张 楠 赵芸赫 马宇翰 徐明辉

（1.复旦大学高等教育研究所，上海 200433；2.首都师范大学附属中学，北京 100048；3.中国工程物理研究院研究生院，北京 100193；4.山东大学计算机科学与技术学院，山东 青岛 266237）

国际青年物理学家竞赛（International Young Physicists' Tournament，简称IYPT）是由苏联于1988年发起的以团队对抗为形式的中学生创新型物理竞赛.2008年，中国队首次参加在克罗地亚举办的第21届IYPT.两年后，第一届中国大学生物理学术竞赛（China Undergraduate Physics Tournament，简称CUPT）于2010年在南开大学成功举办.［1］自PT系列竞赛首次进入中国，众多高校及省市积极借鉴IYPT和CUPT的竞赛模式，开展各类地区性赛事，PT系列竞赛的影响力不断扩大，其教育功能也备受关注.

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2020）》中指出，应当全面提高学生综合素质、积极开展研究性学习、培养新时代创新人才.［2］区别于传统物理竞赛，PT系列竞赛更注重对学生综合能力的培养，同时由PT竞赛引发的中学IYPT选修课程、［3］大学物理研究性实验课程［4］等新型教学活动不仅可以提高竞赛水平、改进竞赛教学质量；更重要的是，PT系列竞赛能够启发传统物理课堂教学，探索依托于竞赛的校本课程开发，提高学生学习的主动性和积极性，培养学生长期发展的能力，进而推动物理教学改革，是实现创新人才培养的有效途径.［5］因此，开展针对PT系列竞赛的研究是有必要的.PT系列竞赛进入中国10余年，已形成主题分明的研究体系，但还缺乏针对PT系列竞赛研究的全面综述与系统分析.围绕这一研究领域的综述分析，能够在厘清目前该领域的核心主题和发展趋势的基础上，进一步促进基于PT系列竞赛的教育教学研究，为大学和中学的物理教学改革深化提供参考，以推动新时期创新人才培养的进程.

据此，本研究选择近10年来（2009—2020年）国内物理及物理教学类相关期刊中与PT系列竞赛相关的论文进行质性与量化分析：在中国知网数据库（CNKI）中对IYPT、CUPT、CYPT、PT、物理学术竞赛、青年物理学家竞赛6个关键词进行检索，总计检索出论文226篇.随后从年度数量、作者单位、作者属地、研究主题、期刊分布等维度对这些文章进行统计分析，揭示国内PT系列竞赛研究现状、梳理研究主题与热点、探讨可能的发展趋势.

1 国内PT竞赛的历史沿革

国际青年物理学家竞赛由苏联于1988年发起，最初由南开大学引进国内.［6］如图1所示，经过10余年的发展，目前国内已经形成跨越中学、大学、研究生3阶段、涵盖全国—区域—省市—学校不同层次的系列性赛事.CUPT国赛、CUPT区域赛、CYPT参赛队伍数量的年份变化趋势在图2中给出.可见，PT系列竞赛在国内具有起步晚、发展快、覆盖面广的特点.

图1 PT系列竞赛发展时间线

图2 CUPT国赛、CUPT区域赛、CYPT参赛队伍数量随年份变化图

2 PT系列竞赛的相关研究现状

2.1 研究论文的时间分布

自2008年中国队首次参与IYPT，国内开始进行针对PT系列竞赛的研究.近10年，226篇PT系列竞赛研究论文的发表数量时间分布如图3所示，呈现整体上升趋势.这是因为随着PT系列竞赛的影响力不断扩大，参赛队伍数量增加，该领域的研究热度呈上升趋势.值得一提的是，2015—2016年论文增幅最大（16篇），这与CUPT国赛队伍数量变化趋势一致，在2015到2016年期间，国赛参赛队伍增幅为16支，是近年来最大增幅.

图3 PT系列竞赛相关研究的论文数量时间分布

2.2 作者单位分布

本研究将作者单位划分为中学、高校及高校—中学合作3类，其数量分布如图4所示.可以看出，高校研究者所占比重最大，约为73%，而高校—中学合作单位发表的论文数量最少，占比不到9%.

