樊代和

(1.物理國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(西南交通大學(xué))，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610031)

從2017年始，教育部高等學(xué)校大學(xué)物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)、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(huì)和中國(guó)物理學(xué)會(huì)物理教學(xué)委員會(huì)等三委員會(huì)聯(lián)合，決定每2年舉辦全國(guó)高等學(xué)校物理基礎(chǔ)課程(實(shí)驗(yàn))青年教師講課比賽(下稱講課比賽). 該項(xiàng)賽事的目的為：進(jìn)一步激發(fā)和鼓勵(lì)青年教師投身物理基礎(chǔ)教學(xué)，提升教學(xué)水平，推動(dòng)教學(xué)改革，交流教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量. 按照比賽規(guī)則，整個(gè)比賽分為省級(jí)預(yù)賽、地區(qū)級(jí)復(fù)賽和全國(guó)決賽3個(gè)階段. 筆者有幸參加了2017年舉辦的首屆講課比賽的四川省預(yù)賽(四川大學(xué)承辦)、西南地區(qū)復(fù)賽(四川大學(xué)承辦)和全國(guó)決賽(廣西師范大學(xué)承辦)，并分別獲得了一等獎(jiǎng)的成績(jī). 2019年，筆者還有幸觀摩了第2屆講課比賽四川省預(yù)賽(四川大學(xué)承辦)和全國(guó)決賽(云南師范大學(xué)承辦)的全過(guò)程. 通過(guò)2017年的實(shí)際參賽和2019年觀摩更多教師的講課比賽，總結(jié)出幾點(diǎn)心得體會(huì)，希望能夠和國(guó)內(nèi)從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的老師共勉.

首先，不論是進(jìn)行講課比賽還是實(shí)際面對(duì)學(xué)生講授的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課，在教學(xué)設(shè)計(jì)中，青年教師一定把握哪些內(nèi)容是講授的重點(diǎn)，哪些是輔助教學(xué)內(nèi)容而應(yīng)該適當(dāng)進(jìn)行講解.為此，筆者認(rèn)為每位青年教師首先要仔細(xì)閱讀并深刻學(xué)習(xí)由教育部高等學(xué)校物理學(xué)與天文學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)、物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委會(huì)于2010年3月31日頒布的《理工科類大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求》文件[1](以下簡(jiǎn)稱“基本要求文件”). 該“基本要求文件”明確了實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)內(nèi)容基本要求、對(duì)學(xué)生的能力培養(yǎng)要求、分層次教學(xué)基本要求以及教學(xué)模式、教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的基本要求. 在此基礎(chǔ)之上，才能設(shè)計(jì)某一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的講授，使學(xué)生更好地達(dá)到該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)要求. 事實(shí)上，整個(gè)講課比賽的3個(gè)階段，競(jìng)賽規(guī)則都明確了比賽內(nèi)容要涵蓋此文件內(nèi)容. 筆者在講課比賽的觀摩過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，部分青年教師為了能夠達(dá)到比賽中所謂的“出彩”效果，在比賽要求的15 min內(nèi)，超過(guò)86%的時(shí)間講授某一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的相關(guān)背景，只留有少部分時(shí)間進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目重點(diǎn)內(nèi)容(如實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)測(cè)量、數(shù)據(jù)分析和處理等)的講授. 顯然，這種備課設(shè)計(jì)使得整個(gè)講課過(guò)程本末倒置，因?yàn)椤盎疽笪募敝刑岬降?點(diǎn)基本教學(xué)要求沒有進(jìn)行重點(diǎn)講授，反而提到的“適當(dāng)介紹物理實(shí)驗(yàn)史料”部分變成了重點(diǎn)講授內(nèi)容. 筆者認(rèn)為這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)，從科普?qǐng)?bào)告的角度而言，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的興趣，但無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ约胺治雠c研究能力，也即無(wú)法達(dá)到“基本要求文件”中提到的能力培養(yǎng)要求.

其次，盡管是實(shí)驗(yàn)課，但青年教師應(yīng)注重與大學(xué)物理理論課內(nèi)容的相結(jié)合.這一點(diǎn)主要體現(xiàn)在針對(duì)某一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)原理部分講授上. 通常，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的實(shí)驗(yàn)原理是指完成該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所依據(jù)的物理概念、規(guī)律等相關(guān)的物理原理. 事實(shí)上，實(shí)驗(yàn)原理部分是實(shí)驗(yàn)課中應(yīng)該重點(diǎn)講授的內(nèi)容之一，例如，什么是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量？什么是等傾干涉？光柵衍射規(guī)律是什么？駐波是如何形成的以及其特點(diǎn)是什么？邁克耳孫干涉儀中補(bǔ)償板的作用是什么以及是否必須使用？ 在大學(xué)物理理論課的講授中，這些具體的物理知識(shí)概念與原理通常都會(huì)講授，但是在實(shí)驗(yàn)課的設(shè)計(jì)和講授過(guò)程中，需要青年教師務(wù)必清晰并且準(zhǔn)確地掌握這些概念和規(guī)律，特別是其中的物理機(jī)制. 筆者在講課比賽的觀摩過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，有個(gè)別青年教師在評(píng)委的提問環(huán)節(jié)，不能正確地從物理概念或原理出發(fā)回答評(píng)委提出的問題，甚至將一些物理基本概念，如分振幅和分波前干涉概念互相混淆，即出現(xiàn)答非所問的情況. 鑒于此，筆者認(rèn)為從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課講授的教師，應(yīng)該經(jīng)常與從事大學(xué)物理理論課講授工作的教師互相交流，這樣一方面可以充實(shí)相關(guān)實(shí)驗(yàn)的理論知識(shí)，另一面又可以了解學(xué)生的學(xué)習(xí)背景，進(jìn)而有針對(duì)性地進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)和授課.

