大學(xué)生物理實驗講課競賽備賽策略研究

胡永金 陳杰 周曉紅 吳云沛 呂東燕

摘? 要? 作為最近兩年全國大學(xué)生物理實驗競賽中一個新的項目類別，物理實驗講課競賽受到越來越多的高校師生的關(guān)注和好評，參賽人數(shù)連年遞增。但是，大學(xué)生以講課者的身份來參加物理實驗講課競賽還是一件比較新鮮的事情，很多人并不熟悉競賽過程和備賽策略，導(dǎo)致在實際操作過程中出現(xiàn)策略性失誤或競賽成績不佳。以大學(xué)物理實驗項目“惠斯登電橋”的參賽過程為例，著重講述講課競賽的來歷、備賽的基本要素和環(huán)節(jié)、初賽的電子資源制作和決賽現(xiàn)場講課等方面的技術(shù)和細(xì)節(jié)問題，以期對大學(xué)生參加此類競賽提供指導(dǎo)和幫助。

關(guān)鍵詞? 物理實驗；講課競賽；惠斯登電橋

中圖分類號：G642.423? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2023）09-0141-04

0? 引言

為了促進(jìn)實踐教學(xué)改革，激發(fā)大學(xué)生對大學(xué)物理實驗課程的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新潛能，在實踐中培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新精神，著力提高物理實驗教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才[1]，國家級實驗教學(xué)示范中心聯(lián)席會物理學(xué)科組、全國高等學(xué)校實驗物理教學(xué)研究會、教育部大學(xué)物理課程教學(xué)指導(dǎo)委員會大學(xué)物理實驗專項委員會和中國物理學(xué)會物理教學(xué)委員會聯(lián)合從2015年開始舉辦全國大學(xué)生物理實驗競賽，迄今為止已經(jīng)舉辦七屆。為了鼓勵全國更多不同層次的高校參加此項賽事，從2020年起，競賽章程進(jìn)行了改革和創(chuàng)新，增加了物理教學(xué)資源類開發(fā)和大學(xué)生物理實驗講課競賽兩大類別，極大地豐富了物理實驗競賽的內(nèi)涵。筆者團(tuán)隊有幸連續(xù)兩年（2020年和2021年）參加全國大學(xué)生物理實驗競賽（創(chuàng)新）講課比賽，并獲得不錯的成績。

大學(xué)生物理實驗講課競賽作為一個新的賽事類別，主要是指要求大學(xué)生以學(xué)生身份角色在大學(xué)物理實驗課程的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容中選取某一個實驗內(nèi)容，通過一定的形式把實驗內(nèi)容講解出來，包括實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗儀器、實驗內(nèi)容、操作技巧、數(shù)據(jù)處理、注意事項、課后思考等方面的內(nèi)容。賽事特別強調(diào)創(chuàng)新性，包括教學(xué)過程創(chuàng)新、實驗方法創(chuàng)新及物理學(xué)科知識的應(yīng)用創(chuàng)新等，反對照本宣科式的傳統(tǒng)講授方法。競賽的評判標(biāo)準(zhǔn)主要從教學(xué)理念、內(nèi)容、過程、效果、儀態(tài)和展示等方面給出相應(yīng)的等級分?jǐn)?shù)，競賽的最終目的是以賽促教、以賽促改、以賽促交、以賽促學(xué)。

國賽一般包含初賽和決賽兩個階段，其中初賽參賽一般以提交視頻作品的形式進(jìn)行，決賽以現(xiàn)場講課和答辯的方式完成。實際上，每個省（區(qū)、市）在國賽之前還會舉辦省級的物理賽事，省級競賽的賽事規(guī)則同國賽類似，起到一定的提前練兵和篩選作用。

本文以“惠斯登電橋”實驗項目參加2021年全國大學(xué)生物理實驗競賽（創(chuàng)新）為例，從競賽隊伍組織、教學(xué)過程設(shè)計、電子視頻資源制作和現(xiàn)場講課答辯等方面來介紹備賽策略和實踐過程。

1? 準(zhǔn)備過程

1.1? 競賽團(tuán)隊組建

全國競賽工作委員會的第一輪競賽通知發(fā)布以后，就要著手組建一支參加講課競賽的師生團(tuán)隊。盡管競賽規(guī)則只允許一名學(xué)生報名（2022年競賽規(guī)則修改為三名學(xué)生），在實際競賽過程中，一名學(xué)生根本完成不了比賽任務(wù)，很多事情必須有一個團(tuán)隊協(xié)作配合才能完成。因此，一般要組建一支“三名學(xué)生+兩名指導(dǎo)教師”的講課競賽師生團(tuán)隊。指導(dǎo)教師必須有深厚的物理學(xué)功底，熟悉大學(xué)物理實驗的教學(xué)要求和操作流程，對物理學(xué)的前沿技術(shù)和實驗教學(xué)的基本規(guī)律有獨到的見解。參賽的學(xué)生一般也要求物理基礎(chǔ)較好，且完成了大學(xué)物理實驗課程的學(xué)習(xí)，大二或大三的學(xué)生為佳，因為他們一般具備良好的動手操作和創(chuàng)新能力。當(dāng)然，團(tuán)隊里要有一名擅長演講或講解的學(xué)生負(fù)責(zé)該實驗項目的全程講授，還要有人熟悉課件PPT的制作、課程視頻的拍攝事宜和后期的視頻剪輯工作。

