北京师范大学物理学术竞赛的发展及在拔尖创新人才培养中的作用

李佳泓,梁 颖,马宇翰

(北京师范大学 物理学系,北京 100875)

国际青年物理学家锦标赛(International Young Physicists’ Tournament, 简称IYPT)是由前苏联在1988年发起的一项以团队辩论对抗为形式的物理竞赛,每年举办一届,至2023年已经进行了36届,在这项比赛中,参赛选手从17道开放性的赛题中选择自己感兴趣的物理问题,围绕此问题展开学术讨论,其中可以涉及基本物理情境、理论模型、探究性实验等内容. 这一比赛摆脱了传统的应试教育模式,具有重要的科学教育价值.学生在比赛过程中综合发挥学术能力和人际交往能力,将学习知识和探索实践相结合,将物理学与日常生活有机结合,实现了个人与团队合作的理念.这些都与国家中长期教育改革和发展纲要(2010—2020年)中提出的全面提高学生综合素质,培养新时代创新人才的要求相吻合. 2007年,中国物理学会委派南开大学团队前往韩国首尔考察第20届IYPT,并取得第22届IYPT的承办权.[1]2008年,南开大学和天津物理学会组建IYPT中国代表队,参加第21届比赛 . 这也是中国代表队首次参加IYPT系列竞赛,开启了国内此后十余年PT系列竞赛的发展历程. 2010年7月,南开大学物理科学学院借鉴IYPT的物理竞赛模式,举办了第一届中国大学生物理学术竞赛(China Undergraduate Physics Tournament, 简称CUPT),总共12所高校的17支参赛队伍参加第一届CUPT[2].

自2011年的第二届CUPT开始,北京师范大学物理学系开始选拔学生参与该项赛事,并作为主办方承办了第三届的CUPT. 自此之后,全国各地的高校和高级中学掀起了PT系列竞赛兴起的浪潮,PT系列竞赛的影响力不断扩大,为培养优秀人才提供了一条创新的道路. 与此同时,包括南开大学、北京师范大学、南京大学在内的众多高校学者开始研究PT系列竞赛的育人功能. 物理学术竞赛不仅可以有效锻炼学生的科研能力,还可以培养学生的合作精神和表达交流能力,对培养学生的创新意识、实践能力、求真精神起到了很大的促进作用.

至今,北师大物理学系组织参与CUPT已满12届,也发展并成功举办了北师大校级物理学术竞赛(BNUPT)11届(2012—2022).该项比赛在北师大物理学系的十余年内,在本科生学术能力锻炼、教学改革启发和相关研究问题解决等方面都有相当的正面价值. 2023年,是北京师范大学物理学系百年华诞,本文梳理了PT系列竞赛在北师大物理学系的发展历程,总结过去参加、组织物理学术竞赛的丰富经验,在此基础上分析物理学术竞赛在拔尖人才培养中的作用,讨论北京师范大学物理学系物理学专业课程与物理学术竞赛之间的关联,最后探讨该竞赛及其启发的育人模式进一步的可能发展方向.

1 北京师范大学与中国大学生物理学术竞赛

北京师范大学是最早参与进中国大学生物理学术竞赛的一批高校之一. 从2011年开始,北京师范大学以参赛高校的身份首次参加了在南京大学举行的第二届中国大学生物理学术竞赛,以前 4 轮分会场第一,总成绩第五的成绩获得二等奖,同时获得了2012年第三届中国大学生物理学术竞赛的主办权. 第三届CUPT于2012年8月18日—23日在北京师范大学举行,北京师范大学1队和2队均获得二等奖的成绩. 随着北京师范大学物理学术竞赛组织模式的优化、学生参与度的提高,北京师范大学代表队在CUPT全国赛上的表现也进步明显.在2013年于兰州大学举行的第四届CUPT上北京师范大学代表队由五场系列赛单场得分第一入围总决赛,并最终以全国第三的成绩获得特等奖. 为后续北京师范大学物理学术竞赛的发展做出了榜样模范作用.

