基于物理学科特点下教学竞赛工作原则的认识与实践

梁裕民

(陆军军事交通学院基础部，天津 300161)

由教育部高等学校大学物理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(简称三委员会)联合举办的全国高等学校物理基础课程青年教师讲课比赛，从2014年起已经连续举办了4次(包含大学物理理论课和大学物理实验课两大类，每类比赛隔年举行)。该比赛作为全国大学物理教学类最高赛事，极大地激发了青年教师投身物理基础课程教学的热情，比赛的影响力逐年扩大，备受各院校的关注与重视。以比赛为牵引的一系列活动，对提高物理学科教师队伍质量，提升大学物理教学水平，进一步加强物理学科在人才培养中的基础性起到了积极的作用。通过几届赛事活动，我们积累了一些经验做法，下面从对赛事的认识、理论讲课比赛的关注点和处理、物理实验讲课比赛的关注点和处理、对比赛过程控制和结果应用4个方面进行交流。

1 对大学物理及实验青年教师讲课比赛的认识

三委员会在《全国高等学校物理基础课程青年教师讲课比赛实施方案(试行)》中明确提出比赛的目的为“激发和鼓励青年教师投身物理基础课程教学、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”[1]。上文明确阐述，比赛的目的不仅是为获得比赛的结果，更重要的是通过组织比赛的系列活动，提升课堂教学水平，提高教师授课能力，带动物理学科教学建设，从根本上提高学生学习物理的质量。

从比赛赛制的3个阶段设计(省、地区和全国)、比赛内容的全范围随机抽取(内容范围为《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》中的全部基本内容)[2]，以及省赛、地区赛实施方案的宽自由度(规定省赛、地区赛参考本方案，结合当地特点自行组织)，充分体现了三委员会重视比赛的实践效能、重视比赛的牵引效应、重视比赛的过程效果，我们认为比赛在组织的过程中，只有严格地遵守公平、交流和共赢的基本原则，才能贯彻三委员会的设计意图。

1.1 制度下的公平是整项赛事的基础

1) 贯彻好比赛意图，要使用好三委员会《关于预赛和复赛的指导性意见》赋予的权限，做好选拔与评奖的权衡

一方面通过省赛、地区赛组织形式上的属地化，例如题目的设置、评分标准的细化等环节，让更多的不同类型的院校参加，加大比赛选手的覆盖面，使选拔有得选；另一方面严格比赛的公平性，维护参赛单位和教师的参与热情，权衡好选拔与评奖的关系，使真正优秀的选手被选出。强调获复赛的选手在下一阶段比赛的代表性，举全省、全地区的力量，提高选手的讲课能力，保证比赛的高质量和教学引领作用，提高比赛参与者的荣誉感。

2) 贯彻好比赛意图，要设计好比赛流程，恪守回避制，为充分交流和共同提高提供展示平台

天津市市赛两段制、回避制在实际操作中取得了较好的效果。两段制就是将比赛分为两个阶段，在第一阶段要求选手从教学基本要求中自选一个授课题目进行教学展示，注重不同类型院校的融合度，提供教学展示平台；在第二阶段要求选手从组委会规定的若干题目中随机抽取，强调教学基本功、知识点的宽泛度。两段制不仅将不同特点选手的优势展示，以便交流提高，而且注意到教师教学基本素质的要求，保证了比赛评比的全面性。同时天津市市赛恪守回避制，第一阶段中分两组进行，同一院校的评委与选手不同组；第一阶段胜出选手院校的评委，不再承担第二阶段评委工作，并合理使用最高分、最低分的权重，保证了比赛的公平性。

3) 贯彻好比赛意图，要有应对新问题的策略，渐进提高比赛水平，辐射提升教学质量

随着比赛届数的增加，比赛的关注度越来越高，比赛规模越来越大，面临的新问题也随之增加，处理新问题的基本原则是“渐进提高比赛水平，辐射提升教学质量”。天津市市赛第二阶段的比赛题目由第一届的10个提高到今年的16个，纵向与地区赛接轨，逐步增强到全国赛的水平；横向与自身相比，通过逐年提高题目数，加强对参赛校准备工作的引导，有效提升教学质量。

