樊曉箏，申詩琪，尚 軍

(河南師范大學 物理學國家級實驗教學示范中心，河南 新鄉(xiāng) 453007)

全國大學生物理實驗競賽由國家實驗教學示范中心聯(lián)席會、全國高等學校實驗物理教學研究會、中國物理學會等聯(lián)合舉辦，至今已連續(xù)舉辦了6屆. 該項賽事的主要目的為：激發(fā)學生對物理實驗的興趣與實踐潛能，幫助學生在物理實驗中提高創(chuàng)新能力、實踐能力和團隊協(xié)作意識；該賽事也將有力促進物理實驗教學改革工作的不斷發(fā)展，提高物理實驗教學的質(zhì)量與水平. 筆者團隊有幸參加了第6屆全國大學生物理實驗競賽(創(chuàng)新賽)講課比賽并榮獲一等獎. 本文主要針對競賽第3類別——大學生物理實驗講課比賽，從前期準備、備課過程、賽前練習以及答辯準備等環(huán)節(jié)總結(jié)了此次參賽經(jīng)驗，對如何高效且有針對性地完成參賽作品進行具體論述.

1 備課前準備

按照規(guī)則，整個比賽分為以網(wǎng)絡初審形式進行的初賽評審和以線上答辯形式進行的復賽評審2個階段. 筆者團隊的參賽題目是“拉脫法測定液體表面張力系數(shù)”. 首先研讀評審標準，如圖1所示，主要從教學手段、物理思維、課程思政、科學前沿等方面圍繞評審標準展開備賽工作，在比賽過程中不斷改進，大幅提升了教學能力.

圖1 備賽重點內(nèi)容概括

1.1 研讀課標

為了把握課程重難點，筆者研讀了2010年版《理工科類大學物理實驗課程教學基本要求》[1]. 大學物理實驗是學生在大學期間進行科學訓練的重要環(huán)節(jié)，對教師備課的要求較為嚴格：需要掌握課標要求的實驗教學基本內(nèi)容，結(jié)合實驗原理和方法處理實驗數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學生分析與研究的能力；清楚常用的實驗方法并學會應用，例如，在液體表面張力系數(shù)測定實驗中利用轉(zhuǎn)換法將力學量的測量轉(zhuǎn)換為電學量的測量，鍛煉學生用物理實驗方法解決問題的能力；具有一定的知識儲備，將物理學史和實驗的應用融入到課堂中，使學生對實驗的理解更加透徹.

1.2 研讀評審標準

在比賽之初，團隊研讀了組委會制定的評審標準，以便能夠在短時間內(nèi)有針對性地完成備課. 例如，在初賽的評審標準中明確指出教學內(nèi)容要具有前沿性和時代性，能夠反映社會和學科領域發(fā)展新成果和新趨勢，針對這一標準，可以選擇貼近現(xiàn)今物理前沿發(fā)展的實驗課題，由此，團隊選擇了大學物理實驗中液體表面張力系數(shù)測定實驗. 在教學過程中還應注重培養(yǎng)學生的科學素質(zhì)與思維習慣，激發(fā)學生的學習興趣；把握好時間分配，還可以適時加入課程思政，塑造學生卓越擔當?shù)钠犯?

2 備課內(nèi)容

2.1 教學手段

目前，常見的教學手段主要有以板書為主的傳統(tǒng)教學和以互聯(lián)網(wǎng)為基礎的多媒體教學，前者最大的優(yōu)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，但教學模式比較單一，而且沒有動態(tài)感，不利于學生準確理解[2]；后者可以使學生更加直觀地了解物理知識內(nèi)容，還節(jié)約了板書時間，但是教學進度較快，不利于學生消化和吸收[3].

