大學(xué)物理實驗課的階梯式教學(xué)法實踐

楊 帆，曾浩宇，侯志青，劉書華

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，河北 保定 071001)

大學(xué)物理實驗課的階梯式教學(xué)法實踐

楊 帆，曾浩宇，侯志青，劉書華

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，河北 保定 071001)

把階梯教學(xué)法應(yīng)用于大學(xué)物理實驗課教學(xué)，將大學(xué)物理實驗分為基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、設(shè)計性實驗和創(chuàng)新性實驗等4個層次，將培養(yǎng)目標(biāo)劃分為基本實驗技能形成、實驗技能熟練與提高、設(shè)計能力培養(yǎng)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)等4個階梯，并設(shè)計了與之對應(yīng)的4段式教學(xué)模式。通過分層次按階段循序漸進的階梯式教學(xué)實踐，使得學(xué)生的實踐能力得到了明顯提高，收到了良好的教學(xué)效果。

大學(xué)物理實驗；教學(xué)改革；階梯式教學(xué)法

DOI號：10.13320/j.cnki.jauhe.2016.0164

大學(xué)物理實驗課是本科生接受系統(tǒng)實驗方法和實驗技能訓(xùn)練的開端，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實驗?zāi)芰?、提高科學(xué)素質(zhì)的重要基礎(chǔ)課程之一，它在培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、活躍的創(chuàng)新意識、團結(jié)協(xié)作品德等方面有著不可替代的重要作用。然而，長期以來物理實驗課堂教學(xué)基本上都是以老師講授實驗原理與步驟，學(xué)生照方抓藥的方式進行，限制了物理實驗在學(xué)生實踐能力培養(yǎng)中應(yīng)有的作用，實驗教學(xué)方式急需改革與創(chuàng)新。

目前，各大學(xué)都對大學(xué)物理實驗教學(xué)方法進行了積極探討，應(yīng)用了翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法、網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)法、探究教學(xué)法等，并取得了一定的教學(xué)效果[1,2]。但這些教法探討大多針對的是一堂課如何教，并沒有把大學(xué)物理實驗課程從整體上進行教學(xué)模式的系統(tǒng)改革設(shè)計。本課題組教師認為，在物理實驗課的教學(xué)過程中，不能始終使用一種固有的教學(xué)模式，這樣不僅效果不佳，學(xué)生積極性也難于調(diào)動。應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的教學(xué)階段，采用不同的教學(xué)模式，使學(xué)生體會到變化，體會到進步，體會到“跳起來能夠得著才更喜歡跳”的感覺，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。階梯式教學(xué)法便能滿足這樣的教學(xué)需求。階梯式教學(xué)法由程鴻勛先生提出，是引導(dǎo)學(xué)生逐步養(yǎng)成良好學(xué)習(xí)習(xí)慣的行之有效的方法，其特點是教學(xué)活動由易到難、由淺入深、循序漸進地安排，使不同程度的學(xué)生都得到發(fā)展。該方法在高等學(xué)校不同學(xué)科課程中已被廣泛應(yīng)用。劉春波，張慶嵐、謝銀均、李兆臣等在計算機網(wǎng)絡(luò)、C語言、臨床醫(yī)學(xué)、高校體育教學(xué)等方面都進行了成功運用[3-6]，但目前尚未見到階梯式教學(xué)法在大學(xué)物理實驗教學(xué)的應(yīng)用報道。

本研究將階梯教學(xué)法應(yīng)用于大學(xué)物理實驗，通過對教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)模式的階梯設(shè)計，對學(xué)生要求逐步提高，使學(xué)生拾階而上，循序漸進，切身體會到自己的進步，提高學(xué)習(xí)興趣，從而達到良好的教學(xué)效果。與以往有關(guān)階梯式教學(xué)法的應(yīng)用相比，前者大多強調(diào)教學(xué)內(nèi)容安排上的階梯性，而本工作強調(diào)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)模式的有機結(jié)合，在階梯式教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，又設(shè)計了與之對應(yīng)的階梯式教學(xué)模式，更能發(fā)揮階梯教學(xué)的優(yōu)越性。

