淺談物理基礎課程(實驗)青年教師講課比賽的備課細節

秦平力

(武漢工程大學 數理學院，湖北 武漢 430205)

全國高等學校物理基礎課程青年教師講課比賽由教育部高等學校大學物理課程教學指導委員會、教育部高等學校物理學類專業教學指導委員會和中國物理學會物理教學委員會聯合舉辦. 從2014年起已經連續舉辦了5屆(包含大學物理理論課和大學物理實驗課兩大類，每類比賽隔年舉行)，其影響力逐年擴大. 這項比賽旨在“以賽促教”——提升教學水平，使學生真正受益；“以賽促改”——促進教育改革，落實《大學物理課程教學基本要求》和《大學物理實驗課程教學基本要求》；“以賽促交”——建立教學經驗交流的有效途徑；“以賽助優”——為一線優秀青年教師提供發展機會. 作為全國大學物理教學類最高賽事，比賽極大地激發了青年教師投身物理基礎課程教學的熱情，加強了物理學科在培養基礎性人才中的積極作用，提高了物理學科教師隊伍質量，提升了大學物理教學水平，促進了高校物理教學的建設.

大學物理實驗是一門面向理工科非物理類專業大學生獨立開設的、必修的實驗技術基礎課程. 系統的物理實驗動手能力訓練，有利于大學生在未來職業生涯中從容應對新一輪科技革命和產業變革. 提升大學物理實驗課堂教學效果對于提高大學生科學素養和高校人才培養能力至關重要. 上好大學物理實驗課程，備好實驗課是關鍵. 一場講課比賽是平時講課的縮影. 為了在比賽中取得較好的成績，賽前需要做好周密的備課工作. 這樣才能真正實現“以賽促教”、“以賽促改”、“以賽促交”和“以賽助優”的目的，引導學生自主實驗與探究分析，提高學生解決問題的能力，從根本上提高學生實訓水平.

1 研讀講課比賽要求與評分細則

比賽要求與評分細則是物理基礎課講課比賽的總綱. 賽前，首先要明晰比賽要求與評分細則. 隨著比賽的不斷完善，比賽要求與評分細則也會與時俱進. 不管是省賽、地區賽，還是全國賽，比賽要求和評分細則都大同小異. 下面是2019年湖北省大學物理實驗講課比賽要求和評分細則.

1.1 講課比賽要求

比賽講課部分主要涉及實驗思想、基本方法、原理、概念，以及根據教學需要穿插的歷史背景或應用舉例等. (15 min)

提問部分主要涉及實驗現象與物理原理的聯系，或實驗現象與設備調整之間的關系/原則/思路，或誤差的分析與處理，等等. (10 min)

2部分均不涉及具體設備.

1.2 比賽評分細則

1)講解內容正確，概念準確，條理清晰，邏輯性強，符合教學基本要求. (20分)

2)實驗原理、實驗方案設計、實驗與科技(或日常生活)聯系；講解深入淺出，內容取舍合理、詳略得當，符合學生認知規律. (20分)

3)講解生動，語言規范，富有啟發性、互動性效果；PPT和板書運用得當. (20分)

4)回答評委提問思維敏捷，內容正確，語言精煉準確. (30分)

5)授課特色及總體印象分. (10分)

根據講課比賽要求和評分細則，選手應按照撰寫科學論文的要求與態度，不斷思量備課內容，完善實驗比賽課件. 以下原則性的問題必須在備課的過程中認真思考[1-2]：備課設計是否符合大學生的認識規律；實驗授課內容是否取舍合理、詳略得當，符合教學基本要求和大學生的認知水平；物理思想與思維是否深挖與拓展；備課各部分邏輯思維是否連貫、清晰；實驗提問是否準備充分；備課設計“出彩點”在哪里，如何突出自己的特色.

