劉珊珊　趙蕓赫　劉衛(wèi)榮　李春密

(北京師范大學物理學系　北京　100875)

1　問題的提出

2008年南開大學物理科學學院參照國際青年物理學家競賽(IYPT)活動的模式，每學年在校內組織物理學術競賽，參賽學生為物理相關專業(yè)本科學生．2010年，南開大學進一步將此競賽擴大到全國，成功舉辦了第一屆中國大學生物理學術競賽(China Undergraduate Physicists Tournament，簡稱CUPT)[1]．CUPT比賽是一項由大學組織實施、面向物理專業(yè)相關本科生的、以團隊對抗為形式的物理競賽．它以培養(yǎng)和考查學生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力、協(xié)作精神和實踐能力為根本理念．CUPT題目也采用IYPT題目，參賽學生們根據(jù)給定的17道開放性的物理問題進行研究．研究過程中，題目相關物理知識、實驗方案均由參賽學生自行查找、設計，并根據(jù)得出的結果和其他隊伍選手進行辯論，比賽成功也必須依靠團隊的合作[2～5]．

目前，對于CUPT的研究主要集中在其題目、教育功能及競賽類比的研究方面，受CUPT題目開放性大的特性影響，對于CUPT問題解決策略的研究較少．但對于CUPT問題解決策略的研究，在幫助參賽學生解決問題的同時，還能更好地指導學生掌握科學研究方法．

2　CUPT問題解決過程中易出現(xiàn)的問題

研究CUPT問題解決策略，要先明確解題過程中易出現(xiàn)的問題，這既不能脫離CUPT問題本身，也不能脫離參賽學生對解題過程的主觀影響．因此，CUPT問題的解決過程受到各種內外部因素的影響，這些因素會導致各種問題的出現(xiàn)[6]．

2.1　影響CUPT問題解決的因素

CUPT問題解決的過程受多種因素的影響，影響CUPT問題解決的因素可被分為內部因素和外部因素，內部因素主要包括學科知識、認知方式、心理定勢、動機和信念、人格特性等；客觀因素主要包括問題表征、外部指導等．有些因素能促進問題的解決，有些因素則妨礙問題的解決． 如CUPT問題的表征，若問題表征的方式直白，能夠直接提供適合問題解決的線索，則便于找到正確的解題方法和策略；若問題表征的方式模糊，掩蓋或阻撓了問題解決的線索，則增加了參賽學生解決問題的難度，對解題的思路存在誤導．

2.2　問題分析方面容易出現(xiàn)的問題

(1)題目分析問題

雖然大多CUPT題目都十分清晰明確的表述了要研究的物理情景和有關問題，但仍有許多CUPT題目在內容呈現(xiàn)上設置了“陷阱”，導致參賽學生對題目的審題就出現(xiàn)了問題，使參賽學生錯過了問題研究的重點，甚至于使參賽學生研究的思路與題目實際的問題產(chǎn)生了偏移．如2015年CUPT第15題Thick Lens(厚透鏡)，題目中明確要求研究的問題是Can one use such a ‘lens’ to scorch a surface?(可以用這樣的“透鏡”來烤焦一個表面嗎？)，其中單詞“scorch”在當前語境下的含義為烤焦，但許多參賽學生根據(jù)自己的經(jīng)驗將問題理解為了用厚透鏡將一個表面點燃，反而忽略了問題中明確指出的“烤焦”，導致問題解決過程中對實驗現(xiàn)象的研究從頭至尾都是錯誤的．另外，參賽學生在解決問題前就會對問題中的“關鍵詞”進行梳理，但很多時候在問題的解決過程中忽略了它們的作用，導致“關鍵詞”不關鍵，也影響了參賽學生對問題的理解和對解題方法的設計，使問題的解決不完整．

