С 1 по 9 мая 2017 года в Якутске проходила Азиатская олимпиада школьников по физике (APhO). В ней приняли участие школьники из 24 стран. На Азиатской олимпиаде сильные команды составляют значительную долю участников, здесь труднее получить медаль, чем на Всемирной олимпиаде (IPhO), а задачи сложнее. Каждая страна выбирает команду из восьми лучших школьников, и они соревнуются в двух пятичасовых турах: теоретическом и экспериментальном.
У России до настоящего времени не было опыта проведения олимпиад такого высокого уровня. В последний раз подобная олимпиада проходила в нашей стране в 1979 году. Самое сложное было подготовить задачи, к которым предъявляются очень высокие требования. Ведь олимпиады стимулируют школьников к саморазвитию.
Еще одна цель AphO— выявить талантливых школьников и отметить их наградами, чтобы облегчить им путь в науку. Нужно отобрать тех, кто умеет творчески применять физические законы. Задачи должны быть достаточно сложными, чтобы дать самым сильным возможность показать себя. Но от участников олимпиады нельзя требовать уровня знаний,намного превышающего школьную программу, чтобы не давать неоправданных преимуществ тем, кто знаком с какими-то отдельными нешкольными фактами. Задачи не должны сводиться к вычислению интегралов. Это о том, как должно быть устроено решение задачи, какую последовательность формул нужно написать, чтобы прийти к ответу. Но и о чем задача в целом, тоже важно.
Потому что у олимпиад есть и третья цель — в задачах рассказать школьникам о современной физике, показать, чем она занимается и чем интересна. Такая цель была осознана не сразу. За 50 лет проведения международных олимпиад задания сильно изменились. Сначала это были короткие задачи, похожие на те, которые мы можем видеть в школьных учебниках физики. Но постепенно олимпиады пришли к собственному формату. Задачи стали длиннее, и каждая из них рассказывает целую историю.
Тренд последних лет — рассказ об определенной области современной физики или описание сложного природного явления. Последовательно решая задачу, школьник продвигается в незнакомой области как первооткрыватель, а дойдя до конца, уже имеет об этой области сложившееся представление.
Такой способ рассказа гораздо эффективнее, чем популярная литература, хотя подходит только для школьников, привыкших к сложным заданиям. Каждая решенная задача оставляет сильное впечатление и надолго запоминается. При этом все оказываются в равном положении: темы задач не повторяются и настолько неожиданны, что к ним нельзя подготовиться. Такой подход может применяться и в теоретических, и в экспериментальных заданиях.
Подготовка задач для APhO-2017 заняла много времени, но в конце концов нам удалось составить комплект, удовлетворяющий всем требованиям. Наши задачи понравились школьникам и лидерам команд.
Задачу экспериментального тура мы разработали вместе с Кириллом Напольским, ведущим научным сотрудником химического факультета МГУ. Группа Напольского синтезирует и исследует фотонные кристаллы из анодного оксида алюминия. Эту новую технологию активно обсуждают в статьях в последние годы.
Мы изготовили для каждого участника по три образца фотонных кристаллов, имеющих необычные спектральные свойства. Мы придумали, как воспроизвести точные лабораторные эксперименты на простом оборудовании и сделать их наглядными, как в теории перейти к оценкам, чтобы избежать сложных вычислений.
Спектрометр сделали из лампочки и дифракционной решетки. Наблюдая радугу сквозь образец и поворачивая его, школьники могли видеть, как по спектру движутся темные полосы. А для более точных измерений в разных частях спектра использовали лазерные указки трех цветов.
Одну из задач теоретического тура подготовили Сергей Белан, младший научный сотрудник Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау РАН, и Лев Мельниковский, старший научный сотрудник Института физических проблем им. П. Л. Капицы РАН. В ней участникам предлагалось исследовать вихри в сверхтекучем гелии, их движение и взаимодействие между собой и с границами.
Вторая задача теоретического тура была посвящена астрофизике. Эту задачу подготовил Александр Киселёв, аспирант физического института им. П. Н. Лебедева РАН, один из тренеров сборной команды России. В задаче рассматривалась система двух сверхмассивных черных дыр, образовавшаяся при слиянии двух галактик. Такая система может быть источником мощного импульса гравитационных волн. Школьникам нужно было изучить различные физические процессы, приводящие к сближению черных дыр, и оценить время эволюции этой системы.
Еще в одной задаче, предложенной аспирантом Московского физико-технического института Сергеем Ефимовым, обсуждалось загрязнение околоземного космического пространства нефункционирующими спутниками, отработанными ступенями ракет и их крупными фрагментами, присутствие которых всё больше затрудняет деятельность человека в космосе. Участникам предлагалось проанализировать эволюцию вращательной динамики одного из таких объектов под влиянием разных факторов, то есть выполнить один из подготовительных этапов планирования миссии по очищению орбиты от космического мусора.
Такой комплект был подготовлен в России впервые. К сожалению, большинство задач на российских олимпиадах безнадежно далеки от современной науки. Имеется узкий набор сюжетов, оригинальных идей очень мало. Среди заданий любой олимпиады вы найдете задачу про идеальный газ под поршнем, расчет схемы из резисторов; на эксперименте — угадывание схемы из резисторов, спрятанной в коробочке.
Однотипные задачи быстро и легко придумываются. Но почему, например, не предложить школьникам использовать формулы идеального газа для движения звезд в масштабах галактики или для электронов в металле? Кажется, что олимпиадные деятели живут в своем маленьком мире, в котором они всё знают, и не хотят из него выходить. Они забывают, что за пределами олимпиадного мира находится большая наука, в которой постоянно появляются новые области и сюжеты. Границы мира олимпиад установились десятилетия назад, и у составителей задач не возникает мысли при подготовке олимпиад обращаться к ученым или читать статьи.
Нужно поменять подход к заданиям. Физика как наука неразрывно связана с экспериментом, ее задачи всегда конкретны. Нужно уделить внимание содержанию, чтобы задачи рассказывали о современных областях физики, как это делается в задачах международных олимпиад. Такой переход не означает увеличения сложности и не предполагает выхода из школьной программы. Например, любой успевающий 11-классник знает физические законы, нужные для решения экспериментальной задачи APhO этого года.
Типовые задачи хороши на уроках и при подготовке, но не годятся для олимпиад. Мы могли бы использовать олимпиады для рассказа о современной науке и достижениях российских ученых. В таком виде олимпиады будут гораздо интереснее для школьников. Одно дело ехать на олимпиаду, чтобы решить еще одну задачу про сосуды с идеальным газом, совсем другое — попробовать применить свои знания в области современной науки, популярный рассказ о которой в форме задачи написан впервые. Особенно это верно, если школьники приезжают на олимпиаду из других городов и стран. Каждый год мы ждем появления задач APhO и IPhO, потому что каждая из них — это сюрприз, маленькое открытие. Хотелось бы, чтобы задачи на российских олимпиадах были такими же интересными. Считаю, что для этого в разработке задач олимпиад должны участвовать ученые.
Надеюсь, что опыт проведения Азиатской олимпиады вызовет положительные изменения: задачи российских олимпиад станут интереснее. Давайте делать интересные задачи вместе, давайте расскажем школьникам, что такое современная физика.
Алексей Ноян,
студент МФТИ, член жюри и автор задачи экспериментального тура Азиатской
физической олимпиады — 2017
Источник фотографий — пресс—служба APhO-2017