1.1 北京师范大学主办的2012年CUPT与2019年CUPT华北赛

2012年,由北京师范大学物理学系主办,《大学物理》编辑部协办的第三届CUPT于 2012 年 8 月 18—23 日在北京师范大学举行. 教育部高教司理工处李茂国处长、北京师范大学陈光巨副校长、北京师范大学教务处涂清云处长、南开大学物理学院刘玉斌院长、CUPT 竞赛委员会李川勇秘书长、北京师范大学物理系夏钶主任出席了开幕式[3]. 北京师范大学物理学系召集了近70名同学参加了第三届中国大学生物理学术竞赛的志愿者服务工作,比赛组织秩序井然,志愿者们的热情服务展现了东道主的风采,赢得了参赛学校的师生的一致赞扬.

2018年开始,中国大学生物理学术竞赛分为区域赛和全国赛两个阶段进行,区域赛分为东北、华北、华东、中南、西南、西北六个赛区. 自此,每年CUPT的全国赛由前一年全国赛的前36名学校与每个区域赛前四名的学校共60所学校进行决逐. 北京师范大学于2019年首次主办第二届CUPT(华北赛区),北师大两支参赛代表队分别获得了第二届CUPT(华北赛区)的特等奖和一等奖.

1.2 北京师范大学校级物理学术竞赛的发展

为准备当年北京师范大学承办的第三届CUPT,选拔北京师范大学代表队,第一届北京师范大学物理学术竞赛(Beijing Normal University Physics Tournament, 简称BNUPT)暨第三届中国大学生物理学术竞赛北师大预选赛于2012年5月19日举行.竞赛全体裁判员、十二组参赛选手及全体志愿者共140余人参加了大会.此后至今,BNUPT已经顺利举办了11届,这一方面为北京师范大学备战后续的CUPT华北地区赛和全国赛打下坚实基础,另一方面有助于激发学生在物理专业方面的内在潜力,提高学生的创造力,为学生展现自己的科学研究能力提供一个开放性的平台,同时也是为北京师范大学物理学系的本科生培养提供创新的途径.

随着BNUPT的发展, BNUPT的比赛组织模式已逐渐规范化,已经发展为由北京师范大学物理学系主办、BNU物理视界社团协办的校内规模最大、参赛人数最多的物理学术竞赛. 其组织模式包括赛前的宣讲动员会、往届校队师兄师姐担任领队、赛前的各种软件培训会、实验技能培训会、学术报告经验分享会、赛场志愿者的培训、比赛专业裁判的邀请、参赛指南、裁判手册的撰写等等,具体组织模式如表1所示. 这些比赛流程的逐步深化,也体现了北京师范大学物理学术竞赛不断完善的过程.

表1 北京师范大学物理学术竞赛组织模式

BNUPT竞赛主要针对北师大物理学习低年级本科生,旨在通过有趣、开放和实践性强的比赛题目,为参赛学生提供小规模科研训练的体验,培养他们的实验能力、创新能力和团队合作意识,进一步激发他们对科研的兴趣. 竞赛的组织形式是团体学术讨论.每支队伍总共参加三场对抗赛,分别在比赛当天的上午、下午和晚上进行.每场对抗赛由三支或四支队伍参加,队伍轮流作为正方、反方和评论方(和观摩方)进行题目展示和讨论,以此来展示团队的协作与学术讨论技巧.

1.3 物理学术竞赛线上赛模式的探讨与发展

2020年初,新型冠状病毒肺炎疫情在全国范围内爆发,北京师范大学学生返校时间无法确定,BNUPT的筹备和举办受到影响. 协办方BNU物理视界社团开始思考比赛的组织形式,考虑到前期准备工作已于前一学期启动,大部分参赛队员已经在家里完成了许多研究工作,并且十分希望通过此次比赛来展现自己的学术成果和锻炼自身的学术表达能力. 因此,在北师大物理学系师生的积极响应和支持下,2020年第九届北京师范大学物理学术竞赛开始尝试探讨线上比赛模式,于2020年4月25日举办BNUPT线上赛.[4]

在2020年第九届BNUPT线上赛中,总共有来自20支队伍的97名队员参赛,23名志愿者为赛事提供志愿服务,53名裁判评委参与了打分与点评工作,为确保线上比赛的顺利进行,比赛组织者和参赛师生在比赛前做了大量的准备工作. 线上比赛平台为ZOOM会议室,每间会议室安排3～4名志愿者和4～5名裁判. 在准备阶段和比赛期间,利用微信群、QQ群等交流平台,促进组织者、裁判、志愿者和参赛队员之间的内部沟通和联系.