区别于CPHO相关研究的主体是中学教师，［7］PT系列竞赛研究的主体是高校师生，其次是中学研究者.这可能是由如下两个原因导致的：其一参加CUPT的高校队伍数量远大于CYPT的中学队伍数量，高校参与师生人数更多；其次，PT系列竞赛作为创新型竞赛对学生和教师的科研能力提出了更高的要求.这一定程度上限制了中学在该类竞赛上的研究.另外，高校与中学在PT系列竞赛上的交流还处于初级阶段，体现在其合作发表的论文占比最小.为了突破这一瓶颈，应当积极寻求高校—中学的合作研究与学习，以高校带动中学参与竞赛并进一步拓展PT系列竞赛的相关研究，提高PT系列竞赛在中学范围内的影响力，实现高校—中学优势互补.

2.3 研究论文的主题分布

根据文章内容，本文将其按照研究主题划分为具体问题解决和基于PT系列竞赛的课程与教学研究两部分：具体问题解决是指对单一竞赛题目的解决思路和方法的研究，PT系列竞赛的课程与教学研究是指由竞赛引发的课程设计或教学改进研究.

这两个主题的研究论文数量的时间分布如图3所示，总体呈上升趋势.在2015年以前，PT系列竞赛虽然在发展中，但是研究者对题目还没有进行深入挖掘.2015年后，对具体问题进行研究的论文数量才有了显著增长.自2014年CUPT竞赛被列入中国物理学会物理教学指导委员会工作计划中，更多的研究者开始注重PT竞赛的教育功能，有关课程与教学研究的论文数量也有了明显的上升趋势.这反映出完善的政策对教学改革的实施具有推进作用.

如图5（a）所示.在226篇论文中，具体问题解决的论文117篇（51.8%），课程与教学研究类论文109篇（48.2%），两类论文数量的比例基本持平.这与发展更成熟的全国中学生物理奥林匹克竞赛（Chinese Physics Olympiad，CPHO）吸引的研究侧重点不同.文献［7］对2008年－2017年间《物理教师》、《物理教学》中的252篇有关CPHO的研究类论文进行统计分类，其中229篇是针对竞赛题目的解法研究，占总数的90.9%；有关竞赛教学研究的论文数量有23篇，仅占9.1%，如图5（b）所示.这说明PT系列竞赛对课程与教学的影响更为广泛，而CPHO相关研究更多关注某一个具体竞赛题目的解答步骤与方法.从发展的角度来看，未来PT系列竞赛对高校与中学物理教学可能具有更强的启发和引领作用.

图5

IYPT的赛题本身就具有很高的研究价值.组委会每年会从物理学的各个领域包括与其他学科的交叉领域选出17道开放性物理问题.比如IYPT2017的第5题“Leidenfrost Stars”：“莱顿弗罗斯特效应里面，一个水滴，可以在炙热的表面上存在几分钟.在某些特殊的条件下，这样的水滴会产生星形振动.请引入不同的振动模式，并且研究他们.”［8］这些题大多需要完整的理论建构到实验验证的过程，且不同学生完成题目的过程不尽相同.

有关PT竞赛具体问题解决类论文来自于21种学术期刊.其中，按论文发表数排序前5名的期刊如图6所示.这5份期刊共计发表具体问题解决类论文共92篇，占具体问题解决类论文总数的78.6%.发表在《物理实验》杂志上的论文最多，为33篇，这表明研究者更侧重从实验的角度解决PT竞赛问题.

图6 具体问题解决类论文发表期刊分布（前5名）

以下，本文主要关注现阶段基于PT系列竞赛的课程与教学研究的主要方向，并详细分析相关的研究热点.

3 基于PT系列竞赛的课程与教学研究

基于PT系列竞赛的课程与教学研究论文共109篇，来自于37种学术期刊.按论文发表数排序，《物理教师》、《大学物理》、《物理与工程》、《物理实验》、《物理教学》、《物理通报》、《大学物理实验》和《物理教学探讨》这8种期刊排在前列，总数占这一类所有论文数量的51.4%.其中，发表在《物理教师》杂志上的论文共11篇，说明PT系列竞赛的模式与理念为物理课堂教学的反思与改革提供新思路.

