反思、分享與提升
——參加物理基礎(chǔ)課程(實驗)青年教師講課比賽有感

蘇衛(wèi)鋒

(復(fù)旦大學(xué) 物理系，上海 200433)

“教育、研究和服務(wù)”是現(xiàn)代大學(xué)的3項核心任務(wù)[1]；高校教學(xué)圈的普遍觀點是：國內(nèi)高校在建設(shè)“一流大學(xué)”的過程中，弱化“教研組”建制，以研究成果為主要指標(biāo)引進(jìn)優(yōu)秀人才的過程中，教學(xué)成了教師的“個人行為”[2]，然而，科研和教學(xué)是兩方面的事情，研究能力突出的人并不一定擅長教學(xué)[3]. 現(xiàn)行體制下，如何促進(jìn)教師，特別是年輕教師的教學(xué)能力發(fā)展，成了提升本科教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵之一. 以“教師教學(xué)能力提升”為目標(biāo)的高校教師發(fā)展中心在此過程中應(yīng)運(yùn)而生. 但教師發(fā)展中心的現(xiàn)狀和作用遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期[4].

學(xué)科教師間的教學(xué)比賽，能助力青年教師快速成長，進(jìn)而提高高等教育的人才培養(yǎng)質(zhì)量[5-11]. 教育部高等學(xué)校大學(xué)物理課程教學(xué)指導(dǎo)委員會、教育部高等學(xué)校物理學(xué)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會和中國物理學(xué)會物理教學(xué)委員會(簡稱三委員會)從2014年起聯(lián)合舉辦“全國高等學(xué)校物理基礎(chǔ)課程青年教師講課比賽”. 從2017年第3屆比賽開始，進(jìn)行了首屆實驗課講課比賽，此后理論課講課比賽與實驗課講課比賽依次輪流舉行. 筆者有幸參加了2019年在云南師范大學(xué)舉行的第5屆講課比賽(也是第2屆實驗課講課比賽)，并且獲得了一等獎. 舉辦講課比賽的目的是“三促一助”，即：以賽促教，通過比賽，從青年教師著手，激勵教師切實提升教學(xué)水平，使學(xué)生真正受益；以賽促改，促進(jìn)教育改革，落實《大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》和《大學(xué)物理實驗課程教學(xué)基本要求》；以賽促交，通過分級比賽創(chuàng)造機(jī)會，建立教學(xué)經(jīng)驗交流的有效途徑；以賽助優(yōu)，為一線優(yōu)秀教師提供發(fā)展機(jī)會[4-5]. 評委們對參賽教師的講課水平予以了肯定，認(rèn)為通過講課比賽發(fā)現(xiàn)了一批極富潛力的優(yōu)秀青年教師，選手們展現(xiàn)了有特色的教學(xué)手段，體現(xiàn)出良好的教學(xué)風(fēng)范和教學(xué)能力. 經(jīng)過幾屆的比賽，這一賽事也得到全國基礎(chǔ)物理課程教師的廣泛關(guān)注和積極參與，選手們的表現(xiàn)也在不斷地進(jìn)步，比賽切實達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)[5-11]. 部分參賽教師也從備賽經(jīng)歷出發(fā)分享自己的參賽經(jīng)驗與感悟，認(rèn)為通過比賽受益匪淺，提高了自己的授課水平[12-17].

對筆者個人而言，從4月份上海初賽，到6月初華東地區(qū)選拔，再到7月份參加全國比賽，在準(zhǔn)備、比賽、再準(zhǔn)備、再比賽……層層篩選的過程中，切實感受到了自己在教學(xué)上的提升. 回顧整個比賽過程，感悟頗多，總結(jié)下來，主要有2方面：學(xué)校對教學(xué)的重視與支持是提高選手水平的保障,個人充分的準(zhǔn)備是取得好成績的關(guān)鍵.

1 學(xué)校對教學(xué)的重視與支持是提高選手水平的保障

講課比賽雖然是個人參賽，但整個備賽的過程中離不開團(tuán)隊的支持. 從這一點來說，不僅是筆者，其他參賽選手也提到了團(tuán)隊對提高個人講課水平的重要性[14-16].