一、大學(xué)物理實驗課教學(xué)的階梯設(shè)計

大學(xué)物理實驗課的教學(xué)任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生的基本科學(xué)實驗技能，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新意識，提高學(xué)生的分析能力和創(chuàng)新能力。針對大學(xué)物理實驗課的教學(xué)任務(wù)和培養(yǎng)目標(biāo)，我們對實驗項目進行了統(tǒng)籌分析和優(yōu)化。將實驗分為基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、設(shè)計性實驗和創(chuàng)新性實驗等4個層次，培養(yǎng)目標(biāo)劃分為基本實驗技能形成、實驗技能熟練與提高、設(shè)計能力培養(yǎng)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)等4個階梯；并針對教學(xué)目標(biāo)的四級階梯，制定了從細講+示范→略講+提問→出題目、供材料→宏觀指導(dǎo)的4階梯教學(xué)模式。本文以應(yīng)用物理專業(yè)(光伏方向)為例進行說明?？傮w設(shè)計如表1所示。

表1 培養(yǎng)目標(biāo)與教學(xué)模式的階梯劃分

二、階梯教學(xué)法的實施過程

(一)基本實驗技能形成階段

這一階段主要培養(yǎng)學(xué)生的基本實踐能力，包括基本儀器操作能力、實驗數(shù)據(jù)處理能力、誤差分析能力以及實驗報告撰寫能力，培養(yǎng)學(xué)生良好的實驗習(xí)慣。這一階段是教學(xué)過程的初始階段，是培養(yǎng)學(xué)生實驗?zāi)芰Φ拈_端，對學(xué)生實驗習(xí)慣的養(yǎng)成，實驗?zāi)芰Φ奶岣咧陵P(guān)重要。

這一階段采取的教學(xué)模式是：仔細講解，親自示范，手把手輔導(dǎo)。實驗內(nèi)容包括緒論課、基本度量、示波器使用、轉(zhuǎn)動慣量研究等基礎(chǔ)性實驗。教師在課堂上要詳細講解基本儀器的原理和使用方法，詳細講授操作規(guī)程、數(shù)據(jù)處理方法、誤差分析方法和實驗報告的書寫規(guī)范；手把手輔導(dǎo)和示范實驗技能。比如給學(xué)生示范如何進行水平/鉛直調(diào)整、光路共軸調(diào)整、消視差調(diào)整、逐次逼近調(diào)整、正確連接電路圖。要仔細講解實驗規(guī)范和注意事項，比如光學(xué)面不能用手摸，儀器用畢斷電時，先斷分開關(guān)，再斷總開關(guān)，調(diào)整儀器先粗調(diào)再細調(diào)等。使其養(yǎng)成良好的實驗習(xí)慣，打下堅實的實驗基礎(chǔ)。

以基本度量實驗教學(xué)過程為例，教師首先詳細講解游標(biāo)卡尺、測長顯微鏡、螺旋測微器和電子天平的結(jié)構(gòu)、讀數(shù)原理和使用方法，并親自示范如何操作，然后讓學(xué)生利用這些儀器來測量銅圓柱體的高和直徑、金屬細絲直徑、圓孔半徑以及銅圓柱體的質(zhì)量。課堂中，老師要巡視課堂，了解每一位同學(xué)的操作是否規(guī)范、正確，及時發(fā)現(xiàn)和糾正實驗中出現(xiàn)的問題，使學(xué)生養(yǎng)成良好的實驗習(xí)慣。此外，讓學(xué)生根據(jù)公式計算圓柱體的密度，同時結(jié)合偏微分計算其不確定度，以此讓學(xué)生掌握數(shù)據(jù)處理及誤差分析的思路和方法。再比如，表面張力實驗中，老師要講解利用最小二乘法處理數(shù)據(jù)，求解傳感器的靈敏度，并說明該方法適用范圍。在牛頓環(huán)實驗中，講解用逐差法來求解圓環(huán)的半徑，加強學(xué)生對各種數(shù)據(jù)處理方法的理解和掌握。

(二)綜合實驗技能積累提高階段

通過第一階段的培養(yǎng)，學(xué)生已經(jīng)初步掌握了常用基本儀器原理與方法，具有初步的誤差分析和數(shù)據(jù)處理能力，了解了不同數(shù)據(jù)處理方法的使用范圍，懂得了物理實驗規(guī)范。這時，進入第二階段的教學(xué)。

