全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽之講課比賽回顧與思考

樊曉箏，申詩(shī)琪，尚 軍

(河南師范大學(xué) 物理學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，河南 新鄉(xiāng) 453007)

全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽由國(guó)家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心聯(lián)席會(huì)、全國(guó)高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)研究會(huì)、中國(guó)物理學(xué)會(huì)等聯(lián)合舉辦，至今已連續(xù)舉辦了6屆. 該項(xiàng)賽事的主要目的為：激發(fā)學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的興趣與實(shí)踐潛能，幫助學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)中提高創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)；該賽事也將有力促進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革工作的不斷發(fā)展，提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量與水平. 筆者團(tuán)隊(duì)有幸參加了第6屆全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽(創(chuàng)新賽)講課比賽并榮獲一等獎(jiǎng). 本文主要針對(duì)競(jìng)賽第3類別——大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)講課比賽，從前期準(zhǔn)備、備課過程、賽前練習(xí)以及答辯準(zhǔn)備等環(huán)節(jié)總結(jié)了此次參賽經(jīng)驗(yàn)，對(duì)如何高效且有針對(duì)性地完成參賽作品進(jìn)行具體論述.

1 備課前準(zhǔn)備

按照規(guī)則，整個(gè)比賽分為以網(wǎng)絡(luò)初審形式進(jìn)行的初賽評(píng)審和以線上答辯形式進(jìn)行的復(fù)賽評(píng)審2個(gè)階段. 筆者團(tuán)隊(duì)的參賽題目是“拉脫法測(cè)定液體表面張力系數(shù)”. 首先研讀評(píng)審標(biāo)準(zhǔn)，如圖1所示，主要從教學(xué)手段、物理思維、課程思政、科學(xué)前沿等方面圍繞評(píng)審標(biāo)準(zhǔn)展開備賽工作，在比賽過程中不斷改進(jìn)，大幅提升了教學(xué)能力.

圖1 備賽重點(diǎn)內(nèi)容概括

1.1 研讀課標(biāo)

為了把握課程重難點(diǎn)，筆者研讀了2010年版《理工科類大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求》[1]. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是學(xué)生在大學(xué)期間進(jìn)行科學(xué)訓(xùn)練的重要環(huán)節(jié)，對(duì)教師備課的要求較為嚴(yán)格：需要掌握課標(biāo)要求的實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本內(nèi)容，結(jié)合實(shí)驗(yàn)原理和方法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生分析與研究的能力；清楚常用的實(shí)驗(yàn)方法并學(xué)會(huì)應(yīng)用，例如，在液體表面張力系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)中利用轉(zhuǎn)換法將力學(xué)量的測(cè)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的測(cè)量，鍛煉學(xué)生用物理實(shí)驗(yàn)方法解決問題的能力；具有一定的知識(shí)儲(chǔ)備，將物理學(xué)史和實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用融入到課堂中，使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解更加透徹.

1.2 研讀評(píng)審標(biāo)準(zhǔn)

在比賽之初，團(tuán)隊(duì)研讀了組委會(huì)制定的評(píng)審標(biāo)準(zhǔn)，以便能夠在短時(shí)間內(nèi)有針對(duì)性地完成備課. 例如，在初賽的評(píng)審標(biāo)準(zhǔn)中明確指出教學(xué)內(nèi)容要具有前沿性和時(shí)代性，能夠反映社會(huì)和學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展新成果和新趨勢(shì)，針對(duì)這一標(biāo)準(zhǔn)，可以選擇貼近現(xiàn)今物理前沿發(fā)展的實(shí)驗(yàn)課題，由此，團(tuán)隊(duì)選擇了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中液體表面張力系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn). 在教學(xué)過程中還應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)與思維習(xí)慣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；把握好時(shí)間分配，還可以適時(shí)加入課程思政，塑造學(xué)生卓越擔(dān)當(dāng)?shù)钠犯?

2 備課內(nèi)容

2.1 教學(xué)手段

目前，常見的教學(xué)手段主要有以板書為主的傳統(tǒng)教學(xué)和以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的多媒體教學(xué)，前者最大的優(yōu)點(diǎn)是教師把教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)展示在黑板上，方便學(xué)生記憶與思考，但教學(xué)模式比較單一，而且沒有動(dòng)態(tài)感，不利于學(xué)生準(zhǔn)確理解[2]；后者可以使學(xué)生更加直觀地了解物理知識(shí)內(nèi)容，還節(jié)約了板書時(shí)間，但是教學(xué)進(jìn)度較快，不利于學(xué)生消化和吸收[3].

