胡永金 陳杰 周曉紅 吳云沛 呂東燕

摘? 要? 作為最近兩年全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽中一個(gè)新的項(xiàng)目類別，物理實(shí)驗(yàn)講課競(jìng)賽受到越來越多的高校師生的關(guān)注和好評(píng)，參賽人數(shù)連年遞增。但是，大學(xué)生以講課者的身份來參加物理實(shí)驗(yàn)講課競(jìng)賽還是一件比較新鮮的事情，很多人并不熟悉競(jìng)賽過程和備賽策略，導(dǎo)致在實(shí)際操作過程中出現(xiàn)策略性失誤或競(jìng)賽成績(jī)不佳。以大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“惠斯登電橋”的參賽過程為例，著重講述講課競(jìng)賽的來歷、備賽的基本要素和環(huán)節(jié)、初賽的電子資源制作和決賽現(xiàn)場(chǎng)講課等方面的技術(shù)和細(xì)節(jié)問題，以期對(duì)大學(xué)生參加此類競(jìng)賽提供指導(dǎo)和幫助。

關(guān)鍵詞? 物理實(shí)驗(yàn)；講課競(jìng)賽；惠斯登電橋

中圖分類號(hào)：G642.423? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2023）09-0141-04

0? 引言

為了促進(jìn)實(shí)踐教學(xué)改革，激發(fā)大學(xué)生對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新潛能，在實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神，著力提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才[1]，國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心聯(lián)席會(huì)物理學(xué)科組、全國(guó)高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)研究會(huì)、教育部大學(xué)物理課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)專項(xiàng)委員會(huì)和中國(guó)物理學(xué)會(huì)物理教學(xué)委員會(huì)聯(lián)合從2015年開始舉辦全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽，迄今為止已經(jīng)舉辦七屆。為了鼓勵(lì)全國(guó)更多不同層次的高校參加此項(xiàng)賽事，從2020年起，競(jìng)賽章程進(jìn)行了改革和創(chuàng)新，增加了物理教學(xué)資源類開發(fā)和大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)講課競(jìng)賽兩大類別，極大地豐富了物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽的內(nèi)涵。筆者團(tuán)隊(duì)有幸連續(xù)兩年（2020年和2021年）參加全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽（創(chuàng)新）講課比賽，并獲得不錯(cuò)的成績(jī)。

大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)講課競(jìng)賽作為一個(gè)新的賽事類別，主要是指要求大學(xué)生以學(xué)生身份角色在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容中選取某一個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，通過一定的形式把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容講解出來，包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、操作技巧、數(shù)據(jù)處理、注意事項(xiàng)、課后思考等方面的內(nèi)容。賽事特別強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新性，包括教學(xué)過程創(chuàng)新、實(shí)驗(yàn)方法創(chuàng)新及物理學(xué)科知識(shí)的應(yīng)用創(chuàng)新等，反對(duì)照本宣科式的傳統(tǒng)講授方法。競(jìng)賽的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)主要從教學(xué)理念、內(nèi)容、過程、效果、儀態(tài)和展示等方面給出相應(yīng)的等級(jí)分?jǐn)?shù)，競(jìng)賽的最終目的是以賽促教、以賽促改、以賽促交、以賽促學(xué)。

國(guó)賽一般包含初賽和決賽兩個(gè)階段，其中初賽參賽一般以提交視頻作品的形式進(jìn)行，決賽以現(xiàn)場(chǎng)講課和答辯的方式完成。實(shí)際上，每個(gè)省（區(qū)、市）在國(guó)賽之前還會(huì)舉辦省級(jí)的物理賽事，省級(jí)競(jìng)賽的賽事規(guī)則同國(guó)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目參加2021年全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽（創(chuàng)新）為例，從競(jìng)賽隊(duì)伍組織、教學(xué)過程設(shè)計(jì)、電子視頻資源制作和現(xiàn)場(chǎng)講課答辯等方面來介紹備賽策略和實(shí)踐過程。