第三，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課的講授時(shí)，青年教師要避免“想當(dāng)然”主義的出現(xiàn).例如，在邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn)中，為什么分束鏡的透射率和反射率比要固定在50∶50(即分束鏡的強(qiáng)度反射率和透射率要相等)，而不用如40∶60，或者30∶70的分束鏡呢？此問題，是筆者于2017年參加講課比賽時(shí)曾遇到過(guò)的問題，同時(shí)也是2019年講課比賽中，有評(píng)委提出的問題. 在筆者從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程中，從來(lái)沒覺得這是問題. 因此當(dāng)有專家提出此問題時(shí)，筆者依據(jù)普通2束光干涉時(shí)，只有2束光強(qiáng)度相同時(shí)才能獲得可見度最高的干涉原理，“想當(dāng)然”地回答到：在邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn)中，只有透射率和反射率比為50∶50的分束鏡，才能觀察到可見度最高的干涉. 但事實(shí)證明，這種基于“想當(dāng)然”主義的結(jié)論是完全錯(cuò)誤的. 按照邁克耳孫干涉的原理圖，很容易計(jì)算得出在觀察屏上出現(xiàn)干涉條紋強(qiáng)度的最大值和最小值(即干涉亮紋和暗紋的強(qiáng)度值). 從計(jì)算結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，不論分束鏡透射率和反射率比是多少，干涉暗紋的強(qiáng)度值永遠(yuǎn)為0，或者說(shuō)，利用單色光進(jìn)行的邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn)中，可見度永遠(yuǎn)為最大值1，與分束鏡的透射反射比無(wú)關(guān). 因此，上述“想當(dāng)然”地回答諸如此類問題，必定會(huì)給出錯(cuò)誤的結(jié)論. 事實(shí)上，從理論計(jì)算結(jié)果也可以看出，只有采用透射率和反射率比為50∶50的分束鏡，才能獲得強(qiáng)度值最大的干涉亮紋，這才是關(guān)于上述問題的正確答案. 再比如，還是針對(duì)此實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，有評(píng)委提出問題：如果用鈉燈完成邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn)，在動(dòng)鏡細(xì)微移動(dòng)過(guò)程中，出現(xiàn)了干涉可見度先減小又增大的現(xiàn)象，是什么原因？參賽教師在回答此問題時(shí)，“想當(dāng)然”地認(rèn)為是由于鈉光燈光源的相干性不夠造成的. 但事實(shí)上，該現(xiàn)象是由于鈉燈具有波長(zhǎng)相近的2條譜線所造成的，相關(guān)的現(xiàn)象也有報(bào)道和解釋[2]. 基于以上實(shí)際出現(xiàn)的事例，筆者認(rèn)為，針對(duì)任何實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的現(xiàn)象和問題，青年教師都應(yīng)避免“想當(dāng)然”主義現(xiàn)象的出現(xiàn)，而是應(yīng)該具體問題具體分析，從實(shí)驗(yàn)原理出發(fā)，有依據(jù)地對(duì)學(xué)生進(jìn)行講授和解釋.

