源于學(xué)術(shù)研究論文的中學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽題的命制探索

蘇 俊 王維國(guó) 陳 晨 陸建隆

(1. 江蘇省海安高級(jí)中學(xué),江蘇 南通 226600; 2. 金陵中學(xué)仙林分校中學(xué)部,江蘇 南京 210000;3. 南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院,江蘇 南京 210097)

1 導(dǎo)論

國(guó)際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽(International Young Physicists’ Tournament,簡(jiǎn)稱IYPT)是以一項(xiàng)以賽題研究、團(tuán)隊(duì)辯論對(duì)抗的形式開展的中學(xué)生國(guó)際性物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽,IYPT競(jìng)賽組委會(huì)每年公布17個(gè)賽題,參賽團(tuán)隊(duì)需要從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面研究這些問題．[1]2007年南開大學(xué)物理學(xué)院將IYPT競(jìng)賽引入到國(guó)內(nèi)以來,吸引了越來越多師生的關(guān)注,國(guó)內(nèi)組織開展了各種形式的YPT競(jìng)賽活動(dòng)(Young Physicists’ Tournament,簡(jiǎn)稱YPT),既有全國(guó)中學(xué)生物理學(xué)術(shù)創(chuàng)新競(jìng)賽(CYPT,南開大學(xué)物理學(xué)院主辦),也有各種省市級(jí)的比賽,比如江蘇省中學(xué)生物理學(xué)術(shù)創(chuàng)新競(jìng)賽(JSYPT),北京市中學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽,上海市中學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽,南京市中學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽等．

這些競(jìng)賽全部采用與IYPT相同的賽題以及幾乎相同的比賽規(guī)則．采用相同的賽題和比賽規(guī)則固然可以統(tǒng)一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),從選拔的角度可以遴選出優(yōu)秀的隊(duì)員代表國(guó)家參加國(guó)際賽事．但是,從推廣和普及的角度來看,不同地區(qū)的學(xué)生特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)各有不同,相同的賽題適用的學(xué)生層次相對(duì)局限,不利于賽事的推廣,此外參與的學(xué)生因?yàn)橘愵}的重復(fù)性在一定程度上失去了比賽的積極性,變成了簡(jiǎn)單地機(jī)械操作和訓(xùn)練,失去了問題的趣味性,也失去了對(duì)物理問題本源的探索．因此各級(jí)主辦方應(yīng)針對(duì)參賽對(duì)象命制適合參賽學(xué)生的賽題．

2 IYPT賽題的來源與特點(diǎn)

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(guó)際組委會(huì)推薦賽題,組委會(huì)經(jīng)過討論與投票選出17個(gè)賽題作為當(dāng)年的IYPT賽題．這些賽題的來源大致分為以下幾個(gè)方面: (1) 源于生活或工作中的有趣物理現(xiàn)象,對(duì)這些現(xiàn)象進(jìn)行研究和解釋,例如第31屆IYPT賽題第5題,吸管:當(dāng)一根吸管放在一杯碳酸飲料里的時(shí)候,它可以浮起來,有時(shí)倒在玻璃杯的邊緣．[1]研究并解釋吸管的運(yùn)動(dòng),并判斷在哪種條件下,吸管會(huì)倒下. (2) 源于網(wǎng)友發(fā)布于Youtube視頻網(wǎng)站等網(wǎng)絡(luò)媒體的有趣的物理實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)并對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行優(yōu)化,例如第31屆IYPT賽題第3題,硬幣跳舞:準(zhǔn)備一個(gè)冷卻充分的瓶子,把一枚硬幣放在它的瓶口上,過一段時(shí)間你會(huì)聽見聲響并看到硬幣在移動(dòng),解釋這個(gè)現(xiàn)象并研究相關(guān)因素是如何影響這舞蹈的.[1](3) 源于物理學(xué)術(shù)論文的研究?jī)?nèi)容,從某一個(gè)角度出發(fā)進(jìn)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(gè)現(xiàn)象,你對(duì)小物件的操縱能達(dá)到什么程度．[1]另外,筆者通過分析歷年的IYPT賽題,發(fā)現(xiàn)這些賽題的研究過程有如下特點(diǎn): (1) 所用的實(shí)驗(yàn)器材與設(shè)備簡(jiǎn)單化、生活化．相比于實(shí)驗(yàn)室中傳統(tǒng)的數(shù)字按鈕式的實(shí)驗(yàn)器材,IYPT實(shí)驗(yàn)的器材有些可以直接從生活中獲取加以改造就變成了實(shí)驗(yàn)器材,利用這些改進(jìn)的器材學(xué)生容易做出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象; (2) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和分析的專業(yè)化．實(shí)驗(yàn)過程中要收集數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)越精確、越系統(tǒng),結(jié)論才越可信．?dāng)?shù)據(jù)采集設(shè)備可以來源于生活或者中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室,如手機(jī)的慢動(dòng)作功能、實(shí)驗(yàn)室的各種物理傳感器等;而在數(shù)據(jù)處理上經(jīng)常需要用到相關(guān)的分析軟件,如Mathematica、Matlab等軟件．(3) 所涉及的物理背景多數(shù)是大學(xué)普通物理知識(shí),物理基礎(chǔ)較好的中學(xué)生有能力去學(xué)習(xí)掌握這些知識(shí)．

