（课程与教学论专业论文）大学物理实验分层教学与学生能力培养探究.pdf

摘要 本文从培养学生科学素养的角度出发，阐述了物理实验在学生科 学素养培养中的地位和重要作用，分析了目前国内大学物理实验教学 的几种基本教学模式，通过对几种模式的利弊辨析，提出了适合学生 科学素养培养的分层实验教学模式，在此基础上，进一步研究了适合 一般本科院校开设物理实验课的实施策略。全文主要分四部分。 文章的绪论部分论述了本课题的研究背景、国内外研究动态以及 研究的目的和意义。 第一部分论述了物理实验与学生科学素养培养的关系。首先从科 学素养的内涵、物理实验的特点及教学目的出发，阐述了物理实验教 学在学生科学素养培养中的重要地位，然后深入探讨了物理实验教学 在学生科学素养培养中的作用。 第二部分是对大学物理实验分层教学模式的探究。首先对目前国 内大学的几种基本物理实验教学模式进行了辨析，在此基础上提出了 适合学生科学素养培养的教学模式，即分层开放型教学模式，阐述了 分层开放型教学模式的教学规律及实施的必要性，并对其所依据的教 学理论进行了研究。 第三部分提出并实施了分层开放型实验教学模式的实施策略。首 先阐述了实施分层开放型实验教学的指导思想，并对实施分层开放型 实验教学的可行性进行了分析，然后结合自身实践，论述了实施分层 开放型教学模式的具体实施策略，这种教学模式经过两年多的实施， 取得了较好的效果，本文在调查的基础上，对这种教学模式的实施效 果进行了分析总结。 第四部分是对本文的总结和本课题研究的展望。指出了本课题研 究的不足，对今后的研究方向提出了一些想法和展望。 关键词：大学物理实验；分层教学；能力培养； 科学素养 a b s t r a c t f r o mt h ea n g l eo ft h ec u l t i v a t i o no fs t u d e n t s s c i e n c eq u a l i t y ，t h e p a p e rd i s c u s s e dt 1 1 es t a t u sa n d 如n c t i o n so fp h v s i c a le x p e r i m e n t si ni t a n dt 1 1 r o u g ht h ea n a l y s i so fs e v e r a lm o d e sw h i c hp r e v a i l e di nt h e p h v s i c a le x p e r i m e n t a lt e a c h i n g i nd o m e s t i c u n i v e r s i t i e s ， t h ea u t h o r d o i n t e do u tl e v e l e dm o d e st h a tf i t t e df o rt h ec u l t i v a t i o no fs t u d e n t s s c i e n c eq u a l i t vb a s e do nt h ea b o v ea n a l v s i s ，t h ea u t h o rd i ds o l n en l r t h e r r e s e a r c ho nt h ei m p l e m e n t i n gs t r a t e g yo fp h y s i c a le x p e r j m e n t a lc o u r s e s w h i c hm a ya d 印tt og e n e r a lu n i v e r s i t i e s t h ep 印e rw a sr o u g h l yd i v i d e d i n t of o u rc h 叩t e r s i nt h ed r e f a c e ，t h er e s e a r c hb a c k g r o u n dw a si m r o d u c e da sw e l la s t 1 1 eo v e r s e a sa 】1 dd o m e s t i ct r e n d s ，t 1 1 ep u r p o s e sa n dt 1 1 es i g n i f i c a n c e c h a p t e ro n