2025國際兒童及青少年科學天才大賽 -冬季賽
2025 International Children and Youth Science Talent Competition - Winter Competition

2025國際兒童及青少年科學天才大賽 -冬季賽題目範圍

本次大賽全面覆蓋科學探究核心領域，從基礎知識到實踐創新，旨在考察參賽者的科學思維、實驗能力與跨學科應用能力，具體內容如下：

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一、科學探究基礎知識

（一）核心科學領域

基礎科學原理

1. 生命科學基礎：掌握生物體基本結構與生命現象，理解生態系統的相互關係。例如，分析「校園植物葉片結構」（葉脈輸導水分、葉肉進行光合作用）與生長需求的聯繫，或解釋「食物鏈」原理在「校園生態角」中的應用（如蚯蚓分解落葉→小鳥捕食蚯蚓的能量傳遞）。

2. 物質科學基礎：理解物質的基本性質與變化規律，熟悉簡單物理現象。如用「熱脹冷縮」原理解釋「冬季水管凍裂」的原因（水結冰體積膨脹），或通過「冰融化實驗」分析溫度對物態變化的影響（0℃時冰開始融化為水）。

3. 地球與宇宙科學：瞭解地球環境與宇宙基本常識，掌握自然現象的科學解釋。如用「晝夜交替」原理分析「冬季日照時間縮短」的原因（地球自轉與公轉的關係），或通過「雲層觀察」判斷冬季天氣變化（層雲增厚可能帶來降雪）。

科學思維與方法

1. 觀察與提問技巧：掌握系統觀察的方法，能提出科學性問題。例如，觀察「冬季窗戶結冰」現象，提出「冰花形狀與溫差有關嗎？」的探究問題，或觀察「暖氣片周圍溫度分佈」，提出「距離暖氣片越遠溫度越低嗎？」的疑問。

2. 假設與驗證邏輯：熟悉「提出假設→設計驗證→得出結論」的科學流程。如針對「植物冬季生長緩慢」提出「溫度降低抑制生長」的假設，通過對比室內外同一植物的生長速度（室內每月長 2 厘米，室外長 0.5 厘米）驗證猜想。

3. 變量控制方法：理解對照實驗的核心邏輯，能識別實驗中的變量。如設計「鹽對冰融化速度的影響」實驗時，控制冰的質量（均為 50 克）與環境溫度（均為 5℃）不變，僅改變鹽的添加量（0 克 vs 5 克），觀察融化時間差異。

生活中的數學

1. 日常科學應用：瞭解科學原理在生活中的實際運用，能解釋常見現象。例如，解釋「冬季穿羽絨服保暖」的原理（羽絨夾層的空氣減少熱傳遞），或分析「暖手寶發熱」的科學機制（化學物質反應釋放熱量）。

2. 測量與記錄：掌握溫度、質量、長度等物理量的測量方法，能規範記錄數據。如用溫度計測量冬季不同時段的室內外溫度（清晨室內 18℃、室外 - 2℃；正午室內 20℃、室外 5℃），或用天平測量「冰融化前後的質量變化」（50 克冰融化後仍為 50 克水）。

3. 問題解決應用：運用科學知識解決生活中的實際問題。如設計「冬季校園路面防打滑方案」（鋪設防滑墊增加摩擦力），或提出「室內植物冬季養護技巧」（根據光照調整擺放位置，控制澆水量）。

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（二）科學與技術應用

科學工具與操作

1. 傳統科學工具：掌握顯微鏡、溫度計、燒杯等基礎工具的使用方法。例如，用顯微鏡觀察「葉片細胞結構」（識別葉綠體與細胞壁），或用燒杯與溫度計測量「冰融化過程中的溫度變化」（每隔 5 分鐘記錄一次溫度）。

2. 現代科技工具：熟悉科學類 APP、數據採集設備的基礎操作。如用氣象觀測 APP 記錄「冬季每日降水量與風速」，生成周度氣象數據表；或用紅外溫度計測量「不同材質物體的冬季表面溫度」（金屬 - 3℃ vs 塑料 2℃）。

