張 楠 趙蕓赫 馬宇翰 徐明輝

（1.復旦大學高等教育研究所，上海 200433；2.首都師范大學附屬中學，北京 100048；3.中國工程物理研究院研究生院，北京 100193；4.山東大學計算機科學與技術學院，山東 青島 266237）

國際青年物理學家競賽（International Young Physicists' Tournament，簡稱IYPT）是由蘇聯(lián)于1988年發(fā)起的以團隊對抗為形式的中學生創(chuàng)新型物理競賽.2008年，中國隊首次參加在克羅地亞舉辦的第21屆IYPT.兩年后，第一屆中國大學生物理學術競賽（China Undergraduate Physics Tournament，簡稱CUPT）于2010年在南開大學成功舉辦.［1］自PT系列競賽首次進入中國，眾多高校及省市積極借鑒IYPT和CUPT的競賽模式，開展各類地區(qū)性賽事，PT系列競賽的影響力不斷擴大，其教育功能也備受關注.

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2020）》中指出，應當全面提高學生綜合素質(zhì)、積極開展研究性學習、培養(yǎng)新時代創(chuàng)新人才.［2］區(qū)別于傳統(tǒng)物理競賽，PT系列競賽更注重對學生綜合能力的培養(yǎng)，同時由PT競賽引發(fā)的中學IYPT選修課程、［3］大學物理研究性實驗課程［4］等新型教學活動不僅可以提高競賽水平、改進競賽教學質(zhì)量；更重要的是，PT系列競賽能夠啟發(fā)傳統(tǒng)物理課堂教學，探索依托于競賽的校本課程開發(fā)，提高學生學習的主動性和積極性，培養(yǎng)學生長期發(fā)展的能力，進而推動物理教學改革，是實現(xiàn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的有效途徑.［5］因此，開展針對PT系列競賽的研究是有必要的.PT系列競賽進入中國10余年，已形成主題分明的研究體系，但還缺乏針對PT系列競賽研究的全面綜述與系統(tǒng)分析.圍繞這一研究領域的綜述分析，能夠在厘清目前該領域的核心主題和發(fā)展趨勢的基礎上，進一步促進基于PT系列競賽的教育教學研究，為大學和中學的物理教學改革深化提供參考，以推動新時期創(chuàng)新人才培養(yǎng)的進程.

據(jù)此，本研究選擇近10年來（2009—2020年）國內(nèi)物理及物理教學類相關期刊中與PT系列競賽相關的論文進行質(zhì)性與量化分析：在中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫（CNKI）中對IYPT、CUPT、CYPT、PT、物理學術競賽、青年物理學家競賽6個關鍵詞進行檢索，總計檢索出論文226篇.隨后從年度數(shù)量、作者單位、作者屬地、研究主題、期刊分布等維度對這些文章進行統(tǒng)計分析，揭示國內(nèi)PT系列競賽研究現(xiàn)狀、梳理研究主題與熱點、探討可能的發(fā)展趨勢.

1 國內(nèi)PT競賽的歷史沿革

國際青年物理學家競賽由蘇聯(lián)于1988年發(fā)起，最初由南開大學引進國內(nèi).［6］如圖1所示，經(jīng)過10余年的發(fā)展，目前國內(nèi)已經(jīng)形成跨越中學、大學、研究生3階段、涵蓋全國—區(qū)域—省市—學校不同層次的系列性賽事.CUPT國賽、CUPT區(qū)域賽、CYPT參賽隊伍數(shù)量的年份變化趨勢在圖2中給出.可見，PT系列競賽在國內(nèi)具有起步晚、發(fā)展快、覆蓋面廣的特點.