1? 準(zhǔn)備過程

1.1? 競(jìng)賽團(tuán)隊(duì)組建

全國(guó)競(jìng)賽工作委員會(huì)的第一輪競(jìng)賽通知發(fā)布以后，就要著手組建一支參加講課競(jìng)賽的師生團(tuán)隊(duì)。盡管競(jìng)賽規(guī)則只允許一名學(xué)生報(bào)名（2022年競(jìng)賽規(guī)則修改為三名學(xué)生），在實(shí)際競(jìng)賽過程中，一名學(xué)生根本完成不了比賽任務(wù)，很多事情必須有一個(gè)團(tuán)隊(duì)協(xié)作配合才能完成。因此，一般要組建一支“三名學(xué)生+兩名指導(dǎo)教師”的講課競(jìng)賽師生團(tuán)隊(duì)。指導(dǎo)教師必須有深厚的物理學(xué)功底，熟悉大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)要求和操作流程，對(duì)物理學(xué)的前沿技術(shù)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本規(guī)律有獨(dú)到的見解。參賽的學(xué)生一般也要求物理基礎(chǔ)較好，且完成了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，大二或大三的學(xué)生為佳，因?yàn)樗麄円话憔邆淞己玫膭?dòng)手操作和創(chuàng)新能力。當(dāng)然，團(tuán)隊(duì)里要有一名擅長(zhǎng)演講或講解的學(xué)生負(fù)責(zé)該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(xué)過程設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際情況，本團(tuán)隊(duì)選擇“惠斯登電橋”這個(gè)電學(xué)類的實(shí)驗(yàn)作為參賽項(xiàng)目。這主要考慮到本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(zhǔn)確地測(cè)量出電阻大小，而且用交換法來減小系統(tǒng)誤差的方法非常巧妙。還有一個(gè)基本考慮就是本實(shí)驗(yàn)涵蓋了串聯(lián)和并聯(lián)電路中的所有電學(xué)知識(shí)，電路相對(duì)復(fù)雜，電子元件多，實(shí)驗(yàn)步驟邏輯性強(qiáng)，也方便用視頻方式形象直觀地展示出來。

項(xiàng)目選定之后，師生共同研讀《理工科類大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程基本教學(xué)要求（2010年版）》[2]，熟悉本課程對(duì)知識(shí)、技能和素養(yǎng)方面的要求標(biāo)準(zhǔn)，以及如何把這門功課中學(xué)習(xí)到的物理實(shí)驗(yàn)方法運(yùn)用到解決工程技術(shù)問題當(dāng)中。還要集中學(xué)習(xí)組委會(huì)頒發(fā)的大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)講課競(jìng)賽的評(píng)審標(biāo)準(zhǔn)，這是項(xiàng)目能否取得優(yōu)異成績(jī)的關(guān)鍵所在。比如評(píng)審標(biāo)準(zhǔn)要求“講課能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，思考實(shí)驗(yàn)教學(xué)多方面的育人作用，感悟課程的意義與價(jià)值，培養(yǎng)學(xué)生形成批判反思的思維習(xí)慣”。這就需要把現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際物理場(chǎng)景引入課程設(shè)計(jì)當(dāng)中，讓學(xué)生能夠有親近感，同時(shí)要設(shè)置師生互動(dòng)環(huán)節(jié)，啟發(fā)學(xué)生思考現(xiàn)實(shí)中的物理問題，真實(shí)感受物理知識(shí)對(duì)人類科技進(jìn)步的推動(dòng)作用，增加課程亮色和內(nèi)涵深度。

對(duì)照教學(xué)大綱和實(shí)驗(yàn)儀器，讓參賽學(xué)生認(rèn)真地把這個(gè)實(shí)驗(yàn)完整地多操作幾遍，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄和處理，增加對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的理解深度，弄懂實(shí)驗(yàn)背后的原理問題、設(shè)計(jì)問題、操作問題及理論模型和實(shí)際操作的聯(lián)系與區(qū)別。這個(gè)環(huán)節(jié)越仔細(xì)深入越好，讓團(tuán)隊(duì)對(duì)這個(gè)項(xiàng)目有充分的認(rèn)識(shí)和足夠的了解，充分考慮實(shí)驗(yàn)過程中可能會(huì)出現(xiàn)的特殊情況。還有就是多學(xué)習(xí)慕課網(wǎng)站上別人對(duì)于本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的課程設(shè)計(jì)和講解技巧，畢竟每位教師對(duì)著同一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有著不同的理解角度和深度，畢竟“他山之石，可以攻玉”。經(jīng)過團(tuán)隊(duì)協(xié)商，決定按照實(shí)驗(yàn)背景、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、注意事項(xiàng)和知識(shí)拓展這七個(gè)模塊來完成設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

首先是實(shí)驗(yàn)背景的引入，如同一個(gè)好的故事必須有一個(gè)精彩的開頭一樣。可以引入一個(gè)問題：家里的電熱水器都要在墻壁上安裝一個(gè)漏電保護(hù)器，它的工作原理是什么？這就涉及電橋電路在現(xiàn)實(shí)生活中的具體應(yīng)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(guó)的克里斯蒂發(fā)明，1843年由查理斯·惠斯登推廣并用來測(cè)量電阻大小，后來逐漸演變成精密測(cè)量和自動(dòng)控制中最有效的電路，可以實(shí)現(xiàn)電阻、電感、電容、頻率、溫度、壓力等物理量的測(cè)量，也被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制中[3]。這里還要把測(cè)量電阻的兩種常見方法即伏安法和電橋法進(jìn)行比較，重點(diǎn)突出電橋法測(cè)量電阻的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭瓿蓪?shí)驗(yàn)過程中要實(shí)現(xiàn)的一些具體目標(biāo)，只需要把這些目標(biāo)按照一定的邏輯順序講解出來即可，不需要過于仔細(xì)地解釋細(xì)節(jié)。這就如同一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)實(shí)驗(yàn)者提出的總體要求，但后面的所有環(huán)節(jié)都不能偏離這個(gè)中心要求。