在評審標準中，教學展示包含教學課件和板書設計2部分，二者都應從教學需要入手進行設計，教學手段服務于課堂內(nèi)容，避免出現(xiàn)人隨課件走或板書過于繁重的情況. 完整的大學生物理實驗課程，不僅涉及實驗原理和基本步驟，還需包含實驗背景、物理學史和拓展應用等內(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)教學方式為主，會導致學生理解困難，且時間較為緊張，課程內(nèi)容不能完全展開. 經(jīng)過綜合考慮，團隊決定在講課環(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生體會；利用板書梳理重難點，將在實驗中用到的公式通過板書推導，幫助學生著重記憶. 將新媒體技術和傳統(tǒng)教學方法合理地結(jié)合，充分利用二者的優(yōu)勢.

2.2 課程導入

對于實驗課，好的課程導入對教學效果起著關鍵作用. 課程導入環(huán)節(jié)可以通過生活情景、物理學史、演示實驗以及視頻素材等不同方式展開. 在導入過程中，注重課堂知識的銜接、學生興趣的激發(fā)和創(chuàng)新導入的形式以及提升導入的效果[4]. 在液體表面張力系數(shù)測定實驗中，團隊選取了實驗引入的方式，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)了學生的學習興趣.

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

2.4 物理思維

新時代新工科更加注重學生思維和能力的培養(yǎng)，使學生能夠在未來工程設計、開發(fā)、制作等工程實踐中運用恰當?shù)乃季S解決問題[7]. 通過課堂讓學生學習到物理思維方法，遠比學會做實驗更重要. 以液體表面張力系數(shù)測定實驗為例，在實驗中團隊利用力敏傳感器將力學量的測量轉(zhuǎn)化為電學量的測量時所用到的轉(zhuǎn)化法，是物理研究數(shù)據(jù)測量中重要的方法，在講授課程時，以此展開討論，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性思維.

2.5 課程思政與科學前沿

在課程中融入物理學史，可以使學生更深刻地理解物理的本質(zhì)，提高學生的核心素養(yǎng)，而中國古代物理學拓展，無疑是培養(yǎng)學生愛國情懷的最佳途徑. 中國在物理學的發(fā)展歷程中，有很多卓越的發(fā)明與貢獻[8]. 以液體表面張力現(xiàn)象為例(見圖4)，關于表面張力和固液間浸潤性的描述，根據(jù)史料記載最早可以追溯到西漢年間. 淮南王劉安通過細致的觀察，在《淮南萬畢術》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計中，可以激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)愛國主義情感.

圖4 《淮南萬畢術》中的物理學史

在評審標準中，教學內(nèi)容的前沿性和時代性占有一定的分值. 前沿物理處在社會發(fā)展的最前端，用發(fā)展的眼光審視基礎性內(nèi)容. 在大學生物理實驗課程中增添前沿物理的內(nèi)容，可以開闊學生眼界，提升學習興趣，為學生進一步學習物理前沿知識作鋪墊，幫助學生樹立正確的、完善的科學觀[10]. 例如，在液體表面張力系數(shù)測定實驗中，結(jié)合課程內(nèi)容，加入A. T. Oratis等2020年發(fā)表在《Science》關于黏性泡沫的倒塌機理的最新成果，該研究工作表明黏性泡沫倒塌時形成的褶皺，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態(tài)應力才是氣泡行為和起皺不穩(wěn)定性的主要驅(qū)動機制[11]，同時留下了與液體表面張力有關的第33屆國際青年物理學家競賽(IYPT)中的題目(肥皂膜過濾器)，為學生留出思考的空間.

2.6 邏輯關系

如何形成清晰的講課思路，是團隊在備課時一直思考的問題，想要形成清晰的講課思路，不僅需要把握好環(huán)節(jié)之間的邏輯關系，也應注重每個環(huán)節(jié)自身的邏輯關系. 例如，在介紹實驗儀器時，切忌簡單羅列儀器名稱，注重儀器各個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驗原理和實驗現(xiàn)象的聯(lián)系、實驗操作與實驗現(xiàn)象的聯(lián)系.