在評(píng)審標(biāo)準(zhǔn)中，教學(xué)展示包含教學(xué)課件和板書設(shè)計(jì)2部分，二者都應(yīng)從教學(xué)需要入手進(jìn)行設(shè)計(jì)，教學(xué)手段服務(wù)于課堂內(nèi)容，避免出現(xiàn)人隨課件走或板書過于繁重的情況. 完整的大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)課程，不僅涉及實(shí)驗(yàn)原理和基本步驟，還需包含實(shí)驗(yàn)背景、物理學(xué)史和拓展應(yīng)用等內(nèi)容，在比賽規(guī)定的20 min內(nèi)要講完這些內(nèi)容，若以傳統(tǒng)教學(xué)方式為主，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生理解困難，且時(shí)間較為緊張，課程內(nèi)容不能完全展開. 經(jīng)過綜合考慮，團(tuán)隊(duì)決定在講課環(huán)節(jié)采用多媒體手段展示課程內(nèi)容，科學(xué)前沿及拓展延伸中一些比較晦澀難懂的內(nèi)容通過演示視頻讓學(xué)生體會(huì)；利用板書梳理重難點(diǎn)，將在實(shí)驗(yàn)中用到的公式通過板書推導(dǎo)，幫助學(xué)生著重記憶. 將新媒體技術(shù)和傳統(tǒng)教學(xué)方法合理地結(jié)合，充分利用二者的優(yōu)勢(shì).

2.2 課程導(dǎo)入

對(duì)于實(shí)驗(yàn)課，好的課程導(dǎo)入對(duì)教學(xué)效果起著關(guān)鍵作用. 課程導(dǎo)入環(huán)節(jié)可以通過生活情景、物理學(xué)史、演示實(shí)驗(yàn)以及視頻素材等不同方式展開. 在導(dǎo)入過程中，注重課堂知識(shí)的銜接、學(xué)生興趣的激發(fā)和創(chuàng)新導(dǎo)入的形式以及提升導(dǎo)入的效果[4]. 在液體表面張力系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)選取了實(shí)驗(yàn)引入的方式，通過圖2所示的回形針漂浮在水面上的直觀現(xiàn)象，引出液體表面張力的概念，用圖3所示自制教具演示液體表面張力的方向，留下液體表面張力大小這一問題，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

圖2 回形針漂浮在水面上

圖3 判斷液體表面張力的方向

2.3 授課重難點(diǎn)

2.4 物理思維

新時(shí)代新工科更加注重學(xué)生思維和能力的培養(yǎng)，使學(xué)生能夠在未來工程設(shè)計(jì)、開發(fā)、制作等工程實(shí)踐中運(yùn)用恰當(dāng)?shù)乃季S解決問題[7]. 通過課堂讓學(xué)生學(xué)習(xí)到物理思維方法，遠(yuǎn)比學(xué)會(huì)做實(shí)驗(yàn)更重要. 以液體表面張力系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)為例，在實(shí)驗(yàn)中團(tuán)隊(duì)利用力敏傳感器將力學(xué)量的測(cè)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的測(cè)量時(shí)所用到的轉(zhuǎn)化法，是物理研究數(shù)據(jù)測(cè)量中重要的方法，在講授課程時(shí)，以此展開討論，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維.

2.5 課程思政與科學(xué)前沿

在課程中融入物理學(xué)史，可以使學(xué)生更深刻地理解物理的本質(zhì)，提高學(xué)生的核心素養(yǎng)，而中國(guó)古代物理學(xué)拓展，無疑是培養(yǎng)學(xué)生愛國(guó)情懷的最佳途徑. 中國(guó)在物理學(xué)的發(fā)展歷程中，有很多卓越的發(fā)明與貢獻(xiàn)[8]. 以液體表面張力現(xiàn)象為例(見圖4)，關(guān)于表面張力和固液間浸潤(rùn)性的描述，根據(jù)史料記載最早可以追溯到西漢年間. 淮南王劉安通過細(xì)致的觀察，在《淮南萬(wàn)畢術(shù)》中記載到“取頭中垢，塞針孔，置水中，則浮”的現(xiàn)象[9]. 將這一部分加入到課程設(shè)計(jì)中，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)愛國(guó)主義情感.