圖1 PT系列競賽發(fā)展時間線

圖2 CUPT國賽、CUPT區(qū)域賽、CYPT參賽隊伍數(shù)量隨年份變化圖

2 PT系列競賽的相關研究現(xiàn)狀

2.1 研究論文的時間分布

自2008年中國隊首次參與IYPT，國內(nèi)開始進行針對PT系列競賽的研究.近10年，226篇PT系列競賽研究論文的發(fā)表數(shù)量時間分布如圖3所示，呈現(xiàn)整體上升趨勢.這是因為隨著PT系列競賽的影響力不斷擴大，參賽隊伍數(shù)量增加，該領域的研究熱度呈上升趨勢.值得一提的是，2015—2016年論文增幅最大（16篇），這與CUPT國賽隊伍數(shù)量變化趨勢一致，在2015到2016年期間，國賽參賽隊伍增幅為16支，是近年來最大增幅.

圖3 PT系列競賽相關研究的論文數(shù)量時間分布

2.2 作者單位分布

本研究將作者單位劃分為中學、高校及高?！袑W合作3類，其數(shù)量分布如圖4所示.可以看出，高校研究者所占比重最大，約為73%，而高?！袑W合作單位發(fā)表的論文數(shù)量最少，占比不到9%.

區(qū)別于CPHO相關研究的主體是中學教師，［7］PT系列競賽研究的主體是高校師生，其次是中學研究者.這可能是由如下兩個原因?qū)е碌模浩湟粎⒓覥UPT的高校隊伍數(shù)量遠大于CYPT的中學隊伍數(shù)量，高校參與師生人數(shù)更多；其次，PT系列競賽作為創(chuàng)新型競賽對學生和教師的科研能力提出了更高的要求.這一定程度上限制了中學在該類競賽上的研究.另外，高校與中學在PT系列競賽上的交流還處于初級階段，體現(xiàn)在其合作發(fā)表的論文占比最小.為了突破這一瓶頸，應當積極尋求高?！袑W的合作研究與學習，以高校帶動中學參與競賽并進一步拓展PT系列競賽的相關研究，提高PT系列競賽在中學范圍內(nèi)的影響力，實現(xiàn)高?！袑W優(yōu)勢互補.

2.3 研究論文的主題分布

根據(jù)文章內(nèi)容，本文將其按照研究主題劃分為具體問題解決和基于PT系列競賽的課程與教學研究兩部分：具體問題解決是指對單一競賽題目的解決思路和方法的研究，PT系列競賽的課程與教學研究是指由競賽引發(fā)的課程設計或教學改進研究.

這兩個主題的研究論文數(shù)量的時間分布如圖3所示，總體呈上升趨勢.在2015年以前，PT系列競賽雖然在發(fā)展中，但是研究者對題目還沒有進行深入挖掘.2015年后，對具體問題進行研究的論文數(shù)量才有了顯著增長.自2014年CUPT競賽被列入中國物理學會物理教學指導委員會工作計劃中，更多的研究者開始注重PT競賽的教育功能，有關課程與教學研究的論文數(shù)量也有了明顯的上升趨勢.這反映出完善的政策對教學改革的實施具有推進作用.

如圖5（a）所示.在226篇論文中，具體問題解決的論文117篇（51.8%），課程與教學研究類論文109篇（48.2%），兩類論文數(shù)量的比例基本持平.這與發(fā)展更成熟的全國中學生物理奧林匹克競賽（Chinese Physics Olympiad，CPHO）吸引的研究側(cè)重點不同.文獻［7］對2008年－2017年間《物理教師》、《物理教學》中的252篇有關CPHO的研究類論文進行統(tǒng)計分類，其中229篇是針對競賽題目的解法研究，占總數(shù)的90.9%；有關競賽教學研究的論文數(shù)量有23篇，僅占9.1%，如圖5（b）所示.這說明PT系列競賽對課程與教學的影響更為廣泛，而CPHO相關研究更多關注某一個具體競賽題目的解答步驟與方法.從發(fā)展的角度來看，未來PT系列競賽對高校與中學物理教學可能具有更強的啟發(fā)和引領作用.