3. 實驗設計實踐：能結合工具設計簡單科學實驗。如設計「冬季水蒸氣凝結觀察」實驗（燒杯裝熱水，蓋冷玻璃片，觀察水珠形成），或規劃「校園鳥類冬季覓食習性調查」（用攝像設備記錄覓食時間與食物類型）。

科學數據與建模

1. 數據整理與分析：掌握數據分類、統計與規律總結的方法。如對「冬季室內外溫差數據」進行整理（周一差 20℃、周二差 18℃... 周日差 19℃），計算平均溫差並分析波動原因；或對「不同溫度下冰融化時間」數據繪製折線圖，總結溫度與融化速度的關係。

2. 簡單科學建模：運用圖表或公式呈現科學現象的規律。如用流程圖展示「水的三態變化」（冰→水→水蒸氣的條件與過程），或用公式表達「冰融化吸收熱量」的關係（每克冰融化需吸收 334 焦耳熱量）。

3. 科技資源應用：能利用線上資源與數據庫開展探究。如查閱氣象數據庫瞭解「當地近 10 年冬季平均氣溫變化趨勢」，或通過線上科學平台學習「冬季星座識別方法」（找到猎户座與天狼星）。

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二、科學研究方法與實踐

（一）科學實驗與數據採集

實驗設計與實施

1. 對照實驗設計：能獨立設計控制單一變量的科學實驗。如探究「溫度對種子發芽的影響」，設定溫度為變量（20℃與 5℃），控制水分（每 3 天澆 10 毫升水）與光照（每天 8 小時光照）不變，觀察種子發芽率（20℃時 80% 發芽，5℃時 10% 發芽）。

2. 實驗操作規範：掌握實驗操作流程與安全規範。如進行「鹽水冰點測試」實驗時，規範使用溫度計（避免觸及燒杯壁），準確記錄「不同鹽濃度下的冰點」（0% 鹽水 0℃，5% 鹽水 - 3℃）；或進行「熱傳導實驗」時，正確使用酒精燈（用外焰加熱），觀察不同金屬棒的熱傳導速度。

3. 實驗誤差分析：能識別實驗中的誤差來源並提出改進方法。如分析「溫度計測量誤差」的原因（儀器精度不足、讀數視角偏差），提出「多次測量取平均值」的改進方案；或分析「種子發芽實驗誤差」的來源（種子飽滿度差異），提出「選取大小均勻種子」的解決辦法。

數據處理與應用

1. 實驗數據可視化：能用圖表直觀呈現實驗結果。如繪製「冬季不同時段太陽高度角變化」散點圖（9 時 30°、12 時 45°、15 時 35°），或用餅圖展示「校園冬季植物存活比例」（常綠植物 60%、落葉植物 40%）。

2. 統計方法應用：運用統計知識分析實驗數據。如通過平均數判斷「不同班級冬季感冒發生率」（一班 10%、二班 8%... 平均 9%），或用百分比分析「鹽濃度對冰融化速度的影響」（5% 鹽水比清水融化速度快 40%）。

3. 模擬實驗體驗：利用模擬工具開展科學探究。如用線上氣象模擬器模擬「冬季降雪形成過程」（觀察水汽凝結為雪花的條件），或用科學仿真軟件模擬「不同材質的保溫效果」（比較棉花與泡沫的熱損失率）。

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（二）科學規劃與問題解決

科學過程建模

1. 實驗流程建模：用圖解或步驟描述科學實驗過程。如繪製「探究冰的密度實驗」流程（步驟 1：測量冰的質量；步驟 2：用量筒測量冰的體積；步驟 3：用密度 = 質量 / 體積計算結果），或用示意圖展示「水結冰體積膨脹實驗」的裝置設計（塑料瓶裝滿水，密封後放入冰櫃）。

2. 生活問題建模：構建生活場景的科學解決模型。如設計「冬季室內濕度調控」模型（濕度低於 40% 時開啟加濕器，高於 60% 時通風），或用流程圖展示「雪地滑倒防護」的科學邏輯（增大接觸面積→增加摩擦力→降低滑倒風險）。