這一階段注重培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、獨立操作、獨立解決問題的能力，使學(xué)生善于觀察實驗現(xiàn)象，從現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)問題，并能利用所學(xué)知識原理對其進行分析解釋或提出解決方案，使其實驗?zāi)芰M一步得到提高和加強。

這一階段采用的教學(xué)模式是翻轉(zhuǎn)課堂法。前次實驗結(jié)束時，給學(xué)生提出下一次實驗預(yù)習(xí)任務(wù)，包括預(yù)習(xí)內(nèi)容和思考題，要求學(xué)生課前做好充分的預(yù)習(xí)準備，弄清楚下一次實驗做什么、如何做和為什么這么做。課堂上，教師與學(xué)生進行角色互換，教師就實驗內(nèi)容、原理、步驟、現(xiàn)象、故障排除等問題進行提問，學(xué)生走上講臺進行講解。然后，再由學(xué)生提出疑問，學(xué)生之間進行討論，最后教師做簡單總結(jié)，對關(guān)鍵問題和注意事項進行重點強調(diào)和說明。

比如利用旋光儀來測量溶液的濃度實驗，雖然旋光儀首次用到，但由于第一階段已經(jīng)詳細講過角度測量儀器分光計的原理與使用方法，學(xué)生可以通過預(yù)習(xí)、思考、分析，觸類旁通地了解旋光儀的原理和讀數(shù)方法，知道左讀數(shù)和右讀數(shù)的使用方法和數(shù)據(jù)處理方法；在超聲波測聲速實驗中，根據(jù)測量數(shù)據(jù)特點，通過提問就可使得學(xué)生知道應(yīng)該利用逐差法求波長；在壓力傳感器實驗中，學(xué)生大都知道用最小二乘法求壓力傳感器的靈敏度。因此，學(xué)生通過預(yù)習(xí)就可以基本掌握的實驗內(nèi)容，教師不再需要詳細講解，只需要提問、總結(jié)，讓學(xué)生自己講解、回答問題。這樣的教學(xué)方式，一方面提高了學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，另一方面活躍了教學(xué)氣氛，激發(fā)了學(xué)生興趣，從而提高了教學(xué)效果。

在這一階段中，若實驗操作過程中遇到問題，教師不要直接告知答案，而是對其進行啟發(fā)、誘導(dǎo)，讓學(xué)生自行查找，讓其通過自己分析思考找到解決途徑。比如，測量液體粘滯系數(shù)實驗中，測量值逐漸減小，超聲波測聲速實驗接收的超聲波信號逐漸減小，空氣相對壓力系數(shù)實驗輸出電壓出現(xiàn)浮動，電位差計實驗中檢流計指針始終偏向一邊等現(xiàn)象，都要通過啟發(fā)讓學(xué)生自行解決，使學(xué)生有更多的機會經(jīng)受鍛煉，提高其分析問題、解決問題的能力。

(三)設(shè)計實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)階段

在學(xué)生實驗?zāi)芰χ鸩椒e累提高的基礎(chǔ)上，對學(xué)生的要求要再上一個階梯，對其進行設(shè)計實驗技能的培養(yǎng)。為了避免跨度太大，設(shè)計實驗技能的培養(yǎng)也要從簡到難，逐步提高。我們將其分為局部改進性設(shè)計和綜合設(shè)計兩個階段。

1.第一階段：局部改進性設(shè)計。采用的教學(xué)方法是：在完成課堂實驗的基礎(chǔ)上，提出一些新的任務(wù)，讓學(xué)生對現(xiàn)有實驗進行改進或創(chuàng)新。比如，做完熱敏電阻的溫度特性實驗后，我們提出任務(wù)：利用非平衡電橋和熱敏電阻制作一個指針式溫度計。學(xué)生們積極討論，從定標(biāo)到測量很好地完成了任務(wù)。再比如，做微波測量晶格常數(shù)實驗后，讓學(xué)生利用現(xiàn)有裝置搭建邁克爾孫干涉儀結(jié)構(gòu)，學(xué)生們開動腦筋，也都完成了任務(wù)。做完電位差計測量電動勢實驗后，讓學(xué)生利用電位差計測量電阻。在這樣一次次對實驗改進和開發(fā)過程中，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計創(chuàng)新能力，使學(xué)生設(shè)計創(chuàng)新實驗?zāi)芰χ鸩叫纬?。這時進行第二階段的教學(xué)。

