大学生物理实验讲课竞赛备赛策略研究

胡永金 陈杰 周晓红 吴云沛 吕东燕

摘  要  作为最近两年全国大学生物理实验竞赛中一个新的项目类别，物理实验讲课竞赛受到越来越多的高校师生的关注和好评，参赛人数连年递增。但是，大学生以讲课者的身份来参加物理实验讲课竞赛还是一件比较新鲜的事情，很多人并不熟悉竞赛过程和备赛策略，导致在实际操作过程中出现策略性失误或竞赛成绩不佳。以大学物理实验项目“惠斯登电桥”的参赛过程为例，着重讲述讲课竞赛的来历、备赛的基本要素和环节、初赛的电子资源制作和决赛现场讲课等方面的技术和细节问题，以期对大学生参加此类竞赛提供指导和帮助。

关键词  物理实验；讲课竞赛；惠斯登电桥

中图分类号：G642.423    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2023）09-0141-04

0  引言

为了促进实践教学改革，激发大学生对大学物理实验课程的学习兴趣和创新潜能，在实践中培养学生的动手能力和创新精神，着力提高物理实验教学质量和培养高素质创新型人才[1]，国家级实验教学示范中心联席会物理学科组、全国高等学校实验物理教学研究会、教育部大学物理课程教学指导委员会大学物理实验专项委员会和中国物理学会物理教学委员会联合从2015年开始举办全国大学生物理实验竞赛，迄今为止已经举办七届。为了鼓励全国更多不同层次的高校参加此项赛事，从2020年起，竞赛章程进行了改革和创新，增加了物理教学资源类开发和大学生物理实验讲课竞赛两大类别，极大地丰富了物理实验竞赛的内涵。笔者团队有幸连续两年（2020年和2021年）参加全国大学生物理实验竞赛（创新）讲课比赛，并获得不错的成绩。

大学生物理实验讲课竞赛作为一个新的赛事类别，主要是指要求大学生以学生身份角色在大学物理实验课程的相关教学内容中选取某一个实验内容，通过一定的形式把实验内容讲解出来，包括实验目的、实验原理、实验仪器、实验内容、操作技巧、数据处理、注意事项、课后思考等方面的内容。赛事特别强调创新性，包括教学过程创新、实验方法创新及物理学科知识的应用创新等，反对照本宣科式的传统讲授方法。竞赛的评判标准主要从教学理念、内容、过程、效果、仪态和展示等方面给出相应的等级分数，竞赛的最终目的是以赛促教、以赛促改、以赛促交、以赛促学。

国赛一般包含初赛和决赛两个阶段，其中初赛参赛一般以提交视频作品的形式进行，决赛以现场讲课和答辩的方式完成。实际上，每个省（区、市）在国赛之前还会举办省级的物理赛事，省级竞赛的赛事规则同国赛类似，起到一定的提前练兵和筛选作用。

本文以“惠斯登电桥”实验项目参加2021年全国大学生物理实验竞赛（创新）为例，从竞赛队伍组织、教学过程设计、电子视频资源制作和现场讲课答辩等方面来介绍备赛策略和实践过程。

1  准备过程

1.1  竞赛团队组建

全国竞赛工作委员会的第一轮竞赛通知发布以后，就要着手组建一支参加讲课竞赛的师生团队。尽管竞赛规则只允许一名学生报名（2022年竞赛规则修改为三名学生），在实际竞赛过程中，一名学生根本完成不了比赛任务，很多事情必须有一个团队协作配合才能完成。因此，一般要组建一支“三名学生+两名指导教师”的讲课竞赛师生团队。指导教师必须有深厚的物理学功底，熟悉大学物理实验的教学要求和操作流程，对物理学的前沿技术和实验教学的基本规律有独到的见解。参赛的学生一般也要求物理基础较好，且完成了大学物理实验课程的学习，大二或大三的学生为佳，因为他们一般具备良好的动手操作和创新能力。当然，团队里要有一名擅长演讲或讲解的学生负责该实验项目的全程讲授，还要有人熟悉课件PPT的制作、课程视频的拍摄事宜和后期的视频剪辑工作。

1.2  教学过程设计

根据实际情况，本团队选择“惠斯登电桥”这个电学类的实验作为参赛项目。这主要考虑到本实验项目物理思想丰富，在不需要电压表和电流表的情况下就能够准确地测量出电阻大小，而且用交换法来减小系统误差的方法非常巧妙。还有一个基本考虑就是本实验涵盖了串联和并联电路中的所有电学知识，电路相对复杂，电子元件多，实验步骤逻辑性强，也方便用视频方式形象直观地展示出来。