ei so ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np 】w s i c a le x p e r i m e n t sa n d t h ec u h i v a “o no fs t u d e n t s s c i e n c eq u a l i t v f i r s tt h ea l l t h o ra n a l v z e dt h e c o n n o t a t i o no fs c i e n c eq u a l i t y t h ec h a r a c t e “s t i co fp h v s i c a le x p e r m e n t s a i l dt h ep u r p o s eo fi tt h e nt h ei m p o r t a n ts t a t u so fp h y s i c a le x p e r i l n e n t s i nt h ec u l t i t i o no fs t u d e n t s s c i e n c eq u a l i t vw a sd i s c u s s e d f i n a l l vt h e a u t h o rt o o ki t sf u n c t i o n si n t od e e dd i s c u s s i o n c h a p t e rt w oi st oe x p l o r et h e1 e v e l e dt e a c h i n gm o d e t h r o u g ht h e d i s c r i m i n a t i o no fs e v e r a lg e n e m lm o d e sw h i c hp r e v 撕1 e dj nt h ep h v s i c a l e x p e r i m e n t a lt e a c h i n gi nd o m e s t i cu n i v e r s i t i e s ，m ea u t h o rd e s i g n e da l e v e l e do p e nt e a c h i n gm o d e ，w h i c ha d a p t e dt ot h ec u l t i v a t i o no fs t u d e n t s s c i e n c eq u a l i t y ，a n dd i s c u s s e dt h et e a c h i n gp r i n c i p l e sa n dn e c e s s i t yo f 1 i s m o d e f u r t h e rm o r e ，t h et e a c h i n gt h e o n rw h i c hi tb a s e do nw a ss t u d i e d i nc h a p t e rt 1 1 r e e ，t 1 1 ea u t h o rp 1 1 to l i tt 1 1 ei 1 1 1 p l e m e n t i n gs t r a t e g yf b r t h i sm o d e f i r s tt h ea u t h o rd e p i c t e dt l l eg u i d i n gi d e af o ri m p l e m e m i n gt h e 1 e v e l e do p e ne x p e r i m e n t a lt e a c h i n ga n da n a l y z e dt h ep o s s i b i l i t yo fi t s i m d l e m e n t i n g a n di nc o m b i n e dw i t ht h ed r a c t i c et h ea u t h o rd i s c u s s e d m ec o n c r e t ei m p l e m e n t i n gs t r a t e g y i nt w o y e a r si m p l e m e n t i n gp r o c e s s ， t h i sm o d ec o n c l u d e dag o o de f k c t f i n a vb a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o n ， m i sd a d e rc o n d u c t e dt h ea 1 1 a l v s i sa n ds u m u pf o rt h em o d e c h a p t e rf o u ri sm es u m u pa n do v e 卜l o o kf o rm i sr e s e a r c h s o m e s h o n c o m i n g sw e r ep u to u t t h ea u t h o ra l s op o i n t e do u ts o m ei d e aa n d o v e r 1 0 0 k sf 0 ri t sf h t u r ed e v e l o d m e n t k e yw o r d s ：c 0 1 l e g e p h y s i c a le x p e r i m e n t ； l e v e l e d7 i e a c h i n g ； t h ec u l t i v a i i o no fc 叩a b i l i t y ；s c i e n c eq u a l i t y 大学物理实验分层教学与学生能力培养探究 绪论 科学技术的迅速发展和社会文明的不断进步，人们对教育的指导 思想、方法、手段和目的的认识都在与时俱进，这对传统的高等教育 人才培养模式提出了挑战，高等学校的教学应该由传统的致力于传授 知识向传授知识与发展能力、提高素质转变，以培养具有开拓精神和 创新能力的高素养人才。1 9 9 9 年1 月1 3 日，国务院批转了面向二十 一世纪教育振兴行动计划，提出了实施跨世纪素质教育工程的计 划，同年6 月全国教育工作会议上，中共中央、国务院又作出了关 于深化教育改革全面推进素质教育的决定。3 ，对我国实施素质教育 提出了重要意见，文件指出：“高等教育要重视培养大学生的创新能 力、实践能力和创业精神，普遍提高大学生的人文素质和科学素质”。 早在1 9 7 1 年全美理科教师协会( n s t a ) 阐述的理科教学目标是：“为了 促进科学扫盲，各门学科课程必须考虑包括了合理的思维过程、科学 技术的社会发展、从科学引伸出来的价值标准在内的科学的种种概念 及概念体系，以及科学诸过程之间的平衡。有科学素养的人才能将科 学成果运用于人类的福利”1 。这一切说明，实施素质教育已成为全 世界教育界的首要任务。高等学校担负着培养高级专门人才的职责， 实施素质教育的任务显得更加特殊。 物理学是研究物质的基本结构、物质最基本、最普遍的运动形式 及其相互转化的学科，历来就有“自然科学之母科学”的说法，物理 学课程这一特点，决定了它在学生的素质培养中所能起到的突出作 用。物理学又是一门实验学科，古往今来，物理学的发展和创新无不 与物理实验密切联系，从伽俐略的斜面上小球滑下实验到牛顿运动三 高校在耻l 教师硕士学位论文 定律，从法拉第的电磁感应实验到麦克斯韦电磁理论的创立，这些定 律和理论都是直接从大量实验事实中观察、分析、归纳和总结出米的， 理论的正确与否最终又是由实验来检验的，物理学史上有许许多多的 争论最终也是靠实验来判定是非的。因此，物理实验作为物理教学的 重要基础、重要内容、重要方法和重要手段，在物理教学中具有重要 的地位和作用，物理实验教学理应成为培养大学生实践能力和科学素 养的重要环节。物理实验不是单纯的训练技能，更重要的是包涵了丰 富的认识论和方法论内容，搞好物理实验教学不仅有利于培养学生的 实验技能，更重要的是可以启发和培养学生科学的思维方法及创新能 力，激发学生的科学研究兴趣，提高学生科学素养。因此，通过物理 实验教学培养学生科学素养、提高学生实践能力是必要的而且是可行 的。 纵观国外，美国大学的素质教育研究起步较早，以哈佛为代表的 儿所大学在物理实验教学中主要针对教学思想、教学方法、教学内容 实行了改革，采用启发式教学，不断更新教学内容“1 ，在美国的一流大 学里，专门给学生安排讨论的时问，讨论在学生之问或学生与老师之 问进行，在康奈尔火学建立了物理实验自学实验室踮1 ，学生可随时来 这做实验；在德国，德累斯顿大学和凯泽斯劳腾大学对教材实行改革 并组织学牛自制仪器“1 ；英国曼彻斯特理工大学加强实验设计研究”1 ： 从上世纪九十年代初开始，日本大学针对实验目的、内容和教学方法 进行改革，在日本东京理科人学，“发表和讨论”成为物理实验的一 大特色。