基于物理學(xué)科特點(diǎn)下教學(xué)競(jìng)賽工作原則的認(rèn)識(shí)與實(shí)踐

梁裕民

(陸軍軍事交通學(xué)院基礎(chǔ)部，天津 300161)

由教育部高等學(xué)校大學(xué)物理課程教學(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)(簡(jiǎn)稱三委員會(huì))聯(lián)合舉辦的全國(guó)高等學(xué)校物理基礎(chǔ)課程青年教師講課比賽，從2014年起已經(jīng)連續(xù)舉辦了4次(包含大學(xué)物理理論課和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課兩大類，每類比賽隔年舉行)。該比賽作為全國(guó)大學(xué)物理教學(xué)類最高賽事，極大地激發(fā)了青年教師投身物理基礎(chǔ)課程教學(xué)的熱情，比賽的影響力逐年擴(kuò)大，備受各院校的關(guān)注與重視。以比賽為牽引的一系列活動(dòng)，對(duì)提高物理學(xué)科教師隊(duì)伍質(zhì)量，提升大學(xué)物理教學(xué)水平，進(jìn)一步加強(qiáng)物理學(xué)科在人才培養(yǎng)中的基礎(chǔ)性起到了積極的作用。通過幾屆賽事活動(dòng)，我們積累了一些經(jīng)驗(yàn)做法，下面從對(duì)賽事的認(rèn)識(shí)、理論講課比賽的關(guān)注點(diǎn)和處理、物理實(shí)驗(yàn)講課比賽的關(guān)注點(diǎn)和處理、對(duì)比賽過程控制和結(jié)果應(yīng)用4個(gè)方面進(jìn)行交流。

1 對(duì)大學(xué)物理及實(shí)驗(yàn)青年教師講課比賽的認(rèn)識(shí)

三委員會(huì)在《全國(guó)高等學(xué)校物理基礎(chǔ)課程青年教師講課比賽實(shí)施方案(試行)》中明確提出比賽的目的為“激發(fā)和鼓勵(lì)青年教師投身物理基礎(chǔ)課程教學(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”[1]。上文明確闡述，比賽的目的不僅是為獲得比賽的結(jié)果，更重要的是通過組織比賽的系列活動(dòng)，提升課堂教學(xué)水平，提高教師授課能力，帶動(dòng)物理學(xué)科教學(xué)建設(shè)，從根本上提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的質(zhì)量。

從比賽賽制的3個(gè)階段設(shè)計(jì)(省、地區(qū)和全國(guó))、比賽內(nèi)容的全范圍隨機(jī)抽取(內(nèi)容范圍為《理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求、理工科類大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求》中的全部基本內(nèi)容)[2]，以及省賽、地區(qū)賽實(shí)施方案的寬自由度(規(guī)定省賽、地區(qū)賽參考本方案，結(jié)合當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)自行組織)，充分體現(xiàn)了三委員會(huì)重視比賽的實(shí)踐效能、重視比賽的牽引效應(yīng)、重視比賽的過程效果，我們認(rèn)為比賽在組織的過程中，只有嚴(yán)格地遵守公平、交流和共贏的基本原則，才能貫徹三委員會(huì)的設(shè)計(jì)意圖。

1.1 制度下的公平是整項(xiàng)賽事的基礎(chǔ)

1) 貫徹好比賽意圖，要使用好三委員會(huì)《關(guān)于預(yù)賽和復(fù)賽的指導(dǎo)性意見》賦予的權(quán)限，做好選拔與評(píng)獎(jiǎng)的權(quán)衡

一方面通過省賽、地區(qū)賽組織形式上的屬地化，例如題目的設(shè)置、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)化等環(huán)節(jié)，讓更多的不同類型的院校參加，加大比賽選手的覆蓋面，使選拔有得選；另一方面嚴(yán)格比賽的公平性，維護(hù)參賽單位和教師的參與熱情，權(quán)衡好選拔與評(píng)獎(jiǎng)的關(guān)系，使真正優(yōu)秀的選手被選出。強(qiáng)調(diào)獲復(fù)賽的選手在下一階段比賽的代表性，舉全省、全地區(qū)的力量，提高選手的講課能力，保證比賽的高質(zhì)量和教學(xué)引領(lǐng)作用，提高比賽參與者的榮譽(yù)感。

2) 貫徹好比賽意圖，要設(shè)計(jì)好比賽流程，恪守回避制，為充分交流和共同提高提供展示平臺(tái)

天津市市賽兩段制、回避制在實(shí)際操作中取得了較好的效果。兩段制就是將比賽分為兩個(gè)階段，在第一階段要求選手從教學(xué)基本要求中自選一個(gè)授課題目進(jìn)行教學(xué)展示，注重不同類型院校的融合度，提供教學(xué)展示平臺(tái)；在第二階段要求選手從組委會(huì)規(guī)定的若干題目中隨機(jī)抽取，強(qiáng)調(diào)教學(xué)基本功、知識(shí)點(diǎn)的寬泛度。兩段制不僅將不同特點(diǎn)選手的優(yōu)勢(shì)展示，以便交流提高，而且注意到教師教學(xué)基本素質(zhì)的要求，保證了比賽評(píng)比的全面性。同時(shí)天津市市賽恪守回避制，第一階段中分兩組進(jìn)行，同一院校的評(píng)委與選手不同組；第一階段勝出選手院校的評(píng)委，不再承擔(dān)第二階段評(píng)委工作，并合理使用最高分、最低分的權(quán)重，保證了比賽的公平性。