1.2? 教學(xué)過程設(shè)計

根據(jù)實際情況，本團(tuán)隊選擇“惠斯登電橋”這個電學(xué)類的實驗作為參賽項目。這主要考慮到本實驗項目物理思想豐富，在不需要電壓表和電流表的情況下就能夠準(zhǔn)確地測量出電阻大小，而且用交換法來減小系統(tǒng)誤差的方法非常巧妙。還有一個基本考慮就是本實驗涵蓋了串聯(lián)和并聯(lián)電路中的所有電學(xué)知識，電路相對復(fù)雜，電子元件多，實驗步驟邏輯性強，也方便用視頻方式形象直觀地展示出來。

項目選定之后，師生共同研讀《理工科類大學(xué)物理實驗課程基本教學(xué)要求（2010年版）》[2]，熟悉本課程對知識、技能和素養(yǎng)方面的要求標(biāo)準(zhǔn)，以及如何把這門功課中學(xué)習(xí)到的物理實驗方法運用到解決工程技術(shù)問題當(dāng)中。還要集中學(xué)習(xí)組委會頒發(fā)的大學(xué)生物理實驗講課競賽的評審標(biāo)準(zhǔn)，這是項目能否取得優(yōu)異成績的關(guān)鍵所在。比如評審標(biāo)準(zhǔn)要求“講課能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，思考實驗教學(xué)多方面的育人作用，感悟課程的意義與價值，培養(yǎng)學(xué)生形成批判反思的思維習(xí)慣”。這就需要把現(xiàn)實生活中的實際物理場景引入課程設(shè)計當(dāng)中，讓學(xué)生能夠有親近感，同時要設(shè)置師生互動環(huán)節(jié)，啟發(fā)學(xué)生思考現(xiàn)實中的物理問題，真實感受物理知識對人類科技進(jìn)步的推動作用，增加課程亮色和內(nèi)涵深度。

對照教學(xué)大綱和實驗儀器，讓參賽學(xué)生認(rèn)真地把這個實驗完整地多操作幾遍，獨立完成實驗數(shù)據(jù)的記錄和處理，增加對實驗項目的理解深度，弄懂實驗背后的原理問題、設(shè)計問題、操作問題及理論模型和實際操作的聯(lián)系與區(qū)別。這個環(huán)節(jié)越仔細(xì)深入越好，讓團(tuán)隊對這個項目有充分的認(rèn)識和足夠的了解，充分考慮實驗過程中可能會出現(xiàn)的特殊情況。還有就是多學(xué)習(xí)慕課網(wǎng)站上別人對于本實驗項目的課程設(shè)計和講解技巧，畢竟每位教師對著同一個實驗項目有著不同的理解角度和深度，畢竟“他山之石，可以攻玉”。經(jīng)過團(tuán)隊協(xié)商，決定按照實驗背景、實驗?zāi)康摹嶒瀮x器、實驗原理、實驗步驟、注意事項和知識拓展這七個模塊來完成設(shè)計環(huán)節(jié)。

首先是實驗背景的引入，如同一個好的故事必須有一個精彩的開頭一樣。可以引入一個問題：家里的電熱水器都要在墻壁上安裝一個漏電保護(hù)器，它的工作原理是什么？這就涉及電橋電路在現(xiàn)實生活中的具體應(yīng)用問題。為了引入課程思政元素，可以介紹電橋電路的歷史淵源：在1833年由英國的克里斯蒂發(fā)明，1843年由查理斯·惠斯登推廣并用來測量電阻大小，后來逐漸演變成精密測量和自動控制中最有效的電路，可以實現(xiàn)電阻、電感、電容、頻率、溫度、壓力等物理量的測量，也被廣泛應(yīng)用于自動控制中[3]。這里還要把測量電阻的兩種常見方法即伏安法和電橋法進(jìn)行比較，重點突出電橋法測量電阻的優(yōu)點和優(yōu)勢。