(2)解題思路問題

對于第一種問題，可以采取團隊內部討論交流和尋求外部指導的方法，擴寬思維，嘗試解決問題．對于第二種問題，不同解題思路可能有對有錯，首先應排除錯誤的思路，對于均有一定道理的解題思路，要求同存異，選取或修正其中最簡潔、最合理的解題思路；對于第三種問題，應適當?shù)貞猛獠恐笇?，避免對題目本身解決的文獻的引用，避免向老師、學長提問與問題解決思路直接相關的問題．

2.3　實驗理論方面容易出現(xiàn)的問題

(1)實驗理論構建問題

原則上，理論是否正確可以用實驗進行驗證，但因CUPT問題實驗設計多較為基礎簡單，個別題目會存在實驗所求得的物理量數(shù)值與理論計算得出的在一定范圍內能夠很好的匹配，但理論的構建是存在問題的，甚至是錯誤的，尤其個別問題有關參考文獻中所構建的理論就存在這樣的錯誤，導致很多參賽學生未能發(fā)現(xiàn)理論的錯誤．

(2)數(shù)學推理問題

數(shù)學推理問題是CUPT問題解決中最常見也最重要的問題之一，因為初始條件、邊界條件難以確定，或數(shù)學公式推導難度過大，許多CUPT問題至今仍僅能用定性的方法解釋．對于難度過大的數(shù)學推理問題不予考慮，僅討論能夠通過化簡等手段解決的問題與推導過程復雜或錯誤的問題．

2.4　實驗構建方面容易出現(xiàn)的問題

(1)實驗設計問題

實驗設計的要求是使實驗目標明確，裝置簡潔，操作簡單，現(xiàn)象明顯，結果易測量，但在實際問題解決中很難達到上述的全部要求．如2015年CUPT第8題Sugar and Salt(糖和鹽)，多數(shù)參賽學生雖對實驗裝置進行了改進或自制，也降低了一定的操作難度，但實驗操作仍是困擾本題解決的難點之一．

(2)實驗儀器問題

CUPT實驗儀器主要有3類，即實驗室儀器、參賽學生改進的儀器和自行設計制作的儀器，實驗儀器方面涉及的問題主要是如何選用這幾類儀器．CUPT實驗儀器選用的基本要求是符合實驗要求并有清晰的實驗現(xiàn)象，同時盡量減小實驗誤差．

(3)數(shù)據(jù)測量問題

CUPT實驗方面最一致也可以說目前最難以解決的問題就是實驗數(shù)據(jù)測量的問題．CUPT實驗數(shù)據(jù)的測量多為間接測量，幾年來參賽學生常用的方法是用Tracker軟件對實驗視頻進行分析，但近兩年Tracker軟件分析暴露出的缺點也越來越被人們所重視，視差、自動描點的誤差在實驗現(xiàn)象多為微觀的情況下過大，甚至可能直接影響計算的結果．雖然大家都已明確了Tracker軟件分析存在的問題和局限性，但遺憾的是目前仍舊沒有一種更合理好用的測量方法可以取代Tracker軟件分析．

(4)實驗安全問題

實驗安全問題包括人身安全和財產(chǎn)安全兩部分．CUPT實驗中經(jīng)常會用到高功率的激光和改進實驗儀器材料的工具，對它們的不正確使用都可能對人身安全造成傷害．財產(chǎn)安全則主要指錯誤的操作會對實驗器材造成的損壞．

2.5　其他方面容易出現(xiàn)的問題

(1)團隊合作問題

CUPT競賽是團體性的競賽，而不是單人比賽，因此團隊的合作貫穿始終及其重要，但也最容易出現(xiàn)問題．

(2)問題解決完整性問題

對問題的解決缺乏完整性也是參賽學生們在比賽中常遇到的問題．辯論賽的形式要求CUPT問題的解決要具有完備性，但很多參賽學生忽略了這個要求，因為在參賽學生看來，CUPT問題解決的關注點應該是克服理論、實驗上存在的困難，而不該把時間和精力放在那些一目了然的結果的驗證上，這也間接導致許多參賽學生的研究結論與問題本身相差甚遠．