3) 貫徹好比賽意圖，要有應(yīng)對(duì)新問題的策略，漸進(jìn)提高比賽水平，輻射提升教學(xué)質(zhì)量

隨著比賽屆數(shù)的增加，比賽的關(guān)注度越來越高，比賽規(guī)模越來越大，面臨的新問題也隨之增加，處理新問題的基本原則是“漸進(jìn)提高比賽水平，輻射提升教學(xué)質(zhì)量”。天津市市賽第二階段的比賽題目由第一屆的10個(gè)提高到今年的16個(gè)，縱向與地區(qū)賽接軌，逐步增強(qiáng)到全國(guó)賽的水平；橫向與自身相比，通過逐年提高題目數(shù)，加強(qiáng)對(duì)參賽校準(zhǔn)備工作的引導(dǎo)，有效提升教學(xué)質(zhì)量。

1.2 高效、高質(zhì)的交流是賽事活動(dòng)的根本

1) 多對(duì)象交流，共同提高，包括評(píng)委與選手、選手與選手、舉辦校與參賽校、專業(yè)性院校和綜合性院校等

在評(píng)委與選手的交流中，要突出引導(dǎo)性和雙向性，評(píng)委有義務(wù)引導(dǎo)選手對(duì)物理教學(xué)方向性問題進(jìn)行研究，有責(zé)任挖掘發(fā)現(xiàn)選手的教學(xué)亮點(diǎn)進(jìn)行推廣；在選手與選手的交流中，要突出教學(xué)實(shí)踐中具體問題的處理，包括背景準(zhǔn)備、方法提煉和教法實(shí)踐等；在舉辦校與參賽校的交流中，要突出以賽促建下的學(xué)科教學(xué)發(fā)展問題；在專業(yè)性院校和綜合性院校的交流中，要突出不同類別物理教學(xué)的取長(zhǎng)補(bǔ)短，拓展物理教學(xué)理念。

2) 多時(shí)序交流，以賽促教，包括賽前擬定題目、課中旁聽、課后點(diǎn)評(píng)、賽后總結(jié)等，確立交流的多時(shí)全程

擬定題目不僅是“出題”，還肩負(fù)著“引導(dǎo)”作用，通過教學(xué)模塊的比重配比，貫徹基本要求；課中旁聽不僅是“選拔”，還肩負(fù)著“展示”作用，通過課程發(fā)現(xiàn)亮點(diǎn)，推廣教學(xué)經(jīng)驗(yàn)；課后點(diǎn)評(píng)不僅是評(píng)委組長(zhǎng)點(diǎn)評(píng)，還是評(píng)委和選手深入教點(diǎn)、教法討論的平臺(tái)，通過長(zhǎng)于授課時(shí)間的討論，取得更深層次的收獲；賽后總結(jié)不僅有執(zhí)行主席對(duì)業(yè)務(wù)的點(diǎn)評(píng)，還有監(jiān)事會(huì)委員對(duì)整個(gè)賽事的小結(jié)，通過多層面總結(jié)，達(dá)到以賽促賽、以賽促教。

3) 多目的交流，共取所需，包括校際差異、知識(shí)點(diǎn)理解、教學(xué)方法、比賽制度及建設(shè)等，確立交流的普惠性

不同類別的院校關(guān)注點(diǎn)不同，不同教師對(duì)同一知識(shí)點(diǎn)的理解不同，不同的教學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)教學(xué)方法的運(yùn)用不同，不同地區(qū)的屬地性引起的比賽制度和建設(shè)不同，比賽的組織工作，必須考慮到參與的不同需求，認(rèn)真做到“眾口能調(diào)”，求同存異地處理好比賽中的交流細(xì)節(jié)，從而達(dá)到共取所需的目的。

1.3 突出共贏是比賽活動(dòng)的唯一結(jié)果

在公平、交流和共贏的工作原則中，公平是基礎(chǔ)，交流是根本，共贏是活動(dòng)的唯一結(jié)果。處理好選拔與評(píng)獎(jiǎng)的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)校際間的共贏；處理好準(zhǔn)備過程與比賽進(jìn)行的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)比賽質(zhì)量和日常教學(xué)的共贏；處理好點(diǎn)評(píng)與交流的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)評(píng)委與選手共同提高的共贏；處理好參賽選手與非參賽選手的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)整體教學(xué)隊(duì)伍的共贏；處理好教務(wù)與院系部的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)學(xué)校和學(xué)科的共贏。選手、評(píng)委和組織者都是比賽的參與者，我們的工作對(duì)比賽有益、對(duì)教學(xué)有益、對(duì)教師有益、對(duì)學(xué)科有益，但根本一定是對(duì)我們的學(xué)生有益。