實驗?zāi)康氖峭瓿蓪嶒炦^程中要實現(xiàn)的一些具體目標(biāo)，只需要把這些目標(biāo)按照一定的邏輯順序講解出來即可，不需要過于仔細(xì)地解釋細(xì)節(jié)。這就如同一個實驗項目對實驗者提出的總體要求，但后面的所有環(huán)節(jié)都不能偏離這個中心要求。

本項目中所用到的實驗儀器和電子元件眾多，所以在介紹時一般按照由主到輔、由大到小的順序來介紹，不僅要說明每個儀器的功能作用，還要介紹安全使用注意事項。講課競賽不同于課堂實景講課，很多儀器不能帶入競賽現(xiàn)場，所以必須把一些功能復(fù)雜的儀器圖片在課件中展示出來，并且標(biāo)出其常用功能鍵的文字說明，必要時還可以錄制一段儀器介紹視頻插入PPT中，方便評委深入了解本實驗中要用到的一些儀器。比如在本實驗中必須重點介紹雙路穩(wěn)壓電源的使用方法，儀器按鈕多，且都是英文標(biāo)識，所以必須用“圖片+文字”的形式來介紹儀器使用功能。

實驗原理是整個實驗設(shè)計和觀察測量過程的理論基礎(chǔ)?；菟沟请姌虻幕舅枷刖褪峭ㄟ^電橋電路的巧妙設(shè)計，可以在不用電壓表和電流表的情況下，通過比較兩點電位的方法來確定檢流計上有沒有電流通過，在電流為零時得出四個橋臂電阻大小的正比例關(guān)系。通過交換橋臂上兩個相鄰電阻，就大大減小了系統(tǒng)誤差的影響，本來是需要三個參數(shù)來確定的結(jié)果變成只需要一個參數(shù)，大大提高了測量的準(zhǔn)確度，如圖1所示。本項目的實驗數(shù)據(jù)處理公式繁多，過程參數(shù)復(fù)雜，要把導(dǎo)致不確定度的所有誤差因素都考慮進(jìn)來分析[4]，重點公式要在黑板上板書推導(dǎo)，幫助學(xué)生重點理解和記憶。

實驗注意事項就是本實驗過程中必須嚴(yán)格遵守的一些實驗規(guī)則。如果不按照要求進(jìn)行，輕則會致無法完成實驗內(nèi)容，重則有損壞儀器的可能。在實驗步驟的介紹中，主要介紹簡明快速的電路連接方法，簡稱“三步走”方法：第一步，先把電橋上的四個橋臂電阻連接成一個串聯(lián)回路；第二步，把檢流計接入電路中相對的兩個節(jié)點上；第三步，把電源接入另外兩個相對的節(jié)點上。交換測量時，只需要把標(biāo)準(zhǔn)電阻R0和待測電阻Rx交換即可，其他的電路基本上不用變動，大大地節(jié)約了線路連接時間，提高了實驗效率。同時，為保證檢流計的使用安全，必須在檢流計上串聯(lián)一個大電阻才能通電使用。但是，當(dāng)電橋接近平衡時，必須在保護(hù)電阻旁邊并聯(lián)一個短接電阻，相當(dāng)于一根導(dǎo)線的功能，這樣能提升檢流計的靈敏度。

知識拓展部分主要包含兩個方面的內(nèi)容：一方面要介紹惠斯登電橋在現(xiàn)實生活中的具體應(yīng)用，達(dá)到學(xué)以致用的目的，引導(dǎo)學(xué)生把實驗中學(xué)習(xí)到的方法和技能用來解決實際生活中的問題[5]，如圖2所示；另一方面要給學(xué)生布置一些習(xí)題，讓學(xué)生在課后練習(xí)，達(dá)到鞏固本次課程知識點的目的。

2? 初賽電子資源制作

前期的課程設(shè)計和PPT制作如果都已準(zhǔn)備充分且多次反復(fù)練習(xí)，初賽中最重要的事情就是在實驗室里把整個教學(xué)全程錄制下來，制作出精美的電子視頻資源，可以適當(dāng)增加片頭、片尾和字幕等內(nèi)容，但是不能過分地渲染和美化，否則就違背了展示課堂實際教學(xué)內(nèi)容的初衷。如果經(jīng)費充足的話，可以請專業(yè)的視頻制作公司來錄制視頻和進(jìn)行后期剪輯。專業(yè)公司可能會在圖像和視頻的處理上更加熟練和專業(yè)，但是由于他們沒有物理學(xué)的學(xué)科背景，對實驗教學(xué)規(guī)律和基本流程根本不了解，那么后期的視頻剪輯也是非常費時費力的。所以，參賽隊伍里面一般會拉進(jìn)1～2個視頻制作技術(shù)熟練的學(xué)生作為團(tuán)隊成員，他們對課程內(nèi)容和實驗步驟非常熟悉，讓他們來錄制課程和進(jìn)行后期視頻剪輯，效果會更好，處理起來更加高效。