1.2 高效、高质的交流是赛事活动的根本

1) 多对象交流，共同提高，包括评委与选手、选手与选手、举办校与参赛校、专业性院校和综合性院校等

在评委与选手的交流中，要突出引导性和双向性，评委有义务引导选手对物理教学方向性问题进行研究，有责任挖掘发现选手的教学亮点进行推广；在选手与选手的交流中，要突出教学实践中具体问题的处理，包括背景准备、方法提炼和教法实践等；在举办校与参赛校的交流中，要突出以赛促建下的学科教学发展问题；在专业性院校和综合性院校的交流中，要突出不同类别物理教学的取长补短，拓展物理教学理念。

2) 多时序交流，以赛促教，包括赛前拟定题目、课中旁听、课后点评、赛后总结等，确立交流的多时全程

拟定题目不仅是“出题”，还肩负着“引导”作用，通过教学模块的比重配比，贯彻基本要求；课中旁听不仅是“选拔”，还肩负着“展示”作用，通过课程发现亮点，推广教学经验；课后点评不仅是评委组长点评，还是评委和选手深入教点、教法讨论的平台，通过长于授课时间的讨论，取得更深层次的收获；赛后总结不仅有执行主席对业务的点评，还有监事会委员对整个赛事的小结，通过多层面总结，达到以赛促赛、以赛促教。

3) 多目的交流，共取所需，包括校际差异、知识点理解、教学方法、比赛制度及建设等，确立交流的普惠性

不同类别的院校关注点不同，不同教师对同一知识点的理解不同，不同的教学团队对教学方法的运用不同，不同地区的属地性引起的比赛制度和建设不同，比赛的组织工作，必须考虑到参与的不同需求，认真做到“众口能调”，求同存异地处理好比赛中的交流细节，从而达到共取所需的目的。

1.3 突出共赢是比赛活动的唯一结果

在公平、交流和共赢的工作原则中，公平是基础，交流是根本，共赢是活动的唯一结果。处理好选拔与评奖的关系，实现校际间的共赢；处理好准备过程与比赛进行的关系，实现比赛质量和日常教学的共赢；处理好点评与交流的关系，实现评委与选手共同提高的共赢；处理好参赛选手与非参赛选手的关系，实现整体教学队伍的共赢；处理好教务与院系部的关系，实现学校和学科的共赢。选手、评委和组织者都是比赛的参与者，我们的工作对比赛有益、对教学有益、对教师有益、对学科有益，但根本一定是对我们的学生有益。

2 物理理论讲课比赛的关注点和处理方法

作为组织者和评委，本节对物理理论讲课比赛的关注点和处理方法与大家交流，希望组织者、评委和选手能有所借鉴。

2.1 物理课程是定位于方法导向下普遍问题定量研究的教学

数学、物理学、英语和计算机一般被定义为4门核心基础课。它们的联系与区别是，数学和物理是他知基础课程(探究自然为基础)、英语和计算机为自知基础(人类创造为基础)。数学、英语和计算机为语言，数学是自然的语言、英语与母语是交流的语言、计算机为信息的语言。物理学是应用方向的平台，物理学中的力学、热学、光学、电磁学、近代物理涵盖了各个研究领域。物理学丰富的教学内容是载体，系统的方法论的传授是物理学的根本；物理学是本科教育中能淋漓尽致体会数学之美的首门课程，教师有义务教会教好学生用数学方法定量地解决应用问题。方法导向下普遍问题定量研究的物理教学，就是引导学生对不同研究对象应用恰当的研究方法，全方位地对普遍问题进行学习，在建立完备方法体系的同时，以课程中丰富的物理模型为基础，培养学生将实际问题转化为数学模型，进而进行定量分析，最终利用数学工具解决问题的能力，这种能力的培养对学生今后的实际工作具有深远意义。