图7 课程与教学研究类论文发表期刊分布（前8名）

课程与教学研究包括竞赛对学生培养的意义与作用、［9］基于 PT 的大学［10］和中学［11］课程教学模式探讨、PT系列竞赛的培训组织经验［12］以及基于竞赛的大—中学生一体化培养研究［13］这5类主题，如表1.数量最多的是基于PT的中学课程与教学模式研究，共发表37篇论文，占样本总量的33.9%.在大学阶段进行PT系列竞赛的课程与教学改革研究数量次之，也是相对较热的研究方向.然而，尽管PT系列竞赛是覆盖大学、中学，甚至研究生的竞赛活动，基于竞赛的学生一体化培养研究还相对较少.下面，本文将对不同主题中的代表性工作进行简述.

表1 基于PT系列竞赛的课程与教学研究论文主题分布

3.1 PT系列竞赛对学生培养的意义与作用

虽然PT系列竞赛进入中国的时间较晚，但仍然能和奥林匹克物理竞赛一样成为目前最具影响力的物理竞赛之一.这得益于PT系列竞赛在学生培养中所发挥的积极作用.相比于传统物理竞赛，PT系列竞赛的题目多为贴近实际、开放性的研究型问题，学生在研究过程中需和小组成员共同尝试不同的实验方案、讨论实验结果、调动开放性思维，这会提高学生的团队协作、创新实践、问题解决等能力.［14］同时，参加PT系列竞赛还利于提升高校物理专业学生的专业兴趣.［15］

《普通高中物理课程标准（实验）》中明确了物理课程的总目标，包括：学生能运用科学思维方法解决实际问题；具有科学探究意识、设计探究方案和获取证据的能力；具有交流的意愿与能力、主动与他人合作，并基于证据和逻辑发表自己的见解.区别于传统课堂教学的学生培养模式，学生在解决PT问题时都需要经历完整的科学探究过程，因此参与PT系列竞赛是实现物理课程总目标的有效途径.同时，在高中阶段接触PT系列竞赛，能帮助学生转变学习方式：由被动式学习转向主动探究式学习，促进高中学习与大学学习接轨.［16］

3.2 基于PT系列竞赛的大学课程与教学模式

CUPT是面向大学生层面的PT系列竞赛，随着各大高校的广泛参与，一些高校研究者建议依托和借鉴CUPT进行大学物理课程与教学改革：一部分高校利用竞赛的内容及题目作为拓展性课程的内容，比如西安交通大学［17］和华东理工大学［18］就将CUPT题目作为本科生科研训练和实验物理技术的作业题目，学生自由组队并选择有兴趣的课题进行一学期的研究，通过查阅文献资料、自行设计实验方案进行实验研究，最后撰写研究报告并参与答辩.一部分高校借鉴PT系列竞赛的答辩模式开展了大学物理实验研究性探索，比如重庆大学物理学院［19］就以普通物理实验教学内容为基础，同时开放“测钠光双线波长差”等4个研究性实验供学生选题，经过完整的自主研究过程，最后采用CUPT的模式开展答辩.实证结果表明，参与研究性实验项目的班级表现显著优于普通班级，这也意味着依托CUPT模式的大学物理实验研究性学习能够提高教学的成效.

此外，包括CUPT竞赛在内的创新型竞赛也促进了物理实验教学基地的建设.例如，清华大学、［20］大连理工大学［21］等多所高校近年来都创建了面向本科生的创新实践活动平台.这些平台为CUPT竞赛提供实验场地，鼓励学生进行自主研究探索.

3.3 基于PT系列竞赛的中学课程与教学模式

基于PT系列竞赛的中学课程与教学模式探索共有37篇.本文按照各论文的第一作者所属地进行统计，结果如图8所示.可以看出，江苏省和上海市的研究者占总数的87.2%.这一研究者所属地集中的现象可能与江苏和上海进入新课程改革的时间更长有关.然而，作为传统的物理竞赛强省——浙江省、湖南省并未出现在排名中，这说明传统物理竞赛的成绩和水平与对PT系列竞赛的关注程度并无直接关系.

