李尤

2017年夏天，我有幸成為第5屆國際青少年科學家錦標賽（IYNT）南外初中隊的一員。在幾個月的科學研究學習中，我第1次與科研有了親密接觸。通過賽前準備、動手制作、比賽答辯等環(huán)節(jié)，讓我對STEM科學探究有了更深刻的認識和理解。本文以我負責的第17題“Tornado machine（龍卷風機）”為例，介紹參加IYNT賽事的基本情況。

賽題——跨學科立體融合

IYNT是一個極具綜合性與多樣性的比賽。比賽題目類型多樣，跨學科性很強，題目涉及的知識點不局限于一門學科，常常是物理、化學、生物、地理、人文、數(shù)學等不同學科的融合。

如本次賽題第15題“Water from air”中，要求制作一個能夠從空氣中提取出水的裝置。解答賽題不僅需要考慮物理中物態(tài)變化的知識和化學中催化作用等原理，還需要用數(shù)學建模工具繪制圖紙并考慮成品外觀，之后還要用到通用技術(shù)的設備進行制作，涉及到的學科領域非常寬泛。

賽題第17題“Tornado machine”，要求制作一個能夠產(chǎn)生人造龍卷風的機器，可以產(chǎn)生穩(wěn)定的龍卷風，并且最好能夠帶到現(xiàn)場演示。這個賽題的解答不僅需要研究龍卷風產(chǎn)生的機理，還需要考慮怎么人為滿足龍卷風產(chǎn)生的條件，并且用能夠采購到的器材實踐和研究各種變量，整個過程結(jié)合了科學（龍卷風原理的探索）、技術(shù)（各種變量的控制）、工程（龍卷風機的制作）和數(shù)學（結(jié)果的定量分析）等相關知識，綜合性非常強。

再如賽題1“Good guesses”研究在一場800個農(nóng)夫猜測1頭牛重量的比賽中，如何得到一個相對準確的猜測。這一問題涉及到概率論、博弈論等數(shù)學知識，還涉及到人文社會等學科內(nèi)容；賽題2“Time-lapse videos”要求用延時攝像研究某個緩慢變化的生物、化學或天文現(xiàn)象等；賽題4“Language barriers”要求研究不同地方不同語言可相互理解的有趣現(xiàn)象，需要結(jié)合地理、語言、人文等學科領域的知識。

每一個賽題都包含了諸多學科領域的內(nèi)容，題目具有極強的多樣性、綜合性和開放性，它們沒有固定答案，讓人眼花繚亂，無從下手，每個實驗課題都需要參與者自己設計實驗并得出結(jié)論，體驗一個具體而完整的探究過程。

答題——開腦洞步步為營

要解答IYNT這類開放性的賽題，傳統(tǒng)課堂上那套平鋪直敘的標準答案顯然是不行的。必須學會科學研究的思路與精髓。通過學習，我們了解到科學探究一般包括提出問題、作出猜想、考慮參量變量、設計實驗、收集數(shù)據(jù)、得出結(jié)論、誤差分析等幾個部分，下面就以本次比賽第17題“Tornado machine”龍卷風機為例具體說明。

分析問題，作出猜想

題目：Build a machine to produce an an-door air tornado.Investigate the properties and stability of the tornado.Is the machine portative enough to be demonstrated at a Science Fight room of the 5^thIYNT？（制造1臺能產(chǎn)生室內(nèi)龍卷風的機器，以研究龍卷風的性質(zhì)和穩(wěn)定性。這臺機器是否足夠方便攜帶以便在第5屆IYNT比賽現(xiàn)場進行演示？）

拿到題目，我們先對題干進行了分析，我們標出了幾個關鍵的詞匯：property（性質(zhì)）、stability（穩(wěn)定性）和portative（易攜帶）。這些關鍵詞給了我們一些研究方向、思路和簡單構(gòu)想。

因為題目明確指出要求我們建造出1臺龍卷風機，而先前的理論知識又超出了我們的理解范圍，于是我們決定先查找資料，了解國內(nèi)外對此研究的現(xiàn)狀，重點便放在確定龍卷風的性質(zhì)上。我們通過網(wǎng)絡、圖書館查閱了大量關于龍卷風的概念與形成機理，以及國內(nèi)外關于此方面的研究現(xiàn)狀，進行了全面的整理、歸納、概括，并組織成文字，同時根據(jù)題目的要求建模，通過一次次討論計算，定下我們需要研究的參量與變量——切力、上升力、風速、進風量等，最后建立模型如圖1所示。

考慮變量，設計實驗

在真正開始實驗之前，我們先在紙上繪制了機器的草稿，如圖2所示。之后經(jīng)過多次討論定下實驗材料的相關數(shù)據(jù)，例如龍卷風設備中玻璃板材料的長寬高、抽風機的數(shù)量、位置和進風量等。全部考慮清楚之后，再開始采購定制所需要的所有材料，例如，抽風機、鼓風機、有機玻璃板、超聲波霧化器等，并進行組裝和實驗，圖3所示為從網(wǎng)上采購的各種材料。

進行實驗，收集數(shù)據(jù)

在搭建完龍卷風機器后，我們就開始實驗。圖4所示為龍卷風機器實驗的圖片，在實驗中我們選擇了多種合適的研究方法，如控制變量法、對照法等。圖4從左到右依次是產(chǎn)生穩(wěn)定的龍卷風、半穩(wěn)定的龍卷風（上部區(qū)域不穩(wěn)定）和不穩(wěn)定的龍卷風。我們通過多次改變進風量、抽風量，以及它們影響的風速等實驗變量進行對照，通過計算并測量多組數(shù)據(jù)后繪制成表格，如表1所示。