本項(xiàng)目中所用到的實(shí)驗(yàn)儀器和電子元件眾多，所以在介紹時(shí)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(gè)儀器的功能作用，還要介紹安全使用注意事項(xiàng)。講課競(jìng)賽不同于課堂實(shí)景講課，很多儀器不能帶入競(jìng)賽現(xiàn)場(chǎng)，所以必須把一些功能復(fù)雜的儀器圖片在課件中展示出來，并且標(biāo)出其常用功能鍵的文字說明，必要時(shí)還可以錄制一段儀器介紹視頻插入PPT中，方便評(píng)委深入了解本實(shí)驗(yàn)中要用到的一些儀器。比如在本實(shí)驗(yàn)中必須重點(diǎn)介紹雙路穩(wěn)壓電源的使用方法，儀器按鈕多，且都是英文標(biāo)識(shí)，所以必須用“圖片+文字”的形式來介紹儀器使用功能。

實(shí)驗(yàn)原理是整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和觀察測(cè)量過程的理論基礎(chǔ)?；菟沟请姌虻幕舅枷刖褪峭ㄟ^電橋電路的巧妙設(shè)計(jì)，可以在不用電壓表和電流表的情況下，通過比較兩點(diǎn)電位的方法來確定檢流計(jì)上有沒有電流通過，在電流為零時(shí)得出四個(gè)橋臂電阻大小的正比例關(guān)系。通過交換橋臂上兩個(gè)相鄰電阻，就大大減小了系統(tǒng)誤差的影響，本來是需要三個(gè)參數(shù)來確定的結(jié)果變成只需要一個(gè)參數(shù)，大大提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度，如圖1所示。本項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理公式繁多，過程參數(shù)復(fù)雜，要把導(dǎo)致不確定度的所有誤差因素都考慮進(jìn)來分析[4]，重點(diǎn)公式要在黑板上板書推導(dǎo)，幫助學(xué)生重點(diǎn)理解和記憶。

實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)就是本實(shí)驗(yàn)過程中必須嚴(yán)格遵守的一些實(shí)驗(yàn)規(guī)則。如果不按照要求進(jìn)行，輕則會(huì)致無法完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，重則有損壞儀器的可能。在實(shí)驗(yàn)步驟的介紹中，主要介紹簡(jiǎn)明快速的電路連接方法，簡(jiǎn)稱“三步走”方法：第一步，先把電橋上的四個(gè)橋臂電阻連接成一個(gè)串聯(lián)回路；第二步，把檢流計(jì)接入電路中相對(duì)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上；第三步，把電源接入另外兩個(gè)相對(duì)的節(jié)點(diǎn)上。交換測(cè)量時(shí)，只需要把標(biāo)準(zhǔn)電阻R0和待測(cè)電阻Rx交換即可，其他的電路基本上不用變動(dòng)，大大地節(jié)約了線路連接時(shí)間，提高了實(shí)驗(yàn)效率。同時(shí)，為保證檢流計(jì)的使用安全，必須在檢流計(jì)上串聯(lián)一個(gè)大電阻才能通電使用。但是，當(dāng)電橋接近平衡時(shí)，必須在保護(hù)電阻旁邊并聯(lián)一個(gè)短接電阻，相當(dāng)于一根導(dǎo)線的功能，這樣能提升檢流計(jì)的靈敏度。

知識(shí)拓展部分主要包含兩個(gè)方面的內(nèi)容：一方面要介紹惠斯登電橋在現(xiàn)實(shí)生活中的具體應(yīng)用，達(dá)到學(xué)以致用的目的，引導(dǎo)學(xué)生把實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)到的方法和技能用來解決實(shí)際生活中的問題[5]，如圖2所示；另一方面要給學(xué)生布置一些習(xí)題，讓學(xué)生在課后練習(xí)，達(dá)到鞏固本次課程知識(shí)點(diǎn)的目的。