以液體表面張力系數(shù)測定實驗為例，圖5所示為實驗中用到的主要儀器. 在進行實驗儀器介紹時，從載物臺開始，載物臺可以放置盛有待測液體的玻璃器皿，載物臺的上方是力敏傳感器，傳感器上的掛鉤可以用來放置實驗中所要用到的吊環(huán)，吊環(huán)被緩慢均勻地從液面上拉脫，可以通過載物臺下方的調(diào)節(jié)大螺母來實現(xiàn)，吊環(huán)拉脫過程中力學量的變化可以通過力敏傳感器轉(zhuǎn)化為電信號，電壓表的示數(shù)可以通過數(shù)字電壓顯示屏直接讀出，對于電壓表的調(diào)零可以通過調(diào)零旋鈕來實現(xiàn). 當介紹儀器的思路清晰后，進一步可以導出實驗步驟的框架，整個實驗教學過程環(huán)環(huán)相扣，連接緊密.

圖5 實驗儀器

想要使整節(jié)課的邏輯嚴謹清晰，需要教師透徹理解教學內(nèi)容，站在學生的角度設計教學過程. 在比賽中會出現(xiàn)時間不夠的情況，要注意在保證實驗課完整性的基礎上，對實驗教學設計內(nèi)容合理壓縮，不能破壞整堂課的邏輯關系[12].

3 賽前練習

3.1 實驗操作

評審標準中要求：教學過程無科學性錯誤，實驗操作熟練、規(guī)范. 科學性與思想性統(tǒng)一原則為教學原則中重要的原則之一，對于實驗課教學，實驗操作不能出現(xiàn)錯誤. 團隊對于實驗步驟和操作都進行了斟酌，在細節(jié)方面如游標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，結(jié)合實驗現(xiàn)象分析推導，確定讀取電壓表示數(shù)最大值記為U1，對應吊環(huán)所受豎直向下方向的合力F1[14].

3.2 教學實操

參賽者最終要呈現(xiàn)給評委的是1堂完整的實驗課，備課僅僅是開始，在完成課程設計之后，要進行教學實操. 在比賽之前，團隊每天到實驗室練習實驗操作和講課，定期和指導教師進行比賽模擬，經(jīng)過了近百次的練習，在比賽中擺脫了情緒緊張的困擾，穩(wěn)定發(fā)揮. 在練習中，應注重講課的流暢性和感染力，教態(tài)自然大方，面帶微笑，盡量減少習慣性小動作，語言表達清晰明了，簡潔準確，適當控制語速及語氣，運用抑揚頓挫的語調(diào)突出課程重點. 雖然在備課過程中已經(jīng)初步形成了課程設計，但是在教學練習中仍不斷調(diào)整課程設計環(huán)節(jié)，力求達到最好的教學效果.

4 答辯準備

在準備答辯時，團隊根據(jù)初賽評委的意見對作品做了進一步的完善，為了更好地理論聯(lián)系實驗，重新對實驗誤差進行了分析處理. 在實驗數(shù)據(jù)測量時存在各種因素造成的誤差，誤差分析尤為重要，它可以將實驗目的、原理、步驟融為一體，是學生加深對實驗理解的關鍵手段，也是實驗創(chuàng)新的重要途徑. 在思考答辯過程中評委可能會提問題，團隊著重從實驗誤差的角度探究：在實驗中，如果考慮水膜的重力，實驗結(jié)果會如何變化？待測液體的純度會對實驗結(jié)果產(chǎn)生怎樣的影響？如果在實驗操作時，玻璃皿的中心與載物臺的中心不共線，會對實驗結(jié)果產(chǎn)生怎樣的影響？知識儲備固然重要，禮節(jié)問題也不容忽視，在進行答辯時，一定注意對評委要有禮貌，實事求是，靈活運用自己掌握的內(nèi)容，切忌胡亂編造.

5 結(jié)束語

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