中学生的认知能力,因此可以将其改编成一个YPT新赛题.

小车落水:一辆玩具小车从桌面上以一定的速度落入桌子旁边的水箱中,研究玩具车在空中以及落水后的运动过程,并探讨它与真实汽车落水的异同．

中学生可以从这些方面去研究本课题,比如玩具汽车在空中的翻转角速度与什么有关,汽车落水时水的阻力跟车的落入角度有什么关系,水的阻力与速度是否成正比,是否要考虑水的浮力,车在水中如何运动等．

案例2.论文题目:How tall can gelatin towers be? An introduction to elasticity and buckling.[10]

中文译文:明胶“砖块”能搭多高的塔?

出版时间:2017年10月.

论文来源:American Journal of Physics.

内容概要:本文用明胶来做成砖块来堆砌“建筑物”,研究了在倒塌前所能堆砌的最大高度,以及各种搭建结构对建筑物稳定性的影响．

论文涉及实验器材有明胶粉、乐高模具、相机等,数据分析可以用Tracker软件,物理背景是普通力学中的一般振动问题,适合中学生研究．我们可以将这篇论文改编如下.

论明胶塔的倒掉:用明胶可以制作“果冻砖块”,研究用这些砖块能够堆砌出的最大高度,并研究“砖块”强度以及搭建结构对最大高度的影响．

中学生使用明胶粉去制作“果冻砖块”,“果冻砖块”的强度对明胶凝固时的温度及其敏感,[10]控制“果冻砖块”的强度既是实验的重点也是难点.这可以很好地培养学生的动手能力．搭建物结构的设计也是非常重要的,这也需要研究者进行相关研究与讨论．

案例3.论文题目:Demonstrating the conservation of angular momentum using spherical magnets.[11]

中文译文:利用磁性小球演示系统角动量守恒定律.

出版时间:2018年1月.

论文来源:American Journal of Physics.

内容概要:两个磁性小球以一定的速度相互靠近,两者间的磁力会将它们吸引在一起.本文研究了这个“合并”过程中的系统角动量守恒,并与黑洞合并以及产生的引力波做了一些类比．

论文涉及的实验器材:磁性小球、高斯计、iPhone手机(慢动作功能)等,数据分析仍然可以使用Tracker软件,可能需要普通力学和电磁学的物理背景知识．自从2016年LIGO等小组发现黑洞合并时产生的引力波以来,引力波的探测引起了众多人的兴趣,但是准确去理解引力波需要广义相对论的知识．但是,我们可以做一些类比,比如这里的磁性小球合并的研究,可以将这个论文改编如下.

磁球“双星”合并:两个以一定速度相向运动的磁性小球在相互作用的过程中会发生类似于“双星合并”的现象,研究磁极方向等相关参数对合并过程的影响．

学生可以来探测磁性小球合并过程中感应线圈产生的感应电流,模拟“引力波”信号．还可以研究系统的角动量守恒问题,或者系统的机械能守恒问题,在探究实践中体验物理规律．

通过上述3个案例可以看到将一些通俗有趣的学术论文进行合理改编,可以改编成类似于IYPT的新赛题,针对不同层次的参赛对象可以设置不同的YPT赛题,通过挑选素材来源以及设计的研究问题来控制不同的难度和兴趣点．

4 结论

本文通过分析IYPT赛题的命题方式,赛题的主要来源和特点,总结出了命制新YPT赛题的一些方法,并尝试从学术论文中提取素材和命制了3个YPT的新赛题．