2 物理理論講課比賽的關(guān)注點(diǎn)和處理方法

作為組織者和評(píng)委，本節(jié)對(duì)物理理論講課比賽的關(guān)注點(diǎn)和處理方法與大家交流，希望組織者、評(píng)委和選手能有所借鑒。

2.1 物理課程是定位于方法導(dǎo)向下普遍問題定量研究的教學(xué)

數(shù)學(xué)、物理學(xué)、英語和計(jì)算機(jī)一般被定義為4門核心基礎(chǔ)課。它們的聯(lián)系與區(qū)別是，數(shù)學(xué)和物理是他知基礎(chǔ)課程(探究自然為基礎(chǔ))、英語和計(jì)算機(jī)為自知基礎(chǔ)(人類創(chuàng)造為基礎(chǔ))。數(shù)學(xué)、英語和計(jì)算機(jī)為語言，數(shù)學(xué)是自然的語言、英語與母語是交流的語言、計(jì)算機(jī)為信息的語言。物理學(xué)是應(yīng)用方向的平臺(tái)，物理學(xué)中的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、近代物理涵蓋了各個(gè)研究領(lǐng)域。物理學(xué)豐富的教學(xué)內(nèi)容是載體，系統(tǒng)的方法論的傳授是物理學(xué)的根本；物理學(xué)是本科教育中能淋漓盡致體會(huì)數(shù)學(xué)之美的首門課程，教師有義務(wù)教會(huì)教好學(xué)生用數(shù)學(xué)方法定量地解決應(yīng)用問題。方法導(dǎo)向下普遍問題定量研究的物理教學(xué)，就是引導(dǎo)學(xué)生對(duì)不同研究對(duì)象應(yīng)用恰當(dāng)?shù)难芯糠椒ǎ轿坏貙?duì)普遍問題進(jìn)行學(xué)習(xí)，在建立完備方法體系的同時(shí)，以課程中豐富的物理模型為基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而進(jìn)行定量分析，最終利用數(shù)學(xué)工具解決問題的能力，這種能力的培養(yǎng)對(duì)學(xué)生今后的實(shí)際工作具有深遠(yuǎn)意義。

2.2 比賽的關(guān)注點(diǎn)一：方法性

方法體系在教學(xué)進(jìn)程中起著導(dǎo)向作用，引導(dǎo)著整個(gè)教學(xué)進(jìn)程。物理課程中有隔離體法、能量法、守恒法、類比法、組合法、選系法、參考系變換法、演繹法、統(tǒng)計(jì)法、對(duì)稱法、力線法、特解法、旋轉(zhuǎn)矢量法、圖線法、波陣面法、波程差法、半波帶法、駐波方法、近似法及量綱法等20余種方法。物理學(xué)方法論有解釋原理、簡(jiǎn)單性原理、統(tǒng)一原理、守恒原理、對(duì)稱原理、數(shù)學(xué)化原理、對(duì)應(yīng)原理、互補(bǔ)原理、可觀察性原理、基元性原理等10大原理。以方法體系為綱，物理教學(xué)應(yīng)該著眼于分析解決問題能力的培養(yǎng)，結(jié)合內(nèi)容體系，構(gòu)建結(jié)構(gòu)科學(xué)、層次清晰、內(nèi)容充實(shí)的方法體系，并貫徹于一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的教授。

2.3 比賽的關(guān)注點(diǎn)二：內(nèi)容體系

物理課程的內(nèi)容體系具有很強(qiáng)的傳統(tǒng)性和經(jīng)典性，是教學(xué)的基礎(chǔ)。要強(qiáng)調(diào)內(nèi)容的瞻前顧后, 要注重方法的貫穿結(jié)合，切實(shí)將教學(xué)目標(biāo)由“教會(huì)學(xué)生學(xué)會(huì)什么知識(shí)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙龑?dǎo)學(xué)生掌握什么方法”。例如，質(zhì)點(diǎn)學(xué)、剛體學(xué)、振動(dòng)與波、相對(duì)論4部分的教學(xué)內(nèi)容差異很大，但方法都是由運(yùn)動(dòng)學(xué)切入，進(jìn)而進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，再由時(shí)空積累效應(yīng)過渡到守恒問題；數(shù)學(xué)工具維線又均為矢量、微積分和微分方程，根據(jù)其特點(diǎn)構(gòu)建主講質(zhì)點(diǎn)學(xué)、類比剛體學(xué)、分析振動(dòng)與波、綜合相對(duì)論的教法，將方法和數(shù)學(xué)工具與內(nèi)容融合在一起，形成以內(nèi)容為中心的教學(xué)融匯點(diǎn)，突出每個(gè)教學(xué)點(diǎn)內(nèi)容特色和方法特點(diǎn)。