图8 基于PT系列竞赛的中学课程与教学模式作者所属地域分布

面向中学生的PT系列竞赛主要是IYPT和CYPT.依托这两个竞赛进行的课程与教学研究受到了教育研究者和中学教师的重点关注.相关研究可以分为以下3个方面：（1）基于IYPT的高中校本课程设计与实践，例如研究者以IYPT资源为基础设计了研究型选修课程，给出了以培养学生创新能力、问题意识、合作交流能力为目的的培养方案.［22］（2）依托IYPT模式的探究式教学研究，比如将IYPT中的相关赛题引入到日常高中物理课堂教学中，拓展教学内容，促进学生的深度理解，引导学生进行探究性学习；［23，24］或者将IYPT的比赛模式引入日常教学，让学生针对某一问题进行自主探究，并进行辩论形式的交流讨论，激发学生的学习兴趣.［25］（3）以IYPT为特色的高中物理课程基地建设，比如南京市金陵中学构建了以IYPT社团为核心的基地架构，开设“传感器为载体的物化课程”特色课程.［26］

3.4 PT系列竞赛的培训与组织经验

随着PT系列竞赛的规模不断扩大，越来越多的中学和高校参与进来，PT系列竞赛的培训、参赛和组织经验也逐渐成为研究热点.

在PT系列竞赛的培训经验方面，刘珊珊等针对近几年竞赛问题解决过程中可能出现的问题给出了解决策略的6个步骤：界定问题——表征问题——探究建模——因素分析——实验验证——谈论反思，并且针对CUPT问题解决给出了建议解决模式，这种解决策略的系统归纳不仅能帮助学生解决PT类问题，也为教师进行竞赛的指导与培训提供参考.［27］

国防科技大学［28］和西安电子科技大学［29］等高校结合本校组织CUPT竞赛的经验，探究其竞赛组织和后续人才培养工作模式.比如西安科技大学的研究者从学校选拔、省级竞赛的纵向选拔和开放实验室资源、发挥领队作用的横向培养两

2020年，受新型冠状病毒肺炎（COVID-19）影响，几乎所有的PT系列竞赛改变了组织模式，由线下转为线上.北京师范大学的李佳莲等人分别从参赛者、裁判、志愿者和学校组织者的角度，对疫情时代的线上比赛的准备过程、赛况和组织模式进行了总结和讨论.［31］

3.5 基于PT系列竞赛的大—中学生一体化培养

自IYPT竞赛引入中国以来，南开大学将PT在高中阶段和研究生阶段推行，包括CYPT和面向研究生的国际物理学家锦标赛（International Physics' Tournament，简称IPT），使得PT系列竞赛成为覆盖高中—本科—研究生3个阶段的物理学术竞赛.因此，PT系列竞赛能加强大中学物理教育的衔接，帮助学生完成从高中阶段的被动式学习向大学阶段自主式学习的转变.［32］

南开大学作为最早将PT竞赛引入国内的高校，发起了CUPT和CYPT，并首先依托PT系列竞赛，开展了贯穿大—中学物理教育的人才培养模式探索.南开大学物理学院的教研团队基于学生特点和实验室资源，开发了科研方法论、创新研究与训练、PT学习物理新思路等物理学术竞赛教学模式系列课程，并且建设了基于现代技术的主动学习教室.［33］在备赛阶段，中学和大学可以互相观摩研究问题的汇报、辩论，南开大学为不同学段的学生及教师交流提供了共享平台.［34］这样的一种相通相助、共建共享、互促互强的模式也促进了大中学物理教学的有效衔接.［35］

3.6 学位论文

除了中学教师和高校研究者对PT系列竞赛开展了教学研究之外，部分在读研究生也在导师指导下对基于PT竞赛的教学模式改革与实践进行了研究.从研究单位的分布来说，南京师范大学、［36］华东师 范大 学［37］和 上海 师 范大 学［38］是 主力.例如，南京师范大学教师教育学院的陆建隆教授课题组基于IYPT的竞赛形式与内容，设计了物理实验教学或综合实践活动.他们进一步以某一初中或高中为实践校，进行案例教学，最后对教学及研究过程中的问题进行总结和思考.［39］