2.2 比赛的关注点一：方法性

方法体系在教学进程中起着导向作用，引导着整个教学进程。物理课程中有隔离体法、能量法、守恒法、类比法、组合法、选系法、参考系变换法、演绎法、统计法、对称法、力线法、特解法、旋转矢量法、图线法、波阵面法、波程差法、半波带法、驻波方法、近似法及量纲法等20余种方法。物理学方法论有解释原理、简单性原理、统一原理、守恒原理、对称原理、数学化原理、对应原理、互补原理、可观察性原理、基元性原理等10大原理。以方法体系为纲，物理教学应该着眼于分析解决问题能力的培养，结合内容体系，构建结构科学、层次清晰、内容充实的方法体系，并贯彻于一个知识点的教授。

2.3 比赛的关注点二：内容体系

物理课程的内容体系具有很强的传统性和经典性，是教学的基础。要强调内容的瞻前顾后, 要注重方法的贯穿结合，切实将教学目标由“教会学生学会什么知识”转变为“引导学生掌握什么方法”。例如，质点学、刚体学、振动与波、相对论4部分的教学内容差异很大，但方法都是由运动学切入，进而进行动力学分析，再由时空积累效应过渡到守恒问题；数学工具维线又均为矢量、微积分和微分方程，根据其特点构建主讲质点学、类比刚体学、分析振动与波、综合相对论的教法，将方法和数学工具与内容融合在一起，形成以内容为中心的教学融汇点，突出每个教学点内容特色和方法特点。

2.4 比赛的关注点三：数学工具运用

学生综合数理能力是其今后处理科研和工程问题的关键。大学物理课程涉及数学分析、场论、概率论、复变函数、数理方程和线性代数6门课程中的矢量、微积分、微分方程、矩阵、数理统计、场论、偏微分方程等30多种数学工具。讲授内容需要明确，用什么样的数学工具，解决什么样的物理问题，达到什么样的研究结果，是否在比较物理思维和数学思维异同的基础上，将两者高度融合，使教学更具有可操作性和实际意义。

例如，微积分的分析方法是大学物理中的基本数学工具，从质点运动学到质点动力学；从功和能到刚体转动；从静电场到稳恒磁场，都有用微积分来解决的问题，将微积分这一数学工具作为一个教学融汇点，从微积分的思想去把握物理方法、解决物理问题，势必会在课程内容的展开与学生数理能力的培养方面收到良好的效果。

2.5 比赛的关注点四：媒体工具

正确的教学媒体选择对完善课程教学运行细节、提高教学质量具有事半功倍的效果。反对将一切讲解都形象化、简单化，应着重培养学生的逻辑思维能力。

物理学具有板书、投影片、录像片、演示实验和CAI等5种物理教学媒体，这5种教学媒体优势各异。逻辑层次性强的板书、结构体系强的投影片、形象高效的视频、实效形象的演示实验和可控参数的精确数据处理下的CAI，媒体选择应依托方法、内容和数学工具，根据教学特点和媒体特色，以教学效果为根本，择优配比，使各种媒体相互配合、相互补充，形成物理学多媒体辅助教学方案，突出教学过程细化和发散思维宗旨，提高教学效益。

2.6 比赛的关注点五：方法、知识主体、数学工具和媒体工具的主次配合

在一次课程一个知识点的讲授中，不可能将方法、知识主体教学、数学工具和媒体工具全部重点使用，这就要突出主次配合，尤其是对课程整体体系前后的照应，从一个知识点体现知识体系的完备性。

以方法为主的教学重点在于其与内容的融合。例如，在力学、热力学、电场、磁场和量子物理中分别讲授动量守恒、角动量守恒、机械能守恒、能量守恒、电量守恒、质能伴随守恒等内容，虽然相关教学内容贯穿课程前后，但它们具有一条共同的方法维线，以守恒法为教学融汇点。针对不同的守恒类型，分别选择演示实验、计算机模拟、理想实验和板书为讲授媒体，应用矢量、微积分、极坐标、坐标变换等数学工具，总结出守恒法中守恒量选取的规律、过程量与状态量关联性的确定、守恒形式的推导、守恒条件的判定四大原则，在深化教学内容的同时，使学生切实掌握守恒法在不同问题中的实际应用。

