物理基础课程(实验)青年教师讲课比赛的参赛与观摩心得体会

樊代和

(1.物理国家级实验教学示范中心(西南交通大学)，四川 成都 610031；2.西南交通大学 物理科学与技术学院，四川 成都 610031)

从2017年始，教育部高等学校大学物理基础课程教学指导委员会、教育部高等学校物理学类专业教学指导委员会和中国物理学会物理教学委员会等三委员会联合，决定每2年举办全国高等学校物理基础课程(实验)青年教师讲课比赛(下称讲课比赛). 该项赛事的目的为：进一步激发和鼓励青年教师投身物理基础教学，提升教学水平，推动教学改革，交流教学经验，提高人才培养质量. 按照比赛规则，整个比赛分为省级预赛、地区级复赛和全国决赛3个阶段. 笔者有幸参加了2017年举办的首届讲课比赛的四川省预赛(四川大学承办)、西南地区复赛(四川大学承办)和全国决赛(广西师范大学承办)，并分别获得了一等奖的成绩. 2019年，笔者还有幸观摩了第2届讲课比赛四川省预赛(四川大学承办)和全国决赛(云南师范大学承办)的全过程. 通过2017年的实际参赛和2019年观摩更多教师的讲课比赛，总结出几点心得体会，希望能够和国内从事物理实验教学的老师共勉.

首先，不论是进行讲课比赛还是实际面对学生讲授的大学物理实验课，在教学设计中，青年教师一定把握哪些内容是讲授的重点，哪些是辅助教学内容而应该适当进行讲解.为此，笔者认为每位青年教师首先要仔细阅读并深刻学习由教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会、物理基础课程教学指导分委会于2010年3月31日颁布的《理工科类大学物理实验课程教学基本要求》文件[1](以下简称“基本要求文件”). 该“基本要求文件”明确了实验课的教学内容基本要求、对学生的能力培养要求、分层次教学基本要求以及教学模式、教学方法和实验学时的基本要求. 在此基础之上，才能设计某一实验项目的讲授，使学生更好地达到该实验项目的学习要求. 事实上，整个讲课比赛的3个阶段，竞赛规则都明确了比赛内容要涵盖此文件内容. 笔者在讲课比赛的观摩过程中发现，部分青年教师为了能够达到比赛中所谓的“出彩”效果，在比赛要求的15 min内，超过86%的时间讲授某一实验项目的相关背景，只留有少部分时间进行该实验项目重点内容(如实验原理、实验步骤、实验测量、数据分析和处理等)的讲授. 显然，这种备课设计使得整个讲课过程本末倒置，因为“基本要求文件”中提到的5点基本教学要求没有进行重点讲授，反而提到的“适当介绍物理实验史料”部分变成了重点讲授内容. 笔者认为这样的教学设计，从科普报告的角度而言，可以激发学生学习大学物理实验课程的兴趣，但无法培养学生的独立实验能力以及分析与研究能力，也即无法达到“基本要求文件”中提到的能力培养要求.

其次，尽管是实验课，但青年教师应注重与大学物理理论课内容的相结合.这一点主要体现在针对某一实验项目的实验原理部分讲授上. 通常，实验项目中的实验原理是指完成该实验项目所依据的物理概念、规律等相关的物理原理. 事实上，实验原理部分是实验课中应该重点讲授的内容之一，例如，什么是转动惯量？什么是等倾干涉？光栅衍射规律是什么？驻波是如何形成的以及其特点是什么？迈克耳孙干涉仪中补偿板的作用是什么以及是否必须使用？ 在大学物理理论课的讲授中，这些具体的物理知识概念与原理通常都会讲授，但是在实验课的设计和讲授过程中，需要青年教师务必清晰并且准确地掌握这些概念和规律，特别是其中的物理机制. 笔者在讲课比赛的观摩过程中发现，有个别青年教师在评委的提问环节，不能正确地从物理概念或原理出发回答评委提出的问题，甚至将一些物理基本概念，如分振幅和分波前干涉概念互相混淆，即出现答非所问的情况. 鉴于此，笔者认为从事大学物理实验课讲授的教师，应该经常与从事大学物理理论课讲授工作的教师互相交流，这样一方面可以充实相关实验的理论知识，另一面又可以了解学生的学习背景，进而有针对性地进行教学设计和授课.

