樊代和

(1.物理國家級實驗教學示范中心(西南交通大學)，四川 成都 610031；2.西南交通大學 物理科學與技術學院，四川 成都 610031)

從2017年始，教育部高等學校大學物理基礎課程教學指導委員會、教育部高等學校物理學類專業(yè)教學指導委員會和中國物理學會物理教學委員會等三委員會聯(lián)合，決定每2年舉辦全國高等學校物理基礎課程(實驗)青年教師講課比賽(下稱講課比賽). 該項賽事的目的為：進一步激發(fā)和鼓勵青年教師投身物理基礎教學，提升教學水平，推動教學改革，交流教學經(jīng)驗，提高人才培養(yǎng)質量. 按照比賽規(guī)則，整個比賽分為省級預賽、地區(qū)級復賽和全國決賽3個階段. 筆者有幸參加了2017年舉辦的首屆講課比賽的四川省預賽(四川大學承辦)、西南地區(qū)復賽(四川大學承辦)和全國決賽(廣西師范大學承辦)，并分別獲得了一等獎的成績. 2019年，筆者還有幸觀摩了第2屆講課比賽四川省預賽(四川大學承辦)和全國決賽(云南師范大學承辦)的全過程. 通過2017年的實際參賽和2019年觀摩更多教師的講課比賽，總結出幾點心得體會，希望能夠和國內從事物理實驗教學的老師共勉.

首先，不論是進行講課比賽還是實際面對學生講授的大學物理實驗課，在教學設計中，青年教師一定把握哪些內容是講授的重點，哪些是輔助教學內容而應該適當進行講解.為此，筆者認為每位青年教師首先要仔細閱讀并深刻學習由教育部高等學校物理學與天文學教學指導委員會、物理基礎課程教學指導分委會于2010年3月31日頒布的《理工科類大學物理實驗課程教學基本要求》文件[1](以下簡稱“基本要求文件”). 該“基本要求文件”明確了實驗課的教學內容基本要求、對學生的能力培養(yǎng)要求、分層次教學基本要求以及教學模式、教學方法和實驗學時的基本要求. 在此基礎之上，才能設計某一實驗項目的講授，使學生更好地達到該實驗項目的學習要求. 事實上，整個講課比賽的3個階段，競賽規(guī)則都明確了比賽內容要涵蓋此文件內容. 筆者在講課比賽的觀摩過程中發(fā)現(xiàn)，部分青年教師為了能夠達到比賽中所謂的“出彩”效果，在比賽要求的15 min內，超過86%的時間講授某一實驗項目的相關背景，只留有少部分時間進行該實驗項目重點內容(如實驗原理、實驗步驟、實驗測量、數(shù)據(jù)分析和處理等)的講授. 顯然，這種備課設計使得整個講課過程本末倒置，因為“基本要求文件”中提到的5點基本教學要求沒有進行重點講授，反而提到的“適當介紹物理實驗史料”部分變成了重點講授內容. 筆者認為這樣的教學設計，從科普報告的角度而言，可以激發(fā)學生學習大學物理實驗課程的興趣，但無法培養(yǎng)學生的獨立實驗能力以及分析與研究能力，也即無法達到“基本要求文件”中提到的能力培養(yǎng)要求.