圖5

IYPT的賽題本身就具有很高的研究價值.組委會每年會從物理學的各個領域包括與其他學科的交叉領域選出17道開放性物理問題.比如IYPT2017的第5題“Leidenfrost Stars”：“萊頓弗羅斯特效應里面，一個水滴，可以在炙熱的表面上存在幾分鐘.在某些特殊的條件下，這樣的水滴會產(chǎn)生星形振動.請引入不同的振動模式，并且研究他們.”［8］這些題大多需要完整的理論建構到實驗驗證的過程，且不同學生完成題目的過程不盡相同.

有關PT競賽具體問題解決類論文來自于21種學術期刊.其中，按論文發(fā)表數(shù)排序前5名的期刊如圖6所示.這5份期刊共計發(fā)表具體問題解決類論文共92篇，占具體問題解決類論文總數(shù)的78.6%.發(fā)表在《物理實驗》雜志上的論文最多，為33篇，這表明研究者更側(cè)重從實驗的角度解決PT競賽問題.

圖6 具體問題解決類論文發(fā)表期刊分布（前5名）

以下，本文主要關注現(xiàn)階段基于PT系列競賽的課程與教學研究的主要方向，并詳細分析相關的研究熱點.

3 基于PT系列競賽的課程與教學研究

基于PT系列競賽的課程與教學研究論文共109篇，來自于37種學術期刊.按論文發(fā)表數(shù)排序，《物理教師》、《大學物理》、《物理與工程》、《物理實驗》、《物理教學》、《物理通報》、《大學物理實驗》和《物理教學探討》這8種期刊排在前列，總數(shù)占這一類所有論文數(shù)量的51.4%.其中，發(fā)表在《物理教師》雜志上的論文共11篇，說明PT系列競賽的模式與理念為物理課堂教學的反思與改革提供新思路.

圖7 課程與教學研究類論文發(fā)表期刊分布（前8名）

課程與教學研究包括競賽對學生培養(yǎng)的意義與作用、［9］基于 PT 的大學［10］和中學［11］課程教學模式探討、PT系列競賽的培訓組織經(jīng)驗［12］以及基于競賽的大—中學生一體化培養(yǎng)研究［13］這5類主題，如表1.數(shù)量最多的是基于PT的中學課程與教學模式研究，共發(fā)表37篇論文，占樣本總量的33.9%.在大學階段進行PT系列競賽的課程與教學改革研究數(shù)量次之，也是相對較熱的研究方向.然而，盡管PT系列競賽是覆蓋大學、中學，甚至研究生的競賽活動，基于競賽的學生一體化培養(yǎng)研究還相對較少.下面，本文將對不同主題中的代表性工作進行簡述.

表1 基于PT系列競賽的課程與教學研究論文主題分布

3.1 PT系列競賽對學生培養(yǎng)的意義與作用

雖然PT系列競賽進入中國的時間較晚，但仍然能和奧林匹克物理競賽一樣成為目前最具影響力的物理競賽之一.這得益于PT系列競賽在學生培養(yǎng)中所發(fā)揮的積極作用.相比于傳統(tǒng)物理競賽，PT系列競賽的題目多為貼近實際、開放性的研究型問題，學生在研究過程中需和小組成員共同嘗試不同的實驗方案、討論實驗結(jié)果、調(diào)動開放性思維，這會提高學生的團隊協(xié)作、創(chuàng)新實踐、問題解決等能力.［14］同時，參加PT系列競賽還利于提升高校物理專業(yè)學生的專業(yè)興趣.［15］

《普通高中物理課程標準（實驗）》中明確了物理課程的總目標，包括：學生能運用科學思維方法解決實際問題；具有科學探究意識、設計探究方案和獲取證據(jù)的能力；具有交流的意愿與能力、主動與他人合作，并基于證據(jù)和邏輯發(fā)表自己的見解.區(qū)別于傳統(tǒng)課堂教學的學生培養(yǎng)模式，學生在解決PT問題時都需要經(jīng)歷完整的科學探究過程，因此參與PT系列競賽是實現(xiàn)物理課程總目標的有效途徑.同時，在高中階段接觸PT系列競賽，能幫助學生轉(zhuǎn)變學習方式：由被動式學習轉(zhuǎn)向主動探究式學習，促進高中學習與大學學習接軌.［16］