第四，日常實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，青年教師要關(guān)注學(xué)生提出的實(shí)驗(yàn)問題.在實(shí)驗(yàn)課中，由于學(xué)生的基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)層次不同，具體的實(shí)驗(yàn)情況是千變?nèi)f化的，往往學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)或遇到教材中沒有提及的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，甚至部分學(xué)生會(huì)提出教師無(wú)法回答的問題. 當(dāng)然，可能大部分情況下，學(xué)生提出的問題均是由于沒有掌握實(shí)驗(yàn)原理，或者由于沒有正確操作實(shí)驗(yàn)儀器而導(dǎo)致的. 但是，如果授課教師能夠及時(shí)關(guān)注并認(rèn)真分析部分學(xué)生提出的有意義問題，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行詳細(xì)地研究并總結(jié)成文，不論對(duì)教師更加深入地了解此實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，還是對(duì)“基本要求文件”中提出的培養(yǎng)學(xué)生“理論聯(lián)系實(shí)際的能力”，均大有益處. 在今年的講課比賽提問環(huán)節(jié)中，評(píng)委提出的部分問題，筆者在日常的實(shí)驗(yàn)課講授時(shí)，就曾有學(xué)生提到過(guò). 例如，在硅光電池的光電特性實(shí)驗(yàn)中，評(píng)委提出過(guò)如果使用不同波長(zhǎng)的光源進(jìn)行此實(shí)驗(yàn)研究，會(huì)有什么影響的問題. 筆者在授課中，學(xué)生提出此問題后，及時(shí)地對(duì)此問題進(jìn)行了關(guān)注并做了文獻(xiàn)調(diào)研. 例如，文獻(xiàn)[3]就研究了太陽(yáng)能電池的光譜響應(yīng)特性，因此，當(dāng)筆者將此文獻(xiàn)介紹給學(xué)生后，該學(xué)生受此啟發(fā)，并在此基礎(chǔ)上分析研究硅光電池實(shí)驗(yàn)中的溫度效應(yīng)，并將其實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果總結(jié)為科研論文. 基于此，筆者認(rèn)為，如果青年教師在日常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，能夠認(rèn)真關(guān)注學(xué)生提出的實(shí)驗(yàn)問題，一方面在講課比賽中可以準(zhǔn)確地回答評(píng)委提出的問題，更為重要的是，對(duì)“基本要求文件”提出的培養(yǎng)學(xué)生的分析與研究能力、理論聯(lián)系實(shí)際能力將起到積極的作用.

第五，在具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面，青年教師應(yīng)在其所在高校實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件基礎(chǔ)上，設(shè)法逐步將傳統(tǒng)的基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容過(guò)渡到設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.在2017年的講課比賽全國(guó)決賽中，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題目只占所有參賽選手提交題目的7.4%[4]. 在今年的講課比賽決賽中，筆者也發(fā)現(xiàn)有部分參賽選手所講的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過(guò)于單薄，這將導(dǎo)致有一定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)技能的學(xué)生，可在較短的時(shí)間(例如不超過(guò)30 min)內(nèi)，正確完成該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所要求的內(nèi)容. 當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容的選取主要取決于青年教師所在高校針對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程編寫的教學(xué)大綱內(nèi)容. 但是，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目太少，一方面不能滿足“基本要求文件”中提出的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)應(yīng)占10%左右的比例要求，另一方面，基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)如果不加以擴(kuò)展，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力. 基于此，筆者認(rèn)為，青年教師應(yīng)充分發(fā)揮其主觀積極性，爭(zhēng)取在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件基礎(chǔ)上，對(duì)其所在高校開設(shè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，特別是原理較為簡(jiǎn)單、實(shí)際動(dòng)手能力要求不高的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容進(jìn)行擴(kuò)充，以此來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力. 值得借鑒的方法有2種，其一是可以將“基本要求文件”中提出的，關(guān)于測(cè)量誤差與不確定度評(píng)估知識(shí)融入到具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容中，用以分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì). 例如，筆者曾提出將測(cè)量不確定分析應(yīng)用到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的方法[5]. 利用該方法，進(jìn)一步擴(kuò)充了分光計(jì)測(cè)量三棱鏡折射率實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[6]. 另一種值得借鑒的方法是，可以將某個(gè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的技術(shù)原理應(yīng)用到另外一個(gè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中. 例如，筆者曾指導(dǎo)學(xué)生分別將邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn)原理以及光柵衍射實(shí)驗(yàn)原理應(yīng)用到楊氏彈性模量實(shí)驗(yàn)中微小伸長(zhǎng)量的測(cè)量[7-8]，用以解決傳統(tǒng)楊氏彈性模量測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的一些不利因素. 相信通過(guò)如上所述的2種方法，一方面可以在不改變現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件的情況下，進(jìn)一步提升實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)性要求，另一方面也可以實(shí)現(xiàn)“基本要求文件”中提出的針對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)要求.

總之，通過(guò)實(shí)際參加2017年首屆實(shí)驗(yàn)講課比賽和觀摩2019年第2屆實(shí)驗(yàn)講課比賽，并且結(jié)合一些具體的實(shí)驗(yàn)案例，例如邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn)、硅光電池特性研究實(shí)驗(yàn)、光柵衍射實(shí)驗(yàn)以及楊氏彈性模量測(cè)量等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，筆者總結(jié)出了5點(diǎn)心得體會(huì). 通過(guò)親身經(jīng)歷的實(shí)驗(yàn)問題以及觀摩中發(fā)現(xiàn)的問題，給出了相應(yīng)的解決方案. 希望這些心得體會(huì)能夠?qū)窈髤⒓釉擁?xiàng)賽事的青年教師和國(guó)內(nèi)工作在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)一線的教師提供一定的借鑒作用.