1 ，实验完毕，学生在报告会上口头报告( 即所谓“发表”) 实 验结果，然后回答和讨论老师或学生提出的问题。 在我国，直到j ：世纪9 0 年代后期，随着素质教育的全面推进以及 高等教育课程与教学改革的兴起，一些一流高校开始对物理实验教学 大学物理实验分层教学与学生能力培养探究 进行改革尝试，复旦大学的大学物理实验教学改革在国内产生了一定 的影响，针对学生的兴趣、动手能力、创新能力的提高，他们开展了 “设计性、研究性实验项目的研究”，并开设了实验选修课。1 “，中 国科技大学物理实验室开展了“开放实验教学模式”的研究“，华中 科技大学物理实验中心针对“如何培养学生创新意识、创新思维和创 新能力”进行了研究，建立了面向全校本科生开设的物理实验创新基 地，开设了“设计与创新实验”的选修课，中山大学物理实验中提出 了“主题可扩性+ 配件多样可组合性”的实验设备优化原则“；浙江 大学物理实验基地实施了“3 + 1 ”课程体系改革研究，提出了传导式、 反射式、遥感式、对流式四种教学方法“。这些改革取得了一定的成 果，有很多值得我们借鉴的经验。由于各高校各自实际情况不同，都 是根据自身实际可能进行改革。因此对于一些一般本科院校来说，由 于资金、师资、生源等多方原因，实验教学改革起步较晚，步伐也较 慢，实验教学内容仍较陈旧，教学手段较落后，验证性实验比重偏重， 综合性、设计性实验偏少，这种状况不利于学生能力的发展，与当代 素质教育理念很不相符。因此，如何在实验教学工作中培养学生的科 学素养、提高学生的实践能力仍值得我们去探讨。 我校是一所多学科的一般本科大学，每年有三千多理工科学生进 入大学物理实验室，每人要完成至少二十个实验项目，我们在如何提 高学生科学素养的实验教学改革中，除了借鉴别人的经验外，更重要 的是要探索一种适合自己的切实可行的方法。 高校在职教师硕士学位论文 1 物理实验教学与学生科学素养培养 1 1 科学素养涵义 科学素养是建立在人的素质和科学素质的基础上的一种高层次 修养，是指人们应具备的科学的世界观、科学的研究方法、高尚的职 业道德、正确的科学价值观和优秀的心理素质等。它是人的内在能力 的重要方面，对人们的科学活动具有重要的指导作用和规范作用。具 有科学素养的人能够提出、发现和解答与日常体验有关的问题，他们 能够描述、解释和预言f 1 然现象“。1 9 6 6 年，美国一批学者根据1 9 4 6 一1 9 6 4 年间的文献调查，论述了“科学扫盲”的内容，揭示了科学 素养的六个范畴。1 ，这就是： “概念性知识”构成科学的主要概念、概念体系或观念。 “科学的理智”科学的研究方法论。 “科学的伦理”科学所具备的价值标准，亦即科学研究中科 学家们的行为规范，也称科学态度或科学精神。 “科学与人文”科学与哲学、文学、艺术、宗教等文化要素 的关系。 “科学与社会”科学与政治、经济、产业等社会诸侧面的关 系。 “科学与技术”科学与技术之| 、日j 的关系及差异。 这六个范畴是美国以战后六十年问的文献调查为基础概括出的， 叮以说它包括了现代“科学素养”的基本内涵。值得注意的是，科学 素养的内涵不是永恒不变的，随着社会的发展，人们对科学素养的理 解会逐渐扩充。 大学物理实验分层教学与学生能力培养探究 我国专家对科学素养的内涵也进行过探讨，有的专家认为，科学 素养包含四个要素：一是科学知识、科学技能和科学方法，二是科学 能力，三是科学观，四是科学品质：还有专家把科学素养的结构划分 为知识结构、智力结构和非智力结构。结合国内外专家、学者对科学 素养内涵的观点，联系我国教育、教学的实际情况，我们认为科学素 养是由科学知识和技能、科学能力、科学方法、科学意识和科学品质 五大要素构成，这五大要素构成一个相互联系、相互影响的有机整体。 在这五大构成要素中，科学知识起着基础性作用，其它要素都依赖于 科学知识的建立，是培养和形成其它要素的载体；科学能力是核心， 包括各种科学思维能力和科学实践能力等内容；科学方法是科学的认 识方法，是科学素养的重要组成要素；科学意识和科学品质是科学素 养的重要表现形式，其中科学意识包含科学的世界观，在社会生产及 生活中有理解和应用科学的意识等内容；科学品质主要指科学态度、 精神以及对科学的兴趣、情感、动机等内容。 