(3)后續(xù)研究問題

經(jīng)過CUPT比賽中與對手的討論和裁判的點評，參賽題目在問題解決中存在的問題和錯誤都被暴露了出來，但多數(shù)參賽學生在賽后就放棄了對問題的繼續(xù)研究．

3　CUPT問題解決策略建議

物理學是在對自然現(xiàn)象觀察的基礎上從科學實驗和生產(chǎn)實踐中總結發(fā)展起來的．研究物理問題解決，也應遵循物理研究方法．

3.1　物理(科學)研究方法及特點

(1)將物理(科學)實驗與數(shù)學推導相結合，既注意邏輯推理，又依靠實驗檢驗，構成一套完整的科學研究方法．其程序大致如圖1所示.

圖1科學研究方法流程圖

(2)在實驗中主觀的地忽略部分次要因素，以創(chuàng)造理想化的實驗條件．在盡量保證實驗條件符合數(shù)學推導要求的基礎上，改變實驗測量條件，使實驗數(shù)據(jù)更易于測量．

(3)用實驗驗證理論．

(4)將實驗與理論聯(lián)系起來．

3.2　問題分析方面容易出現(xiàn)的問題解決策略建議

(1)題目分析問題

要避免題目分析出現(xiàn)問題，首先要注意CUPT問題原文的閱讀，CUPT問題原文為英文，許多參賽學生為圖方便而直接選取中文翻譯進行問題分析，但許多中文譯文中存在翻譯問題，閱讀原文則可以避免這些問題；其次，對問題原文的閱讀，為避免跳過重要關鍵詞，要做到逐詞翻譯，結合問題情景整體理解；之后，在問題解決后，將問題結論與關鍵詞對照，核實關鍵詞是否對問題的解決和實驗的結論產(chǎn)生影響；最后，CUPT競賽是團隊競賽，對于題目的分析需要隊員集思廣益，集體討論，并最終確定題目分析方法和解決策略．

(2)解題思路問題

對于沒有解題思路的問題，可以采取團隊內部討論交流和尋求外部指導的方法，擴寬思維，嘗試解決問題；對于存在多種解題思路的問題，不同解題思路可能有對有錯，首先應排除錯誤的思路，對于均有一定道理的解題思路，要求同存異，選取或修正其中最簡潔、最合理的解題思路；對于解題思路受外界影響較大的問題，應適當?shù)貞猛獠恐笇?，避免對題目本身解決的文獻的引用，避免向老師、學長提問與問題解決思路直接相關的問題．

3.3　實驗理論方面容易出現(xiàn)的問題解決策略建議

(1)實驗理論構建問題

對于理論的構建不能只簡單地對比理論數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)是否匹配，而應將構建的理論放入相關物理情景中考慮，是否具有科學性、合理性，如從邏輯思維角度就不適合，則可以排除此理論，重新構建理論．如難以通過邏輯思維驗證，則應設計更多的驗證實驗，以核實理論的有效性．

(2)數(shù)學推理問題

對于難以進行數(shù)學推導的問題，應先考慮修正理論公式，采用化簡、類比、省略極小項等方法，嘗試求解，要注意最后對其進行誤差分析．推導過程復雜就容易出現(xiàn)錯誤，因此對于理論的數(shù)學推導應盡量科學簡潔，在計算過程中要注意不要遺失不能省略的物理量．

3.4　實驗建構方面容易出現(xiàn)的問題解決策略建議

(1)實驗設計問題

對于個別探究性、開放性問題實驗的設計要嘗試打破中規(guī)中矩和“慣例”的壁壘，才能設計出更適宜的實驗．

(2)實驗儀器問題

實驗儀器的選取應優(yōu)先考慮已有的實驗室儀器，因為實驗室儀器原理明確，穩(wěn)定性好；在實驗室儀器不能符合實驗要求時，則需考慮修改實驗裝置設計，或自行改進、自制儀器，其中需要注意的是，并非經(jīng)過改進的儀器和自制儀器一定優(yōu)于實驗室儀器，反而實驗室儀器在各種性能上多比改進、自制儀器好，參賽學生需慎重對待實驗儀器的改進和自制，做到不盲目．