2 備課細節

一般來說，大學物理實驗課包含實驗背景、實驗目的、實驗原理、實驗儀器、實驗內容、實驗步驟、數據記錄、數據處理、實驗小結、拓展應用等10個部分. 為了充分展示自己的講課風采，在大學物理實驗講課比賽的備課過程中，結合比賽大綱，著重從實驗教材與講義、實驗儀器、學生認知、評委提問、授課方式等幾個方面下功夫.

2.1 備好實驗教材(或講義)

實驗教材(或講義)是備課的依據. 一般而言，大學物理實驗教材根據實驗儀器編寫. 絕大多數《大學物理實驗》的實驗項目編寫包括實驗背景、實驗目的、實驗原理、實驗儀器、實驗內容、實驗步驟、數據記錄、數據處理、思考題等部分. 賽前，挖掘教材中以上幾部分內在邏輯關系，合理“串聯”. 根據實驗項目和學生認知等特點，可對以上幾部分講解順序做適當調整. 例如：拉脫法測量液體表面張力系數實驗中，根據學生的認知特點，可以將實驗儀器的介紹提前到實驗原理前，這樣學生在清晰掌握儀器的結構后，對實驗原理的理解更加深刻. 也可以放在實驗原理后講解，加強實驗授課的內在邏輯性和連貫性.

不同的學校，大學物理實驗教材不同，對學生的實驗要求也不同. 備課過程中，多選用幾所學校的大學物理實驗教材作為參考，從中了解不同實驗教材對同一個實驗項目的共性要求和個性要求. 根據教學大綱以及大學生認知的特點，合理確定實驗內容以及相應實驗要求，以免漏掉應該講解的實驗內容. 根據少數大學物理實驗教材的個性要求，可以將其進行適當延伸，作為實驗拓展內容.

2.2 備好實驗儀器

實驗儀器是學生進行實驗的重要載體. 在比賽大綱中，講課部分和提問部分均不涉及具體設備，但學生掌握實驗原理和物理實驗本質，是從實驗儀器開始的. 這就需要教師從實驗說明書出發，清楚掌握實驗儀器每一部分的工作原理、測量方法、測量精度等. 備好實驗儀器要求實驗教師理解物理實驗的本質，而不是只講儀器旋鈕使用. 在課件設計過程中，對實驗儀器介紹內容有所取舍. 著重從學生的認知水平及規律出發，在巧妙設計實驗思路等方面下功夫，例如：密立根油滴實驗測電子電荷、用拉伸法測量鋼絲的楊氏模量以及邁克耳孫干涉等實驗，物理精髓是將微觀量(或變化微小量)向宏觀量(或放大量)進行轉化，備課過程中，著重從這方面深挖實驗儀器的設計思想及實驗原理的實現方式. 如在拉脫法測量液體表面張力系數實驗備課過程，著重從以下問題出發：測量力的方式和方法有哪些？為什么要選取力敏傳感器？力敏傳感器怎樣實現對微小力進行測量？力敏傳感器的測量范圍與實驗精度的關系怎樣？合理布局授課的先后順序，有助于學生對實驗原理的清晰認識.

在備好實驗儀器的過程中，還要著重思考每一項操作所關聯的物理現象和物理量的變化，學生在操作過程中可能出現的各種實驗現象，備好幾種應對方案，這樣也有利于在提問環節從容地回答評委提出的問題.

2.3 備好雙主體

大學生是實驗學習的主體、實驗教學的對象；比賽的評委是比賽評價的主體，直接關系到比賽成績. 賽前，認真備好這2個主體.

