大学物理实验课的阶梯式教学法实践

杨 帆，曾浩宇，侯志青，刘书华

(河北农业大学 理学院，河北 保定 071001)

大学物理实验课的阶梯式教学法实践

杨 帆，曾浩宇，侯志青，刘书华

(河北农业大学 理学院，河北 保定 071001)

把阶梯教学法应用于大学物理实验课教学，将大学物理实验分为基础性实验、综合性实验、设计性实验和创新性实验等4个层次，将培养目标划分为基本实验技能形成、实验技能熟练与提高、设计能力培养和创新能力培养等4个阶梯，并设计了与之对应的4段式教学模式。通过分层次按阶段循序渐进的阶梯式教学实践，使得学生的实践能力得到了明显提高，收到了良好的教学效果。

大学物理实验；教学改革；阶梯式教学法

DOI号：10.13320/j.cnki.jauhe.2016.0164

大学物理实验课是本科生接受系统实验方法和实验技能训练的开端，是培养学生科学实验能力、提高科学素质的重要基础课程之一，它在培养学生严谨的治学态度、活跃的创新意识、团结协作品德等方面有着不可替代的重要作用。然而，长期以来物理实验课堂教学基本上都是以老师讲授实验原理与步骤，学生照方抓药的方式进行，限制了物理实验在学生实践能力培养中应有的作用，实验教学方式急需改革与创新。

目前，各大学都对大学物理实验教学方法进行了积极探讨，应用了翻转课堂教学法、网络辅助教学法、探究教学法等，并取得了一定的教学效果[1,2]。但这些教法探讨大多针对的是一堂课如何教，并没有把大学物理实验课程从整体上进行教学模式的系统改革设计。本课题组教师认为，在物理实验课的教学过程中，不能始终使用一种固有的教学模式，这样不仅效果不佳，学生积极性也难于调动。应当根据不同的教学阶段，采用不同的教学模式，使学生体会到变化，体会到进步，体会到“跳起来能够得着才更喜欢跳”的感觉，激发学生的学习积极性。阶梯式教学法便能满足这样的教学需求。阶梯式教学法由程鸿勋先生提出，是引导学生逐步养成良好学习习惯的行之有效的方法，其特点是教学活动由易到难、由浅入深、循序渐进地安排，使不同程度的学生都得到发展。该方法在高等学校不同学科课程中已被广泛应用。刘春波，张庆岚、谢银均、李兆臣等在计算机网络、C语言、临床医学、高校体育教学等方面都进行了成功运用[3-6]，但目前尚未见到阶梯式教学法在大学物理实验教学的应用报道。

本研究将阶梯教学法应用于大学物理实验，通过对教学目标和教学模式的阶梯设计，对学生要求逐步提高，使学生拾阶而上，循序渐进，切身体会到自己的进步，提高学习兴趣，从而达到良好的教学效果。与以往有关阶梯式教学法的应用相比，前者大多强调教学内容安排上的阶梯性，而本工作强调教学目标和教学模式的有机结合，在阶梯式教学目标的基础上，又设计了与之对应的阶梯式教学模式，更能发挥阶梯教学的优越性。

一、大学物理实验课教学的阶梯设计

大学物理实验课的教学任务是培养学生的基本科学实验技能，培养学生的科学思维和创新意识，提高学生的分析能力和创新能力。针对大学物理实验课的教学任务和培养目标，我们对实验项目进行了统筹分析和优化。将实验分为基础性实验、综合性实验、设计性实验和创新性实验等4个层次，培养目标划分为基本实验技能形成、实验技能熟练与提高、设计能力培养和创新能力培养等4个阶梯；并针对教学目标的四级阶梯，制定了从细讲+示范→略讲+提问→出题目、供材料→宏观指导的4阶梯教学模式。本文以应用物理专业(光伏方向)为例进行说明。总体设计如表1所示。