在拍攝的時候，團(tuán)隊需要準(zhǔn)備一些攝影和攝像器材，如高像素手機(jī)或者專業(yè)相機(jī)、三角支架、云臺、補光燈，基本上就能夠滿足錄制的要求。在錄制時，先調(diào)整好機(jī)位角度，將手機(jī)曝光量調(diào)節(jié)至合適位置，固定好三角支架，現(xiàn)場要有專人負(fù)責(zé)指揮拍攝，盡量不要發(fā)出除講課之外的其他聲音。畫面的幅高比例和寬度應(yīng)符合賽事要求的技術(shù)規(guī)范，若使用手機(jī)拍攝盡量采用橫屏拍攝，幀率控制在60左右，保持正常流暢度。錄制時注意逆光和順光的選擇，一般來說順光的錄制效果更佳，若環(huán)境亮度不夠可以采用補光燈，或者剪輯的時候提高曝光率。

后期視頻剪輯選擇專業(yè)軟件Adobe Premiere、After Effects、Moo0，視頻壓縮和轉(zhuǎn)換、剪映一般都夠用，按照講課腳本的順序剪輯視頻內(nèi)容，處理好內(nèi)容、聲音、字幕和圖像之間的關(guān)系。剪輯完成后，要對照競賽評審標(biāo)準(zhǔn)，仔細(xì)研究視頻里面的每個細(xì)節(jié)內(nèi)容，不斷地更新和優(yōu)化。

3? 決賽現(xiàn)場講課

如果團(tuán)隊有幸在初賽的選拔過程中晉級，就要做好決賽現(xiàn)場的講課和答辯準(zhǔn)備工作。如果說前期是通過一個講課視頻展示獲得決賽資格，那么現(xiàn)場講課和答辯就是學(xué)生主講人和專家評委面對面地交流。這里介紹一下影響講課競賽效果的多個因素，如實驗課程的設(shè)計，實驗授課PPT的效果，主講人的儀態(tài)儀表、課堂表現(xiàn)力以及能否準(zhǔn)確地回答評委提出的一些問題。因為是學(xué)生主講實驗課程內(nèi)容，評判標(biāo)準(zhǔn)不對授課效果方面作過高的要求，但是要求師生團(tuán)隊進(jìn)行多次比賽實景模擬，熟練到一定程度之后，主講人就會逐漸擺脫講課的緊張感，能夠做到發(fā)揮自如，發(fā)聲時抑揚頓挫。在決賽現(xiàn)場還需要做好一些非競賽性的準(zhǔn)備工作，比如可以提前試一下PPT是否播放流暢，格式是否存在不兼容的問題，激光筆或翻頁器的使用是否熟悉，板書該寫在黑板上的哪個位置，這些都需要提前做好實際的演練工作。

4? 結(jié)束語

講課類項目作為一項全新的賽事類別被引入全國大學(xué)物理實驗競賽中，大大豐富了賽事內(nèi)容和形式，提高了廣大師生的參與程度。學(xué)生以其特殊的身份角色完成競賽活動之后，能更加深入地掌握實驗課程的各環(huán)節(jié)要領(lǐng)，增強對大學(xué)物理實驗課程的深刻認(rèn)識，增強大學(xué)生物理學(xué)習(xí)的效果。指導(dǎo)教師在參與競賽的過程中也收獲很多，以一名反串的角色多次聽取學(xué)生授課的效果，有時部分講課環(huán)節(jié)的巧妙設(shè)計讓人耳目一新，不斷反思個人平時上課過程中需要改進(jìn)的地方，有利于達(dá)到以賽促教、教賽相長的目的。

5? 參考文獻(xiàn)

[1] 劉正欽，陳超，李萬淳，等.應(yīng)用型人才培養(yǎng)的大學(xué)物理實驗教學(xué)模式探究與創(chuàng)新[J].桂林航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2020（4）：534-537.

[2] 教育部高等學(xué)校物理學(xué)與天文學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會，物理基礎(chǔ)課程教學(xué)分委員會.理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求理工科類大學(xué)物理實驗課程教學(xué)基本要求（2010年版）[M].北京：高等教育出版社，2011.

[3] 李俊，米未娜，雒曉鳳，等.淺談惠斯登電橋應(yīng)用[J].南方農(nóng)機(jī)，2017，48（19）：90-91.

[4] 姚星星，鄭遠(yuǎn)，何亮.自組式惠斯登電橋?qū)嶒灲Y(jié)果的不確定度分析[J].大學(xué)物理實驗.2019（4）：100-102.

[5] 樊曉箏，申詩琪，尚軍.全國大學(xué)生物理實驗競賽之講課比賽回顧與思考[J].物理實驗，2021，41（3）：32-36.