實驗課的教學方式與方法應符合學生對實驗的認知水平與認識規律. 備學生就是要了解學生，包括備好學生的心理特點、已有知識、已有經驗、已有技能、學習困難、經驗轉化、意義建構和學習興趣等方面，突出師生真實互動，了解彼此需要. 當前，大學生對大學物理實驗又“怕”又“愛”，“怕”緣于物理理論的深奧及對實驗儀器不熟悉產生畏懼心理；“愛”緣于物理實驗是操作實驗，具有親身體驗感. 教師要避免閉門設想，需要長期堅持一線教學，不斷輪換實驗項目，不斷總結教學經驗，備好學生這一主體，并根據實驗的特點，從中找到學生對某一物理實驗項目的“需求”. 根據自己的長期教學經驗，在保證實驗課完整性的基礎上，突出重、難點. 例如：在用拉伸法測量鋼絲的楊氏模量實驗中，學生在調節光杠桿時會產生畏難情緒. 在“分光計調節和使用”和“示波器調節和使用”實驗中，對儀器的調節也是如此. 這些地方應重點講解并加以指導.

評委是比賽評價的主體. 從省賽、區賽到國賽都有評委提問環節，提問涉及到實驗原理、實驗方法、實驗現象、實驗操作、實驗數據等方面. 由于評委來自不同地區、不同類型的高校，對參賽教師抽取的實驗項目的熟悉程度不同，提出的問題難易程度不同. 同時，實驗難易程度不同，拓展領域不同，也會導致提出的問題難易程度不同. 無論評委是否熟悉實驗，其提出的問題都可能超出基礎物理實驗要求，甚至涉及到科研實驗領域. 為了使自己的回答“出彩”，必須在實驗備課時，從實驗內容的深度與廣度下功夫. 例如：在牛頓環實驗中，在反射一側觀察干涉環，如果在透射一側觀察，又會得到怎樣的干涉圖?兩者有何區別？這樣的問題緣于牛頓環實驗，但又高于該實驗；在用拉伸法測量鋼絲的楊氏模量中，如果問到：隨著拉力的增加，楊氏模量怎樣變化，為什么會有這樣的變化？這樣的問題，涉及到楊氏模量隨力變化規律，需要從數據處理過程得到正確的回答，這也考查了教師對數據處理的深入理解. 要想精彩地回答此問題，必須從2方面回答：從測量精度來看，螺旋測微器的測量精度無法準確測出直徑微小變化，長度變化通過光桿杠測量，可認為楊氏模量是常量，這只是常規性回答，并不出彩. 作為教師，應深入研究. 隨著拉力的增加，鋼絲中鐵原子間的間距增加，因而鋼絲的直徑減小，長度變長，但體積增大，鋼絲密度變小. 如果能有效地測出鋼絲直徑的變化，楊氏模量隨拉力的增加而增加. 這樣的回答已將教學延伸到晶體結構學，體現選手對實驗研究的深度和廣度，更能打動評委.

有時，評委提問時，故意設“陷阱”. 如果選手有相關專業背景、扎實的實驗功底和長期一線實驗教學與儀器維修經歷，可以成功避免掉進“陷阱”. 即使一不小心掉進“陷阱”，也會做到靈活地設法自救，成功實現“逆襲”.

2.4 注重講課手段的合理性

目前，講課手段主要有傳統黑板教學方式和以PPT為主的多媒體教學方式. 黑板教學方式最大的優點是教師把教學重點和難點展示在黑板上,方便學生記憶與思考，但板書時間長，難以控制比賽講課的節奏；多媒體教學的優勢是利用圖片、動畫、視頻等教學資源[3]，通過PPT的版面設計、呈現方式、播放進程等多方面精心地安排，圖文聲像并茂，產生優良的視聽效果，變抽象為具體，變靜為動，多角度、全方位調動和激發學生的積極性和興趣，同時，還節約了板書時間. 但教學進度較快，課件信息量大，每頁內容停留時間短，不利于學生記憶、思考、消化和吸收.

正確認識和處理傳統教學與多媒體教學之間的關系[4]，充分利用各自的優勢，取長補短. 從教學的真正需要著手，認真研究所講實驗項目的特點，針對不同的教學內容選擇不同的教學形式. 切忌多媒體教學過分追求表現形式，避免自定義設計與背景音樂襯托等喧賓奪主，分散學生的注意力和忽略了學生的認識水平和記憶特點.

