大学生物理学术竞赛及其在培养创新型高素质人才方面的作用

大学生物理学术竞赛及其在培养创新型高素质人才方面的作用张晚云曾交龙陆彦文何焰兰（国防科学技术大学理学院，湖南长沙410073）摘要：介绍了中国大学生物理学术竞赛的概况，并从比赛模式及其赛题特色等方面讨论了该赛事在培养学生的创新意识、创新能力、综合运用所学知识解决实际问题的能力、团队协作精神以及交流沟通能力等方面的作用，结果表明该赛事是培养大学生全面素质与创新能力的一个很好的平台。关键词：大学生物理学术竞赛；全面素质；创新能力中图分类号：G640[文献标识码]A创新型高素质人才的培养是当前各高校教育的重要目标，也是落实科学发展、实现科技强国战略重要环节。创新型高素质人才的核心标志是创新意识与创新能力。然而，创新意识与能力并不是“空中楼阁”，而是建立在一定的综合素质与能力基础上，并需经过科学的训练才能产生的。同时，在当前学科交叉越来越多、课题涉及面越来越广的背景下，单枪匹马、闭门造车式的研究已很难取得大的进展与突破。所以，笔者认为创新型高素质人才的培养，就是在多途径、多渠道培养学生综合素质（包括获取知识与信息的能力、采集与处理数据的能力、提出问题的能力、分析并解决实际问题的能力、开放性思维能力、逻辑推理能力、抽象与概括的能力、团队协作意识、交流沟通能力等）的过程中，培养并强化创新意识、创新能力的过程。最近，笔者带领学生参加了首届中国大学生物理学术竞赛，在指导学生参与该项赛事的过程中，我们深感这是一个提高大学生综合素质、创新意识与创新能力的极好平台。下面，本文首先介绍该项赛事的概况，然后从分别比赛模式及其赛题特色等方面讨论该赛事在培养学员的创新意识、创新能力、综合运用各种知识与工具解决实际问题的能力、团队协作精神以及交流沟通能力等方面的作用。1基本情况介绍中国大学生物理学术竞赛（简称CUPT）是我国借鉴有“物理奥运会”之称的国际青年物理学家锦标赛（简称IYPT）的模式，在全国高校本科学生中开展的一项学生团体学术赛事。这是一项开放性的比赛，参赛选手以团队合作的形式（一般五人为一队），围绕解决给定的开放性实际物理问题的基本知识、理论分析、实验方案、结果讨论等进行辩论性比赛，故该项赛事亦称物理对抗赛。2010年7月22日至7月26日，首届中国大学生物理学术竞赛在南开大学举行。本次竞赛是在教育部高教司的支持下，由南开大学物理科学学院、天津市物理学会主办。在为期5天的赛程中，来自大连理工大学、国防科学技术大学、吉林大学、兰州大学、内蒙古大学、、南京大学、南开大学、山西大学、同济大学、武汉大学、西北大学、浙江大学等全国十二所著名高校的百余名本科生参加了比赛。2竞赛模式赛前，各参赛队各成员先需对多个给定的开放性物理实际问题在理论与实验等方面展开一系列的合作研究；现场辩论赛中，每支参赛队均需参加若干轮对抗赛（视参赛队数目定），每轮对抗赛由三支或四支队伍参加，并由此决定该轮对抗赛分为三个或四个阶段：若有三支队伍参加，则这三支参赛队在不同的阶段分别扮演三种不同角色，即：正方（就某一问题做陈述，包括实验设计、实验结果、理论分析以及讨论和结论等）、反方（就正方陈述中的弱点或者谬误提出质疑，总结正方报告的优点与缺点）和评论方（对正反方的陈述给出简短评述），进行三个阶段的比赛；若有四支队伍参加，则这四支参赛队扮演四种不同角色，即：正方、反方、评论方和观摩方（不发表意见）,进行四个阶段的比赛。在每一阶段的比赛中，每支队伍只能由一人主控报告，其他队员不能替代主控队员进行陈述，但可以和主控队员交流，而且必须做好相应协助工作。最后，依据各队在所有轮次对抗赛的总成绩进行排名和评奖。由上可见，大学生物理学术竞赛的这种合作研究、团队辩论的竞赛模式不仅需要选手具有较高的物理学理论水平和实验技能，同时也对选手的团队合作精神、交流沟通能力与现场反应提出了较高的要求。3赛题特色大学生物理学术竞赛的赛题参照同年国际青年物理学家锦标赛的题目，本届赛事在力、热、光、电等物理分支下共设17个题目。纵览这17道赛题，体现出如下鲜明特色：特色一———贴近实际传统物理竞赛试题通常将实际问题进行过人为加工、分解、简化与抽象，使之成为纯化的抽象问题[1]，即研究理想的物理模型（如质点、刚体、理想气体等）与过程（如简谐振动、准静态过程等）等特定对象。而大学生物理学术竞赛的所有赛题均来源于日常生活、生产与工程技术中客观存在，且未被加工或被加工的成份甚少的实际问题。如本届赛事中的第2题（Brilliantpattern）、第3题（Steelballs）、第4题（Soapfilm）、第5题（Grid）、第6题（Ice）、第9题（Stickywater）、第10题（Calmsurface）、第11题（Sand）、第12题（Wettowels）等9道赛题均紧贴日常生活实际；而其余8道赛题则全部来自于工程技术中的实际，如第1题（Electromagneticcannon）源自电磁发射技术、第8题（Liquidlightguide）源自液芯光导技术。采用这种与日常生活或工程技术密切相关的实际物理问题，首先会让学生感到亲切，并让学生更充分地认识到物理学不是抽象的理论体系，而是活生生的、非常有用和有趣的；其次，能较客观真实地反映自然界实际问题，有助于学生对自然界形成较客观、较全面的认识，从而形成科学的自然观、世界观；另外，这样的问题，需要学生自己去挖掘其中的物理图像，即需要运用抽象、简化等科学方法将客观、真实的物理问题转化为物理和数学模型，从而能非常有效地提高学生分析、解决实际问题的能力。