復(fù)旦大學(xué)對教學(xué)及教師發(fā)展非常重視，物理教學(xué)實驗中心每周舉行1次午間教學(xué)研討會，物理學(xué)系每月舉行1次教學(xué)沙龍，學(xué)校教師發(fā)展中心每年都開設(shè)教師教學(xué)發(fā)展研修班，并不定期地開展教學(xué)研討活動. 院系層面的教學(xué)研討活動主要讓筆者的業(yè)務(wù)水平得到提高，而學(xué)校教師發(fā)展中心的培訓(xùn)活動對筆者改進(jìn)教學(xué)方法、開展教學(xué)研究有很大的幫助. 這些教學(xué)研討活動為筆者參加比賽打下良好的基礎(chǔ).

在備賽期間，筆者得到了物理教學(xué)實驗中心同事和物理系領(lǐng)導(dǎo)及資深教師的大力支持和無私幫助. 備戰(zhàn)上海賽時，實驗中心安排筆者在午間教學(xué)研討會正式內(nèi)容結(jié)束后講解實驗，并不定期邀請系內(nèi)資深教師旁聽. 建立了由14位資深教師組成的微信群，在群內(nèi)可以隨時針對實驗原理和實驗中的各種問題進(jìn)行討論. 暑期備戰(zhàn)全國賽期間，物理學(xué)系又組織資深教師聽筆者試講，再次梳理講課內(nèi)容，并深入討論可能存在的問題.

2 個人充分的準(zhǔn)備是取得好成績的關(guān)鍵

2.1 思想上的準(zhǔn)備

1)端正態(tài)度.

參加比賽要重過程、輕結(jié)果，比賽最大的收獲不是比賽成績，而是備賽的過程. 以備賽為契機(jī)，梳理自己所教授的實驗內(nèi)容，找出當(dāng)前教學(xué)中存在的問題，提升業(yè)務(wù)水平. 另外，心態(tài)上的放松也有助于比賽時更好地發(fā)揮.

2)自我剖析.

明確自己的優(yōu)勢與劣勢，在備賽的過程中，揚(yáng)長補(bǔ)短，特別是要找出自己的短板. 比如，自己在哪個實驗上有欠缺，是對理論的把握不足，還是對實驗操作生疏，然后有針對性地學(xué)習(xí).

3)要有開放的態(tài)度.

主動向身邊的同事或資深教師請教，敢于把自己的缺點暴露在別人面前. 抓住機(jī)會，跟他人分享自己對某個問題的理解，通過討論進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)和解決問題.

記得一次在午餐會后講解“數(shù)字示波器的使用”實驗時，有同事提出“你的實驗特色在哪里？在講清楚問題的前提下，你如何抓住聽眾？” 針對這些問題，筆者進(jìn)行反思，重新梳理PPT，以測量某個未知信號為主線，重整思路，設(shè)計了“一個如何使用示波器的故事”，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字示波器的原理和使用方法. 實驗由如何測量RC電路上電容C兩端的電壓這一問題展開，提出用常規(guī)的電壓表是否可以測出C兩端電壓隨時間的變化？進(jìn)而指出學(xué)習(xí)使用示波器的必要性. 再簡單介紹示波器的兩大分類——模擬示波器與數(shù)字示波器，并且簡析兩者的區(qū)別和基本原理. 然后以實例的形式說明如果被測信號在示波器屏幕上出現(xiàn)波形太高、太矮、太疏、太密以及無法穩(wěn)定顯示等問題該如何調(diào)節(jié)，并且分別對應(yīng)什么原理. 以列舉實測信號時可能遇到的各種問題，帶領(lǐng)學(xué)生分析為什么會有這樣的問題以及如何解決問題，以此形式來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)使用數(shù)字示波器. 經(jīng)過整改，這個實驗的講解變得更加生動，也更易于吸引聽眾的注意力. 在本學(xué)期，筆者在培訓(xùn)該實驗助教時，也把這樣的講課方式分享給他們，獲得了更好的教學(xué)效果.

2.2 內(nèi)容上的準(zhǔn)備

1)準(zhǔn)備每個實驗前，一定要查閱文獻(xiàn)，對該實驗有全面的認(rèn)識.

查閱文獻(xiàn)，了解別人在該實驗中遇到以及研究的問題和對某些問題的理解，這些問題是特有的還是普遍存在的？與自己的理解一致還是不一致？查閱文獻(xiàn)了解同行的工作后，也可以幫自己確立研究方向.