3.2 基于PT系列競賽的大學課程與教學模式

CUPT是面向大學生層面的PT系列競賽，隨著各大高校的廣泛參與，一些高校研究者建議依托和借鑒CUPT進行大學物理課程與教學改革：一部分高校利用競賽的內(nèi)容及題目作為拓展性課程的內(nèi)容，比如西安交通大學［17］和華東理工大學［18］就將CUPT題目作為本科生科研訓練和實驗物理技術的作業(yè)題目，學生自由組隊并選擇有興趣的課題進行一學期的研究，通過查閱文獻資料、自行設計實驗方案進行實驗研究，最后撰寫研究報告并參與答辯.一部分高校借鑒PT系列競賽的答辯模式開展了大學物理實驗研究性探索，比如重慶大學物理學院［19］就以普通物理實驗教學內(nèi)容為基礎，同時開放“測鈉光雙線波長差”等4個研究性實驗供學生選題，經(jīng)過完整的自主研究過程，最后采用CUPT的模式開展答辯.實證結(jié)果表明，參與研究性實驗項目的班級表現(xiàn)顯著優(yōu)于普通班級，這也意味著依托CUPT模式的大學物理實驗研究性學習能夠提高教學的成效.

此外，包括CUPT競賽在內(nèi)的創(chuàng)新型競賽也促進了物理實驗教學基地的建設.例如，清華大學、［20］大連理工大學［21］等多所高校近年來都創(chuàng)建了面向本科生的創(chuàng)新實踐活動平臺.這些平臺為CUPT競賽提供實驗場地，鼓勵學生進行自主研究探索.

3.3 基于PT系列競賽的中學課程與教學模式

基于PT系列競賽的中學課程與教學模式探索共有37篇.本文按照各論文的第一作者所屬地進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖8所示.可以看出，江蘇省和上海市的研究者占總數(shù)的87.2%.這一研究者所屬地集中的現(xiàn)象可能與江蘇和上海進入新課程改革的時間更長有關.然而，作為傳統(tǒng)的物理競賽強省——浙江省、湖南省并未出現(xiàn)在排名中，這說明傳統(tǒng)物理競賽的成績和水平與對PT系列競賽的關注程度并無直接關系.

圖8 基于PT系列競賽的中學課程與教學模式作者所屬地域分布

面向中學生的PT系列競賽主要是IYPT和CYPT.依托這兩個競賽進行的課程與教學研究受到了教育研究者和中學教師的重點關注.相關研究可以分為以下3個方面：（1）基于IYPT的高中校本課程設計與實踐，例如研究者以IYPT資源為基礎設計了研究型選修課程，給出了以培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力、問題意識、合作交流能力為目的的培養(yǎng)方案.［22］（2）依托IYPT模式的探究式教學研究，比如將IYPT中的相關賽題引入到日常高中物理課堂教學中，拓展教學內(nèi)容，促進學生的深度理解，引導學生進行探究性學習；［23，24］或者將IYPT的比賽模式引入日常教學，讓學生針對某一問題進行自主探究，并進行辯論形式的交流討論，激發(fā)學生的學習興趣.［25］（3）以IYPT為特色的高中物理課程基地建設，比如南京市金陵中學構建了以IYPT社團為核心的基地架構，開設“傳感器為載體的物化課程”特色課程.［26］

3.4 PT系列競賽的培訓與組織經(jīng)驗

隨著PT系列競賽的規(guī)模不斷擴大，越來越多的中學和高校參與進來，PT系列競賽的培訓、參賽和組織經(jīng)驗也逐漸成為研究熱點.