1.4 BNU物理视界社团在物理学术竞赛组织中起到的作用

高校学生学术社团对各类物理学术竞赛能够在高校中顺利开展起到了很明显的推动作用. 在发起全国大学生物理学术竞赛的南开大学物理科学学院,参与物理学术竞赛的师生在2012年11月组织成立南开大学物理思辨社这一学生社团,为后续南开大学校内物理学术竞赛的组织开展起到了重要作用. 此后,全国部分高校也开始在学生层面成立PT竞赛相关的物理学术社团. 在北京师范大学,物理学系参与CUPT竞赛的师生于2013年11月组织建立了BNU思辨社,后于2014年改名为BNU物理视界. 此外,哈尔滨工业大学、中国科学技术大学、西安交通大学等高校也在参与CUPT的过程中成立了自己的校级PT竞赛相关的学生学术社团.

BNU物理视界是北京师范大学的唯一的物理学术类社团,由物理学系2011级和2012级的部分CUPT校队成员在梁颖老师和刘珊珊老师的建议下创办. 视界的创办最初是受到中国大学生物理学术竞赛(CUPT)的启发,现如今已经发展成了一个拥有学术竞赛部、文化宣传部、创新实验部、本科生科研部、物理教研部和学术编辑部六个部门的综合性社团,是众多物理爱好者交流、学习的良好平台.BNU物理视界社团的宗旨是让每一位同学体会到来自物理的魅力,让物理学系的学生更好地做到学以致用,为每一位热爱物理的同学提供开放包容的交流平台.

物理视界有着丰富多样的社团活动：协办北京师范大学物理学术竞赛(BNUPT)、开展各类BNUPT相关的技能培训;进行“物视人言”系列采访、组织物理文化相关的宣传活动;负责北京市物理实验竞赛等各类实验竞赛的选拔工作、举办科幻电影月;撰写物理科普文章、物理学史和物理竞赛汇报等内容、开展各类知识讲座和经验分享会等等.工作内容比较全面地涵盖物理系的专业性学生活动.

2 北京师范大学物理学术竞赛在拔尖人才培养中的作用

2.1 为学生提供科研训练的新平台

北京师范大学物理学术竞赛自成立以来,吸引了众多本科生积极参与. 由于物理学术竞赛的题目大多是源于普通物理中的开放性试题,学生在研究比赛试题的前期,需要通过各种渠道查询相关参考文献,明确所选赛题的研究现状,从而确定自己解题的研究方向.上述过程体现了科学研究的一般范式,故该比赛可以作为本科生初识科研的基础平台.

2.2 提高学生自主探究实际物理问题的能力

学生在面对一道全新的物理学术竞赛题目时,学生一方面要结合所学知识和研究方法去分析题目,寻找切入点尝试构建题目相应的理论模型. 这一理论模型需要完整地描述整个物理情境,最后通过实验结果来检验所构建物理模型的若干预言. 这一过程中学生利用所学专业课中的理论知识来自主模型化实际物理问题的能力得到有效锻炼.

另一方面,在设计实验方案阶段,学生需要从物理图像出发,明确需要测量的物理量,并分析这些量在相应现象中起到作用的主次,依据问题情境研究主要因素,忽略次要因素,研究物理量的动态变化过程以及相互作用. 与大学本科期间常规设置的基础实验教学不同,由于PT竞赛的众多物理问题没有标准答案及统一的解决方式,学生需要不断地优化实验方案、实验系统,因此学生的动手实践能力可以得到较为全面的锻炼和提高.

事实上,北京师范大学物理学系在大一上学期开设的《物理实验基础》专业选修课程,为学生动手进行实验操作打好了基础. 在大一下学期和大二上学期分别开设普通物理实验AⅠ和AⅡ专业必修课程,在大二下学期开设《普通物理实验专题》的专业选修课程,这些物理学专业课程都为学生锻炼实验操作能力、实验设计能力等提供基础保障.