(3)數(shù)據(jù)測量問題

鑒于目前沒有一種更合理好用的測量方法可以取代Tracker軟件分析，要解決數(shù)據(jù)測量問題重要基于2個方面．第一，Tracker軟件的使用，要更加規(guī)范化、細致化，通過修正公式、控制變量等方法，盡量減少數(shù)據(jù)誤差和客觀因素的影響，增加測量數(shù)據(jù)的準確度；第二，嘗試開發(fā)新的數(shù)據(jù)測量方法，以取代Tracker軟件．

(4)實驗安全問題

在人身安全方面，要注意培養(yǎng)參賽學生安全實驗的意識，在實驗儀器選擇、實驗具體操作方面，嚴格要求，要保證參賽學生做到不傷害自己、不傷害別人、不被別人傷害．在財產(chǎn)安全方面，在實驗前要充分了解實驗器材的結構和功能，盡量做到會使用、會改進、會維修．

3.5　其他方面容易出現(xiàn)的問題解決策略建議

(1)團隊合作問題

CUPT問題的解決要從理論和實驗兩方面入手，因此雖然不要求團隊中每個人都同時擅長理論推導和實驗設計操作，但團隊人員構成要合理，進行理論推導和實驗設計操作的人員配置要平衡．對于負責題目的分配要綜合考慮個人興趣和個人能力(理論實驗)，原則上對于每道題目至少有兩個人同時負責，以便于溝通討論和發(fā)現(xiàn)問題．在比賽過程中，團隊成員也要互相配合、討論，明確分工．

(2)問題解決完整性問題

CUPT問題解決方法的創(chuàng)新十分重要，但基礎理論的驗證仍是問題解決重要的組成部分，對CUPT題目進行擴展研究的前提，是要先解決基礎問題，形成完備的結論．

(3)后續(xù)研究問題

CUPT活動并非單純的物理競賽，對CUPT問題的解決目的也不僅在于參賽，更是培養(yǎng)參賽學生的科研能力，因此參賽學生應樹立嚴肅認真的科研態(tài)度，進一步修正、完善問題的解決，并提出對題目的思考．

3.6　CUPT問題解決策略建議

基于對CUPT問題解決過程中易出現(xiàn)的問題的分析，建議CUPT問題解決的策略如圖2所示.

圖2　CUPT問題解決策略

(1)界定問題，原始實驗——對CUPT問題本身進行分析，確定題目要求研究的問題，并根據(jù)問題內容復原原始實驗(預實驗)；

(2)表征問題——對CUPT問題進行表征，分析關鍵詞及相關物理概念；

(3)探究建模，完善理論——根據(jù)CUPT問題分析，明確有關理論，并根據(jù)題目情況構建完善物理模型，完成數(shù)學推理；

(4)因素分析，模型應用——對影響CUPT問題解決的因素進行分析，并嘗試根據(jù)構建的理論模型設計驗證實驗；

(5)實驗驗證，獲取結論——進行實驗，并將實驗結果與理論推導對比，得出結論(實驗驗證理論)；

(6)談論反思——對CUPT問題解決過程進行梳理，分析仍存在的問題和解決的方法．

4　結論

對學生參加CUPT競賽解決問題過程中遇到的問題進行梳理，提出解決建議，并形成“界定問題，原始實驗-表征問題-探究建模，完善理論-因素分析，模型應用-實驗驗證，獲取結論-談論反思”的CUPT問題解決策略，在幫助學生更好地解決CUPT 問題的同時，還能培養(yǎng)學生形成科學嚴謹?shù)膶W術研究態(tài)度，掌握科學研究方法．