大學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注和好評，參賽人數連年遞增。但是，大學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，導致在實際操作過程中出現策略性失誤或競賽成績不佳。以大學物理實驗項目“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節、初賽的電子資源制作和決賽現場講課等方面的技術和細節問題，以期對大學生參加此類競賽提供指導和幫助。

關鍵詞? 物理實驗；講課競賽；惠斯登電橋

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2023）09-0141-04

0? 引言

為了促進實踐教學改革，激發大學生對大學物理實驗課程的學習興趣和創新潛能，在實踐中培養學生的動手能力和創新精神，著力提高物理實驗教學質量和培養高素質創新型人才[1]，國家級實驗教學示范中心聯席會物理學科組、全國高等學校實驗物理教學研究會、教育部大學物理課程教學指導委員會大學物理實驗專項委員會和中國物理學會物理教學委員會聯合從2015年開始舉辦全國大學生物理實驗競賽，迄今為止已經舉辦七屆。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，競賽章程進行了改革和創新，增加了物理教學資源類開發和大學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涵。筆者團隊有幸連續兩年（2020年和2021年）參加全國大學生物理實驗競賽（創新）講課比賽，并獲得不錯的成績。

大學生物理實驗講課競賽作為一個新的賽事類別，主要是指要求大學生以學生身份角色在大學物理實驗課程的相關教學內容中選取某一個實驗內容，通過一定的形式把實驗內容講解出來，包括實驗目的、實驗原理、實驗儀器、實驗內容、操作技巧、數據處理、注意事項、課后思考等方面的內容。賽事特別強調創新性，包括教學過程創新、實驗方法創新及物理學科知識的應用創新等，反對照本宣科式的傳統講授方法。競賽的評判標準主要從教學理念、內容、過程、效果、儀態和展示等方面給出相應的等級分數，競賽的最終目的是以賽促教、以賽促改、以賽促交、以賽促學。

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行，決賽以現場講課和答辯的方式完成。實際上，每個省（區、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年全國大學生物理實驗競賽（創新）為例，從競賽隊伍組織、教學過程設計、電子視頻資源制作和現場講課答辯等方面來介紹備賽策略和實踐過程。

1? 準備過程

1.1? 競賽團隊組建

全國競賽工作委員會的第一輪競賽通知發布以后，就要著手組建一支參加講課競賽的師生團隊。盡管競賽規則只允許一名學生報名（2022年競賽規則修改為三名學生），在實際競賽過程中，一名學生根本完成不了比賽任務，很多事情必須有一個團隊協作配合才能完成。因此，一般要組建一支“三名學生+兩名指導教師”的講課競賽師生團隊。指導教師必須有深厚的物理學功底，熟悉大學物理實驗的教學要求和操作流程，對物理學的前沿技術和實驗教學的基本規律有獨到的見解。參賽的學生一般也要求物理基礎較好，且完成了大學物理實驗課程的學習，大二或大三的學生為佳，因為他們一般具備良好的動手操作和創新能力。當然，團隊里要有一名擅長演講或講解的學生負責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? 教學過程設計

根據實際情況，本團隊選擇“惠斯登電橋”這個電學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確地測量出電阻大小，而且用交換法來減小系統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和并聯電路中的所有電學知識，電路相對復雜，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《理工科類大學物理實驗課程基本教學要求（2010年版）》[2]，熟悉本課程對知識、技能和素養方面的要求標準，以及如何把這門功課中學習到的物理實驗方法運用到解決工程技術問題當中。還要集中學習組委會頒發的大學生物理實驗講課競賽的評審標準，這是項目能否取得優異成績的關鍵所在。比如評審標準要求“講課能夠激發學生的學習興趣，思考實驗教學多方面的育人作用，感悟課程的意義與價值，培養學生形成批判反思的思維習慣”。這就需要把現實生活中的實際物理場景引入課程設計當中，讓學生能夠有親近感，同時要設置師生互動環節，啟發學生思考現實中的物理問題，真實感受物理知識對人類科技進步的推動作用，增加課程亮色和內涵深度。

對照教學大綱和實驗儀器，讓參賽學生認真地把這個實驗完整地多操作幾遍，獨立完成實驗數據的記錄和處理，增加對實驗項目的理解深度，弄懂實驗背后的原理問題、設計問題、操作問題及理論模型和實際操作的聯系與區別。這個環節越仔細深入越好，讓團隊對這個項目有充分的認識和足夠的了解，充分考慮實驗過程中可能會出現的特殊情況。還有就是多學習慕課網站上別人對于本實驗項目的課程設計和講解技巧，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”。經過團隊協商，決定按照實驗背景、實驗目的、實驗儀器、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計環節。

