原创 邓雨琪 赵西梅 等 物理与工程

摘要

心脏起搏器实验是一个面向医学院大一学生开设的具有医学特色的物理实验，在第七届全国大学生物理实验竞赛（创新）讲课类比赛中获得一等奖。以心脏起搏器实验为例，分享在讲课过程中怎样备赛和进行教学设计的过程，体现出实验教学融入人文情怀元素对学生情感价值的引领，凸显心脏起搏器实验的医学特色，凝练心脏起搏器实验教学的亮点和创新点，激发出学生对物理实验的兴趣，可供参赛选手参考。

关键词大学生物理实验（创新）竞赛；心脏起搏器；教学设计；思政教育

AbstractThe cardiac pacemaker experiment is a physical experiment with medical characteristics for freshmen of medical colleges. It won the first prize in the lecture competition in the 7th National Undergraduate Physics Experiment Contest (Innovation) Lecture Competition. Taking the experiment of t cardiac pacemaker as an example, this paper shares the process how to prepare for the competition and carry out the teaching design in the course of lectures, which reflects the guiding effect of humanistic elements in experimental teaching on students emotional value. The medical characteristics of the cardiac pacemaker experiment are highlighted, and the highlights and innovation point of the cardiac pacemaker experimental teaching are refined, which can inspire the students' interest in physical experiments and provide references for the contestants.

Key wordsUndergraduate Physical Experiment (Innovation) Competition; pacemaker; teaching design; ideological and political education

全国大学生物理实验竞赛自2010年起开始举办，每两年举办一次。在2020年，经过高等学校国家级实验教学示范中心联席会讨论，将该赛事分为教学赛和创新赛两部分，创新赛每年举办一次，教学赛隔年举办一次。全国大学生物理实验竞赛入围2020年全国普通高校大学生竞赛排行榜。

大学生物理实验讲课比赛是全国大学生物理实验竞赛（创新）三个类别之一。参赛学生根据赛事组委会公布的讲课比赛形式及要求，自选讲课内容，预赛时按要求提交讲课视频，进行网络评审；决赛采取线上答辩的比赛形式。

对于讲课类比赛，如果想要达到理想的教学效果和得到较好的比赛名次，最重要的一点就是精心进行教学设计，下面就以心脏起搏器实验为例，分享比赛过程中参赛选手的心得体会以及如何一步步进行教学设计。

1 研读比赛细则标准

首先要认真研读比赛细则和评分标准。参赛选手要非常清楚对讲课类比赛的形式和视频剪辑的要求，特别是视频剪辑的要求和时长，如果不仔细研读会犯规扣分甚至有出局的可能。对于讲课类比赛时长（16~20分钟）的要求限制了讲课时内容的取舍和精炼程度。评分标准是打分的依据，一定要认真研读，把握精髓。2021年大学生物理实验讲课竞赛评分标准分6个维度12个要点总共100分。具体细则简化如下：

1） 教学理念：落实立德树人，发挥课程育人功能；以学生为中心，体现教学环节的教学设计与创新。（10分）

2） 教学内容：无科学性错误，实验操作熟练、规范；有一定深度和挑战度；具有前沿性和时代性。（30分）：

3） 教学过程：恰当有效利用现代化技术手段和教学方法；注重教学过程探究性。（30分）

4） 教学效果：有效促进学生对所授内容的理解；有效激发学生对学习的兴趣，感悟课程的意义与价值。（10分）

5） 教学仪态：着装得体，教态自然大方；教学语言（包括体态语）规范、准确。（10分）

6） 文字展示：文字书写规范，合理运用板书；教学课件具有交互性和动态感；素材编辑简洁、清新、美观。（10分）

2 挑选讲课比赛题目

按照竞赛要求评估参赛题目。根据竞赛要求和老师自己对实验项目的把握，聚焦一个实验内容（或问题）进行教学设计，将问题讲清楚。另外，挑选适合参赛选手和选手感兴趣的题目也是非常关键因素。下面以心脏起搏器为例，展示选题的过程。