表1 培养目标与教学模式的阶梯划分

二、阶梯教学法的实施过程

(一)基本实验技能形成阶段

这一阶段主要培养学生的基本实践能力，包括基本仪器操作能力、实验数据处理能力、误差分析能力以及实验报告撰写能力，培养学生良好的实验习惯。这一阶段是教学过程的初始阶段，是培养学生实验能力的开端，对学生实验习惯的养成，实验能力的提高至关重要。

这一阶段采取的教学模式是：仔细讲解，亲自示范，手把手辅导。实验内容包括绪论课、基本度量、示波器使用、转动惯量研究等基础性实验。教师在课堂上要详细讲解基本仪器的原理和使用方法，详细讲授操作规程、数据处理方法、误差分析方法和实验报告的书写规范；手把手辅导和示范实验技能。比如给学生示范如何进行水平/铅直调整、光路共轴调整、消视差调整、逐次逼近调整、正确连接电路图。要仔细讲解实验规范和注意事项，比如光学面不能用手摸，仪器用毕断电时，先断分开关，再断总开关，调整仪器先粗调再细调等。使其养成良好的实验习惯，打下坚实的实验基础。

以基本度量实验教学过程为例，教师首先详细讲解游标卡尺、测长显微镜、螺旋测微器和电子天平的结构、读数原理和使用方法，并亲自示范如何操作，然后让学生利用这些仪器来测量铜圆柱体的高和直径、金属细丝直径、圆孔半径以及铜圆柱体的质量。课堂中，老师要巡视课堂，了解每一位同学的操作是否规范、正确，及时发现和纠正实验中出现的问题，使学生养成良好的实验习惯。此外，让学生根据公式计算圆柱体的密度，同时结合偏微分计算其不确定度，以此让学生掌握数据处理及误差分析的思路和方法。再比如，表面张力实验中，老师要讲解利用最小二乘法处理数据，求解传感器的灵敏度，并说明该方法适用范围。在牛顿环实验中，讲解用逐差法来求解圆环的半径，加强学生对各种数据处理方法的理解和掌握。

(二)综合实验技能积累提高阶段

通过第一阶段的培养，学生已经初步掌握了常用基本仪器原理与方法，具有初步的误差分析和数据处理能力，了解了不同数据处理方法的使用范围，懂得了物理实验规范。这时，进入第二阶段的教学。

这一阶段注重培养学生独立思考、独立操作、独立解决问题的能力，使学生善于观察实验现象，从现象中发现问题，并能利用所学知识原理对其进行分析解释或提出解决方案，使其实验能力进一步得到提高和加强。

这一阶段采用的教学模式是翻转课堂法。前次实验结束时，给学生提出下一次实验预习任务，包括预习内容和思考题，要求学生课前做好充分的预习准备，弄清楚下一次实验做什么、如何做和为什么这么做。课堂上，教师与学生进行角色互换，教师就实验内容、原理、步骤、现象、故障排除等问题进行提问，学生走上讲台进行讲解。然后，再由学生提出疑问，学生之间进行讨论，最后教师做简单总结，对关键问题和注意事项进行重点强调和说明。

比如利用旋光仪来测量溶液的浓度实验，虽然旋光仪首次用到，但由于第一阶段已经详细讲过角度测量仪器分光计的原理与使用方法，学生可以通过预习、思考、分析，触类旁通地了解旋光仪的原理和读数方法，知道左读数和右读数的使用方法和数据处理方法；在超声波测声速实验中，根据测量数据特点，通过提问就可使得学生知道应该利用逐差法求波长；在压力传感器实验中，学生大都知道用最小二乘法求压力传感器的灵敏度。因此，学生通过预习就可以基本掌握的实验内容，教师不再需要详细讲解，只需要提问、总结，让学生自己讲解、回答问题。这样的教学方式，一方面提高了学生学习主动性，另一方面活跃了教学气氛，激发了学生兴趣，从而提高了教学效果。

