编者按
作为教育部白名单赛事,全国中学生水科技发明比赛聚焦水主题相关科学研究,历经二十余届发展,已成为培养青少年环保意识与科技创新能力的重要平台。本文作者以第二十一届全国中学生水科技发明比赛作品为例,从作品主题、研究方法、技术应用、实践价值等方面展开评析,展现当代中学生如何以科技之力回应水环境保护的时代命题。
全国中学生水科技发明比赛作品评析——以第二十一届全国中学生水科技发明比赛为例
徐琳瑜,张楠,北京师范大学环境学院
一、摘要
全国中学生水科技发明比赛旨在提升青少年科学素养,培养水资源保护意识。往届作品有创新实践融合等优点但也存在不足,本文对其特点及不足进行了评析,旨在鼓励学生创新担当,把握原则参赛。
二、全国中学生水科技发明比赛背景
在当今全球气候变化和人类活动影响的大背景下,水资源保护已然成为关乎全球可持续发展的关键议题。全国中学生水科技发明比赛作为一项由生态环境部发起的极具影响力的环保公益活动,现已成功举办二十一届。比赛旨在对接国际赛事,鼓励青少年对水资源保护的研究与实践,在青少年与水资源保护领域之间搭建起一座意义非凡的桥梁。
该比赛的核心目标之一是积极对接国际前沿赛事——斯德哥尔摩青少年水奖(Stockholm Junior Water Prize, SJWP),作为久负盛名的 “斯德哥尔摩水奖” 的重要分支,专门嘉奖在水环境研究领域展现卓越才能、做出突出贡献的青少年,其在国际上被誉为 “世界青少年水科技诺贝尔奖”。通过与这一国际标杆赛事的对接,我国中学生水科技发明比赛为国内青少年打开了一扇瞭望世界水科技发展的窗口,激励着他们向国际高水平看齐,在水资源保护科研道路上奋勇前行,促进国际间青少年水科技理念与成果的交流碰撞。
从国内发展需求来看,比赛紧密围绕提升青少年素养这一关键任务展开。一方面,深入贯彻《全民科学素质行动规划纲要(2021—2035 年)》,致力于全方位提升青少年的科学素养,培养其对复杂环境问题的探究精神与解决能力;另一方面,严格落实国务院发布的《水污染防治行动计划》中 “加强宣传教育,把水资源、水环境保护和水情知识纳入国民教育体系” 的明确要求,让青少年群体成为水资源保护的坚定践行者与积极倡导者。
截至2024年,全国中学生水科技发明比赛已成功举办二十一届,持续为青少年水科技培育注入活力。评析往届全国中学生水科技发明比赛作品,一方面,有利于深入挖掘兼具创新性与实用性的作品,发现水科技人才;另一方面,可以培养学生环保、创新等意识与能力,推动环境教育教学改革,还能向大众普及水科技知识、传播环保理念。
三、作品特点评析
在备受瞩目的第二十一届比赛中,国内作品绽放异彩,其鲜明特点可凝练为:创新实践融合、情怀担当兼具。
(一)创新实践融合
主题多元。参赛作品涉及污水低碳治理、水质监测、节水技术等多个水资源利用与保护领域。如特等奖作品《一种太阳光转向聚集立体型菌藻协作污水低碳净化装置》就是以污水低碳处理为主题,一等奖作品《违排污水源头锁定预警装置》是以水质监测为主题。作品主题示例如表 1。
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研究方法多样。参赛作品涵盖实地调研、野外实验、实验室研究、系统设计等。如一等奖作品《一种具有提质增效型的城中村污水处理方法》综合了实地调研、问卷调查、实验室研究等多种方法。作品研究方法示例见表 2。
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采用的技术先进。参赛作品采用了纳米技术、仿生学、物联网及数字技术等先进技术。如一等奖作品 《磁性纳米γ -Fe2O3 材料去除水中微塑料的研究》采用的是纳米技术,作品《“魔鬼鱼”式海洋牧场智能网箱清理机器人》则综合采用了仿生学、物联网及数字技术等先进技术。作品采用技术示例见表 3。
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(二)情怀担当兼具
知行合一。学生能将中学知识运用到发明创造中,针对实际问题提出解决方案,具备较强实践能力。例如第二十一届特等奖作品《一种太阳光转向聚集立体型菌藻协作污水低碳净化装置》,该作品不仅进行了技术创新,还综合了学生的生物学知识以及动手实践能力,采用立体型净化装置,为污水处理减污降碳协同增效技术的开发和应用提供新的思路。知行合一的另一个方面是学生能将中学知识运用到身边场景,如以城市高架桥、校园、小区景观、厨房、淋浴间等从室外到室内等身边场景为研究对象,针对实际问题提出解决方案,具备较强实践能力。作品应用场景见表 4。