其次，盡管是實驗課，但青年教師應注重與大學物理理論課內容的相結合.這一點主要體現(xiàn)在針對某一實驗項目的實驗原理部分講授上. 通常，實驗項目中的實驗原理是指完成該實驗項目所依據(jù)的物理概念、規(guī)律等相關的物理原理. 事實上，實驗原理部分是實驗課中應該重點講授的內容之一，例如，什么是轉動慣量？什么是等傾干涉？光柵衍射規(guī)律是什么？駐波是如何形成的以及其特點是什么？邁克耳孫干涉儀中補償板的作用是什么以及是否必須使用？ 在大學物理理論課的講授中，這些具體的物理知識概念與原理通常都會講授，但是在實驗課的設計和講授過程中，需要青年教師務必清晰并且準確地掌握這些概念和規(guī)律，特別是其中的物理機制. 筆者在講課比賽的觀摩過程中發(fā)現(xiàn)，有個別青年教師在評委的提問環(huán)節(jié)，不能正確地從物理概念或原理出發(fā)回答評委提出的問題，甚至將一些物理基本概念，如分振幅和分波前干涉概念互相混淆，即出現(xiàn)答非所問的情況. 鑒于此，筆者認為從事大學物理實驗課講授的教師，應該經(jīng)常與從事大學物理理論課講授工作的教師互相交流，這樣一方面可以充實相關實驗的理論知識，另一面又可以了解學生的學習背景，進而有針對性地進行教學設計和授課.

第三，在進行實驗課的講授時，青年教師要避免“想當然”主義的出現(xiàn).例如，在邁克耳孫干涉實驗中，為什么分束鏡的透射率和反射率比要固定在50∶50(即分束鏡的強度反射率和透射率要相等)，而不用如40∶60，或者30∶70的分束鏡呢？此問題，是筆者于2017年參加講課比賽時曾遇到過的問題，同時也是2019年講課比賽中，有評委提出的問題. 在筆者從事實驗教學的過程中，從來沒覺得這是問題. 因此當有專家提出此問題時，筆者依據(jù)普通2束光干涉時，只有2束光強度相同時才能獲得可見度最高的干涉原理，“想當然”地回答到：在邁克耳孫干涉實驗中，只有透射率和反射率比為50∶50的分束鏡，才能觀察到可見度最高的干涉. 但事實證明，這種基于“想當然”主義的結論是完全錯誤的. 按照邁克耳孫干涉的原理圖，很容易計算得出在觀察屏上出現(xiàn)干涉條紋強度的最大值和最小值(即干涉亮紋和暗紋的強度值). 從計算結果中可以發(fā)現(xiàn)，不論分束鏡透射率和反射率比是多少，干涉暗紋的強度值永遠為0，或者說，利用單色光進行的邁克耳孫干涉實驗中，可見度永遠為最大值1，與分束鏡的透射反射比無關. 因此，上述“想當然”地回答諸如此類問題，必定會給出錯誤的結論. 事實上，從理論計算結果也可以看出，只有采用透射率和反射率比為50∶50的分束鏡，才能獲得強度值最大的干涉亮紋，這才是關于上述問題的正確答案. 再比如，還是針對此實驗項目，有評委提出問題：如果用鈉燈完成邁克耳孫干涉實驗，在動鏡細微移動過程中，出現(xiàn)了干涉可見度先減小又增大的現(xiàn)象，是什么原因？參賽教師在回答此問題時，“想當然”地認為是由于鈉光燈光源的相干性不夠造成的. 但事實上，該現(xiàn)象是由于鈉燈具有波長相近的2條譜線所造成的，相關的現(xiàn)象也有報道和解釋[2]. 基于以上實際出現(xiàn)的事例，筆者認為，針對任何實驗過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象和問題，青年教師都應避免“想當然”主義現(xiàn)象的出現(xiàn)，而是應該具體問題具體分析，從實驗原理出發(fā)，有依據(jù)地對學生進行講授和解釋.