以知识主体为主的教学适用于物理体系清晰，方法和数学工具类比性好，知识的对称性和研究的顺序性强的内容。例如，动量和动能的讲解，从物理体系上看，就是力分别对时间和空间的积累，对称的过程量分别为冲量和功；从数学工具上讲，两量分别属于矢量与标量，两者即对称又不同，矢量特性使动量定理具有方向的定义，标量的特性将势能概念引入动能定理，进而引出功能原理。将动量和能量结为一个教学融汇点，对不同的研究对象，应用相似的分析方法、分析顺序和数学工具，得出不同的结论，教学内容清晰、分析过程具有普遍性和可推广性。

强调数学工具的教学适用于物理学与数学结合紧密的教学点。例如，重力场、万有引力场、温度场、熵、电场、磁场等教学内容，其数学工具均为场论，而保守力、非保守力、场强、势能、高斯定理、环路定律、有源场、无源场、梯度、散度、旋度等概念属数学和物理所共有。以数学工具维线为教学融汇点，将物理学的方法与数学的思想融会贯通，为数学场论提供6个不同类型的实际场模型，对有源无旋和无源有旋两种场应用一种数学工具进行物理性质分析，为抽象的数学方法赋予明确的物理意义，能极大地提高学生应用数学定量解决普遍问题的能力。

强调媒体工具的教学要贯彻立足内容要求、结合方法特征、注重教学效果、充分发挥媒体优势的方针。这里的教学效果不是越直观、越明了越好，教学的本质应是思维训练，要求学生不仅要知道结论还要清晰过程，不仅学会知识还要掌握方法。例如，在相对论时空观内容的讲解中，我们就依据内容和方法特征，以媒体维线为融汇点，选择板书加思想实验作为教学媒体。从经典时空观到伽利略相对性原理，从洛伦兹变换到时间膨胀和长度收缩，环环紧扣、过程抽象，没有现实生活中的实验可举例。以理想的“投球实验为切入点，通过严谨的数学变换方法，逐步呈现经典时空观的困难，进而建立正确的相对论时空观，“一笔笔”层层深入地逐步把握逻辑本质，实时处理学生每个逻辑点的问题，将教学难点消化在课堂上，其教学效果远比实施其他媒体的跳跃性讲解好。

3 物理实验讲课比赛的关注点和处理方法

物理实验与理论课程作为同一学科的两门课程，处理好实验与理论的关系、物理实验课程独立性和功能性、强调脑手并重是物理实验讲课比赛的重点，实验讲课比赛还有以下关注点。

3.1 物理实验和物理理论课程的关系

物理实验和大学物理是同一学科的两门课程，两门课程目的相同，内容衔接，形式不同，是一个学科下共同培养学生科研工作能力的必备课程。物理实验是大学物理的后续课程，大学物理理论教学是物理实验的前续基础，后者的教学不仅基于前者，更是教学进阶，是理论向实践的进阶，更是学生脑手能力并重素质的进阶。物理实验有自身完整的实验理论体系，是高层次实验实践的基础，作为本科阶段首门实践性课程，完备的实验理论基础和实践实操能力，对学生后续诸多的其他实践性课程意义重大。

三委会对物理实验讲课比赛的定位突出了实验课程脑手并重的特征，《比赛实施方案》明确：实验课比赛中，讲课部分主要涉及实验思想，基本方法、原理、概念，以及根据教学需要穿插的历史背景或应用举例等；提问部分主要涉及实验现象与物理原理的联系，或实验现象与设备调整之间的关系、原则、思路，或误差的分析与处理等，两部分均不涉及具体设备。上述描述，意在提升实验理论在实验课程中的作用，贯彻实验理论和实验技能并重的教学理念，突出实验课程脑手并重的特征，实验讲课比赛要平抑单纯强调动手，向“脑手并重”转变，强调实验理论基础和实践实操能力综合效能。

3.2 比赛的关注点一：实验理论

物理实验课程具有完善的理论体系，主要包括误差理论、数据处理方法、基本实验方法、仪器设计原理、实验设计理论、实操技能技巧等6大部分，其内容丰富、应用广泛，是物理实验教学中的重要组成部分。搞好实验理论教学，不仅可以弥补由于实验项目选取不同、实验数目有限所造成的学生知识方向性强、知识结构不完整等不足，而且为贯彻实验“脑手并重” 提供完善的理论工具, 可对进一步提高学员综合能力起到极大的作用。不能单一强调物理实验是一门实践性课程，单一强调多给学员时间锻练动手能力，而削弱实验理论的教学，造成学员在实验理论方面知识零散、欠准,使学员在操作中只注重 “如何去做”,忽视 “为什么这样做”, 使 “动脑动手” 转化为 “单纯动手”, 而没有达到综合实践能力提高的目的。系统的实验理论教学不仅为学员具有较强操作能力打基础，而且对学员今后实验能力的再提高起到重要作用。