圖4 《淮南萬(wàn)畢術(shù)》中的物理學(xué)史

在評(píng)審標(biāo)準(zhǔn)中，教學(xué)內(nèi)容的前沿性和時(shí)代性占有一定的分值. 前沿物理處在社會(huì)發(fā)展的最前端，用發(fā)展的眼光審視基礎(chǔ)性內(nèi)容. 在大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)課程中增添前沿物理的內(nèi)容，可以開闊學(xué)生眼界，提升學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)物理前沿知識(shí)作鋪墊，幫助學(xué)生樹立正確的、完善的科學(xué)觀[10]. 例如，在液體表面張力系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，結(jié)合課程內(nèi)容，加入A. T. Oratis等2020年發(fā)表在《Science》關(guān)于黏性泡沫的倒塌機(jī)理的最新成果，該研究工作表明黏性泡沫倒塌時(shí)形成的褶皺，既不依賴于重力，也不依賴于孔的存在，壓縮液體的表面張力和動(dòng)態(tài)應(yīng)力才是氣泡行為和起皺不穩(wěn)定性的主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制[11]，同時(shí)留下了與液體表面張力有關(guān)的第33屆國(guó)際青年物理學(xué)家競(jìng)賽(IYPT)中的題目(肥皂膜過濾器)，為學(xué)生留出思考的空間.

2.6 邏輯關(guān)系

如何形成清晰的講課思路，是團(tuán)隊(duì)在備課時(shí)一直思考的問題，想要形成清晰的講課思路，不僅需要把握好環(huán)節(jié)之間的邏輯關(guān)系，也應(yīng)注重每個(gè)環(huán)節(jié)自身的邏輯關(guān)系. 例如，在介紹實(shí)驗(yàn)儀器時(shí)，切忌簡(jiǎn)單羅列儀器名稱，注重儀器各個(gè)部位之間的過渡和聯(lián)系，使其形成完整的部分；在整堂課中要注重實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的聯(lián)系、實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的聯(lián)系.

以液體表面張力系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)為例，圖5所示為實(shí)驗(yàn)中用到的主要儀器. 在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)儀器介紹時(shí)，從載物臺(tái)開始，載物臺(tái)可以放置盛有待測(cè)液體的玻璃器皿，載物臺(tái)的上方是力敏傳感器，傳感器上的掛鉤可以用來放置實(shí)驗(yàn)中所要用到的吊環(huán)，吊環(huán)被緩慢均勻地從液面上拉脫，可以通過載物臺(tái)下方的調(diào)節(jié)大螺母來實(shí)現(xiàn)，吊環(huán)拉脫過程中力學(xué)量的變化可以通過力敏傳感器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電壓表的示數(shù)可以通過數(shù)字電壓顯示屏直接讀出，對(duì)于電壓表的調(diào)零可以通過調(diào)零旋鈕來實(shí)現(xiàn). 當(dāng)介紹儀器的思路清晰后，進(jìn)一步可以導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)步驟的框架，整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程環(huán)環(huán)相扣，連接緊密.

圖5 實(shí)驗(yàn)儀器

想要使整節(jié)課的邏輯嚴(yán)謹(jǐn)清晰，需要教師透徹理解教學(xué)內(nèi)容，站在學(xué)生的角度設(shè)計(jì)教學(xué)過程. 在比賽中會(huì)出現(xiàn)時(shí)間不夠的情況，要注意在保證實(shí)驗(yàn)課完整性的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)內(nèi)容合理壓縮，不能破壞整堂課的邏輯關(guān)系[12].