第四，日常實驗教學中，青年教師要關注學生提出的實驗問題.在實驗課中，由于學生的基礎和學習層次不同，具體的實驗情況是千變萬化的，往往學生會發(fā)現(xiàn)或遇到教材中沒有提及的實驗現(xiàn)象，甚至部分學生會提出教師無法回答的問題. 當然，可能大部分情況下，學生提出的問題均是由于沒有掌握實驗原理，或者由于沒有正確操作實驗儀器而導致的. 但是，如果授課教師能夠及時關注并認真分析部分學生提出的有意義問題，指導學生進行詳細地研究并總結成文，不論對教師更加深入地了解此實驗內容，還是對“基本要求文件”中提出的培養(yǎng)學生“理論聯(lián)系實際的能力”，均大有益處. 在今年的講課比賽提問環(huán)節(jié)中，評委提出的部分問題，筆者在日常的實驗課講授時，就曾有學生提到過. 例如，在硅光電池的光電特性實驗中，評委提出過如果使用不同波長的光源進行此實驗研究，會有什么影響的問題. 筆者在授課中，學生提出此問題后，及時地對此問題進行了關注并做了文獻調研. 例如，文獻[3]就研究了太陽能電池的光譜響應特性，因此，當筆者將此文獻介紹給學生后，該學生受此啟發(fā)，并在此基礎上分析研究硅光電池實驗中的溫度效應，并將其實驗分析結果總結為科研論文. 基于此，筆者認為，如果青年教師在日常的實驗教學中，能夠認真關注學生提出的實驗問題，一方面在講課比賽中可以準確地回答評委提出的問題，更為重要的是，對“基本要求文件”提出的培養(yǎng)學生的分析與研究能力、理論聯(lián)系實際能力將起到積極的作用.

第五，在具體實驗內容方面，青年教師應在其所在高校實際實驗條件基礎上，設法逐步將傳統(tǒng)的基礎驗證型實驗項目內容過渡到設計性實驗內容.在2017年的講課比賽全國決賽中，設計性實驗題目只占所有參賽選手提交題目的7.4%[4]. 在今年的講課比賽決賽中，筆者也發(fā)現(xiàn)有部分參賽選手所講的實驗內容過于單薄，這將導致有一定實驗基礎技能的學生，可在較短的時間(例如不超過30 min)內，正確完成該實驗項目所要求的內容. 當然，實驗項目內容的選取主要取決于青年教師所在高校針對大學物理實驗課程編寫的教學大綱內容. 但是，設計性實驗項目太少，一方面不能滿足“基本要求文件”中提出的設計性實驗應占10%左右的比例要求，另一方面，基礎驗證性實驗如果不加以擴展，不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力. 基于此，筆者認為，青年教師應充分發(fā)揮其主觀積極性，爭取在現(xiàn)有的實驗條件基礎上，對其所在高校開設的實驗內容，特別是原理較為簡單、實際動手能力要求不高的實驗項目內容進行擴充，以此來培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力. 值得借鑒的方法有2種，其一是可以將“基本要求文件”中提出的，關于測量誤差與不確定度評估知識融入到具體的實驗項目內容中，用以分析實驗結果和進行實驗的設計. 例如，筆者曾提出將測量不確定分析應用到大學物理實驗設計中的方法[5]. 利用該方法，進一步擴充了分光計測量三棱鏡折射率實驗內容[6]. 另一種值得借鑒的方法是，可以將某個大學物理實驗內容的技術原理應用到另外一個大學物理實驗項目中. 例如，筆者曾指導學生分別將邁克耳孫干涉實驗原理以及光柵衍射實驗原理應用到楊氏彈性模量實驗中微小伸長量的測量[7-8]，用以解決傳統(tǒng)楊氏彈性模量測量實驗中的一些不利因素. 相信通過如上所述的2種方法，一方面可以在不改變現(xiàn)有實驗條件的情況下，進一步提升實驗內容設計性要求，另一方面也可以實現(xiàn)“基本要求文件”中提出的針對學生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)要求.

總之，通過實際參加2017年首屆實驗講課比賽和觀摩2019年第2屆實驗講課比賽，并且結合一些具體的實驗案例，例如邁克耳孫干涉實驗、硅光電池特性研究實驗、光柵衍射實驗以及楊氏彈性模量測量等實驗項目，筆者總結出了5點心得體會. 通過親身經(jīng)歷的實驗問題以及觀摩中發(fā)現(xiàn)的問題，給出了相應的解決方案. 希望這些心得體會能夠對今后參加該項賽事的青年教師和國內工作在物理實驗教學一線的教師提供一定的借鑒作用.