教学中要注意物理理论内容与实验理论教学的处理，大学物理理论教学内容作为前续课程已讲授，可进行使用前的复习，但不再是实验理论教学的重点，实验理论的教学应基于大学物理理论教学，对自身的6大部分的理论体系进行构建。例如，在分光计实验中，折射率、三棱顶角和光栅常数等理论公式的推导不是实验教学的重点，而作为仪器设计原理中双游标结构提高测量精度的基本原理，以及实操技能技巧中各半调节法的分析与应用才是实验理论教学的重点。

3.3 比赛的关注点二：实验方法

物理实验方法是物理学科教学的重要组成部分，导引着整个实践环节的每一个过程，除了与理论教学共有的方法外，还有其特有的控制变量法、补偿法、平衡法、示踪法、干涉法、衍射法、比较法中的直接比较测量法，间接比较测量法、放大法中的累积放大法，机械放大法，电学放大法，光学放大法、转换测量法中参量转换测量，能量转换测量法、模拟法中的几何模拟，动力相似模拟，替代模拟，类比模拟等物理实验常用方法。实验教学要以实验方法体系为教学根本，提高实验方法在实践实验中的作用。

例如，对干涉法的介绍，需讲清不论是何种干涉，相邻干涉条纹的光程差的改变等于相干光的波长。得到光的波长虽然很小，但干涉条纹间的距离或干涉条纹的数目却是可以计量的，通过对条纹数目或条纹的改变的计量，可以获得以波长为单位的对光程差的计量。利用光的干涉现象可以精确测量微小长度或角度变化，测量微小的形变及其相关的其他物理量，干涉仪更是在近代物理实验中发挥重要作用。

3.4 比赛的关注点三：实验的类化

实验类化的主要目的是加强实验的体系性教学，完善实验知识架构，让学生在有限的实验数目中获取最多的知识量。实验的类化可以从实验方法、测量的物理量、仪器原理、实验设计、操作技巧和数据处理等多角度实施。实验的类化教学可实现课上大信息量的引入，加大类化实验的介绍，适当留有空隙让学员填充，实现高信时比的获得。

例如，将“万用表的使用”“开尔文电桥” “惠斯通电桥” “冲击法测高阻”4个实验类化到“电阻的测量” 中, 以“惠斯通电桥” 为重点，系统地介绍电阻从粗测到精测、从低阻到高阻的测量方法，使学员在做一个实验的基础上掌握电阻全部测量方法。对学生而言，这些实验有高中已经完成的，有后续需要进行的，有以后可能不做的，但完整的电阻测量体系和方法已经建立，将零碎的知识串成一条线，进而架构完整实验体系。

3.5 比赛的关注点四：根据误差理论指导实验测量的设计

加强根据误差理论指导实验测量设计的根本目的是培养学生实验设计能力,使其在基本实验中进行半设计实验的训练，体现在实验仪器选择和在现有仪器下实现最高精度测量两方面能力的培养。比如长度的测量，实验中就常用到直尺、游标卡尺、螺旋测微计、电感和电容式测微仪、线位移光栅、光学显微镜、阿贝比长仪和干涉仪等，这些仪器分布在分立的各个实验中，每个实验都要根据自己的有效数字和精度的要求，选择不同的仪器。在单个实验中，要突出并不断实践物理实验的最根本的理念：用最简单的仪器获得最精确的测量。

例如，在“用落球法测定液体粘滞系数”的实验中，要求学生自己确定小球下落距离的上下线位置，引导学员先粗测油料的粘滞系数，根据理论值估算出小球收尾速度所需要的时间，自己确定出小球下落距离的上下位置，再根据时间的有效数字来选择其他量的测量仪器，使各仪器间有效数字均衡，满足最终测量达到最多有效位，提高测量精度，实现在最简单的实验中，培养学生最基本的实验设计能力。