筆者結(jié)合自己的帶隊(duì)經(jīng)歷和觀摩各類YPT比賽發(fā)現(xiàn)中學(xué)生基本能夠做出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并完成一些數(shù)據(jù)的采集與分析工作,但是很多時(shí)候?qū)ξ锢硪?guī)律的認(rèn)識(shí)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(xué)生的知識(shí)與能力范疇,不能很好地匹配各層次參賽者的物理知識(shí)與認(rèn)識(shí)能力,也使得比賽內(nèi)容和流程變得千篇一律,做出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行簡(jiǎn)單的物理分析,并沒有從本質(zhì)上解釋現(xiàn)象,缺少了YPT活動(dòng)的物理味．因此,主辦方命制適合參賽對(duì)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(gè)特征: (1) 物理現(xiàn)象具有新穎性和趣味性．任何物理問題都是從生活中產(chǎn)生,最后回歸生活,而生活中的現(xiàn)象很多都極具趣味性,這樣能夠激發(fā)學(xué)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(nèi)容符合中學(xué)生的物理認(rèn)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(xué)生的認(rèn)知范圍讓學(xué)生無從下手失去了比賽的意義,也打擊了學(xué)生的積極性．因此所涉及理論不應(yīng)超過大學(xué)普通物理的范疇; (3) 實(shí)驗(yàn)的可視化和數(shù)據(jù)化程度高,在生活中或物理實(shí)驗(yàn)室都可以做出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,并且可以利用手機(jī)、常見的物理傳感器采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．因此,要找到滿足這3個(gè)特征的YPT賽題并非易事．

YPT賽題命制的基本思路與國(guó)際IYPT賽題類似,一方面是基于生活中的有趣物理現(xiàn)象或網(wǎng)絡(luò)媒體上的新奇物理實(shí)驗(yàn),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(shí)驗(yàn),并且能夠判斷出實(shí)驗(yàn)的新奇之處,對(duì)中學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)以及所需的物理背景要有可行性的預(yù)估．另一方面是基于已發(fā)表的物理學(xué)術(shù)論文,通過研究歷年國(guó)際IYPT賽題的參考資料,[2]其中所涉及的參考文獻(xiàn)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)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(guó)內(nèi)的《大學(xué)物理》,而《物理教師》與《物理教育》主要定位于中學(xué)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(gè)鮮明特征是刊登很多研究有趣實(shí)驗(yàn)的論文．另外,美國(guó)物理學(xué)會(huì)(APS)為了給喜愛物理的人士提供一個(gè)介紹物理前沿進(jìn)展的平臺(tái),設(shè)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(guān)物理學(xué)術(shù)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(xué)術(shù)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(xué)術(shù)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(shí)間:2016年12月.