4 总结与展望

本文对近10年PT系列竞赛相关研究的统计分析表明：随着PT系列竞赛的蓬勃发展，研究热度明显上升；具体问题解决和基于PT系列竞赛的课程与教学研究这两个研究主题分布均匀，比例持平；以师范类高校为首的大学是PT研究的主阵地；大学与中学在依托PT系列竞赛进行新课程教学模式探索的基础上，逐渐开始尝试大中学生一体化培养模式的研究与建构.尽管PT系列竞赛的研究有了快速发展，取得了很多研究成果，但还在以下方面存在较大的发展空间：

（1）现有的具体问题解决类研究视角单一.在对PT竞赛的题目进行研究时，研究者多偏向于研究单个问题或由其引申的某一个物理现象的解决过程，少有对某一类问题的解决策略的探索.针对此问题，北京师范大学研究者赵芸赫和刘珊珊［40］通过对历年IYPT物理问题的归纳，基于科学研究方法，提出了CUPT问题解决策略，并针对探究性类物理问题提出了建议性解决模式.在未来，研究者应在PT问题解决策略研究方面进行持续聚焦，从“就题论题”的研究范式转向深入进行系统的问题解决模式研究.

（2）在现有的基于PT系列竞赛的相关研究，特别是课程与教学研究中，鲜有实证研究.目前，来自高校和中学的研究者依托IYPT的形式内容和竞赛理念，设计了相关选修课程、新型课堂教学模式，少有研究者利用实证的方法检验其教学效果来直接证明PT系列竞赛或由其引发的课程与教学改革能真正培养学生的综合能力［41］，导致很多新模式因缺乏科学依据仅仅止步于构想层面，难以推广并实践.这也说明，推进PT系列竞赛的实证研究是必然趋势.

（3）PT系列竞赛的相关研究地域性明显，存在区域不均衡的特点.在基于PT系列竞赛的课程与教学研究中，中学研究者主要集中在江苏、上海两个省份，而高校研究者的所属地相对分散.这一方面是因为江苏和上海是国内最先开始进行新课程改革的地区，PT系列竞赛因其对学生综合素质的培养符合新课程标准的理念；另一方面，区别于CUPT竞赛每一年都由国内大学轮流承办，CYPT竞赛一直是由南开大学负责承办，参赛中学的区域分布相对固化.本文建议CYPT竞赛可以轮流地由全国范围内的优秀中学与当地一流高校合作承办，从而促进PT系列在中学内的传播与发展.上海已优先在SYPT中进行了这样的尝试.

（4）研究者多来自高校，缺乏大学与中学的合作研究.从统计分析资料来看，高校研究者的人数比例最高，高校与中学合作研究论文的数量最少.然而，与高校合作研究的中学无论是在竞赛组织还是基于PT系列竞赛的研究中都具有更高的热方面阐述了如何在目前的竞赛规则下提高竞赛水平.在中学层面，中国人民大学附属中学积极举办校内竞赛，开设相关研究课程，已经有了相当成熟的校内比赛组织、选拔机制.［30］情，因此为了打通高校研究与中学研究之间的壁垒，未来应积极开展高校与中学的合作研究与学习，在共同备赛的基础上进一步拓展PT系列竞赛的相关研究.

（5）有关如何加强大中学物理教育的衔接，一直是物理教育学界关注的重点问题.PT系列竞赛作为辐射大学和高中的创新型竞赛，重视学生对知识的应用以及创新实践、团队合作和解决问题的能力，因此是推进大中学物理教育衔接的有效途径.目前，国内只有南开大学对推进大中学生能力培养一体化模式进行了理论层面的探索，还有一些高校和中学开展了实践层面的合作：例如南京大学与省内中学共同组织青年物理学家友谊赛、［41］青岛二中与中国海洋大学的联合培育计划等.［34］事实上，高校和中学都可利用当地资源，互相结对，共同探索拔尖创新人才的一体化培养，推动大学与中学物理教育的有效衔接.