2.第二階段：綜合設(shè)計。采用的教學(xué)方法是：老師給出題目要求，給出主要實驗器材，學(xué)生自己查閱資料、設(shè)計實驗方案，完成實驗操作，寫出實驗報告。我們給出的設(shè)計題目有：利用讀數(shù)顯微鏡測量鋼絲的楊氏模量、晶體管收音機的焊接與調(diào)式、用邁克爾孫干涉儀測量普通玻璃的厚度和折射率、靜電場對種子發(fā)芽率的影響等，讓學(xué)生任選其一進行設(shè)計，兩周之內(nèi)完成。

同學(xué)們積極性很高，每個題目都有選擇，有的完成很出色。比如，利用讀數(shù)顯微鏡測量鋼絲的楊氏模量實驗，有的同學(xué)設(shè)計出把鋼絲橫放，通過定滑輪后，再懸掛砝碼，在鋼絲上設(shè)定一標(biāo)志，利用讀數(shù)顯微鏡測量標(biāo)志物的位移，從而測量鋼絲的伸長量，這種方法得到了很好的測量效果，而且比光杠桿測量精度更高。再比如收音機制作實驗中，教師將所需材料發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生自己設(shè)計線路，再進行組裝和焊接，最后進行調(diào)試。在這個實驗中，剛焊接完畢的收音機一般情況下是不能正常工作的，學(xué)生必須對電路進行調(diào)整，才能正常收聽節(jié)目。在調(diào)整過程中，學(xué)生要通過實驗中的現(xiàn)象進行分析判斷，通過原理分析找到癥結(jié)所在，再進行調(diào)試，既鍛煉了動手能力，也提高了分析問題、解決問題的能力。

通過設(shè)計性實驗階段學(xué)習(xí)，學(xué)生們的探索興趣得到激發(fā)，學(xué)生思維能力、動手能力得到顯著提高，設(shè)計能力、創(chuàng)新能力都得到不同程度的提高。

(四)創(chuàng)新實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)階段

由于學(xué)時的限制，學(xué)生在課堂內(nèi)獲得鍛煉的機會是有限的，而學(xué)生的創(chuàng)造力在無壓力、無束縛的狀態(tài)下才更能發(fā)揮出來[7]。因此這一階段，我們要求學(xué)生利用課余時間，結(jié)合自己所學(xué)專業(yè)，4～5人一組，進行帶有創(chuàng)新性質(zhì)的實驗活動，提高他們的創(chuàng)新能力。

采用的教學(xué)方法是：學(xué)生自主選題、自選儀器，老師宏觀指導(dǎo)。學(xué)生就實驗設(shè)計題目和思路向老師匯報，老師認為可行后學(xué)生進行完全自主實施，遇到問題時再和老師共同探討。我們建立了創(chuàng)新實驗室,備有電源、電表、電烙鐵，臺鉆、示波器等工具，給學(xué)生們提供探索創(chuàng)新的場所。學(xué)生們熱情很高，放棄了消遣娛樂時間來進行創(chuàng)新實踐活動，取得了喜人的效果。有的制作出激光限高器，有的利用太陽能電池制作了電動小汽車，還有的學(xué)生利用LED與理論相結(jié)合，設(shè)計制作了LED顯示彈性碰撞過程的作品。通過課外創(chuàng)新實驗活動，也培養(yǎng)了學(xué)生們的創(chuàng)新探索興趣，提高了其創(chuàng)新能力。而且在創(chuàng)新實驗活動中,學(xué)生們分工合作,培養(yǎng)了團隊精神。學(xué)習(xí)程度高的學(xué)生體驗了創(chuàng)作的樂趣,程度低的學(xué)生也嘗到了成功的喜悅。