比如透鏡焦距的測量實驗，由于像差等因素的存在，實驗中學(xué)生會發(fā)現(xiàn)在一定的范圍內(nèi)移動像屏都可以呈清晰的像. 但是呈清晰像的范圍具體與哪些參量有關(guān)？如何定量計算？查閱相關(guān)文獻(xiàn)，筆者只看到對該問題的定性討論，卻沒有定量的描述. 于是，在該實驗中引入了光學(xué)設(shè)計軟件Zemax對該問題進(jìn)行模擬. 假設(shè)直徑為10 mm的平行光(紅綠藍(lán)三色)入射到凸透鏡(焦距為100 mm)，先計算最佳成像位置，前后移動光屏(像面)，觀察聚焦光斑大小的變化，看是否變得太大不能接受. 由于實驗是肉眼測試，姑且假定成像光斑直徑超過1.0 mm時即能被判定為失焦，仿真發(fā)現(xiàn)光屏前后移動范圍約為±8 mm. 這樣將虛實結(jié)合，一方面有利于學(xué)生更深入地理解該實驗，另一方面也可以引導(dǎo)學(xué)有余力的學(xué)生學(xué)習(xí)Zemax軟件.

2)設(shè)計好講解實驗時問題的引入.

好的開端是成功的一半，愛因斯坦說“興趣是最好的老師”，如何在講解之初就抓住聽眾的興趣呢？問題的引入可以從多個方面入手，從物理學(xué)史出發(fā)，從身邊的生活現(xiàn)象出發(fā)，從相關(guān)的研究熱點出發(fā)，等等，把實驗中要研究的問題作為研究項目引入.

比如在講解單縫衍射實驗時，先穿越到1818年，去揭榜法國科學(xué)院的競賽題[18]：利用精密的實驗確定光線的衍射效應(yīng). 年輕的菲涅耳以嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推理，從橫波觀點出發(fā)，圓滿地解釋了光的偏振，并且用半波帶法定量計算了圓孔、圓板等形狀的障礙物所產(chǎn)生的衍射花紋. 當(dāng)時的學(xué)術(shù)權(quán)威如拉普拉斯、畢奧和泊松都是擁護(hù)光的微粒說的，并且泊松用菲涅耳方程推導(dǎo)圓盤衍射，得到了與常識相悖的結(jié)果：在盤后方一定距離的屏幕上影子的中心應(yīng)出現(xiàn)亮點. 泊松認(rèn)為正是這一點可以推倒菲涅耳的理論. 而后來阿拉果聯(lián)手菲涅耳，用實驗對泊松的問題進(jìn)行了驗證，實驗上觀察到了泊松預(yù)測的亮點，該亮點也被戲劇性地稱為“泊松斑”.

這個故事不僅僅用來引出要討論的實驗問題——光的衍射，還告訴我們理論與實驗是如何互相促進(jìn)的：理論上得到的結(jié)果，不管是否符合“常理”，正確與否，最后由實驗來檢驗；但若沒有理論預(yù)測，實驗發(fā)現(xiàn)可能會推遲很久，也不知道會是在怎樣的機(jī)緣巧合下被發(fā)現(xiàn)；有了理論預(yù)測，實驗的效率會有很大的提升：明確了參量范圍，知道了“結(jié)果的樣子”(這也是在進(jìn)實驗室做實驗之前需要做的準(zhǔn)備工作，對實驗結(jié)果要有預(yù)期)；所謂創(chuàng)新，在其最初“出現(xiàn)”，很可能是不合常理的，遇到與預(yù)期不符的結(jié)果時，不要急于否定，而應(yīng)查找原因，是實驗過程出了問題，還是理論不完善，導(dǎo)致預(yù)期有偏差. 科學(xué)發(fā)展史上的故事，往往是最好的科學(xué)哲理教育素材.

3)厘清思路，突出自己的特色.

以培養(yǎng)學(xué)生建模思維為主線，開展每個實驗，通過實驗讓學(xué)生理解和實踐物理建模的過程. 筆者的講課思路基本上是把每個實驗看作研究課題，引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)所學(xué)的基礎(chǔ)知識和實驗室提供的條件來建立物理模型解決問題.

比如在講解用扭擺法測量物體轉(zhuǎn)動慣量實驗時，先通過演示實驗讓學(xué)生了解僅用質(zhì)量無法描述物體在轉(zhuǎn)動體系中的慣性大小，從而引出轉(zhuǎn)動慣量的概念. 對于規(guī)則物體(比如質(zhì)量均勻分布的圓柱體)繞中心軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動慣量，可以建立理論模型，代入相應(yīng)的參量(直徑、質(zhì)量)后，得到其轉(zhuǎn)動慣量的預(yù)期值. 然后結(jié)合扭擺的特點，引導(dǎo)學(xué)生一步步建立測量模型. 在忽略摩擦阻力矩和視渦卷彈簧扭轉(zhuǎn)系數(shù)為定值的前提下，通過物體在渦卷彈簧作用下做擺動的動力學(xué)方程，發(fā)現(xiàn)該體系具有諧振動的特性，建立擺動周期與轉(zhuǎn)動慣量之間的關(guān)系，從而得出轉(zhuǎn)動慣量的測量模型. 在引導(dǎo)學(xué)生建模的過程中，注意提醒學(xué)生模型成立的條件，在實驗中如何操作和注意哪些因素來盡量保證模型成立.