2.3 提高学生团队合作的能力

在物理学术竞赛的讨论阶段,学生竞赛团队各成员需要合理地分工合作,共同完成质疑、讨论及回复的比赛形式,主要体现为如何组织团队,如何在团队中进行自我定位,发挥成员自身的特长. 与此同时,学生的表达交流能力也会得到一定的锻炼,自身的团队意识和合作意识在进行物理学术竞赛的过程中也会不断增强.

在北京师范大学物理学系专业培养方案中,大一、大二阶段开设了许多与专业课相对应的专业研讨课,如《力学研讨课》《电磁学研讨课》《热学研讨课》《光学研讨课》等. 学生在研讨课上可以研究讨论与专业课知识相关的课外问题,如PT系列竞赛中的问题,在研究问题的过程中可以与同班同学合作、展开交流讨论等. 这些研讨课为提高学生团队合作能力、增强交流意识等提供了丰富的途径,也与PT竞赛的培养理念不谋而合.

2.4 提高学生书面学术表达的能力

部分参赛学生在完成物理学术竞赛课题研究的基础上,会选择完成度较高课题来撰写学术论文,尝试投稿至物理学术及教学类期刊. 这一过程对培养学生规范地表达自己学术成果的能力起到了促进作用. 图1统计了北京师范大学2011年首次参加中国大学生物理学术竞赛至2023年4月期间,所有物理学系师生发表的与PT竞赛相关的研究论文,共计18篇,其中与具体问题解决相关的有13篇[5-17],与教学研究相关的有5篇[4,18-21].

图1 北京师范大学物理学系师生发表的与PT系列竞赛相关的论文统计

通过统计我们可以发现几乎每年都有物理学术竞赛相关的论文发表且在本科生论文发表中有相当的占比,这也说明了北京师范大学物理学术竞赛对学生规范书面学术表达和提高学术论文写作能力的影响. 值得一提的是,这些论文主要发表在《大学物理》《物理实验》《物理教师》《物理与工程》等国内主流教学类刊物上,这为参与PT的学生在后续可能的物理学术生涯中奠定了良好的基础,为孕育物理原始创新提供了人才保障[22].

3 物理学术竞赛及其育人模式在北京师范大学的可能发展方向

在北京师范大学物理学术竞赛过去十余年的既有发展与成果的基础上,为使其更好地传承该活动并保持创新活力,本文从以下几个方面为该比赛及其启发的育人模式提供进一步发展的可能方向

3.1 搭建各高校之间物理学术交流的平台

在保障北京师范大学物理学术竞赛在校内宣传的同时,在扩大校内师生参与范围的基础上,可以尝试跨出各高校进行校级交流的第一步.除了共同参加的CUPT全国赛和华北地区赛,可以通过交流会、研讨会等多种形式互相探讨高校内校级物理学术竞赛可行、有效的组织模式,促进人才培养措施的丰富拓展.

3.2 利用自媒体平台扩大物理学术竞赛的影响力

目前,往届物理学术竞赛的部分比赛通过视频记录的方式留存,为后续选手提供了解该比赛和学习基本比赛方式的资料. 然而,这些视频通常是以全场录屏的形式记录下并宣传至一些网络平台. 一轮系列赛分为3场对抗赛,每一场对抗赛的平均时长约为45分钟,一轮系列赛下来总时长将超过2个小时,这对于大多数非专业参加物理学术竞赛的人群来说,往往没有那么多时间和精力去观看物理学术竞赛的比赛视频. 在当前自媒体平台飞速发展的时代,在既有比赛资料的基础上创作“浓缩并突出重点的”自媒体素材便成了进一步扩大物理学术竞赛影响力探路石. 此前,物理视界社团的微信公众号已经推出了“A CUP of Tea”的专栏[23],以原创微信文字推送形式介绍部分PT问题的解决途径. 作为这一思想进一步的拓展,本文认为可利用微信公众号等平台,制作5分钟的正方汇报短视频作为推广PT竞赛及其学术成果的途径. 与此同时,考虑比赛全部主要内容的展示,可将一小时左右的对抗赛精简成30分钟的视频进行宣传. 此外,创建与物理学术竞赛相关的在线平台,对于竞赛的每一道题,都可以设置小型讨论班、论坛等以供对此题感兴趣的学者进行交流讨论.