2.4 比賽的關(guān)注點(diǎn)三：數(shù)學(xué)工具運(yùn)用

學(xué)生綜合數(shù)理能力是其今后處理科研和工程問題的關(guān)鍵。大學(xué)物理課程涉及數(shù)學(xué)分析、場(chǎng)論、概率論、復(fù)變函數(shù)、數(shù)理方程和線性代數(shù)6門課程中的矢量、微積分、微分方程、矩陣、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、場(chǎng)論、偏微分方程等30多種數(shù)學(xué)工具。講授內(nèi)容需要明確，用什么樣的數(shù)學(xué)工具，解決什么樣的物理問題，達(dá)到什么樣的研究結(jié)果，是否在比較物理思維和數(shù)學(xué)思維異同的基礎(chǔ)上，將兩者高度融合，使教學(xué)更具有可操作性和實(shí)際意義。

例如，微積分的分析方法是大學(xué)物理中的基本數(shù)學(xué)工具，從質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)到質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)；從功和能到剛體轉(zhuǎn)動(dòng)；從靜電場(chǎng)到穩(wěn)恒磁場(chǎng)，都有用微積分來解決的問題，將微積分這一數(shù)學(xué)工具作為一個(gè)教學(xué)融匯點(diǎn)，從微積分的思想去把握物理方法、解決物理問題，勢(shì)必會(huì)在課程內(nèi)容的展開與學(xué)生數(shù)理能力的培養(yǎng)方面收到良好的效果。

2.5 比賽的關(guān)注點(diǎn)四：媒體工具

正確的教學(xué)媒體選擇對(duì)完善課程教學(xué)運(yùn)行細(xì)節(jié)、提高教學(xué)質(zhì)量具有事半功倍的效果。反對(duì)將一切講解都形象化、簡(jiǎn)單化，應(yīng)著重培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力。

物理學(xué)具有板書、投影片、錄像片、演示實(shí)驗(yàn)和CAI等5種物理教學(xué)媒體，這5種教學(xué)媒體優(yōu)勢(shì)各異。邏輯層次性強(qiáng)的板書、結(jié)構(gòu)體系強(qiáng)的投影片、形象高效的視頻、實(shí)效形象的演示實(shí)驗(yàn)和可控參數(shù)的精確數(shù)據(jù)處理下的CAI，媒體選擇應(yīng)依托方法、內(nèi)容和數(shù)學(xué)工具，根據(jù)教學(xué)特點(diǎn)和媒體特色，以教學(xué)效果為根本，擇優(yōu)配比，使各種媒體相互配合、相互補(bǔ)充，形成物理學(xué)多媒體輔助教學(xué)方案，突出教學(xué)過程細(xì)化和發(fā)散思維宗旨，提高教學(xué)效益。

2.6 比賽的關(guān)注點(diǎn)五：方法、知識(shí)主體、數(shù)學(xué)工具和媒體工具的主次配合

在一次課程一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的講授中，不可能將方法、知識(shí)主體教學(xué)、數(shù)學(xué)工具和媒體工具全部重點(diǎn)使用，這就要突出主次配合，尤其是對(duì)課程整體體系前后的照應(yīng)，從一個(gè)知識(shí)點(diǎn)體現(xiàn)知識(shí)體系的完備性。

以方法為主的教學(xué)重點(diǎn)在于其與內(nèi)容的融合。例如，在力學(xué)、熱力學(xué)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)和量子物理中分別講授動(dòng)量守恒、角動(dòng)量守恒、機(jī)械能守恒、能量守恒、電量守恒、質(zhì)能伴隨守恒等內(nèi)容，雖然相關(guān)教學(xué)內(nèi)容貫穿課程前后，但它們具有一條共同的方法維線，以守恒法為教學(xué)融匯點(diǎn)。針對(duì)不同的守恒類型，分別選擇演示實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬、理想實(shí)驗(yàn)和板書為講授媒體，應(yīng)用矢量、微積分、極坐標(biāo)、坐標(biāo)變換等數(shù)學(xué)工具，總結(jié)出守恒法中守恒量選取的規(guī)律、過程量與狀態(tài)量關(guān)聯(lián)性的確定、守恒形式的推導(dǎo)、守恒條件的判定四大原則，在深化教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，使學(xué)生切實(shí)掌握守恒法在不同問題中的實(shí)際應(yīng)用。

以知識(shí)主體為主的教學(xué)適用于物理體系清晰，方法和數(shù)學(xué)工具類比性好，知識(shí)的對(duì)稱性和研究的順序性強(qiáng)的內(nèi)容。例如，動(dòng)量和動(dòng)能的講解，從物理體系上看，就是力分別對(duì)時(shí)間和空間的積累，對(duì)稱的過程量分別為沖量和功；從數(shù)學(xué)工具上講，兩量分別屬于矢量與標(biāo)量，兩者即對(duì)稱又不同，矢量特性使動(dòng)量定理具有方向的定義，標(biāo)量的特性將勢(shì)能概念引入動(dòng)能定理，進(jìn)而引出功能原理。將動(dòng)量和能量結(jié)為一個(gè)教學(xué)融匯點(diǎn)，對(duì)不同的研究對(duì)象，應(yīng)用相似的分析方法、分析順序和數(shù)學(xué)工具，得出不同的結(jié)論，教學(xué)內(nèi)容清晰、分析過程具有普遍性和可推廣性。