內(nèi)容概要:本文圍繞1969年發(fā)生在美國(guó)馬薩諸塞州查帕奎迪克島的一起交通事故.美國(guó)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(rèn)為肯尼迪夫人的死亡是有蹊蹺的.這件交通事故在美國(guó)引發(fā)了很多爭(zhēng)議．本文作者以玩具汽車落入水箱來模擬這次交通事故,實(shí)驗(yàn)上研究了玩具汽車在空中的翻轉(zhuǎn)以及在落水后的運(yùn)動(dòng)過程,并將玩具車與真實(shí)的汽車落水做了簡(jiǎn)單的對(duì)比研究．

在這篇有趣的論文中,使用的實(shí)驗(yàn)器材有玩具小車、相機(jī)、收納箱,數(shù)據(jù)分析用到了Tracker軟件,[9]物理知識(shí)涉及到了普通力學(xué)．這些實(shí)驗(yàn)與理論背景都符合中學(xué)生的認(rèn)知能力,因此可以將其改編成一個(gè)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(yùn)動(dòng)過程,并探討它與真實(shí)汽車落水的異同．

中學(xué)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(zhuǎn)角速度與什么有關(guān),汽車落水時(shí)水的阻力跟車的落入角度有什么關(guān)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(yùn)動(dòng)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(shí)間:2017年10月.

論文來源:American Journal of Physics.

內(nèi)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(jié)構(gòu)對(duì)建筑物穩(wěn)定性的影響．

論文涉及實(shí)驗(yàn)器材有明膠粉、樂高模具、相機(jī)等,數(shù)據(jù)分析可以用Tracker軟件,物理背景是普通力學(xué)中的一般振動(dòng)問題,適合中學(xué)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(qiáng)度以及搭建結(jié)構(gòu)對(duì)最大高度的影響．

中學(xué)生使用明膠粉去制作“果凍磚塊”,“果凍磚塊”的強(qiáng)度對(duì)明膠凝固時(shí)的溫度及其敏感,[10]控制“果凍磚塊”的強(qiáng)度既是實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)也是難點(diǎn).這可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力．搭建物結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也是非常重要的,這也需要研究者進(jìn)行相關(guān)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(tǒng)角動(dòng)量守恒定律.

出版時(shí)間:2018年1月.

論文來源:American Journal of Physics.

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

論文涉及的實(shí)驗(yàn)器材:磁性小球、高斯計(jì)、iPhone手機(jī)(慢動(dòng)作功能)等,數(shù)據(jù)分析仍然可以使用Tracker軟件,可能需要普通力學(xué)和電磁學(xué)的物理背景知識(shí)．自從2016年LIGO等小組發(fā)現(xiàn)黑洞合并時(shí)產(chǎn)生的引力波以來,引力波的探測(cè)引起了眾多人的興趣,但是準(zhǔn)確去理解引力波需要廣義相對(duì)論的知識(shí)．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(gè)論文改編如下.

磁球“雙星”合并:兩個(gè)以一定速度相向運(yùn)動(dòng)的磁性小球在相互作用的過程中會(huì)發(fā)生類似于“雙星合并”的現(xiàn)象,研究磁極方向等相關(guān)參數(shù)對(duì)合并過程的影響．

學(xué)生可以來探測(cè)磁性小球合并過程中感應(yīng)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流,模擬“引力波”信號(hào)．還可以研究系統(tǒng)的角動(dòng)量守恒問題,或者系統(tǒng)的機(jī)械能守恒問題,在探究實(shí)踐中體驗(yàn)物理規(guī)律．

通過上述3個(gè)案例可以看到將一些通俗有趣的學(xué)術(shù)論文進(jìn)行合理改編,可以改編成類似于IYPT的新賽題,針對(duì)不同層次的參賽對(duì)象可以設(shè)置不同的YPT賽題,通過挑選素材來源以及設(shè)計(jì)的研究問題來控制不同的難度和興趣點(diǎn)．

4 結(jié)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(diǎn),總結(jié)出了命制新YPT賽題的一些方法,并嘗試從學(xué)術(shù)論文中提取素材和命制了3個(gè)YPT的新賽題．