在評分細則中，“PPT和板書運用得當”是評價標準之一. 無論板書還是PPT，都應該圍繞教學內容展開. 在備課設計過程中，以實際的教學效果為最終目標，是否要有板書需考慮到自己的書寫速度和板書設計是否合理、美觀，對整個實驗比賽是否增分. 因此，板書在實驗講課比賽中并不一定是必選項，具體看賽區的比賽要求及實驗項目教學內容的需要.

目前，絕大多數選手傾向采用PPT多媒體為主的教學比賽方式. PPT頁面設計整體上盡量做到風格一致，簡潔大方，色彩搭配適宜，動畫設計合理恰當，著重解決實驗項目中的重難點、實驗現象變化細節與關鍵點、學生容易忽略的地方及注意事項等相關內容，層層推進，避免雜亂無章.

2.5 注重解讀“實驗原理”與“實現原理”

實驗原理是指建立在大量觀察、科學實驗和社會實踐的基礎上，經分析、推理、歸納、概括而得到的事物存在和運動規律，并且對這一事物的存在和運動規律中含有某一物理量作為研究對象，根據測定該物理量的原理基礎而進行相應的實驗設計. 實驗原理主要包括物理知識、裝置原理和操作原理3部分，是實驗設計、操作、觀察以及結論的依據和思路，涉及到物理原理、實驗現象與結果出現的原因、實驗方法、實驗裝置和器材、重要實驗步驟設計、實驗過程、實驗結果分析等所依據的物理道理. 只有明確了實驗原理，才能真正掌握實驗的關鍵、操作的要點，進而改進和創新實驗設計.

實現原理的實質是實驗儀器的設計思路，即實驗儀器如何實現實驗原理. 這是培養學生創新思維的重要方面，是實驗創新設計的出發點. 實現原理涉及到測量方法、測量工具、測量精度、測量誤差、實驗步驟及數據處理等多方面. 在講課比賽過程，對實驗原理部分往往把握得很好，但對實現原理卻準備不足或思考不深[5]. 例如：拉脫法測量液體表面張力系數時為什么要選取力敏傳感器？為了回答此問題，必須弄清力敏傳感器的測量原理、測量范圍、測量精度及相對其他測量方法(例如約利彈簧秤)的優勢. 這樣對測量誤差產生的原因及實驗注意事項有清晰的認識. 又例如：在落球法測量液體黏度實驗中，弄清如下問題：小鋼球半徑與液體流動之間關系，液體擾動對實驗精度的影響，螺旋測微器測量的小鋼球半徑是否是小球下落過程中的小鋼球半徑、落球法相對于毛細管法的優勢.

因此，在備課階段，應充分準備好競賽時所選用的測量方法，同時，與其他方法進行比較，找出幾種測量方法在測量原理、測量范圍和測量精度的異同，從而也有利于從容應對專家組的提問.

2.6 注重講課的內在邏輯性與完整性

注重實驗講課的邏輯性，在備課設計階段充分考慮到實驗教學的深入淺出. 要實現這一目標，首先透徹理解教學內容，站在學生的角度，考慮以學生能夠接受的方式呈現，合理安排教學過程，靈活、恰當的教學方法能夠有效調動學生思維和學習積極性.

大學物理實驗課包含的10個部分，除了重點設計實驗原理外，必須突出實驗儀器的實現原理及其相關的誤差分析. 同時，在邏輯上處理好各部分之間的關系，注重實驗課的每一部分的自然銜接與承上啟下，讓實驗課渾然一體. 在備課過程中，不同的實驗項目，備課側重點不同，例如分光計的調節與使用實驗備課重點在合理調節分光計；用拉伸法測量鋼絲的楊氏模量實驗備課的重點是光杠桿實現微小長度變化的測量；用拉脫法測量液體表面張力系數實驗備課的重點是力與電壓實現轉換及注意事項.

目前，實驗比賽講課要求在15 min內講完大學物理實驗所包含的10個部分. 對于有些實驗時間肯定不夠. 因此，在教學過程中，對這10個部分不能簡單、生硬地壓縮，在保證實驗課的完整性的前提下，對實驗教學設計內容合理取舍.