強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)工具的教學(xué)適用于物理學(xué)與數(shù)學(xué)結(jié)合緊密的教學(xué)點(diǎn)。例如，重力場(chǎng)、萬有引力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、熵、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等教學(xué)內(nèi)容，其數(shù)學(xué)工具均為場(chǎng)論，而保守力、非保守力、場(chǎng)強(qiáng)、勢(shì)能、高斯定理、環(huán)路定律、有源場(chǎng)、無源場(chǎng)、梯度、散度、旋度等概念屬數(shù)學(xué)和物理所共有。以數(shù)學(xué)工具維線為教學(xué)融匯點(diǎn)，將物理學(xué)的方法與數(shù)學(xué)的思想融會(huì)貫通，為數(shù)學(xué)場(chǎng)論提供6個(gè)不同類型的實(shí)際場(chǎng)模型，對(duì)有源無旋和無源有旋兩種場(chǎng)應(yīng)用一種數(shù)學(xué)工具進(jìn)行物理性質(zhì)分析，為抽象的數(shù)學(xué)方法賦予明確的物理意義，能極大地提高學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)定量解決普遍問題的能力。

強(qiáng)調(diào)媒體工具的教學(xué)要貫徹立足內(nèi)容要求、結(jié)合方法特征、注重教學(xué)效果、充分發(fā)揮媒體優(yōu)勢(shì)的方針。這里的教學(xué)效果不是越直觀、越明了越好，教學(xué)的本質(zhì)應(yīng)是思維訓(xùn)練，要求學(xué)生不僅要知道結(jié)論還要清晰過程，不僅學(xué)會(huì)知識(shí)還要掌握方法。例如，在相對(duì)論時(shí)空觀內(nèi)容的講解中，我們就依據(jù)內(nèi)容和方法特征，以媒體維線為融匯點(diǎn)，選擇板書加思想實(shí)驗(yàn)作為教學(xué)媒體。從經(jīng)典時(shí)空觀到伽利略相對(duì)性原理，從洛倫茲變換到時(shí)間膨脹和長(zhǎng)度收縮，環(huán)環(huán)緊扣、過程抽象，沒有現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)驗(yàn)可舉例。以理想的“投球?qū)嶒?yàn)為切入點(diǎn)，通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)變換方法，逐步呈現(xiàn)經(jīng)典時(shí)空觀的困難，進(jìn)而建立正確的相對(duì)論時(shí)空觀，“一筆筆”層層深入地逐步把握邏輯本質(zhì)，實(shí)時(shí)處理學(xué)生每個(gè)邏輯點(diǎn)的問題，將教學(xué)難點(diǎn)消化在課堂上，其教學(xué)效果遠(yuǎn)比實(shí)施其他媒體的跳躍性講解好。

3 物理實(shí)驗(yàn)講課比賽的關(guān)注點(diǎn)和處理方法

物理實(shí)驗(yàn)與理論課程作為同一學(xué)科的兩門課程，處理好實(shí)驗(yàn)與理論的關(guān)系、物理實(shí)驗(yàn)課程獨(dú)立性和功能性、強(qiáng)調(diào)腦手并重是物理實(shí)驗(yàn)講課比賽的重點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)講課比賽還有以下關(guān)注點(diǎn)。

3.1 物理實(shí)驗(yàn)和物理理論課程的關(guān)系

物理實(shí)驗(yàn)和大學(xué)物理是同一學(xué)科的兩門課程，兩門課程目的相同，內(nèi)容銜接，形式不同，是一個(gè)學(xué)科下共同培養(yǎng)學(xué)生科研工作能力的必備課程。物理實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理的后續(xù)課程，大學(xué)物理理論教學(xué)是物理實(shí)驗(yàn)的前續(xù)基礎(chǔ)，后者的教學(xué)不僅基于前者，更是教學(xué)進(jìn)階，是理論向?qū)嵺`的進(jìn)階，更是學(xué)生腦手能力并重素質(zhì)的進(jìn)階。物理實(shí)驗(yàn)有自身完整的實(shí)驗(yàn)理論體系，是高層次實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的基礎(chǔ)，作為本科階段首門實(shí)踐性課程，完備的實(shí)驗(yàn)理論基礎(chǔ)和實(shí)踐實(shí)操能力，對(duì)學(xué)生后續(xù)諸多的其他實(shí)踐性課程意義重大。

三委會(huì)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)講課比賽的定位突出了實(shí)驗(yàn)課程腦手并重的特征，《比賽實(shí)施方案》明確：實(shí)驗(yàn)課比賽中，講課部分主要涉及實(shí)驗(yàn)思想，基本方法、原理、概念，以及根據(jù)教學(xué)需要穿插的歷史背景或應(yīng)用舉例等；提問部分主要涉及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與物理原理的聯(lián)系，或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象與設(shè)備調(diào)整之間的關(guān)系、原則、思路，或誤差的分析與處理等，兩部分均不涉及具體設(shè)備。上述描述，意在提升實(shí)驗(yàn)理論在實(shí)驗(yàn)課程中的作用，貫徹實(shí)驗(yàn)理論和實(shí)驗(yàn)技能并重的教學(xué)理念，突出實(shí)驗(yàn)課程腦手并重的特征，實(shí)驗(yàn)講課比賽要平抑單純強(qiáng)調(diào)動(dòng)手，向“腦手并重”轉(zhuǎn)變，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)理論基礎(chǔ)和實(shí)踐實(shí)操能力綜合效能。

