潘崇佩， 李川勇， 陈 靖， 陈宗强， 孔勇发

（南开大学a.基础物理国家级实验教学示范中心；b.教务处，天津300071）

0 引 言

作为教育结构中联系紧密的两个层次，大学教育与中学教育能否有效衔接，关系到两者的培养目标能否实现有机统一，并直接影响到育人效果。对于高校当前的物理实验教学而言，其成功之处在于提供了一系列成熟的实验思想、方法和手段，在专业人才培养中展示出很强的公共性与基础性［1］；然而在考量其与中等教育的衔接时，不难发现存在一些普遍性短板——低年级本科生在进行实验时，动手操作能力薄弱、接触新实验时畏难情绪强烈、实验的兴趣不高、机械模仿多于主动思考［2］。这些情况在一定程度上反映了中学生升学后不能及时适应实验课程的要求。究其原因，除了大-中学物理实验课程在教学任务、评价机制等方面存在一定的制度性差异外，另一关键因素在于缺乏一个贯通大学-中学阶段的学生实验能力协同培养环境。在此背景下，如何落实物理实验教学的系统培养观念，创建大学-中学协同培养环境，以增强两者之间的衔接性，成为一个值得关注的研究方向。

近年来兴起的物理学术竞赛，突破了大学生与中学生之间的认知壁垒，为实现大-中学生实验能力的协同培养提供了一条有效路径［3-5］。作为中学生与大学生接受系统实验训练的开端，物理实验体现了大多数科学实验的共性，具有很强的基础性和层次性；而这些特点在物理学术竞赛中得到了良好传承：首先，物理学术竞赛的题目来源于生活，涵盖了日常生活中力学、热学、光学和电学等各个方面［6-7］。学生利用身边的材料和工具便可以开展实验。其次，物理学术竞赛具有很强的开放性和包容性。针对每一道题目，中学生、大学生甚至研究生都可以基于自身的认知与能力进行深入探究。这为不同教育层次的学生彼此进行交流学习，提供了统一的便利条件。

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》强调，要树立系统培养观念，推进中学、大学有机衔接；要注重知行统一，开发实践课程和活动课程，增强学生科学实验的成效。鉴于此，我校基础物理国家级实验教学示范中心（以下简称示范中心）以物理学术竞赛为抓手，以实验能力培养要求为指引，在实践中不断探究与物理学术竞赛相融合的实验教学新策略，构建适用于大-中学生的协同培养环境，推动大-中学生实验水平共同提升。

1 物理学术竞赛简介

物理学术竞赛可追溯至上世纪80 年代莫斯科大学选拔优秀学生的活动，发展至今演变为国际青年物理学家锦标赛（International Young Physicists’Tournament，IYPT）。截至2019 年，IYPT 已成功举办32 届，是当今最具影响力的三大国际物理竞赛之一。参赛学生需以3 ～5 人组成团队，利用近1 年时间，就预先公布的17 道实际物理问题分工合作，进行基本知识、理论分析、实验研究、结果讨论等方面的准备，最后进行辩论性比赛。这种竞赛形式不仅可以锻炼学生分析问题、解决问题的能力，还能培养学生的创新意识、团队合作精神、交流表达能力，使学生的知识、能力和素质得到全面发展。

2008 年，IYPT 的竞赛形式首次进入我国。经过10余年发展，逐步形成了涵盖全国-区域-省市-学校等不同层次的大学与中学系列性赛事［8］。在大学层面，全国性的“中国大学生物理学术竞赛”（China Undergraduate Physics Tournament，CUPT）自2010 年发起，至今已成功举办10 届；东北、华北、西北、华东、中南和西南等国内6 大赛区，每年均举行区域级别的物理学术竞赛；多个省市以及几十余所高校每年亦自发组织开展相应的省赛、市赛或校赛。在中学层面，中国高中生物理创新竞赛（China Young Physicists’Tournament，CYPT）自2013 年由南开大学发起，目前已举办7 届；江苏、上海、山东等省市以及人大附中、南京外国语学校、北师大实验中学等许多知名高中，每年亦开展面向中学生的省赛、市赛或校赛。目前，每年有100 余所高校与普通高中参与到物理学术竞赛的教学活动中，参赛人数和影响力逐年上升。