2.7 深挖物理思維(或思想)

物理思維是個體運用正確的世界觀和方法論對現象和事物進行分析、綜合、判斷、推理等思考過程，是創新能力的基礎，也是物理實驗教學的最終目的. 深挖物理思維就是要在備課過程中，做到“立足一點、四面開花”，立足于解決某一問題，多方面多角度地考慮，將科學思維發散到更加廣泛的空間，提高學生的科學判斷能力，豐富學生的想象力. 例如，在牛頓環實驗中，將所用的數學方法、放大測量法、觀察法、探究法、列表法、分析歸納法等科學思維方法進行總結，將科學思維方式引入實驗教學，提高實驗效果[6]. 利用發散性思維方式將用拉伸法測量鋼絲的楊氏模量實驗中用到的光杠桿測量法類比到原子力顯微鏡、卡文迪許扭秤實驗、復射式(脈沖式)靈敏電流計及光線記錄示波器等實驗中，拓展光杠桿測量法應用領域[7]. 利用平衡思想對液體黏度的測定、密里根油滴實驗、用霍爾元件測磁場、惠斯通電橋測電阻等實驗進行測量方式總結，在傳統物理測量量(如：質量、溫度、電流、壓強、力矩、轉速等)的基礎上，引導學生對測量設計思想進行重新認識，切實深挖每個實驗的物理思維與物理思想.

2.8 備課突出講課時的“出彩”點

突出講課時的“出彩”點能有效地吸引評委專家和學生的注意，在講課過程中起到畫龍點睛的作用. 首先，在課件的引入部分下功夫. 可將日常生活現象、物理學史、科學前沿進展、國際時事、重大的科學或工程成果等作為課件“出彩”點，也可以以提問的方式吸引評委專家和學生的注意力. 在實驗原理部分，用動畫的形式突顯實驗原理實現細節作為“出彩”點，加強學生對實驗原理的理解. 在實驗觀察過程中，在學生不容易注意處進行動畫設計，突顯實驗原理的實現方式. 在課件收尾部分，對實驗進行拓展與總結，力爭首尾呼應，引導學生對實驗知識延伸與分析. 最后，重視評委的提問，在這個環節也會贏得認可.

2.9 備課需要注意的其他事項

在平時的教學過程中，實驗教師除了研究實驗儀器和教材外，課后及時總結和反思實驗過程，與實驗課教師相互聽課、評課，并在競賽前集體備課，讓有經驗的實驗教師指出所講實驗課的問題，避免課件中出現不必要的錯誤.

所有的教學設計與內容都要靠教師來實現. 賽前，要意識到講課的親和力、感染力及啟發性，要富有激情，儀表得體，教態自然大方，語言準確、簡潔、凝練、流暢，語速節奏恰當，肢體語言運用合理. “抑揚頓挫”固然可好，但不能表演式地講課，應當引導學生思考，把主題，完整地呈現知識體系和重點難點，提高課堂教學效率.

合理控制講課時間是關鍵，提前結束講課或超時都會被扣分. 盡管在比賽現場有2 min提示，選手要考慮比賽時講課和自己課堂講課及模擬講課的不同. 在備課階段，設計相應的應對方案.

最后，心態做到“盡力而為，看淡結果”. 患得患失會給評委極不自然的印象，像平時課堂一樣，享受講課過程，也許更容易水到渠成.

3 結束語

筆者有幸親身經歷第5屆全國高等學校物理基礎課程青年教師講課比賽全程. 從賽前準備到賽后反思，結合自身參與講課比賽的經歷與體會，就青年教師如何準備講課比賽、如何設計物理實驗課堂等方面分享心得體會，總結備課過程應注意的細節. 希望對青年教師提高教學能力、實現自身價值有所幫助，以期提高基礎物理實驗教學授課質量和教學水平.