3.2 比賽的關(guān)注點(diǎn)一：實(shí)驗(yàn)理論

物理實(shí)驗(yàn)課程具有完善的理論體系，主要包括誤差理論、數(shù)據(jù)處理方法、基本實(shí)驗(yàn)方法、儀器設(shè)計(jì)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理論、實(shí)操技能技巧等6大部分，其內(nèi)容豐富、應(yīng)用廣泛，是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要組成部分。搞好實(shí)驗(yàn)理論教學(xué)，不僅可以彌補(bǔ)由于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選取不同、實(shí)驗(yàn)數(shù)目有限所造成的學(xué)生知識(shí)方向性強(qiáng)、知識(shí)結(jié)構(gòu)不完整等不足，而且為貫徹實(shí)驗(yàn)“腦手并重” 提供完善的理論工具, 可對(duì)進(jìn)一步提高學(xué)員綜合能力起到極大的作用。不能單一強(qiáng)調(diào)物理實(shí)驗(yàn)是一門實(shí)踐性課程，單一強(qiáng)調(diào)多給學(xué)員時(shí)間鍛練動(dòng)手能力，而削弱實(shí)驗(yàn)理論的教學(xué)，造成學(xué)員在實(shí)驗(yàn)理論方面知識(shí)零散、欠準(zhǔn),使學(xué)員在操作中只注重 “如何去做”,忽視 “為什么這樣做”, 使 “動(dòng)腦動(dòng)手” 轉(zhuǎn)化為 “單純動(dòng)手”, 而沒有達(dá)到綜合實(shí)踐能力提高的目的。系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)理論教學(xué)不僅為學(xué)員具有較強(qiáng)操作能力打基礎(chǔ)，而且對(duì)學(xué)員今后實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ脑偬岣咂鸬街匾饔谩?/p>

教學(xué)中要注意物理理論內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)理論教學(xué)的處理，大學(xué)物理理論教學(xué)內(nèi)容作為前續(xù)課程已講授，可進(jìn)行使用前的復(fù)習(xí)，但不再是實(shí)驗(yàn)理論教學(xué)的重點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)理論的教學(xué)應(yīng)基于大學(xué)物理理論教學(xué)，對(duì)自身的6大部分的理論體系進(jìn)行構(gòu)建。例如，在分光計(jì)實(shí)驗(yàn)中，折射率、三棱頂角和光柵常數(shù)等理論公式的推導(dǎo)不是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)，而作為儀器設(shè)計(jì)原理中雙游標(biāo)結(jié)構(gòu)提高測(cè)量精度的基本原理，以及實(shí)操技能技巧中各半調(diào)節(jié)法的分析與應(yīng)用才是實(shí)驗(yàn)理論教學(xué)的重點(diǎn)。

3.3 比賽的關(guān)注點(diǎn)二：實(shí)驗(yàn)方法

物理實(shí)驗(yàn)方法是物理學(xué)科教學(xué)的重要組成部分，導(dǎo)引著整個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)的每一個(gè)過程，除了與理論教學(xué)共有的方法外，還有其特有的控制變量法、補(bǔ)償法、平衡法、示蹤法、干涉法、衍射法、比較法中的直接比較測(cè)量法，間接比較測(cè)量法、放大法中的累積放大法，機(jī)械放大法，電學(xué)放大法，光學(xué)放大法、轉(zhuǎn)換測(cè)量法中參量轉(zhuǎn)換測(cè)量，能量轉(zhuǎn)換測(cè)量法、模擬法中的幾何模擬，動(dòng)力相似模擬，替代模擬，類比模擬等物理實(shí)驗(yàn)常用方法。實(shí)驗(yàn)教學(xué)要以實(shí)驗(yàn)方法體系為教學(xué)根本，提高實(shí)驗(yàn)方法在實(shí)踐實(shí)驗(yàn)中的作用。

例如，對(duì)干涉法的介紹，需講清不論是何種干涉，相鄰干涉條紋的光程差的改變等于相干光的波長(zhǎng)。得到光的波長(zhǎng)雖然很小，但干涉條紋間的距離或干涉條紋的數(shù)目卻是可以計(jì)量的，通過對(duì)條紋數(shù)目或條紋的改變的計(jì)量，可以獲得以波長(zhǎng)為單位的對(duì)光程差的計(jì)量。利用光的干涉現(xiàn)象可以精確測(cè)量微小長(zhǎng)度或角度變化，測(cè)量微小的形變及其相關(guān)的其他物理量，干涉儀更是在近代物理實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮重要作用。