物理学术竞赛对于大-中学生培养的普适性，源于各类比赛均统一使用IYPT 赛题。这些题目由国际选题委员会经严格筛选确定，确保最不发达地区的学生也能够利用身边器材进行科学实验，探究物理原理。与此同时，这些题目还具有极强的开放性和丰富的内涵，难度适宜，适合不同知识背景的学生进行不同层次的探究与挖掘。以2019 年17 道赛题中的第5 题为例，题目描述为“当一竖直水流进入瓶子，声音有可能随之产生；随着瓶子被填满，声音可能发生变化。要求探究不同因素对于声音变化的影响”。对于中学生而言，可以利用中学物理的基础知识，从声音来源、声音特性（响度、频率、音色）等方面进行探究；对于本科生来说，可以就腔体共振、流体力学等方面进行更为深入的理论和实验研究。每年竞赛均包含17 道不同赛题，其特点与上题类似，实验取材简单但可供探索的内容十分丰富，涵盖了力学、热学、电学、光学、磁学等生活中的常见开放性问题，为大-中学生等不同知识背景人群就同一实际物理问题进行讨论交流提供了平台。

2 基于物理学术竞赛的实验能力协同培养

我校长期开展面向大-中学生的物理学术竞赛活动，例如承办第22 届IYPT，组织发起第1 届CUPT，每年举办校赛以及面向中学生的CYPT，选拔并培训IYPT中国国家队等。在多年的实践过程中，示范中心积累了丰富的教学经验，逐步发展起物理学术竞赛与实验教学相融合的实验能力培养方案，并在推动大-中学衔接方面取得了一定成效。

2.1 成果导向教育，贯穿实验能力培养各个方面

实验能力不能狭隘地视同为动手操作能力。根据2007 年教育部发布的大学物理基础课程教学基本要求，实验能力应包括独立实验能力、分析与研究的能力、理论联系实际的能力以及创新能力等方面［9］。因此，对于实验能力的有效培养，必须是建立在这几个方面之上的全方位培养。

传统的大学-中学物理实验课程以验证性实验项目为主［10］。其劣势在于：实验方法和实验结论是既定不变的；教学过程中较少涉及学生自行查阅文献、解决实际问题、针对前人工作进行创新等环节，致使学生的学习兴趣和主动性被削弱，教学效果不佳。

物理学术竞赛为实验能力的全面培养提供了新思路。它从本质上符合OBE，即成果导向教育（Outcomes-based Education）理念［11-12］。学术竞赛的赛题对于学生的学习产出给出了具体的预期，从而倒推出学生在实验过程中应当掌握的知识与能力。以2019 年赛题中的第16 题为例，题目描述为：“当一个盛有液体（例如水）的容器垂直振动时，液体中的气泡可能不会上升，而是向下运动。探究这一现象”。针对这一特定的物理问题，任何实验教材都不会给出一套现成的解决方案。学生需要就题目的要求自行设计、优化并完成实验。例如在本题中，为了实现容器的垂直振动，学生便需要对常用机械振动台的原理及操作方式进行学习。

作为实践OBE理念的重要载体，示范中心相继开设了IYPT-学习物理新思路、物理创新实验等本科实验类课程。此外，示范中心每周定期开放实验室，为学生提供实验场所以及基本的实验测量仪器，学生提前预约即可使用。利用暑假前的小学期，学生可以选择参加为期4 周的系列实验课，在指导教师的安排下集中完成某一赛题的实验研究。除在校学生外，实验室开放活动吸引了很多对物理学术竞赛感兴趣的中学生来到实验室。高中生与本科生就同一题目进行讨论并合作开展实验，展示出基于物理学术竞赛的实验教学活动由大学向中学传播的辐射作用。

2.2 朋辈互助为主，教师指导为辅

物理学术竞赛所涉及的实验项目具有很强的开放性，这对传统实验教学方法而言是一个挑战。一方面，这些题目不存在一个标准的实验方案，任何团队都可以根据自己的思路与实验条件，选择器材、搭建系统、进行研究，指导教师不应当强制学生采用某一特定方案；另一方面，学生不仅有意愿参与示范中心开设的IYPT-学习物理新思路、物理创新实验等课程，更多时间则是在课堂外（例如预约的实验室中）自行进行实验。这种课上-课下串联、教学空间不断延展的新趋势，使得教师讲授、学生操作的传统课堂模式不再完全适用。基于这些变化，示范中心在物理学术竞赛的教学活动中推行朋辈互助为主、教师指导为辅的建构主义策略，使学生在教学活动中的主体地位得以保证［13-14］。