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器，它的工作原理是什么？這就涉及電橋電路在現實生活中的具體應用問題。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，可以實現電阻、電感、電容、頻率、溫度、壓力等物理量的測量，也被廣泛應用于自動控制中[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行比較，重點突出電橋法測量電阻的優點和優勢。

實驗目的是完成實驗過程中要實現的一些具體目標，只需要把這些目標按照一定的邏輯順序講解出來即可，不需要過于仔細地解釋細節。這就如同一個實驗項目對實驗者提出的總體要求，但后面的所有環節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場，所以必須把一些功能復雜的儀器圖片在課件中展示出來，并且標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壓電源的使用方法，儀器按鈕多，且都是英文標識，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計和觀察測量過程的理論基礎。惠斯登電橋的基本思想就是通過電橋電路的巧妙設計，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系。通過交換橋臂上兩個相鄰電阻，就大大減小了系統誤差的影響，本來是需要三個參數來確定的結果變成只需要一個參數，大大提高了測量的準確度，如圖1所示。本項目的實驗數據處理公式繁多，過程參數復雜，要把導致不確定度的所有誤差因素都考慮進來分析[4]，重點公式要在黑板上板書推導，幫助學生重點理解和記憶。

實驗注意事項就是本實驗過程中必須嚴格遵守的一些實驗規則。如果不按照要求進行，輕則會致無法完成實驗內容，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回路；第二步，把檢流計接入電路中相對的兩個節點上；第三步，把電源接入另外兩個相對的節點上。交換測量時，只需要把標準電阻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一個大電阻才能通電使用。但是，當電橋接近平衡時，必須在保護電阻旁邊并聯一個短接電阻，相當于一根導線的功能，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容：一方面要介紹惠斯登電橋在現實生活中的具體應用，達到學以致用的目的，引導學生把實驗中學習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；另一方面要給學生布置一些習題，讓學生在課后練習，達到鞏固本次課程知識點的目的。

2? 初賽電子資源制作

前期的課程設計和PPT制作如果都已準備充分且多次反復練習，初賽中最重要的事情就是在實驗室里把整個教學全程錄制下來，制作出精美的電子視頻資源，可以適當增加片頭、片尾和字幕等內容，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內容的初衷。如果經費充足的話，可以請專業的視頻制作公司來錄制視頻和進行后期剪輯。專業公司可能會在圖像和視頻的處理上更加熟練和專業，但是由于他們沒有物理學的學科背景，對實驗教學規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1～2個視頻制作技術熟練的學生作為團隊成員，他們對課程內容和實驗步驟非常熟悉，讓他們來錄制課程和進行后期視頻剪輯，效果會更好，處理起來更加高效。

在拍攝的時候，團隊需要準備一些攝影和攝像器材，如高像素手機或者專業相機、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，先調整好機位角度，將手機曝光量調節至合適位置，固定好三角支架，現場要有專人負責指揮拍攝，盡量不要發出除講課之外的其他聲音。畫面的幅高比例和寬度應符合賽事要求的技術規范，若使用手機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軟件Adobe Premiere、After Effects、Moo0，視頻壓縮和轉換、剪映一般都夠用，按照講課腳本的順序剪輯視頻內容，處理好內容、聲音、字幕和圖像之間的關系。剪輯完成后，要對照競賽評審標準，仔細研究視頻里面的每個細節內容，不斷地更新和優化。

3? 決賽現場講課

如果團隊有幸在初賽的選拔過程中晉級，就要做好決賽現場的講課和答辯準備工作。如果說前期是通過一個講課視頻展示獲得決賽資格，那么現場講課和答辯就是學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，如實驗課程的設計，實驗授課PPT的效果，主講人的儀態儀表、課堂表現力以及能否準確地回答評委提出的一些問題。因為是學生主講實驗課程內容，評判標準不對授課效果方面作過高的要求，但是要求師生團隊進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，能夠做到發揮自如，發聲時抑揚頓挫。在決賽現場還需要做好一些非競賽性的準備工作，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物理實驗競賽中，大大豐富了賽事內容和形式，提高了廣大師生的參與程度。學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節要領，增強對大學物理實驗課程的深刻認識，增強大學生物理學習的效果。指導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生授課的效果，有時部分講課環節的巧妙設計讓人耳目一新，不斷反思個人平時上課過程中需要改進的地方，有利于達到以賽促教、教賽相長的目的。

5? 參考文獻

[1] 劉正欽，陳超，李萬淳，等.應用型人才培養的大學物理實驗教學模式探究與創新[J].桂林航天工業學院學報，2020（4）：534-537.

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

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

[4] 姚星星，鄭遠，何亮.自組式惠斯登電橋實驗結果的不確定度分析[J].大學物理實驗.2019（4）：100-102.

[5] 樊曉箏，申詩琪，尚軍.全國大學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.