第三，在进行实验课的讲授时，青年教师要避免“想当然”主义的出现.例如，在迈克耳孙干涉实验中，为什么分束镜的透射率和反射率比要固定在50∶50(即分束镜的强度反射率和透射率要相等)，而不用如40∶60，或者30∶70的分束镜呢？此问题，是笔者于2017年参加讲课比赛时曾遇到过的问题，同时也是2019年讲课比赛中，有评委提出的问题. 在笔者从事实验教学的过程中，从来没觉得这是问题. 因此当有专家提出此问题时，笔者依据普通2束光干涉时，只有2束光强度相同时才能获得可见度最高的干涉原理，“想当然”地回答到：在迈克耳孙干涉实验中，只有透射率和反射率比为50∶50的分束镜，才能观察到可见度最高的干涉. 但事实证明，这种基于“想当然”主义的结论是完全错误的. 按照迈克耳孙干涉的原理图，很容易计算得出在观察屏上出现干涉条纹强度的最大值和最小值(即干涉亮纹和暗纹的强度值). 从计算结果中可以发现，不论分束镜透射率和反射率比是多少，干涉暗纹的强度值永远为0，或者说，利用单色光进行的迈克耳孙干涉实验中，可见度永远为最大值1，与分束镜的透射反射比无关. 因此，上述“想当然”地回答诸如此类问题，必定会给出错误的结论. 事实上，从理论计算结果也可以看出，只有采用透射率和反射率比为50∶50的分束镜，才能获得强度值最大的干涉亮纹，这才是关于上述问题的正确答案. 再比如，还是针对此实验项目，有评委提出问题：如果用钠灯完成迈克耳孙干涉实验，在动镜细微移动过程中，出现了干涉可见度先减小又增大的现象，是什么原因？参赛教师在回答此问题时，“想当然”地认为是由于钠光灯光源的相干性不够造成的. 但事实上，该现象是由于钠灯具有波长相近的2条谱线所造成的，相关的现象也有报道和解释[2]. 基于以上实际出现的事例，笔者认为，针对任何实验过程中出现的现象和问题，青年教师都应避免“想当然”主义现象的出现，而是应该具体问题具体分析，从实验原理出发，有依据地对学生进行讲授和解释.

第四，日常实验教学中，青年教师要关注学生提出的实验问题.在实验课中，由于学生的基础和学习层次不同，具体的实验情况是千变万化的，往往学生会发现或遇到教材中没有提及的实验现象，甚至部分学生会提出教师无法回答的问题. 当然，可能大部分情况下，学生提出的问题均是由于没有掌握实验原理，或者由于没有正确操作实验仪器而导致的. 但是，如果授课教师能够及时关注并认真分析部分学生提出的有意义问题，指导学生进行详细地研究并总结成文，不论对教师更加深入地了解此实验内容，还是对“基本要求文件”中提出的培养学生“理论联系实际的能力”，均大有益处. 在今年的讲课比赛提问环节中，评委提出的部分问题，笔者在日常的实验课讲授时，就曾有学生提到过. 例如，在硅光电池的光电特性实验中，评委提出过如果使用不同波长的光源进行此实验研究，会有什么影响的问题. 笔者在授课中，学生提出此问题后，及时地对此问题进行了关注并做了文献调研. 例如，文献[3]就研究了太阳能电池的光谱响应特性，因此，当笔者将此文献介绍给学生后，该学生受此启发，并在此基础上分析研究硅光电池实验中的温度效应，并将其实验分析结果总结为科研论文. 基于此，笔者认为，如果青年教师在日常的实验教学中，能够认真关注学生提出的实验问题，一方面在讲课比赛中可以准确地回答评委提出的问题，更为重要的是，对“基本要求文件”提出的培养学生的分析与研究能力、理论联系实际能力将起到积极的作用.

第五，在具体实验内容方面，青年教师应在其所在高校实际实验条件基础上，设法逐步将传统的基础验证型实验项目内容过渡到设计性实验内容.在2017年的讲课比赛全国决赛中，设计性实验题目只占所有参赛选手提交题目的7.4%[4]. 在今年的讲课比赛决赛中，笔者也发现有部分参赛选手所讲的实验内容过于单薄，这将导致有一定实验基础技能的学生，可在较短的时间(例如不超过30 min)内，正确完成该实验项目所要求的内容. 当然，实验项目内容的选取主要取决于青年教师所在高校针对大学物理实验课程编写的教学大纲内容. 但是，设计性实验项目太少，一方面不能满足“基本要求文件”中提出的设计性实验应占10%左右的比例要求，另一方面，基础验证性实验如果不加以扩展，不利于培养学生的创新能力. 基于此，笔者认为，青年教师应充分发挥其主观积极性，争取在现有的实验条件基础上，对其所在高校开设的实验内容，特别是原理较为简单、实际动手能力要求不高的实验项目内容进行扩充，以此来培养学生的创新能力. 值得借鉴的方法有2种，其一是可以将“基本要求文件”中提出的，关于测量误差与不确定度评估知识融入到具体的实验项目内容中，用以分析实验结果和进行实验的设计. 例如，笔者曾提出将测量不确定分析应用到大学物理实验设计中的方法[5]. 利用该方法，进一步扩充了分光计测量三棱镜折射率实验内容[6]. 另一种值得借鉴的方法是，可以将某个大学物理实验内容的技术原理应用到另外一个大学物理实验项目中. 例如，笔者曾指导学生分别将迈克耳孙干涉实验原理以及光栅衍射实验原理应用到杨氏弹性模量实验中微小伸长量的测量[7-8]，用以解决传统杨氏弹性模量测量实验中的一些不利因素. 相信通过如上所述的2种方法，一方面可以在不改变现有实验条件的情况下，进一步提升实验内容设计性要求，另一方面也可以实现“基本要求文件”中提出的针对学生的创新能力培养要求.

总之，通过实际参加2017年首届实验讲课比赛和观摩2019年第2届实验讲课比赛，并且结合一些具体的实验案例，例如迈克耳孙干涉实验、硅光电池特性研究实验、光栅衍射实验以及杨氏弹性模量测量等实验项目，笔者总结出了5点心得体会. 通过亲身经历的实验问题以及观摩中发现的问题，给出了相应的解决方案. 希望这些心得体会能够对今后参加该项赛事的青年教师和国内工作在物理实验教学一线的教师提供一定的借鉴作用.