3. 決策分析建模：通過科學依據進行決策分析。如繪製「冬季出行方式選擇」決策流程（查看天氣：降雪→選擇公共交通；無雪→可騎車），或用表格對比「不同保溫杯的保溫效果」（品牌 A：6 小時 50℃，品牌 B：4 小時 50℃），選擇優質產品。

科學問題解決

1. 現實科學問題：運用科學知識解決實際場景問題。如設計「校園冬季供暖節能方案」，需考慮熱傳導原理（安裝防風窗減少熱損失）、人流規律（課間關閉空閒教室暖氣）、溫度標準（教室保持 18-20℃），計算預期節能效果；或提出「冬季戶外實驗保暖措施」（用保溫箱保護儀器，選擇正午高溫時段操作）。

2. 科技應用實踐：結合科技工具解決科學探究問題。如設計「校園冬季環境質量監測方案」，用 PM2.5 檢測儀記錄不同區域數據（操場 35μg/m³、教室 20μg/m³），通過 APP 生成分析報告；或利用物聯網設備監測「冬季植物生長環境」（實時傳輸溫度、濕度數據，異常時發出提醒）。

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三、科學與永續發展

（一）綠色科學與環境保護

生態保護與科學

1. 生態數據統計：理解科學在生態保護中的應用，掌握基礎統計方法。如分析「冬季候鳥遷徙數據」（11 月來臨 200 隻、12 月增至 350 隻），計算增長率並分析遷徙規律；或統計「校園冬季落葉回收量」（12 月回收 80 公斤、1 月回收 60 公斤），規劃堆肥利用方案。

2. 綠色科技實踐：運用科學原理設計環保方案。如設計「校園雨水回收系統」（利用漏斗收集降雪融化水，過濾後用於澆灌），計算回收量與節水量（每月回收 500 升，節省自來水費 20 元）；或模仿「生態淨水球」原理，設計「小型水質淨化裝置」（用活性炭吸附雜質，微生物降解污染物）。

3. 資源循環應用：掌握資源回收利用的科學方法。如探究「冬季廢紙回收再利用」過程（碎紙→浸泡→造漿→成型），計算「10 公斤廢紙可製作多少新紙」（約 8 公斤）；或設計「塑料瓶改造成保溫容器」的方案（填充棉花隔熱，測試保溫效果：60℃水 2 小時後仍為 45℃）。

環境治理與科學支持

1. 污染防治的科學參與：理解科學在污染治理中的作用。如分析「冬季空氣質量數據」（PM2.5 指標：晴天 25μg/m³、霧霾天 80μg/m³），用折線圖展示變化規律並提出防護建議；或解釋「燃煤取暖與碳排放的關係」（每燒 1 噸煤排放 2.6 噸二氧化碳），推廣電取暖等清潔方式。

2. 氣候應對的科學方法：掌握氣候變化的科學分析方法。如用氣象數據繪製「當地近 5 年冬季平均氣溫變化圖」（2020 年 5℃、2021 年 6℃...2024 年 7℃），分析暖冬趨勢；或計算「校園綠化的碳吸收量」（每平方米草坪每年吸收 1.5 公斤二氧化碳，100 平方米草坪每年吸收 150 公斤）。

3. 低碳生活的科學實踐：運用科學知識推動低碳生活。如設計「家庭冬季低碳用電方案」（調低暖氣溫度 1℃，每月節電 50 度，減少碳排放 40 公斤），或統計「步行上學 vs 乘車的碳排放差異」（每次乘車排放 0.5 公斤，步行排放 0），鼓勵綠色出行。

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（二）科學科技前沿與未來挑戰

數字科學與新技術

1. 智能科學工具：理解智能設備的科學原理與應用。如解釋「智能溫濕度傳感器」的工作邏輯（通過電子元件檢測環境參數，實時傳輸數據），或分析「科學仿真軟件」的作用（模擬冬季暴雪對建築的影響，指導防護設計）。

