中国人民大学附属中学青年物理学家竞赛_物理学家论文

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      中国人民大学附属中学（以下简称“人大附中”）自2009年开始在部分班级尝试开展青年物理学家竞赛题目研究工作以来，随着参与人数的增多，2013年开始有了自己的校内PT竞赛——人大附中青年物理学家竞赛。人大附中青年物理学家竞赛赛制沿袭了国际青年物理学家竞赛。国际青年物理学家竞赛被称为国际三大项级中学生物理竞赛之一，别称“物理世界杯”，最初起源于俄罗斯，用于大学招生选拔，后来逐渐发展为一个影响力越来越大的国际物理竞赛。这是一个以实验研究和讨论为主要形式的比赛，它每年面向世界征集17个开放性的试题，让学生进行实验研究，这些题目大多来源于生活，很多都没有直接的结论。本文中，笔者主要介绍人大附中青年物理学家竞赛的形式及其成效，以使更多的人对其有所了解，推动其进一步发展。

      一、青年物理学家竞赛运行方式

      与传统的论文答辩形式不同，青年物理学家竞赛的比赛形式非常新颖。在比赛中，参赛选手将分别扮演报告方、挑战方和评论方三个角色。赛前三方都独立完成实验探究，比赛时临时形成三方角色，首先由报告方就某一题目做完陈述报告后，挑战方将针对报告方报告内容的弱点或谬误处提出质疑，与报告方进行充分的讨论。讨论内容只能是报告方的解答，不能含有自己对问题的解答。然后，挑战方总结报告方解决的方案和报告陈述中的优点与不足。随后是评论方分别询问报告方和挑战方，评论方就报告方与挑战方的报告陈述提出简短的意见，对双方表现的优点和缺点进行总结。

      在国际赛中，每阶段比赛需要55分钟，具体流程见下页表1。

      鉴于青年物理学家竞赛这种比赛方式对学生全方位思维能力的培养，人大附中自2009年起开始在校内以学期作业的形式进行小范围尝试。2013年初，首届全国中学生青年物理学家竞赛在南开大学举行，人大附中派出两支队伍参赛。在整个准备过程中，学生所迸发出的创造力和实验设计、探究能力坚定了教师在人大附中开展校内联赛的决心，并在组内教研会上得到全体物理组教师的支持。

      

      考虑到学生的实际情况，每年的人大附中青年物理学家竞赛题目由物理组教师讨论后从当年国际赛17道题中选取6道作为校内比赛试题。每年的9月初为赛事推广期，在校内通过海报、宣讲会、公众号的方式进行比赛的宣传和宣讲工作，介绍赛事规则和基本研究方法。9月底在校内公布选择的六道比赛试题，参赛学生经过近两个月的时间准备，11月底利用周末时间完成预赛，选出3～4个队进入决赛，12月中旬在校内进行竞赛，产生最后的冠军队。

      比赛完全由学生社团操作赛事宣传、推广和比赛运营工作，由物理组教师和毕业校友担任评委工作。比赛形式和流程与国际赛基本相同，每一阶段时间略有压缩，整个比赛时间压缩到每节42分钟，比赛工作语言为中文。2013年首届比赛就有来自从八年级到高三共计五个年级的52名学生参赛，2014年报名参赛人数又有增多。

      为了更好地开展青年物理学家竞赛活动，2014年人大附中又进一步在高一年级开设了“青年物理学家”研修课程，完成了人大附中青年物理学家竞赛由民间社团活动向校内特色课程的转变，以课程的方式将此项活动固化了下来。同时，通过细致的备课，教师系统教授学生科研方法，带领学生共同进行科研研究，每个学生在完成本课程学习后都要独立完成一篇研究报告，并以此报告参加学校青年物理学家竞赛。半年来，这门研修课程取得了良好的效果。

      二、青年物理学家竞赛的成效

      经过四五年的改革和发展，人大附中青年物理学家竞赛受到了越来越多学生的欢迎，在促进学生和教师发展方面发挥了很好的作用。在探讨青年物理学家竞赛的成效前，笔者先介绍一个案例，从中可以更好地看到其对师生发展产生的影响。

      案例：2014年第27届IYPT的试题：“泡沫晶体（Bubble crystal）”，题目说在肥皂水中通入气体后会在肥皂液表面形成气泡，而大量的非常小的、相似的气泡漂浮在肥皂液体表面时，将会排列成类似于晶格的规则图案。请提出一种获得同样大小气泡的方法，并探讨这种泡沫晶体形成的原因。

      以泡沫晶体这个题目为例，题目首先需要学生提出一种获得等大气泡的方法，初看非常简单，但实际操作中会发现：水温、容器表面的空气流动、振动、肥皂水的浓度等都会对实验的效果造成影响，而这其中最重要的是出气口的出气气压必须稳定、出气口小、放气缓慢，用打气筒通过气针直接向肥皂水中打气是无法做到这点的。学生开始做各种尝试，其中一个组为了使气体放出的过程中气压稳定，他们使用了长度超过1m的气球自发收缩作为气源，同时用带有旋钮的大力钳控制软管通气速度，通过这种方式，该组学生最终达到了可以稳定输出成百上千的直径在一毫米左右的气泡（约0.85mm～1.05mm）的效果。而有的组则发现让气泡通过纱布等有孔的滤网可以获得大量规则排布的等大气泡，还有的组则利用输液的排气装置奇妙获得了恒压。这些巧妙的方法都是学生在经历一次次失败后不断改进实验方法，最终设计出来的，体现了学生的创造力和创新能力，这些方法和能力都是在课堂上教师无法教给学生的。

      得到等大的气泡后我们会发现，所有的气泡都呈稳定的晶格状排列，气泡为什么这样排列呢？这就涉及液体表面张力、表面自由能等理论，学生再建模进行理论分析，然后把通过理论获得的结论和实验中测得的数据进行比较，比较误差，给出解释。

      从上述案例中我们可以看出，在整个研究过程中，学生要进行题目分析、文献调研、设计理论模型、再设计实验加以验证，还要进行数据分析和误差讨论等。可以说，在整个过程中，学生体会并参与了一个完整的科学研究过程，培养了学生的主动学习能力、激发学生对物理的兴趣、激励学生开放性思维。而且由于所有问题都来自于实际生活，接地气，学生觉得学习物理是有用的，促使其理论联系实际，发现身边的物理，动手解决实际问题。这培养了学生的科研素养和能力，加强了学生间的协作精神，提高了其解决实际问题的能力、锻炼表达与辩论的能力、语言应用能力及沟通交流的能力，甚至还包括了学生寻求帮助的能力、学习能力和学术报告的能力等。同时，由于学生在研究过程中经常会使用MATLAB和Mathematica等计算软件，他们感觉学习这些软件对将来进入大学开展科学研究非常有帮助。因此，有学生萌发了在学校开设“计算软件入门”选修课的想法。今年，由两个高一和高二学生共同主持的“计算软件入门”选修课在校内开课。

      而对于教师来说，青年物理学家竞赛活动的开展增加了组内教师的凝聚力。竞赛活动一般是在周末开展的，每次竞赛时都会有大量中老年教师到场担任评委工作，他们是真正对这个活动感兴趣并参与到其中的。在活动过程中，教师感受到了压力，因为整个活动的进行对教师的能力提出了更高的要求。这激励教师自发地去提高自己的能力。同时，校内高学历的青年教师在做好课内正常教学时，可以把自己科研方面的经验介绍给学生，教给他们科研的方法，让学生少走一些弯路。

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