所以，从这些方面看，大学生物理学术竞赛也为科学的世界观、方法论教育搭建了一个理想的“平台”。特色二———研究性传统的大学物理竞赛试题一般都经过提炼、简化，且已给出了较清晰的物理图像，待求的物理量也十分明确。对这样的问题，学生只要弄清楚用到的概念、原理，然后沿着传统的步骤，正确应用数学工具，一般是能够达到求解目的的[1]。与传统物理竞赛的这种闭卷考试、求解做题的方式截然不同，大学生物理学术竞赛的所有赛题均要求学生对某些实际物理问题进行相关理论与实验研究。以第1题（Electromagneticcannon：Asolenoidcanbeusedtofireasmallball.Acapacitorisusedtoenergizethesolenoidcoil.Buildadevicewithacapacitorchargedtoamaximum50V.Investigatetherelevantparametersandmaximizethespeedoftheball.）为例，它既要求学生从理论上研究线圈在发射弹丸的过程中的磁力作用、磁能—动能转换等规律，并得到最大发射速度与相关参量的表达式，还要在实验中验证线圈的尺寸、匝数，电容器的电容，弹丸的材质、尺寸、质量…等多种参量对最大发射速度的影响，并考虑电路的安全性等。这就要求学生们必须先查阅大量资料与文献，建立并反复修改理论模型，进行数值计算与模拟，深入探讨各参变量的影响；然后精心设计实验方案，搭建实验平台，控制实验参量，测量并分析实验数据；最后得出结论并进行相关讨论。由于学生们在准备每一道赛题的过程中，均需要他们把所学的知识从感性认识上升到理性认识；从模仿思维过渡到独立思维，并进行一次小型的、系统的科学研究训练，因此，当所有这些赛题准备完毕后，学生们主动获取知识与信息的能力、建立物理与数学模型的能力、应用数值计算与仿真工具软件的能力、采集与处理实验数据的能力、逻辑推理能力与创新意识等科研能力与素质均会得到一个质的提升。特色三———开放性这里的“开放性”，是指大学生物理学术竞赛的所有赛题都既没有现成的答案，也没有唯一的答案，也正因为如此，所以该项赛事非常具有挑战性。仍以第1题（Electromagneticcannon）为例，此题仅给出了一个限制性参量：电容的最大电压值（50V）。其他各种参量（或实验条件）如线圈的尺寸、匝数，电容器的电容，弹丸的材质、尺寸、质量…等均由学生们在研究中自行讨论。因而学生们在研究中，应充分调动开放性思维，多次尝试不同的实验条件、采用不同的实验方案、讨论不同的实验参量对实验结果的影响……等。因此，在大学物理学术竞赛的前期准备过程中，经过了多次这种的开放性讨论与实验后，学生们的开放性思维能力，应用灵活、科学的思路与方法解决实际问题的能力会得到极大的提高。这也恰是大学生物理学术竞赛的最大魅力所在。总之，大学生物理学术竞赛作为对大学生物理知识和基本科研素质的考量，以鼓励创新和团队合作为核心理念，以培养学生创新意识、创新能力、协作精神、实践能力和交流沟通能力等全面素质与创新能力为目标，并为各高校共同探讨创新型高素质人才培养提供了一个很好的交流平台。所以，我们有责任、有义务广泛宣传物理学术竞赛，扩大竞赛的影响，并努力推动举办不同层次、不同范围的物理学术竞赛。只要我们进行不懈的努力与宣传，不断创新并完善竞赛模式与机制，在不久的将来，必定会有更多的人关心物理、支持物理学术竞赛，也必定会有更多优秀学子参与到大学生物理学术竞赛这样的物理科技活动中来，并进而受到全面的素质与能力的养成训练。若如此，物理学这一古老而又生命力旺盛的基础学科必能在为实现培养创新型高素质人才的战略目标，发挥其独特优势。参考文献[1]刘家福张昌芳,大学生物理竞赛及其试题特色[J],物理与工程,2008,18(4):65~69AnintroductionofCUPTanditseffectsoncultivatingcreativehigh-qualitytalentsZHANGWan-yun,ZENGJiao-long,LUYan-wen,HEYan-lan(CollegeofSciences,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha,410073,China)Abstract:AnintroductionofChinaUndergraduatePhysicists’Tournament(CUPT)wasgivenforthemotivation,regulationandtestmodes.Theeffectsonimprovingthecomprehensivequalityandcreativeabilitysuchasconsciousnessandabilityofcreativity,abilityofsolvingpracticalproblems,spiritofcooperationandabilityofcommunicationofundergraduateswerediscussed.PracticaltestshowedthatCUPTisagoodplatformfortrainingthecomprehensiveabilityofundergraduates.KeyWords:CUPT,comprehensivequality,creativeability作者简介：张晚云(1972-)，男，湖南茶陵人，国防科学技术大学理学院讲师，主要从事大学物理的教学与研究。