3.3 结合北京师范大学的教育理念,在培养卓越教师过程中实践并推广PT育人模式

近年来,物理学术竞赛作为物理学科的理论与实验教学的创新形式,已在各大、中学校广泛开展,形成了一定的社会影响力. 教育部首批虚拟教研室建设试点“物理学育人模式改革虚拟教研室” 于 2022 年秋季学期起定期开展跨区域系列教研活动[24]. “PT虚拟教研室”的开设,进一步探索 PT 模式在学生综合素质培养中的应用,充实并完善 PT 教学与教研体系,充分吸纳国内各校物理学专业教师在育人过程中的优秀经验,实现“发展成果共享、发展经验互鉴”的新格局[25].

值得强调的是,PT育人模式的推广和开展需要有一定体量的研究型教师群体作为支撑. 而培养研究型教师的先进教师教育理念正好符合北京师范大学的办学宗旨. 结合上文总结的北京师范大学物理学术竞赛的发展历程及其在拔尖创新人才培养中的作用,北京师范大学物理学系具有培养兼具先进教育理念和教育教学研究能力的研究型教师的雄厚基础. 北京师范大学珠海校区,于2019年4月由教育部正式批准建设,是北师大建设“综合性、研究型、教师教育领先的中国特色世界一流大学”的重要组成部分. 2020年,北师大珠海校区文理学院和未来教育学院共同合作,开始与北京校区物理学系共同探讨在珠海校区开展物理学术竞赛的可能性. 2021年 5月23日,第一届北师大珠海校区物理学术竞赛(BNUPT·珠海)成功举办. 发展至今,2023年的第三届BNUPT·珠海的组织规模已逐渐成型,共有15支队伍,92名师生参加比赛.

结合北京师范大学的在研究型教师方面的人才培养理念、“一体两翼”的办学格局,北京师范大学有着在基础教育中实践并推广PT育人模式的肥沃土壤. 从北京师范大学物理学系走出的研究型教师,一方面有着丰富的PT系列竞赛经验,另一方面具有开展一系列研究型、综合性创新课程的能力,同时还可以为搭建大学-中学阶段基于物理学术竞赛(PT)模式的创新人才培养桥梁提供动力,让PT育人模式真正落实到大学-中学阶段. 可以期待,在不远的将来,北京师范大学物理学系培养的研究型教师可以为PT育人模式的推广和开展提供源源不断的动力.

4 结语

本文系统回顾了PT系列竞赛在北京师范大学的发展历程及其在物理学系拔尖创新人才培养中的作用. 北京师范大学物理学系于2011年首次参加CUPT,并作为主办方承办了2012年第三届的CUPT. 以培养物理学系学生解决实际问题为宗旨、选拔CUPT北师大代表队为初衷,北京师范大学物理学术竞赛(BNUPT)在2012年5月应运而生.随着多届参与师生的传承、赛制的不断完善,目前BNUPT已顺利举办了11届,成为物理学系学生参加最多、影响最广的比赛. 其中学生社团BNU物理视界在北师大学校内物理学术竞赛的组织开展起到了重要作用. 北京师范大学物理学术竞赛在拔尖人才培养中的作用包括：为本科生提供科研训练的新平台,提高学生自主探究实际物理问题的能力、团队合作能力、书面学术表达的能力等.

在此基础上,本文给出了未来物理学术竞赛及其育人模式在北京师范大学的可能发展方向,包括：1) 搭建各高校之间物理学术交流的平台 ;2) 利用自媒体平台进行关于竞赛模式优化、竞赛课题解决以及相关教学研究的推广与交流;3) 结合北京师范大学在研究型教师方面的人才培养理念,搭建大学-中学阶段基于物理学术竞赛(PT)模式的创新人才培养桥梁,在培养卓越教师的过程中实践并推广PT育人模式.