另外，為了改變抽風機的進風量，我們用硬紙板遮蓋抽風機的一部分進行實驗，從而模擬控制變量，以達到對比實驗的效果。

誤差分析，得出結(jié)論

我們計算并測量了板間距離、抽風機抽風量與風速的關系。通過定義“stability” （穩(wěn)定性），認真觀察實驗現(xiàn)象和記錄的數(shù)據(jù)，找出數(shù)據(jù)所反映出的共同規(guī)律，簡要地得出了我們的定性定量兩方面的結(jié)論：當板間距離更小、抽風量更小時，形成穩(wěn)定的龍卷風所需要的時間便會更長；當風速v>0.44m/S時，能形成穩(wěn)定的龍卷風；0.11 m/s

因為實驗測量中的不準確及設備的不完善，實驗中肯定存在一定的誤差，于是我們對于實驗和理論中不盡如人意、還可以有提升空間之處進行了提及與試圖修正，例如希望能夠改變板間距的寬度，希望能用更精確的方法測量風速，希望能用更準確的手段改變進風量與抽風量等。

整理報告，準備演講

光悶頭做實驗還不行，我們還需要系統(tǒng)分析自己的研究結(jié)果，同時理清思路把自己的最終成果清晰地展示出來。由于比賽要求，我們需要對每道題作8分鐘的匯報演講。既要讓匯報完整清晰，又要簡潔易懂，那么這個時候就考驗我們的條理與思路了。所以，比賽前，我們再次完整地回顧整個課題，從題目分析、理論分析，到實驗的設計與推進，最后是結(jié)論與誤差分析，把整個過程清晰地呈現(xiàn)在我們匯報的幻燈片上，同時還模擬對手針對課題可能提出的疑問并進行模擬解答，為最終的比賽作好一切準備。

比賽——拼實力唇槍舌劍

在緊張的準備之后，終于迎來了比賽的日子。

在確定賽題后，首先是正方陳述環(huán)節(jié)。在呈現(xiàn)自己匯報成果的時候，如何與臺下裁判、觀眾交流，如何與對手交流都有一番技巧。比如語速要適中，才能讓大家聽得清晰卻又不冗長無力；在匯報中，多用圖或表格展現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)，才能更加形象地表明實驗結(jié)果；同時，我們還展示了真正的實驗設備與成果，讓人信服。8分鐘的陳述，我信心滿滿，從理論到實驗，從制作到演示，充分展示了前期準備成果，效果不錯。

緊接著是對方的提問環(huán)節(jié)。對方開始狂轟濫炸，一堆“炮彈”向我飛來。其中典型的2個問題是：①在實驗中給出了不同風速的結(jié)果，那么是如何測定風速的？②龍卷風外沿和內(nèi)沿有什么區(qū)別？

經(jīng)過短暫準備后進入辯論環(huán)節(jié)。對于第1個問題，我早有準備。因為條件限制，沒有準確測量風速的風速計。但是，我們根據(jù)排風扇給出的性能參數(shù)，可以計算出每分鐘排風扇會抽走多少立方米的空氣，再用它除以龍卷風機器四周縫隙的橫截面積，就可以估算出空氣流入的速度，也即估算出風速了。對于第2個問題，一開始還是有點發(fā)懵。在仔細思考之后，這個問題也不難。根據(jù)理論知識，在一定條件下速度環(huán)量u與半徑r成正比，因此外沿的風速顯然大于內(nèi)沿的風速，問題就有了較好的答案。

在評委提問環(huán)節(jié)，評委的問題通常直擊要害。有評委提出：“龍卷風穩(wěn)定的標準是什么？怎么判斷龍卷風是否穩(wěn)定？”這個問題確實有點難，可以說打得人措手不及。我深吸一口長氣，告訴自己一定要冷靜。龍卷風穩(wěn)定的標準確實不好定量分析，但是根據(jù)長時間觀察，能否形成穩(wěn)定的氣旋是關鍵。最后根據(jù)現(xiàn)場演示和錄像解讀，基本上算是給了一個勉強答復吧。這個問題也體現(xiàn)出我們還沒有考慮周全并且對某方面知識還有遺漏。

終于到了各方總結(jié)陳詞的環(huán)節(jié)，我也松了一口氣。比賽的過程緊張而有序，對我們每一個人不止是知識上的挑戰(zhàn)，更是參賽時心態(tài)的考驗。

結(jié)語

通過這次比賽，首先提升了我搜集分析文獻資料的能力。借助圖書館、網(wǎng)絡等工具查閱課題研究領域的大量文獻資料，從中了解課題的研究現(xiàn)狀、研究前沿及研究熱點，學習研究思路，掌握研究方法，為課題的開展和順利進行奠定堅實的基礎。其次，我學會了開展科學研究的基本方法。對提出問題、作出猜想、設計實驗、收集數(shù)據(jù)、得出結(jié)論、誤差分析等基本的科學研究方法有了更深層次的了解與認識，學會了在基本方法上利用有限的工具材料，使用切實可行的方法進行高效率的探究。再次，還增強了我們團隊分工協(xié)作的合作精神。最初分配題目時，每個人都分到三四個題目的研究內(nèi)容，雖然每人的課題不近相似，但我們在做好自己課題研究的同時，也關注隊友的課題，討論會上大家積極建言獻策，相互啟發(fā)。我們6個人在賽場上互相鼓勵，互相配合，偶爾插科打諢也讓這幾個月的辛勤準備和緊張比賽充滿了樂趣，我深深地為這樣一個優(yōu)秀隊伍感到驕傲和自豪。