在PT系列競賽的培訓經(jīng)驗方面，劉珊珊等針對近幾年競賽問題解決過程中可能出現(xiàn)的問題給出了解決策略的6個步驟：界定問題——表征問題——探究建?！蛩胤治觥獙嶒烌炞C——談論反思，并且針對CUPT問題解決給出了建議解決模式，這種解決策略的系統(tǒng)歸納不僅能幫助學生解決PT類問題，也為教師進行競賽的指導與培訓提供參考.［27］

國防科技大學［28］和西安電子科技大學［29］等高校結(jié)合本校組織CUPT競賽的經(jīng)驗，探究其競賽組織和后續(xù)人才培養(yǎng)工作模式.比如西安科技大學的研究者從學校選拔、省級競賽的縱向選拔和開放實驗室資源、發(fā)揮領隊作用的橫向培養(yǎng)兩

2020年，受新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）影響，幾乎所有的PT系列競賽改變了組織模式，由線下轉(zhuǎn)為線上.北京師范大學的李佳蓮等人分別從參賽者、裁判、志愿者和學校組織者的角度，對疫情時代的線上比賽的準備過程、賽況和組織模式進行了總結(jié)和討論.［31］

3.5 基于PT系列競賽的大—中學生一體化培養(yǎng)

自IYPT競賽引入中國以來，南開大學將PT在高中階段和研究生階段推行，包括CYPT和面向研究生的國際物理學家錦標賽（International Physics' Tournament，簡稱IPT），使得PT系列競賽成為覆蓋高中—本科—研究生3個階段的物理學術競賽.因此，PT系列競賽能加強大中學物理教育的銜接，幫助學生完成從高中階段的被動式學習向大學階段自主式學習的轉(zhuǎn)變.［32］

南開大學作為最早將PT競賽引入國內(nèi)的高校，發(fā)起了CUPT和CYPT，并首先依托PT系列競賽，開展了貫穿大—中學物理教育的人才培養(yǎng)模式探索.南開大學物理學院的教研團隊基于學生特點和實驗室資源，開發(fā)了科研方法論、創(chuàng)新研究與訓練、PT學習物理新思路等物理學術競賽教學模式系列課程，并且建設了基于現(xiàn)代技術的主動學習教室.［33］在備賽階段，中學和大學可以互相觀摩研究問題的匯報、辯論，南開大學為不同學段的學生及教師交流提供了共享平臺.［34］這樣的一種相通相助、共建共享、互促互強的模式也促進了大中學物理教學的有效銜接.［35］

3.6 學位論文

除了中學教師和高校研究者對PT系列競賽開展了教學研究之外，部分在讀研究生也在導師指導下對基于PT競賽的教學模式改革與實踐進行了研究.從研究單位的分布來說，南京師范大學、［36］華東師 范大 學［37］和 上海 師 范大 學［38］是 主力.例如，南京師范大學教師教育學院的陸建隆教授課題組基于IYPT的競賽形式與內(nèi)容，設計了物理實驗教學或綜合實踐活動.他們進一步以某一初中或高中為實踐校，進行案例教學，最后對教學及研究過程中的問題進行總結(jié)和思考.［39］

4 總結(jié)與展望

本文對近10年PT系列競賽相關研究的統(tǒng)計分析表明：隨著PT系列競賽的蓬勃發(fā)展，研究熱度明顯上升；具體問題解決和基于PT系列競賽的課程與教學研究這兩個研究主題分布均勻，比例持平；以師范類高校為首的大學是PT研究的主陣地；大學與中學在依托PT系列競賽進行新課程教學模式探索的基礎上，逐漸開始嘗試大中學生一體化培養(yǎng)模式的研究與建構.盡管PT系列競賽的研究有了快速發(fā)展，取得了很多研究成果，但還在以下方面存在較大的發(fā)展空間：