在这一阶段中，若实验操作过程中遇到问题，教师不要直接告知答案，而是对其进行启发、诱导，让学生自行查找，让其通过自己分析思考找到解决途径。比如，测量液体粘滞系数实验中，测量值逐渐减小，超声波测声速实验接收的超声波信号逐渐减小，空气相对压力系数实验输出电压出现浮动，电位差计实验中检流计指针始终偏向一边等现象，都要通过启发让学生自行解决，使学生有更多的机会经受锻炼，提高其分析问题、解决问题的能力。

(三)设计实验能力培养阶段

在学生实验能力逐步积累提高的基础上，对学生的要求要再上一个阶梯，对其进行设计实验技能的培养。为了避免跨度太大，设计实验技能的培养也要从简到难，逐步提高。我们将其分为局部改进性设计和综合设计两个阶段。

1.第一阶段：局部改进性设计。采用的教学方法是：在完成课堂实验的基础上，提出一些新的任务，让学生对现有实验进行改进或创新。比如，做完热敏电阻的温度特性实验后，我们提出任务：利用非平衡电桥和热敏电阻制作一个指针式温度计。学生们积极讨论，从定标到测量很好地完成了任务。再比如，做微波测量晶格常数实验后，让学生利用现有装置搭建迈克尔孙干涉仪结构，学生们开动脑筋，也都完成了任务。做完电位差计测量电动势实验后，让学生利用电位差计测量电阻。在这样一次次对实验改进和开发过程中，培养学生设计创新能力，使学生设计创新实验能力逐步形成。这时进行第二阶段的教学。

2.第二阶段：综合设计。采用的教学方法是：老师给出题目要求，给出主要实验器材，学生自己查阅资料、设计实验方案，完成实验操作，写出实验报告。我们给出的设计题目有：利用读数显微镜测量钢丝的杨氏模量、晶体管收音机的焊接与调式、用迈克尔孙干涉仪测量普通玻璃的厚度和折射率、静电场对种子发芽率的影响等，让学生任选其一进行设计，两周之内完成。

同学们积极性很高，每个题目都有选择，有的完成很出色。比如，利用读数显微镜测量钢丝的杨氏模量实验，有的同学设计出把钢丝横放，通过定滑轮后，再悬挂砝码，在钢丝上设定一标志，利用读数显微镜测量标志物的位移，从而测量钢丝的伸长量，这种方法得到了很好的测量效果，而且比光杠杆测量精度更高。再比如收音机制作实验中，教师将所需材料发给学生，让学生自己设计线路，再进行组装和焊接，最后进行调试。在这个实验中，刚焊接完毕的收音机一般情况下是不能正常工作的，学生必须对电路进行调整，才能正常收听节目。在调整过程中，学生要通过实验中的现象进行分析判断，通过原理分析找到症结所在，再进行调试，既锻炼了动手能力，也提高了分析问题、解决问题的能力。

通过设计性实验阶段学习，学生们的探索兴趣得到激发，学生思维能力、动手能力得到显著提高，设计能力、创新能力都得到不同程度的提高。

(四)创新实验能力培养阶段

由于学时的限制，学生在课堂内获得锻炼的机会是有限的，而学生的创造力在无压力、无束缚的状态下才更能发挥出来[7]。因此这一阶段，我们要求学生利用课余时间，结合自己所学专业，4～5人一组，进行带有创新性质的实验活动，提高他们的创新能力。

采用的教学方法是：学生自主选题、自选仪器，老师宏观指导。学生就实验设计题目和思路向老师汇报，老师认为可行后学生进行完全自主实施，遇到问题时再和老师共同探讨。我们建立了创新实验室,备有电源、电表、电烙铁，台钻、示波器等工具，给学生们提供探索创新的场所。学生们热情很高，放弃了消遣娱乐时间来进行创新实践活动，取得了喜人的效果。有的制作出激光限高器，有的利用太阳能电池制作了电动小汽车，还有的学生利用LED与理论相结合，设计制作了LED显示弹性碰撞过程的作品。通过课外创新实验活动，也培养了学生们的创新探索兴趣，提高了其创新能力。而且在创新实验活动中,学生们分工合作,培养了团队精神。学习程度高的学生体验了创作的乐趣,程度低的学生也尝到了成功的喜悦。