3 賽前練習(xí)

3.1 實(shí)驗(yàn)操作

評(píng)審標(biāo)準(zhǔn)中要求：教學(xué)過程無科學(xué)性錯(cuò)誤，實(shí)驗(yàn)操作熟練、規(guī)范. 科學(xué)性與思想性統(tǒng)一原則為教學(xué)原則中重要的原則之一，對(duì)于實(shí)驗(yàn)課教學(xué)，實(shí)驗(yàn)操作不能出現(xiàn)錯(cuò)誤. 團(tuán)隊(duì)對(duì)于實(shí)驗(yàn)步驟和操作都進(jìn)行了斟酌，在細(xì)節(jié)方面如游標(biāo)卡尺使用的方向性問題和吊環(huán)拉脫過程中電壓表讀數(shù)的變化尤其注意. 拉脫前，隨著θ先減小再反向增大，液體表面張力在豎直方向上的分力存在先增大后減小的過程，電壓表的讀數(shù)也隨之發(fā)生變化[13]，查閱文獻(xiàn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析推導(dǎo)，確定讀取電壓表示數(shù)最大值記為U1，對(duì)應(yīng)吊環(huán)所受豎直向下方向的合力F1[14].

3.2 教學(xué)實(shí)操

參賽者最終要呈現(xiàn)給評(píng)委的是1堂完整的實(shí)驗(yàn)課，備課僅僅是開始，在完成課程設(shè)計(jì)之后，要進(jìn)行教學(xué)實(shí)操. 在比賽之前，團(tuán)隊(duì)每天到實(shí)驗(yàn)室練習(xí)實(shí)驗(yàn)操作和講課，定期和指導(dǎo)教師進(jìn)行比賽模擬，經(jīng)過了近百次的練習(xí)，在比賽中擺脫了情緒緊張的困擾，穩(wěn)定發(fā)揮. 在練習(xí)中，應(yīng)注重講課的流暢性和感染力，教態(tài)自然大方，面帶微笑，盡量減少習(xí)慣性小動(dòng)作，語(yǔ)言表達(dá)清晰明了，簡(jiǎn)潔準(zhǔn)確，適當(dāng)控制語(yǔ)速及語(yǔ)氣，運(yùn)用抑揚(yáng)頓挫的語(yǔ)調(diào)突出課程重點(diǎn). 雖然在備課過程中已經(jīng)初步形成了課程設(shè)計(jì)，但是在教學(xué)練習(xí)中仍不斷調(diào)整課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，力求達(dá)到最好的教學(xué)效果.

4 答辯準(zhǔn)備

在準(zhǔn)備答辯時(shí)，團(tuán)隊(duì)根據(jù)初賽評(píng)委的意見對(duì)作品做了進(jìn)一步的完善，為了更好地理論聯(lián)系實(shí)驗(yàn)，重新對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差進(jìn)行了分析處理. 在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)存在各種因素造成的誤差，誤差分析尤為重要，它可以將實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、步驟融為一體，是學(xué)生加深對(duì)實(shí)驗(yàn)理解的關(guān)鍵手段，也是實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的重要途徑. 在思考答辯過程中評(píng)委可能會(huì)提問題，團(tuán)隊(duì)著重從實(shí)驗(yàn)誤差的角度探究：在實(shí)驗(yàn)中，如果考慮水膜的重力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)如何變化？待測(cè)液體的純度會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生怎樣的影響？如果在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，玻璃皿的中心與載物臺(tái)的中心不共線，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生怎樣的影響？知識(shí)儲(chǔ)備固然重要，禮節(jié)問題也不容忽視，在進(jìn)行答辯時(shí)，一定注意對(duì)評(píng)委要有禮貌，實(shí)事求是，靈活運(yùn)用自己掌握的內(nèi)容，切忌胡亂編造.

5 結(jié)束語(yǔ)

從備賽到參賽是漫長(zhǎng)且艱辛的過程. 比賽初期，從課標(biāo)要求和評(píng)審標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，選擇合適的參賽題目；在備課時(shí)要注意完整性和邏輯性，把握好課堂重難點(diǎn)，適當(dāng)進(jìn)行拓展，豐富教學(xué)內(nèi)容；在答辯前閱讀大量文獻(xiàn)，模擬答辯環(huán)境，猜想評(píng)委可能會(huì)提出的問題并做出解答. 比賽檢閱了參賽者的動(dòng)手操作能力和觀察能力，促進(jìn)了思維發(fā)展，培養(yǎng)了理論與實(shí)踐相結(jié)合、創(chuàng)新與實(shí)踐相結(jié)合的能力，學(xué)習(xí)到了制作課件和講課的技巧，提升了教學(xué)能力. 這些在比賽過程中積累的經(jīng)驗(yàn)[15]，都將成為寶貴的財(cái)富，在參賽者的心里熠熠生輝.