2.1 选择合适的实验题目

开始选题时，考虑多重因素，包括实验内容是否符合大学生的物理知识水平，是否对大学生有启发意义，是否具有创新点和亮点，实验设备操作是否适合比赛演示等。

心脏起搏器实验是物理实验中心的老师根据心脏起搏器结合临床医学应用，将科研成果提取、加工，设计出了适合医科学生开设的具有医学特色的物理实验。这个实验将高中知识与大学初期所学物理知识恰到好处地融合在医学实践中，让学生认识到将一个个简单的物理元器件组合起来，就有可能实现巨大的突破，创造生命的奇迹。

这个实验虽然是心脏起搏器产生脉冲的一种简单机制，但在最近几年中进行了一系列的教学改革，使得这个实验既有医学特色，又有突出的创新点和亮点，而且实验仪器可以集中布展，适合演示操作，演示效果清晰可见。图1为实验设备展示。

图1实验设备展示

2.2 遵从参赛选手的兴趣爱好

因为参赛选手是一名医学院大一学生，在物理实验学习中，对心脏起搏器实验记忆犹新，结合自身上课的体验，在详细查看教案和查找实验背景资料后，对这个实验有了自己的一些想法和感悟，认为可以巧妙地结合医学特色，甚至电路原理的讲解也可以运用医学解剖的思路，这样结合实验的亮点和创新点后，就能把实验内容讲解得更加丰富多彩。

综合实验本身特点和参赛选手自己的兴趣爱好，最终确定心脏起搏器实验参选。遵从参赛选手内心的声音，选择参赛选手感兴趣的实验题目，为接下来的讲课准备增添了信心与耐心。

3 建议增加说课环节

组委会建议在正式讲解实验之前花 1 分钟左右时间酌情增加说课环节。这只是建议，而非必要环节。通过简单说课，介绍课情、学情、教学方式方法和要解决的问题，理清教学思路。同时也是让评委大概了解比赛的实验内容，明确实验的创新点和亮点在哪里，以及最后达到的教学效果。心脏起搏器实验比赛增加了这一环节，具体内容如表1所示。

4 设计教学环节

这一环节非常关键，不一定完全按照常规实验课讲解的方式，而是根据选择比赛题目的内容和特点，跳出原有教学模式，精心设计、反复打磨，体现以学生为中心，并在教学过程中逐步展示课程两性一度的提升。图2为心脏起搏器实验的教学设计。

4.1 体现特色和亮点

类比的教学方法。实验原理讲解时,并没有像其他物理实验一样开门见山直接进行物理原理的讲解,而是从医学生的角度去思考,和医学知识点紧结合,凸显实验特色。比如,采取类比的方法,将心脏自身起搏原理与安装到人体的心脏起搏器的工作原理进行比拟,让学生非常能直观的进行理解和接受。

化繁为简分析电路。讲解电路原理时,采用医学解剖学思路,将复杂电路(见图3)化繁为简,简化为三个电路(见图4、图5、图6),紧紧围绕电 路中电容器充放电,及三极管在电路中的作用展 开,层层剖析电路,引导学生逐 步 理 解 和 自 主 分 析,一层一层揭开电路工作的奥秘,得到了意想不到的效果。

虚、实实验相结合的教学方式。在模板电路中，改变阻值容易实现，但是改变电容器、三极管的类型和其他电子元器件比较困难，所以设计了两个虚拟仿真拓展实验内容，一个是探究三极管放大电流现象，另一个是心脏起搏器波形观察和性能参数调整的研究。体现出心脏起搏器实验两性一度的教学设计，这也是心脏起搏器教学的一个亮点和创新点。当然利用虚拟仿真软件学生可以提前预习，教师讲课可以演示实验现象，这样采取虚、实相实验相结合的教学方式，实现了教学手段的现代化[5-6]

定性与定量相结合的实验方法。在测量实验数据时，心脏起搏器实验采用定性观察和定量测量相结合的方式，这也是该实验的一个亮点，在教学和比赛中要突出显示这种特色和方法，也是培养学生探索性思维能力的一种体现。如图7所示，根据实验模板上旁路电路与常规电路的控制开关K3实现定性观察和定量测量的实验方法。

4.2 融入思政教育，探寻实验意义

新时代的物理实验教学不能仅仅停留于物理实验的讲解，还应该更多地融入思政教育，但是如何在 20 分钟的讲课时间内详略得当，环环相扣地融入适当的思政内容是备课过程中的难点。