3.4 比賽的關(guān)注點(diǎn)三：實(shí)驗(yàn)的類化

實(shí)驗(yàn)類化的主要目的是加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的體系性教學(xué)，完善實(shí)驗(yàn)知識(shí)架構(gòu)，讓學(xué)生在有限的實(shí)驗(yàn)數(shù)目中獲取最多的知識(shí)量。實(shí)驗(yàn)的類化可以從實(shí)驗(yàn)方法、測(cè)量的物理量、儀器原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、操作技巧和數(shù)據(jù)處理等多角度實(shí)施。實(shí)驗(yàn)的類化教學(xué)可實(shí)現(xiàn)課上大信息量的引入，加大類化實(shí)驗(yàn)的介紹，適當(dāng)留有空隙讓學(xué)員填充，實(shí)現(xiàn)高信時(shí)比的獲得。

例如，將“萬用表的使用”“開爾文電橋” “惠斯通電橋” “沖擊法測(cè)高阻”4個(gè)實(shí)驗(yàn)類化到“電阻的測(cè)量” 中, 以“惠斯通電橋” 為重點(diǎn)，系統(tǒng)地介紹電阻從粗測(cè)到精測(cè)、從低阻到高阻的測(cè)量方法，使學(xué)員在做一個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上掌握電阻全部測(cè)量方法。對(duì)學(xué)生而言，這些實(shí)驗(yàn)有高中已經(jīng)完成的，有后續(xù)需要進(jìn)行的，有以后可能不做的，但完整的電阻測(cè)量體系和方法已經(jīng)建立，將零碎的知識(shí)串成一條線，進(jìn)而架構(gòu)完整實(shí)驗(yàn)體系。

3.5 比賽的關(guān)注點(diǎn)四：根據(jù)誤差理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的設(shè)計(jì)

加強(qiáng)根據(jù)誤差理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)測(cè)量設(shè)計(jì)的根本目的是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力,使其在基本實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行半設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)儀器選擇和在現(xiàn)有儀器下實(shí)現(xiàn)最高精度測(cè)量?jī)煞矫婺芰Φ呐囵B(yǎng)。比如長(zhǎng)度的測(cè)量，實(shí)驗(yàn)中就常用到直尺、游標(biāo)卡尺、螺旋測(cè)微計(jì)、電感和電容式測(cè)微儀、線位移光柵、光學(xué)顯微鏡、阿貝比長(zhǎng)儀和干涉儀等，這些儀器分布在分立的各個(gè)實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)實(shí)驗(yàn)都要根據(jù)自己的有效數(shù)字和精度的要求，選擇不同的儀器。在單個(gè)實(shí)驗(yàn)中，要突出并不斷實(shí)踐物理實(shí)驗(yàn)的最根本的理念：用最簡(jiǎn)單的儀器獲得最精確的測(cè)量。

例如，在“用落球法測(cè)定液體粘滯系數(shù)”的實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生自己確定小球下落距離的上下線位置，引導(dǎo)學(xué)員先粗測(cè)油料的粘滯系數(shù)，根據(jù)理論值估算出小球收尾速度所需要的時(shí)間，自己確定出小球下落距離的上下位置，再根據(jù)時(shí)間的有效數(shù)字來選擇其他量的測(cè)量?jī)x器，使各儀器間有效數(shù)字均衡，滿足最終測(cè)量達(dá)到最多有效位，提高測(cè)量精度，實(shí)現(xiàn)在最簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)中，培養(yǎng)學(xué)生最基本的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

3.6 比賽的關(guān)注點(diǎn)五：根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇的內(nèi)容

加強(qiáng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇的內(nèi)容，可以培養(yǎng)學(xué)生先動(dòng)腦后動(dòng)手, 有的放矢地解決遇到問題的能力，避免“猜數(shù)”“碰數(shù)”等現(xiàn)象的發(fā)生。實(shí)驗(yàn)原理不僅僅是測(cè)量的基本公式，更是指導(dǎo)快速實(shí)驗(yàn)、精確調(diào)整的根本，用好、用活基本實(shí)驗(yàn)原理，抓住關(guān)鍵參量的調(diào)控，突出成功的實(shí)驗(yàn)源于理論設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)技能的完美結(jié)合，這樣不僅能使學(xué)生順利完成一次實(shí)驗(yàn)，更能指導(dǎo)其觸類旁通、舉一反三。

例如，在“板式電位差計(jì)”的實(shí)驗(yàn)中，不固定每米壓降，而是讓學(xué)員自己用萬用表測(cè)取電阻絲的線電阻值率，再根據(jù)工作電源范圍，自己選擇可能且精度最高的每米壓降參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并要求在校準(zhǔn)和測(cè)量前要計(jì)算出滑線變阻動(dòng)頭位置、校準(zhǔn)和測(cè)量分別對(duì)應(yīng)的板線長(zhǎng)度等粗略值。