2? 初賽電子資源制作

前期的課程設(shè)計(jì)和PPT制作如果都已準(zhǔn)備充分且多次反復(fù)練習(xí)，初賽中最重要的事情就是在實(shí)驗(yàn)室里把整個(gè)教學(xué)全程錄制下來，制作出精美的電子視頻資源，可以適當(dāng)增加片頭、片尾和字幕等內(nèi)容，但是不能過分地渲染和美化，否則就違背了展示課堂實(shí)際教學(xué)內(nèi)容的初衷。如果經(jīng)費(fèi)充足的話，可以請(qǐng)專業(yè)的視頻制作公司來錄制視頻和進(jìn)行后期剪輯。專業(yè)公司可能會(huì)在圖像和視頻的處理上更加熟練和專業(yè)，但是由于他們沒有物理學(xué)的學(xué)科背景，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)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(fèi)時(shí)費(fèi)力的。所以，參賽隊(duì)伍里面一般會(huì)拉進(jìn)1～2個(gè)視頻制作技術(shù)熟練的學(xué)生作為團(tuán)隊(duì)成員，他們對(duì)課程內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)步驟非常熟悉，讓他們來錄制課程和進(jìn)行后期視頻剪輯，效果會(huì)更好，處理起來更加高效。

在拍攝的時(shí)候，團(tuán)隊(duì)需要準(zhǔn)備一些攝影和攝像器材，如高像素手機(jī)或者專業(yè)相機(jī)、三角支架、云臺(tái)、補(bǔ)光燈，基本上就能夠滿足錄制的要求。在錄制時(shí)，先調(diào)整好機(jī)位角度，將手機(jī)曝光量調(diào)節(jié)至合適位置，固定好三角支架，現(xiàn)場(chǎng)要有專人負(fù)責(zé)指揮拍攝，盡量不要發(fā)出除講課之外的其他聲音。畫面的幅高比例和寬度應(yīng)符合賽事要求的技術(shù)規(guī)范，若使用手機(jī)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(shí)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(huán)境亮度不夠可以采用補(bǔ)光燈，或者剪輯的時(shí)候提高曝光率。

后期視頻剪輯選擇專業(yè)軟件Adobe Premiere、After Effects、Moo0，視頻壓縮和轉(zhuǎn)換、剪映一般都?jí)蛴茫凑罩v課腳本的順序剪輯視頻內(nèi)容，處理好內(nèi)容、聲音、字幕和圖像之間的關(guān)系。剪輯完成后，要對(duì)照競(jìng)賽評(píng)審標(biāo)準(zhǔn)，仔細(xì)研究視頻里面的每個(gè)細(xì)節(jié)內(nèi)容，不斷地更新和優(yōu)化。

3? 決賽現(xiàn)場(chǎng)講課

如果團(tuán)隊(duì)有幸在初賽的選拔過程中晉級(jí)，就要做好決賽現(xiàn)場(chǎng)的講課和答辯準(zhǔn)備工作。如果說前期是通過一個(gè)講課視頻展示獲得決賽資格，那么現(xiàn)場(chǎng)講課和答辯就是學(xué)生主講人和專家評(píng)委面對(duì)面地交流。這里介紹一下影響講課競(jìng)賽效果的多個(gè)因素，如實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)授課PPT的效果，主講人的儀態(tài)儀表、課堂表現(xiàn)力以及能否準(zhǔn)確地回答評(píng)委提出的一些問題。因?yàn)槭菍W(xué)生主講實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)不對(duì)授課效果方面作過高的要求，但是要求師生團(tuán)隊(duì)進(jìn)行多次比賽實(shí)景模擬，熟練到一定程度之后，主講人就會(huì)逐漸擺脫講課的緊張感，能夠做到發(fā)揮自如，發(fā)聲時(shí)抑揚(yáng)頓挫。在決賽現(xiàn)場(chǎng)還需要做好一些非競(jìng)賽性的準(zhǔn)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(gè)位置，這些都需要提前做好實(shí)際的演練工作。

4? 結(jié)束語

講課類項(xiàng)目作為一項(xiàng)全新的賽事類別被引入全國(guó)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽中，大大豐富了賽事內(nèi)容和形式，提高了廣大師生的參與程度。學(xué)生以其特殊的身份角色完成競(jìng)賽活動(dòng)之后，能更加深入地掌握實(shí)驗(yàn)課程的各環(huán)節(jié)要領(lǐng)，增強(qiáng)對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的深刻認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)大學(xué)生物理學(xué)習(xí)的效果。指導(dǎo)教師在參與競(jìng)賽的過程中也收獲很多，以一名反串的角色多次聽取學(xué)生授課的效果，有時(shí)部分講課環(huán)節(jié)的巧妙設(shè)計(jì)讓人耳目一新，不斷反思個(gè)人平時(shí)上課過程中需要改進(jìn)的地方，有利于達(dá)到以賽促教、教賽相長(zhǎng)的目的。

5? 參考文獻(xiàn)

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