（1）現(xiàn)有的具體問題解決類研究視角單一.在對PT競賽的題目進行研究時，研究者多偏向于研究單個問題或由其引申的某一個物理現(xiàn)象的解決過程，少有對某一類問題的解決策略的探索.針對此問題，北京師范大學研究者趙蕓赫和劉珊珊［40］通過對歷年IYPT物理問題的歸納，基于科學研究方法，提出了CUPT問題解決策略，并針對探究性類物理問題提出了建議性解決模式.在未來，研究者應在PT問題解決策略研究方面進行持續(xù)聚焦，從“就題論題”的研究范式轉(zhuǎn)向深入進行系統(tǒng)的問題解決模式研究.

（2）在現(xiàn)有的基于PT系列競賽的相關研究，特別是課程與教學研究中，鮮有實證研究.目前，來自高校和中學的研究者依托IYPT的形式內(nèi)容和競賽理念，設計了相關選修課程、新型課堂教學模式，少有研究者利用實證的方法檢驗其教學效果來直接證明PT系列競賽或由其引發(fā)的課程與教學改革能真正培養(yǎng)學生的綜合能力［41］，導致很多新模式因缺乏科學依據(jù)僅僅止步于構想層面，難以推廣并實踐.這也說明，推進PT系列競賽的實證研究是必然趨勢.

（3）PT系列競賽的相關研究地域性明顯，存在區(qū)域不均衡的特點.在基于PT系列競賽的課程與教學研究中，中學研究者主要集中在江蘇、上海兩個省份，而高校研究者的所屬地相對分散.這一方面是因為江蘇和上海是國內(nèi)最先開始進行新課程改革的地區(qū)，PT系列競賽因其對學生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)符合新課程標準的理念；另一方面，區(qū)別于CUPT競賽每一年都由國內(nèi)大學輪流承辦，CYPT競賽一直是由南開大學負責承辦，參賽中學的區(qū)域分布相對固化.本文建議CYPT競賽可以輪流地由全國范圍內(nèi)的優(yōu)秀中學與當?shù)匾涣鞲咝：献鞒修k，從而促進PT系列在中學內(nèi)的傳播與發(fā)展.上海已優(yōu)先在SYPT中進行了這樣的嘗試.

（4）研究者多來自高校，缺乏大學與中學的合作研究.從統(tǒng)計分析資料來看，高校研究者的人數(shù)比例最高，高校與中學合作研究論文的數(shù)量最少.然而，與高校合作研究的中學無論是在競賽組織還是基于PT系列競賽的研究中都具有更高的熱方面闡述了如何在目前的競賽規(guī)則下提高競賽水平.在中學層面，中國人民大學附屬中學積極舉辦校內(nèi)競賽，開設相關研究課程，已經(jīng)有了相當成熟的校內(nèi)比賽組織、選拔機制.［30］情，因此為了打通高校研究與中學研究之間的壁壘，未來應積極開展高校與中學的合作研究與學習，在共同備賽的基礎上進一步拓展PT系列競賽的相關研究.

（5）有關如何加強大中學物理教育的銜接，一直是物理教育學界關注的重點問題.PT系列競賽作為輻射大學和高中的創(chuàng)新型競賽，重視學生對知識的應用以及創(chuàng)新實踐、團隊合作和解決問題的能力，因此是推進大中學物理教育銜接的有效途徑.目前，國內(nèi)只有南開大學對推進大中學生能力培養(yǎng)一體化模式進行了理論層面的探索，還有一些高校和中學開展了實踐層面的合作：例如南京大學與省內(nèi)中學共同組織青年物理學家友誼賽、［41］青島二中與中國海洋大學的聯(lián)合培育計劃等.［34］事實上，高校和中學都可利用當?shù)刭Y源，互相結(jié)對，共同探索拔尖創(chuàng)新人才的一體化培養(yǎng)，推動大學與中學物理教育的有效銜接.