3.6 比赛的关注点五：根据实验原理指导实验参数选择的内容

加强根据实验原理指导实验参数选择的内容，可以培养学生先动脑后动手, 有的放矢地解决遇到问题的能力，避免“猜数”“碰数”等现象的发生。实验原理不仅仅是测量的基本公式，更是指导快速实验、精确调整的根本，用好、用活基本实验原理，抓住关键参量的调控，突出成功的实验源于理论设计与实验技能的完美结合，这样不仅能使学生顺利完成一次实验，更能指导其触类旁通、举一反三。

例如，在“板式电位差计”的实验中，不固定每米压降，而是让学员自己用万用表测取电阻丝的线电阻值率，再根据工作电源范围，自己选择可能且精度最高的每米压降参数进行测量，并要求在校准和测量前要计算出滑线变阻动头位置、校准和测量分别对应的板线长度等粗略值。

3.7 比赛的关注点六：根据数据处理方法定制实验方法的讲解

加强根据数据处理方法定制实验方法的讲解，可以培养学生利用数据处理达到更高测量精度的能力。物理实验数据处理的方法包括逐差法、最小二乘法、线性回归法、参数拟合法、数值逼近法等10余种常见方法，其中不乏“曲改直”等经典的数据处理思想，引导学生处理好自己的数据，逐步建立精实验、重分析的实验习惯，通过实验数据处理，完善提高实验精确度。例如在“光电效应”和“牛顿环”等实验中，实验数据处理方法以最小二乘法、逐差法等为主，根据实验数据处理方法进行行抬头点的确定、圆环半径的确定等。围绕实验数据的处理，使学生理解整个实验设计的精美与巧妙。

当然，在一次实验课程讲解中，不可能涉及上述关注点全部，这就需要根据本次实验的内容特点，有选择性地侧重，完整的实验课程体系就是由诸多分立的实验项目构成，讲课比赛需要对整体实验架构有所表征。

4 对比赛过程控制和结果应用的建议

4.1 注重过程控制

比赛的过程控制应体现在赛前、赛中和赛后的各个阶段。选手注重过程控制，突出提高与展示，突出赛前准备的教学亮点，通过一次课、一个关注点，讲出教师本人及其教学团队的经典课。评委注重过程控制，突出交流与公正，扩大交流受益面的广度与深度，引导好教学发展方向，归纳挖掘好教学经验，以供更大范围的借鉴。组办方注重过程控制，突出内规与外宣，做好比赛的内功与外功，搭建好物理教学切磋交流的平台，使比赛发展好，形成更大的影响力。

4.2 注重结果应用

比赛的结果不仅能为青年教师的成长提供发展路径，更重要的是，竞赛可以达到引领物理教学、提高教学团队水平和增强物理学科在整体高等教学架构的地位的效果。比赛应注重引领物理常规教学，创造重视物理教学的环境，4门基础课程中英语和计算机有等级考试，数学为考研的基本科目，物理不具有优势，组织好高水平学生的学科竞赛和老师的教学比赛，可有效带动物理学教学的整体工作，提高教与学的热情与质量。比赛应注重提高整体教学团队水平，参赛教师应依托一支优秀的教学队伍，通过集体备课、团体攻坚和整体进步的形式，以点带面地推进整体教学团队的授课能力，得到比赛的最优结果。比赛应注重增强物理学科在整体高等教学架构的地位，通过省、地区和全国3个高水准的比赛过程，提高各院校对物理学科的认知、认可度，尤其是通过竞赛的校际交流，向高水平院校取长补短，将物理学科建设推上一个新台阶。

5 结论

全国高等学校物理基础课程青年教师讲课比赛，不仅仅是优秀青年教师展示的舞台，更是促进全国院校物理教学建设的平台。正确地认识赛事，把握好比赛的关注点,做好过程控制和结果，组织者、评委、选手及每一个参与者以公心、恒心做好比赛的每个环节，我们的工作必然会促进青年教师成长，促进教学提高，促进比赛发展，促进学科发展，但最根本的一定是让我们的学生成为最终的受益人。