4)把握所講的內(nèi)容(概念、原理、歷史背景等)，力求準(zhǔn)確，避免錯誤.

正確掌握基本概念是對物理教師的基本要求[8]，在查閱文獻(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)資料和閱讀參考書籍時，注意不要盲信，盡量找出多個出處，即便是教科書，也應(yīng)該多看幾個不同版本，有助于甄別部分教科書中存在的錯誤.

筆者在試講X光實驗的相關(guān)歷史背景時，談到我國第1支X光管的研制，引用資料說“1953年，周同慶教授主持研制成功我國第1支X光管”[19]. 試講后，沈元華老師給筆者發(fā)來這樣一段話：引言中用了周同慶的照片，是說明他研制成功中國第一個X光管嗎？這雖不錯，卻走到了另一個極端：中國第一個X光管的研制成功，過去只講蔡祖泉(工人專家)，不講周同慶，是一個極端；現(xiàn)在只講周同慶，不講蔡祖泉也是片面的. 實際上，當(dāng)時的中國，懂得X光原理的人，決不只周同慶一人，而能把玻璃與金屬焊接得既不漏氣又能通大電流的人，倒真的只有蔡祖泉一人. 是他們2人(及其他許多人)的合作才有了這個成果. 這使筆者深刻體會到老一輩教師的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，這也提醒筆者要對所講內(nèi)容負(fù)責(zé).

5)啟發(fā)式教學(xué)，以問題促思考.

實驗教學(xué)過程中比較注意啟發(fā)式教學(xué)，以問題來回答問題，引發(fā)學(xué)生思考和引導(dǎo)學(xué)生自己解決問題.

比如在扭擺法測量物理轉(zhuǎn)動慣量的實驗中，列出一系列問題：裝置為何要調(diào)水平？測量時對擺角的要求？測量擺動周期時注意的事項？等等. 這些問題都與該實驗測量模型有關(guān)，學(xué)生若理解了模型成立的條件，便可以很容易地回答這些問題. 同時，學(xué)生回答這些問題也有利于對該實驗?zāi)Ｐ偷睦斫?

6)明確每個實驗的教學(xué)目標(biāo).

在教學(xué)中，參考了美國物理教師協(xié)會(American Association of Physics Teachers，AAPT)2014年發(fā)布的大學(xué)物理實驗課程教學(xué)目標(biāo)建議(AAPT recommendations for the undergraduate physics laboratory curriculum)[20]. 該建議圍繞訓(xùn)練學(xué)生“能獨(dú)立構(gòu)建知識”這一核心目標(biāo)，認(rèn)為實驗課應(yīng)該注重培養(yǎng)學(xué)生在物理建模、設(shè)計實驗、實驗技能、數(shù)據(jù)分析和可視化、物理交流等方面的綜合能力. 目前，我們梳理了基礎(chǔ)物理實驗開設(shè)的每個實驗，改寫了實驗講義，基本上可以把以上能力培養(yǎng)的各方面落實到每個實驗中.

3 結(jié)束語

講課比賽讓筆者深刻地體會到教學(xué)過程中反思與分享的重要. 反思，讓自己及時總結(jié)工作中存在的問題，揚(yáng)長補(bǔ)短. 通過與同事、同行的討論與分享，認(rèn)識到自已原來看不到的問題，互通有無，相互啟發(fā)，加深理解，碰撞出智慧的火花. 正是不斷地反思與分享，讓筆者逐步提升教學(xué)水平.

致謝：感謝組織全國基礎(chǔ)物理課程青年教師講課比賽的3個委員會，三促一助，不僅讓我提升了教學(xué)水平，還結(jié)識了熱愛物理基礎(chǔ)課程教學(xué)特別是物理實驗教學(xué)的新朋友. 感謝復(fù)旦大學(xué)物理教學(xué)實驗中心的同事和物理系尊敬的師長們在我備賽期間給予的無私幫助，您們不僅讓我學(xué)到知識，還讓我感受到集體的溫暖.