三、实施效果

本研究课题组在2013级和2014级两届应用物理专业学生中进行了阶梯式教学法教学实践，与以往的传统方法相比，显现出比较明显的效果。(1)大多数学生养成了课前认真预习的好习惯，改变了以往预习只是抄书应付写预习报告的习惯。(2)学生做实验更加认真了。实验中遇到问题，不再是马上请求老师帮助，而是首先自己分析原因所在，力争自己独立找到解决问题的途径。(3)学生学习主动性明显提高，课堂讨论气氛热烈，争先举手发言，再没有以往老师提问题时学生全都低头回避，唯恐问到自己的现象发生。(4)学生的动手能力普遍提高，大大激发了学生学习热情，参加课外制作和参加各种竞赛的人数逐渐增多。在2014年河北省第一届大学生物理竞赛中，2012级应用物理专业只有1名学生报名参赛。而在2015年的第二届省大学生物理竞赛中，2013级应用物理专业有26名学生参加了竞赛。参赛学生历经两个多月的精心实验准备，完成了全部7个开放性实验题目的原理分析、实验设计、实验结果处理、实验视频拍摄以及PPT制作，最终凭借独特的实验设计和过硬的实验能力，在竞赛中取得2人一等奖，2人二等奖，4人三等奖的好成绩。

四、结语

利用阶梯教学法，教学活动由简到难逐步提高，学生从一开始的基本仪器操作规范，到后来自己排除实验中出现的问题，再到可以自行设计实验项目，每一阶段都实实在在地感受到了自身能力的提高，每一名学生在拾级而上的每一个阶段都能切身体验到进步，得到收获，更有信心和兴趣去进行下一阶段的学习。该方法效果显著，非常实用，能够调动学生获取知识的积极性和主动性，开发其自学能力和创新能力，是一个非常适合实验教学的行之有效的教学方法，并且容易操作实施，稍加改造就可以推广到其他实验课程，为其他课程所借鉴。当然，阶梯教学法并不是一个孤立的教学方法，在教学的具体实施过程中也要配合其他多种教学方法，如启发式教学法、翻转课堂教学法、目标驱动教学法等。在今后的教学过程中，要注意把多种教学方法有机结合，取得更好的教学效果。

[ 1 ] 肖立娟.大学物理实验教学的现状与教学改革的探究[J].大学物理实验，2015，28(6): 114-116.

[ 2 ] 谭保华.工科大学物理实验教学探讨与优化[J].大学物理实验，2010，23(3): 88-91.

[ 3 ] 刘春波，钟安鸣，顾兆军.计算机网络实践课程的阶梯式教学法[J].中国民航大学学报，2012，30(4): 50-52.

[ 4 ] 张庆岚.探讨阶梯式教学法在C语言教学中的运用[J].长江大学学报(自然科学版)，2008，5(4)：392-394.

[ 5 ] 谢银均,李华,陈文玉,等.阶梯式教学法在ICU 临床带教中的应用[J].齐齐哈尔医学院学报,2010,31(1): 100-101.

[ 6 ] 李兆臣,张丽娜.阶梯式教学法在普通高校体育教学中的理论研究[J].齐齐哈尔大学学报(哲学社会科学版)，2010,54(6): 153-155.

[ 7 ] 王月香, 杨连祥. 大学物理实验应突出学生创新素质的培养[J].河北师范大学学报(教育科学版), 2001,3(4): 128-131.

(编辑：王 佳)

2015-07-13

河北省教育厅高等学校本科教学质量与教学改革工程专项(编号：2015GJJG038)；河北农业大学教学研究重点课题(编号：2015ZD10)。

杨 帆(1990-)，男，河北涿州人，硕士，主要从事大学物理和电子线路教学与科研工作。

刘书华(1965-)，女，河北平山人，博士，教授，主要从事物理教学和科研工作。

G642. 4

A

1008-6927(2016)06-0059-04