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情怀深厚。同学们以自己熟悉的生活地区为研究对象,例如一等奖作品《基于纳氏试剂与RGB系统的智能化氨氮检测——以墨水湖为例》,以身边的湖北省武汉市墨水湖为研究对象;而初中组二等奖作品《山地城市道路洼地积水智能巡检车》以小作者生活的城市重庆为研究对象。这展现了同学们对水科技的热情和卓越的创造力,体现出学生保护地球家园的家国情怀,以及对美丽中国建设的深刻理解与实践。参赛作品的研究地区示例见表 5。
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潜力巨大。参赛作品有望在科研领域取得自主知识产权成果,参赛学生全方位综合能力突出,展现出科技创新和应用方面的实力与潜力。具体表现在:
(1)自主知识产权成果显著:参赛作品中有许多已经获得了国家发明专利,还有不少作品在申请国家发明专利过程中。
(2)跨学科综合能力突出:如一等奖作品《一种具有提质增效型的城中村污水处理方法》采用了“物理隔离+生物吸收+化学反应”三重结合的污水处理方法。
(3)科技创新实力强劲:如有些作品目前已经获得实用新型专利证书,展现出强劲的科技创新实力。
(4)团队协作与实践能力卓越:例如有些作品来自于学校的学科社团,小作者们合理分工、团结协作,共同利用所学知识对身边出现的问题进行创新实践。
(5)未来科研人才储备丰富:参加本次比赛的作者们有的还在其他全球重要赛事中获得奖励,展现出了十分优秀的创新精神与实践能力。
四、作品存在的不足
第二十一届比赛国内作品在展现出诸多优点的同时也暴露出一些不足。具体表现在以下几个方面:
技术成熟度和实用性有待提高。由于实践有限,许多作品还停留在实验室阶段,缺乏实际应用测试,且部分作品成本过高,难以大规模推广,导致其在实际场景中的应用价值受限。例如一些基于先进技术的污水治理或水质监测作品,虽然理论上具有高效、环保等优点,但在实际推广和应用中可能受到成本、技术普及程度、维护管理难度等因素制约。建议推进科技创新时,应充分考量成本问题,以提升作品实际应用价值与推广可行性。
调研深度不足。例如某节水灌溉系统作品旨在通过节水灌溉系统提高农业水资源的利用效率。然而,在调研过程中,学生可能过于关注灌溉系统的技术设计和实现,而忽视了不同地区农业水资源状况和作物需水特性的差异。没有对不同地区的土壤类型、气候条件、作物种类和生长周期等进行深入调研和分析,导致设计的灌溉系统在实际应用中可能无法适应不同地区的需求。
研究广度不足。缺乏对问题本质的深入探究,未能从系统角度考虑整体解决方案。例如在污水治理或节水系统类作品中,当面临复杂实际情况,如污水成分波动大、水压不稳定时,装置容易出现故障,需进一步加强研究广度。
展示与表达能力不足。在项目展示和答辩环节未能清晰表达设计思路和创新点,项目报告撰写不够规范也是去年广泛出现的问题。例如在答辩过程中,负责讲解的学生明显紧张,语速飞快,将原本精心设计的系统原理一股脑儿地倒出来,没有任何停顿或强调重点。像涉及到的关键技术环节,没有用通俗易懂的语言解释清楚,评委们多次提问要求进一步阐释,学生才断断续续补充细节,导致整个答辩过程混乱无序,严重影响作品的展示效果。因此,展示与表达能力也是需提升的重点。
五、参赛建议及寄语
在参与全国中学生水科技发明比赛的征程中,一份精心构思且贴合中学生实际的科学研究项目申报方案至关重要。申报的科学研究项目应注意把握以下原则:
(1)创新性与探索性:关注当前水科学领域的前沿技术和热点问题,探索新的领域或提出新的观点和方法,提出创新性的解决方案和策略。
(2)科学性与客观性:一是以科学理论为基础,通过实证方法来验证假设和推断,应确保实验设计合理、数据收集准确、分析方法科学。二是鼓励跨学科合作,鼓励中学生结合生物学、化学、物理学、信息技术等多学科知识,设计综合性的水科技解决方案。
(3)实用性与应用性:研究项目应紧密结合实际需求,研究成果应能够解决实际问题或具有实际应用价值。
(4)兴趣驱动与适度性:以兴趣为导向选择课题,同时结合中学生自身能力和资源,确保课题的可行性。
水是生命之源,文明之基。第二十二届全国中学生水科技发明比赛已经拉开帷幕,这是一场知识与实践的盛宴,一次展现自我的绝佳机会,更是一份责任与担当的传递。希望老师和同学们用科技创新守护碧水清流。希望同学们:
(1)关注现实,勇于担当,将目光投向身边的水环境问题,用所学知识为解决实际问题贡献力量。
(2)敢于创新,追求卓越,打破思维定势,勇于探索未知,用科技的力量创造更加美好的未来。
(3)团结协作,共同进步,在比赛中相互学习,共同进步,展现新时代青少年的风采。