项目选定之后，师生共同研读《理工科类大学物理实验课程基本教学要求（2010年版）》[2]，熟悉本课程对知识、技能和素养方面的要求标准，以及如何把这门功课中学习到的物理实验方法运用到解决工程技术问题当中。还要集中学习组委会颁发的大学生物理实验讲课竞赛的评审标准，这是项目能否取得优异成绩的关键所在。比如评审标准要求“讲课能够激发学生的学习兴趣，思考实验教学多方面的育人作用，感悟课程的意义与价值，培养学生形成批判反思的思维习惯”。这就需要把现实生活中的实际物理场景引入课程设计当中，让学生能够有亲近感，同时要设置师生互动环节，启发学生思考现实中的物理问题，真实感受物理知识对人类科技进步的推动作用，增加课程亮色和内涵深度。

对照教学大纲和实验仪器，让参赛学生认真地把这个实验完整地多操作几遍，独立完成实验数据的记录和处理，增加对实验项目的理解深度，弄懂实验背后的原理问题、设计问题、操作问题及理论模型和实际操作的联系与区别。这个环节越仔细深入越好，让团队对这个项目有充分的认识和足够的了解，充分考虑实验过程中可能会出现的特殊情况。还有就是多学习慕课网站上别人对于本实验项目的课程设计和讲解技巧，毕竟每位教师对着同一个实验项目有着不同的理解角度和深度，毕竟“他山之石，可以攻玉”。经过团队协商，决定按照实验背景、实验目的、实验仪器、实验原理、实验步骤、注意事项和知識拓展这七个模块来完成设计环节。

首先是实验背景的引入，如同一个好的故事必须有一个精彩的开头一样。可以引入一个问题：家里的电热水器都要在墙壁上安装一个漏电保护器，它的工作原理是什么？这就涉及电桥电路在现实生活中的具体应用问题。为了引入课程思政元素，可以介绍电桥电路的历史渊源：在1833年由英国的克里斯蒂发明，1843年由查理斯·惠斯登推广并用来测量电阻大小，后来逐渐演变成精密测量和自动控制中最有效的电路，可以实现电阻、电感、电容、频率、温度、压力等物理量的测量，也被广泛应用于自动控制中[3]。这里还要把测量电阻的两种常见方法即伏安法和电桥法进行比较，重点突出电桥法测量电阻的优点和优势。

实验目的是完成实验过程中要实现的一些具体目标，只需要把这些目标按照一定的逻辑顺序讲解出来即可，不需要过于仔细地解释细节。这就如同一个实验项目对实验者提出的总体要求，但后面的所有环节都不能偏离这个中心要求。

本项目中所用到的实验仪器和电子元件众多，所以在介绍时一般按照由主到辅、由大到小的顺序来介绍，不仅要说明每个仪器的功能作用，还要介绍安全使用注意事项。讲课竞赛不同于课堂实景讲课，很多仪器不能带入竞赛现场，所以必须把一些功能复杂的仪器图片在课件中展示出来，并且标出其常用功能键的文字说明，必要时还可以录制一段仪器介绍视频插入PPT中，方便评委深入了解本实验中要用到的一些仪器。比如在本实验中必须重点介绍双路稳压电源的使用方法，仪器按钮多，且都是英文标识，所以必须用“图片+文字”的形式来介绍仪器使用功能。

实验原理是整个实验设计和观察测量过程的理论基础。惠斯登电桥的基本思想就是通过电桥电路的巧妙设计，可以在不用电压表和电流表的情况下，通过比较两点电位的方法来确定检流计上有没有电流通过，在电流为零时得出四个桥臂电阻大小的正比例关系。通过交换桥臂上两个相邻电阻，就大大减小了系统误差的影响，本来是需要三个参数来确定的结果变成只需要一个参数，大大提高了测量的准确度，如图1所示。本项目的实验数据处理公式繁多，过程参数复杂，要把导致不确定度的所有误差因素都考虑进来分析[4]，重点公式要在黑板上板书推导，帮助学生重点理解和记忆。

实验注意事项就是本实验过程中必须严格遵守的一些实验规则。如果不按照要求进行，轻则会致无法完成实验内容，重则有损坏仪器的可能。在实验步骤的介绍中，主要介绍简明快速的电路连接方法，简称“三步走”方法：第一步，先把电桥上的四个桥臂电阻连接成一个串联回路；第二步，把检流计接入电路中相对的两个节点上；第三步，把电源接入另外两个相对的节点上。交换测量时，只需要把标准电阻R0和待测电阻Rx交换即可，其他的电路基本上不用变动，大大地节约了线路连接时间，提高了实验效率。同时，为保证检流计的使用安全，必须在检流计上串联一个大电阻才能通电使用。但是，当电桥接近平衡时，必须在保护电阻旁边并联一个短接电阻，相当于一根导线的功能，这样能提升检流计的灵敏度。