2. 科技創新應用：瞭解人工智能、大數據在科學領域的應用。如探討「AI 生態監測系統」如何通過圖像識別統計「冬季候鳥數量」（拍攝照片後自動計數，誤差率低於 5%）；或分析「大數據分析校園環境質量」的作用（識別污染高峰時段，優化防控措施）。

3. 未來科技構想：能結合新技術構想科學應用場景。如設計「2050 年智能冬季農業系統」（用 AI 控制溫室溫度濕度，物聯網監測作物生長，無人機進行護理），或構思「穿戴式科學探究設備」（即時測量環境數據，同步至學習平板生成分析報告）。

科學倫理與實踐規範

1. 科學誠信原則：理解科學研究中的誠信與客觀要求。如分析「實驗數據記錄」的誠信準則（如實記錄冰融化時間，不篡改為預期結果），或探討「科學報告」的客觀性要求（如實說明實驗誤差，不隱瞞不利數據）。

2. 科技倫理意識：掌握科技應用中的倫理邊界。如分析「動物實驗」的倫理規範（冬季探究動物冬眠時，避免傷害動物體質），或探討「環境數據發布」的責任（及時公開冬季污染數據，不隱瞞環境風險）。​

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四、挑戰題與創新思維

（一）開放性科學問題

現實科學問題解決

1. 設置真實場景任務，如「如何利用科學知識設計校園冬季綠色供暖方案」，要求參賽者從數據採集（測量不同區域熱損失、統計師生作息）、方案規劃（安裝太陽能輔助供暖、優化供暖時段）、效果評估（設定碳排放降低 15% 的目標，用數據跟蹤達成情況）多維度提出方案，並分析計劃的可行性與環保價值。

2. 創新需求應對，如「設計一款面向戶外探究的冬季科學工具包」，需綜合運用保溫原理（隔熱材質保護儀器）、數據採集功能（集成溫度、濕度測量模塊）、安全設計（防凍手套與應急包），確保工具包的實用性與安全性，並分析其對提升冬季科學探究體驗的作用。

未來科學科技構想

1. 前瞻性設計任務，如「構思 2050 年的智能生態校園監測系統」，要求結合數字化工具（物聯網傳感器網絡、衛星遙感技術）、AI 分析（實時識別生態異常、預測環境變化）、互動功能（學生通過 VR 參與生態保護模擬），描繪系統的運作流程（傳感器採集數據→AI 生成分析報告→推送保護建議），並分析其在生態教育與環境保護中的雙重價值。

（二）跨學科科學挑戰

科學與其他領域融合

1. 科學 + 環保：運用科學與環保知識設計創新項目，如「校園冬季廢棄物資源化計劃」，需綜合考慮分解原理（利用微生物加速落葉堆肥）、數據統計（記錄回收量與肥料產量）、推廣機制（用肥料種植校園蔬菜，形成閉環），實現「回收→轉化→利用」的生態鏈，並分析計劃對環境保護與科學實踐的推動作用。

2. 科學 + 科技：結合科學與科技知識開展創意項目，如「智能冬季候鳥保護監測系統」，利用紅外攝像頭採集候鳥活動數據，通過 AI 識別鳥類種類與健康狀況，用圖表呈現覓食習性與遷徙規律，為候鳥保護提供數據支持，確保系統的科學性與實用性。

3. 科學 + 工程：運用科學與工程知識設計實用方案，如「校園冬季防雪災設施優化設計」，需綜合考慮力學原理（加固棚架結構抵抗積雪壓力）、材料特性（選擇防積雪的屋頂材質）、成本控制（計算改造經費與後期維護成本），設計經濟實用的防護方案，並分析其在安全保障中的作用。

 

參賽者需兼具扎實的科學基礎知識、規範的探究方法與跨學科創新思維，在解決現實問題時需把握「科學邊界」：如科學實踐需符合兒童及青少年認知規律（避免複雜危險的實驗操作）、強化證據意識（不憑主觀判斷，需用實驗數據支撐結論）、關注社會價值（將科學工具用於環保、公益等有益領域）。