三、實施效果

本研究課題組在2013級和2014級兩屆應(yīng)用物理專業(yè)學(xué)生中進行了階梯式教學(xué)法教學(xué)實踐，與以往的傳統(tǒng)方法相比，顯現(xiàn)出比較明顯的效果。(1)大多數(shù)學(xué)生養(yǎng)成了課前認真預(yù)習(xí)的好習(xí)慣，改變了以往預(yù)習(xí)只是抄書應(yīng)付寫預(yù)習(xí)報告的習(xí)慣。(2)學(xué)生做實驗更加認真了。實驗中遇到問題，不再是馬上請求老師幫助，而是首先自己分析原因所在，力爭自己獨立找到解決問題的途徑。(3)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性明顯提高，課堂討論氣氛熱烈，爭先舉手發(fā)言，再沒有以往老師提問題時學(xué)生全都低頭回避，唯恐問到自己的現(xiàn)象發(fā)生。(4)學(xué)生的動手能力普遍提高，大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，參加課外制作和參加各種競賽的人數(shù)逐漸增多。在2014年河北省第一屆大學(xué)生物理競賽中，2012級應(yīng)用物理專業(yè)只有1名學(xué)生報名參賽。而在2015年的第二屆省大學(xué)生物理競賽中，2013級應(yīng)用物理專業(yè)有26名學(xué)生參加了競賽。參賽學(xué)生歷經(jīng)兩個多月的精心實驗準備，完成了全部7個開放性實驗題目的原理分析、實驗設(shè)計、實驗結(jié)果處理、實驗視頻拍攝以及PPT制作，最終憑借獨特的實驗設(shè)計和過硬的實驗?zāi)芰?，在競賽中取?人一等獎，2人二等獎，4人三等獎的好成績。

四、結(jié)語

利用階梯教學(xué)法，教學(xué)活動由簡到難逐步提高，學(xué)生從一開始的基本儀器操作規(guī)范，到后來自己排除實驗中出現(xiàn)的問題，再到可以自行設(shè)計實驗項目，每一階段都實實在在地感受到了自身能力的提高，每一名學(xué)生在拾級而上的每一個階段都能切身體驗到進步，得到收獲，更有信心和興趣去進行下一階段的學(xué)習(xí)。該方法效果顯著，非常實用，能夠調(diào)動學(xué)生獲取知識的積極性和主動性，開發(fā)其自學(xué)能力和創(chuàng)新能力，是一個非常適合實驗教學(xué)的行之有效的教學(xué)方法，并且容易操作實施，稍加改造就可以推廣到其他實驗課程，為其他課程所借鑒。當(dāng)然，階梯教學(xué)法并不是一個孤立的教學(xué)方法，在教學(xué)的具體實施過程中也要配合其他多種教學(xué)方法，如啟發(fā)式教學(xué)法、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法、目標(biāo)驅(qū)動教學(xué)法等。在今后的教學(xué)過程中，要注意把多種教學(xué)方法有機結(jié)合，取得更好的教學(xué)效果。

[ 1 ] 肖立娟.大學(xué)物理實驗教學(xué)的現(xiàn)狀與教學(xué)改革的探究[J].大學(xué)物理實驗，2015，28(6): 114-116.

[ 2 ] 譚保華.工科大學(xué)物理實驗教學(xué)探討與優(yōu)化[J].大學(xué)物理實驗，2010，23(3): 88-91.

[ 3 ] 劉春波，鐘安鳴，顧兆軍.計算機網(wǎng)絡(luò)實踐課程的階梯式教學(xué)法[J].中國民航大學(xué)學(xué)報，2012，30(4): 50-52.

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[ 5 ] 謝銀均,李華,陳文玉,等.階梯式教學(xué)法在ICU 臨床帶教中的應(yīng)用[J].齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院學(xué)報,2010,31(1): 100-101.

[ 6 ] 李兆臣,張麗娜.階梯式教學(xué)法在普通高校體育教學(xué)中的理論研究[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(哲學(xué)社會科學(xué)版)，2010,54(6): 153-155.

[ 7 ] 王月香, 楊連祥. 大學(xué)物理實驗應(yīng)突出學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)的培養(yǎng)[J].河北師范大學(xué)學(xué)報(教育科學(xué)版), 2001,3(4): 128-131.

(編輯：王 佳)

2015-07-13

河北省教育廳高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程專項(編號：2015GJJG038)；河北農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)研究重點課題(編號：2015ZD10)。

楊 帆(1990-)，男，河北涿州人，碩士，主要從事大學(xué)物理和電子線路教學(xué)與科研工作。

劉書華(1965-)，女，河北平山人，博士，教授，主要從事物理教學(xué)和科研工作。

G642. 4

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1008-6927(2016)06-0059-04