知識拓展部分主要包含两个方面的内容：一方面要介绍惠斯登电桥在现实生活中的具体应用，达到学以致用的目的，引导学生把实验中学习到的方法和技能用来解决实际生活中的问题[5]，如图2所示；另一方面要给学生布置一些习题，让学生在课后练习，达到巩固本次课程知识点的目的。

2  初赛电子资源制作

前期的课程设计和PPT制作如果都已准备充分且多次反复练习，初赛中最重要的事情就是在实验室里把整个教学全程录制下来，制作出精美的电子视频资源，可以适当增加片头、片尾和字幕等内容，但是不能过分地渲染和美化，否则就违背了展示课堂实际教学内容的初衷。如果经费充足的话，可以请专业的视频制作公司来录制视频和进行后期剪辑。专业公司可能会在图像和视频的处理上更加熟练和专业，但是由于他们没有物理学的学科背景，对实验教学规律和基本流程根本不了解，那么后期的视频剪辑也是非常费时费力的。所以，参赛队伍里面一般会拉进1～2个视频制作技术熟练的学生作为团队成员，他们对课程内容和实验步骤非常熟悉，让他们来录制课程和进行后期视频剪辑，效果会更好，处理起来更加高效。

在拍摄的时候，团队需要准备一些摄影和摄像器材，如高像素手机或者专业相机、三角支架、云台、补光灯，基本上就能够满足录制的要求。在录制时，先调整好机位角度，将手机曝光量调节至合适位置，固定好三角支架，现场要有专人负责指挥拍摄，尽量不要发出除讲课之外的其他声音。画面的幅高比例和宽度应符合赛事要求的技术规范，若使用手机拍摄尽量采用横屏拍摄，帧率控制在60左右，保持正常流畅度。录制时注意逆光和顺光的选择，一般来说顺光的录制效果更佳，若环境亮度不够可以采用补光灯，或者剪辑的时候提高曝光率。

后期视频剪辑选择专业软件Adobe Premiere、After Effects、Moo0，视频压缩和转换、剪映一般都够用，按照讲课脚本的顺序剪辑视频内容，处理好内容、声音、字幕和图像之间的关系。剪辑完成后，要对照竞赛评审标准，仔细研究视频里面的每个细节内容，不断地更新和优化。

3  决赛现场讲课

如果团队有幸在初赛的选拔过程中晋级，就要做好决赛现场的讲课和答辩准备工作。如果说前期是通过一个讲课视频展示获得决赛资格，那么现场讲课和答辩就是学生主讲人和专家评委面对面地交流。这里介绍一下影响讲课竞赛效果的多个因素，如实验课程的设计，实验授课PPT的效果，主讲人的仪态仪表、课堂表现力以及能否准确地回答评委提出的一些问题。因为是学生主讲实验课程内容，评判标准不对授课效果方面作过高的要求，但是要求师生团队进行多次比赛实景模拟，熟练到一定程度之后，主讲人就会逐渐摆脱讲课的紧张感，能够做到发挥自如，发声时抑扬顿挫。在决赛现场还需要做好一些非竞赛性的准备工作，比如可以提前试一下PPT是否播放流畅，格式是否存在不兼容的问题，激光笔或翻页器的使用是否熟悉，板书该写在黑板上的哪个位置，这些都需要提前做好实际的演练工作。

4  结束语

讲课类项目作为一项全新的赛事类别被引入全国大学物理实验竞赛中，大大丰富了赛事内容和形式，提高了广大师生的参与程度。学生以其特殊的身份角色完成竞赛活动之后，能更加深入地掌握实验课程的各环节要领，增强对大学物理实验课程的深刻认识，增强大学生物理学习的效果。指导教师在参与竞赛的过程中也收获很多，以一名反串的角色多次听取学生授课的效果，有时部分讲课环节的巧妙设计让人耳目一新，不断反思个人平时上课过程中需要改进的地方，有利于达到以赛促教、教赛相长的目的。

5  参考文献

[1] 刘正钦，陈超，李万淳，等.应用型人才培养的大学物理实验教学模式探究与创新[J].桂林航天工业学院学报，2020（4）：534-537.

[2] 教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会，物理基础课程教学分委员会.理工科类大学物理课程教学基本要求理工科类大学物理实验课程教学基本要求（2010年版）[M].北京：高等教育出版社，2011.

[3] 李俊，米未娜，雒晓凤，等.浅谈惠斯登电桥应用[J].南方农机，2017，48（19）：90-91.

[4] 姚星星，郑远，何亮.自组式惠斯登电桥实验结果的不确定度分析[J].大学物理实验.2019（4）：100-102.

[5] 樊晓筝，申诗琪，尚军.全国大学生物理实验竞赛之讲课比赛回顾与思考[J].物理实验，2021，41（3）：32-36.