（1）专题授课，学生主讲。授课教师邀请曾参与往届竞赛的高年级学生作为朋辈讲师，就某些通用的实验专题为低年级选课学生讲授。常见的专题包括测量仪器的使用方法、数据处理、误差处理等。教学活动中的授课主体与听课主体均是学生；教师不再作为知识的灌输者，而只是起到从旁辅助的作用，通过有针对性地设计专题、适时地抛出思考题、把控课堂中的关键节点，从而高效地引导讲者与听众互促互学。

（2）社团引领，支援课外。社团活动作为课堂教学的重要补充，在学生的课外教育中发挥着重要作用［15-16］。在此背景下，往届学术竞赛的参与者自发组成了校内学术团体“思辨社”，体现了高年级学生对于物理学术竞赛的认同感。示范中心的教师定期联络团员，通过开展社团活动，将思辨社“传帮带”的作用惠及更多学生。对学术竞赛感兴趣的每个团队或学生个体，都能够找到对应的社团成员作为朋辈导师，参加包括文献交流会、宿舍面对面、方案讨论会等在内的各项活动。通过“教师引导、社团辐射、学生互促”的服务学习形式，达到跨年级本科生协同培养的效果。

（3）集中备赛，衔接中学。每年7 ～8 月份，是IYPT与CUPT 的集中备赛时间。在近1 个月的时间里，参与备赛的大学生与中学生共享实验室，就各自的实验方案、实验分析和实验结论进行面对面的深入探讨。通过大-中学生间的交流，将朋辈互助的教学理念延展至中学领域，切实增强大学与中学物理实验能力培养的协同性。

2.3 以赛促学，以赛促教

比赛是实验能力培养效果的试金石，也是大-中学生实验水平加速提升的助推器。学校每年面向在校本科生举办校赛以及面向全国中学生举办CYPT。这些比赛很好地体现了“以赛促学、以赛促教”的特点。具体地说：

（1）在竞赛形式方面。物理学术竞赛以辩论赛的形式进行，一场比赛中存在正方、反方和评论方3 种角色。3 支队伍需要分别担任这些角色，并就同一个物理问题进行陈述及交流。对于中学生而言，通过比赛能够初步感受由知识性学习至研究性学习的转变过程。对于大学生而言，通过比赛能够增强专业认知，学会从不同角度理解自身工作的优缺点。对于带队教师而言，通过学生间的切磋交流，教师能够精准地获知学生实验能力的薄弱之处，为以后的针对性教学提供标靶。

（2）在竞赛氛围方面。物理学术竞赛汇集了本校以及来自全国高中的众多参赛队伍。每一道赛题都形成了极为丰富的实验方案库。通过参加竞赛，大-中学生能够就不同案例的实验细节与同龄人进行交流、辨析与碰撞，激发起后续学习的兴趣；而不同中学带队教师间彼此学习，能够从其他学校的教学活动中汲取经验，从而提升自身的教学水平。

（3）在竞赛人员方面。物理学术竞赛鼓励不同知识背景的学生自由组队，支持跨年级的物理专业人才培养。在本校开展的面向中学生的CYPT 比赛中，每个赛场均配有一名富有比赛经验的本科生作为评委，从朋辈角度出发，对比赛中出现的物理理论与实验方面的不足之处进行点评与建议。物理学术竞赛可视为一种广义的教学活动，其过程涉及大学生、中学生和教师等各个角色，能够有效实现学生互动与师生互动，在大-中学衔接方面展示出一定成效。

3 结 语

针对大学与中学物理实验教学中普遍存在的衔接性不强、协同培养不足的问题，提出基于物理学术竞赛的大-中学生实验能力协同培养方案。以物理实验能力培养的各项要求作为指引，将OBE理念贯穿于实验能力培养的各个方面，采取朋辈互助为主、教师指导为辅的灵活教学策略，以赛促学，以赛促教，克服了传统实验课教学模式的弊端，增强了学生学习的兴趣和主动性，切实推动了大学与中学物理实验教学的有效衔接。相关教学成果曾获得2018 年高等教育国家级教学成果奖二等奖1 项、天津市级教学成果奖一等奖1 项。