3.7 比賽的關(guān)注點(diǎn)六：根據(jù)數(shù)據(jù)處理方法定制實(shí)驗(yàn)方法的講解

加強(qiáng)根據(jù)數(shù)據(jù)處理方法定制實(shí)驗(yàn)方法的講解，可以培養(yǎng)學(xué)生利用數(shù)據(jù)處理達(dá)到更高測(cè)量精度的能力。物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的方法包括逐差法、最小二乘法、線性回歸法、參數(shù)擬合法、數(shù)值逼近法等10余種常見方法，其中不乏“曲改直”等經(jīng)典的數(shù)據(jù)處理思想，引導(dǎo)學(xué)生處理好自己的數(shù)據(jù)，逐步建立精實(shí)驗(yàn)、重分析的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，完善提高實(shí)驗(yàn)精確度。例如在“光電效應(yīng)”和“牛頓環(huán)”等實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法以最小二乘法、逐差法等為主，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行行抬頭點(diǎn)的確定、圓環(huán)半徑的確定等。圍繞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，使學(xué)生理解整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的精美與巧妙。

當(dāng)然，在一次實(shí)驗(yàn)課程講解中，不可能涉及上述關(guān)注點(diǎn)全部，這就需要根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容特點(diǎn)，有選擇性地側(cè)重，完整的實(shí)驗(yàn)課程體系就是由諸多分立的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目構(gòu)成，講課比賽需要對(duì)整體實(shí)驗(yàn)架構(gòu)有所表征。

4 對(duì)比賽過程控制和結(jié)果應(yīng)用的建議

4.1 注重過程控制

比賽的過程控制應(yīng)體現(xiàn)在賽前、賽中和賽后的各個(gè)階段。選手注重過程控制，突出提高與展示，突出賽前準(zhǔn)備的教學(xué)亮點(diǎn)，通過一次課、一個(gè)關(guān)注點(diǎn)，講出教師本人及其教學(xué)團(tuán)隊(duì)的經(jīng)典課。評(píng)委注重過程控制，突出交流與公正，擴(kuò)大交流受益面的廣度與深度，引導(dǎo)好教學(xué)發(fā)展方向，歸納挖掘好教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以供更大范圍的借鑒。組辦方注重過程控制，突出內(nèi)規(guī)與外宣，做好比賽的內(nèi)功與外功，搭建好物理教學(xué)切磋交流的平臺(tái)，使比賽發(fā)展好，形成更大的影響力。

4.2 注重結(jié)果應(yīng)用

比賽的結(jié)果不僅能為青年教師的成長(zhǎng)提供發(fā)展路徑，更重要的是，競(jìng)賽可以達(dá)到引領(lǐng)物理教學(xué)、提高教學(xué)團(tuán)隊(duì)水平和增強(qiáng)物理學(xué)科在整體高等教學(xué)架構(gòu)的地位的效果。比賽應(yīng)注重引領(lǐng)物理常規(guī)教學(xué)，創(chuàng)造重視物理教學(xué)的環(huán)境，4門基礎(chǔ)課程中英語和計(jì)算機(jī)有等級(jí)考試，數(shù)學(xué)為考研的基本科目，物理不具有優(yōu)勢(shì)，組織好高水平學(xué)生的學(xué)科競(jìng)賽和老師的教學(xué)比賽，可有效帶動(dòng)物理學(xué)教學(xué)的整體工作，提高教與學(xué)的熱情與質(zhì)量。比賽應(yīng)注重提高整體教學(xué)團(tuán)隊(duì)水平，參賽教師應(yīng)依托一支優(yōu)秀的教學(xué)隊(duì)伍，通過集體備課、團(tuán)體攻堅(jiān)和整體進(jìn)步的形式，以點(diǎn)帶面地推進(jìn)整體教學(xué)團(tuán)隊(duì)的授課能力，得到比賽的最優(yōu)結(jié)果。比賽應(yīng)注重增強(qiáng)物理學(xué)科在整體高等教學(xué)架構(gòu)的地位，通過省、地區(qū)和全國(guó)3個(gè)高水準(zhǔn)的比賽過程，提高各院校對(duì)物理學(xué)科的認(rèn)知、認(rèn)可度，尤其是通過競(jìng)賽的校際交流，向高水平院校取長(zhǎng)補(bǔ)短，將物理學(xué)科建設(shè)推上一個(gè)新臺(tái)階。

5 結(jié)論

全國(guó)高等學(xué)校物理基礎(chǔ)課程青年教師講課比賽，不僅僅是優(yōu)秀青年教師展示的舞臺(tái)，更是促進(jìn)全國(guó)院校物理教學(xué)建設(shè)的平臺(tái)。正確地認(rèn)識(shí)賽事，把握好比賽的關(guān)注點(diǎn),做好過程控制和結(jié)果，組織者、評(píng)委、選手及每一個(gè)參與者以公心、恒心做好比賽的每個(gè)環(huán)節(jié)，我們的工作必然會(huì)促進(jìn)青年教師成長(zhǎng)，促進(jìn)教學(xué)提高，促進(jìn)比賽發(fā)展，促進(jìn)學(xué)科發(fā)展，但最根本的一定是讓我們的學(xué)生成為最終的受益人。