凝练“三剑客”精神。在查找有关心脏起搏器的资料过程中，了解到世界上第一例埋藏式心脏起搏器是 1958 年在瑞士成功植入的，并且整个过程中离不开“三剑客”——医生、患者和工程师之间的紧密合作、相互信任和坚持不懈（见图8）。在进一步深挖历史背景时，了解到创造生命的奇迹的过程并不是一帆风顺的，但如何讲述背景知识才能让学生真正有所感悟，并且能触动他们的灵魂深处。在一遍遍讲解过程中，与其直接告诉学生故事的结果或者科学家们的成就，不如将科学家之间相互信任与合作，突破一道道难关的过程讲精彩，利用故事中一些数字展示和细节来触动人心，凝练总结“三剑客”的精神，进而激发学生好奇心，这些冷冰冰的电子元器件是如何驱动心脏跳动的，从而引出具体的教学内容。

展望科学前沿内容。我们将实验探究的问题与心脏起搏器的科技前沿发展联系起来，在最后实验操作计算心脏起搏器使用年限内容上，自然引入心脏起搏器哪些性能还可以改良。在了解当今最先进的无导线心脏起搏器Micra使用年限长、体积小，特别是可以兼容 3T 核磁共振检查等主要性能参数，及未来朝着迷你且智能化方向发展之后，学生发挥自己的想象力与创造力发现问题并找到解决思路，通过简单的实验感受到发明创造的快感，比如未来治疗帕金森疾病的脑起搏器也会有类似的情况。

总结升华，画龙点睛。最后引发启示医学生学习物理的意义是什么，也启示医学生在学习、以后工作和科研中学习“三剑客”精神，这样与前面的思政内容环环相扣，并且引发学生的思想升华，从而到达我们教学的目的。

5 结语

这次物理实验讲课比赛搭建了一个平台，让参赛选手站在教师的角度去思考一堂物理实验课到底能给学生带来哪些思考，应该达到哪些要求。作为医学生，在备课过程中也不断反思医学生学习物理实验的意义，不断完善自身思想体系。

通过参加比赛，将心脏起搏器实验的教学设计与思路进行了整理与重构，在备赛的过程中不断优化实验各方面的实验内容与教学方法，从人文情怀元素的融入到突出医学特色，从层层剖析实验电路原理到虚、实实验相结合的现代化教学手段以及定性与定量结合的实验测量方法，逐步带领学生领略物理实验的魅力，从而激发学生对物理实验的兴趣。

赛后，我们将比赛中教学设计应用于教学实践后显示教学效果特别好，以赛促教确实是一种提高教学质量的一种方式，也是这类竞赛的意义和目的。

参考文献

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[2]葛炜.医用物理实验[M].上海:上海医科大学出版社,1997,83.

[3]缪毅强,黄昕.医用物理学[M].2版.上海:上海交通大学出版社,2013,88-90.

[4]汪建,屈学民,邓玲.医用物理学[M].北京:高等教育出版社，2013：170-172.

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[6]刘高福,王平瑞,吴旭普. 虚拟仿真实验在大学物理实验教学中的应用研究[J].物理通报，2020(6):92-97.

LIU G F, WANG P R, WU X P. Research on the application of virtual simulation experiment in university physics experiment teaching[J]. Physics Bulletin， 2020(6): 92-97. (in Chinese)

基金项目: 上海交通大学决策咨询课题(JCZXSJB-23)——心脏起搏器实验的改进及教学探讨；上海交通大学教发中心项目(CTLD22J 0055)——虚拟仿真实验的开展对物理实验教学效果的影响。

通讯作者: 赵西梅，女，高级实验师，从事物理实验方面教学与研究， [email protected]。

引文格式: 邓雨琪，赵西梅，王锦辉，等. 全国大学生物理实验竞赛（创新）讲课类比赛心得与体会——以心脏起搏器实验为例[J]. 物理与工程，2023，33（2）：126-130.Cite this article: DENG Y Q, ZHAO X M, WANG J H, et al. Experiences of national undergraduate physics experiment contest (innovation) lecture competition—Take the experiment of cardiac pacemaker as an example[J]. Physics and Engineering, 2023， 33（2）：126-130. (in Chinese)

END

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原标题：《全国大学生物理实验竞赛（创新）讲课类比赛心得与体会——以心脏起搏器实验为例》

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