1 2 物理实验教学的特点和目的 1 2 1 物理实验教学的特点 物理实验是人们根据研究的目的，运用科学仪器设备，人为地控 制、创造或纯化某种自然过程，使之按预期的进程发展，同时在尽可 能减少干扰客观状况的前提下进行观测，以探究物理过程变化规律的 一种科学活动。在实验中人们是处于一种主动的地位，人们可以充分 发挥主观能动性，控制条件、改变客观状况和进程，使自然现象的变 化有利于得出规律性的认识。因此实验是人类发挥高度智慧的一种特 殊的实践活动。而实验教学又是借助于实验仪器、实验指导书，在教 师的指导下，学生独立完成仪器操作、现象观察、数据测量、数据分 析、取得实验结果等的过程。由此可知，实验具有直观性、实践性。 高校在职教师硕士学位论文 实验教学是为了帮助学生掌握知识、了解实验方法、培养能力， 是实现素质教育和创新人才培养目标的重要教学环节。在整个实验过 程中，学生通过实验教学的各个环节，u 艮、手、脑并用，既可以培养 学生运用知识的能力、分析与综合能力以及创造性思维能力，还可以 培养学生严谨、求实的态度和不断求索的精神，同时又可以使学生享 受到探索、发现的乐趣，有利于提高学生的学习动机和兴趣。因此， 实验教学相对予理论教学更具综合性和创造性。 总的说来，实验教学具有直观性、实践性、综合性和创造性。 1 2 2 物理实验教学的目的 物理实验作为一门独立的基础课程，它有以下三方面的目的： 第一，通过对物理实验现象的观察分析和对物理量的测量，使学 生进一步掌握物理实验的基本知识、基本方法和基本技能，并能运用 物理学理论、物理实验方法研究物理现象和规律，加深对物理学理论 的理解。 第二，培养和提高学生从事科学实验的素质，包括：理论联系实 际和实事求是的科学作风；严肃认真的工作态度；不怕困难，主动进 取的探索精神；遵守操作规程，爱护公共财物的优良品德；以及在实 验过程中同学问相互协作，共同探索的合作精神。 第i ，培养与提高学生科学实验的能力，包括： 自学能力能够自行阅读实验教材或参考资料，正确理解实验 内容，作好实验前的准备。 动手实践能力能够借助教材和仪器说明书，正确调整和使用 常用仪器。 思维判断能力能够运用物理学理论，对实验现象进行分析和 判断。 大学物理实验分层教学与学生能力培养探究 表达书写能力能够正确记录和处理实验数据，绘制图表，说 明实验结果，撰写合格的实验报告。 简单的设计能力能够根据课题要求，确立实验方法和条件， 合理选择仪器，拟订具体的实验程序。 1 3 物理实验教学在学生科学素养培养中的地位 物理学是一门重要的基础学科，是整个自然科学的基础，它的发 展推动了整个自然科学的发展，考察近一个世纪的科技发展，如核技 术的物理基础、激光技术的物理基础以及电子和信息技术的物理基础 就可知道，物理学无论在过去、现在和将来都是技术发展的最主要源 泉，是整个科学技术领域中的一个带头学科“7 _ 2 。由于物理学的基础 性、带动性，决定了它对培养和提高全体劳动者的科学素养的重要地 位。物理学又是一门实验学科，每个物理概念的建立、每个物理定律 的发现，都有坚实的实验基础，实验在物理学的发展中有着巨大的意 义和推动作用。因此在科学素养的培养过程中，物理实验处于非常 重要的地位。又由于物理实验具有直观形象性、实践性、综合性及创 造性的特点，实验教学作为物理教学的重要基础、重要内容、重要方 法和重要手段，决定了实验教学不论在物理概念、规律的教学中，还 是在培养学生能力、引起兴趣等方面都有无可替代的重要作用。这是 因为通过实验观察现象，能够使学生对物理事实获得具体的、明确的 认识，这是理解概念和规律的重要基础。实验教学过程中，以现代的 观点审视、选择和组织好传统的教学内容；处理好传统教学思想和现 代教学思想的关系；深入研究物理实验的科学性和艺术性，培养方法、 能力和创新意识；适当安装接口，介绍最新发展的科学、技术及其对 现代生活的影响等，这些对于培养学生的观察和思维能力、探索进取 的敬业精神、实事求是的科学态度、一丝不苟的工作作风以及辨证唯 高校在职教师硕士学位论文 物主义的世界观等都是其他教学形式无可替代的。 以实验为基础是物理学的特点，实验教学从感性到理性、从具体 到抽象、从简单到复杂符合学生的心理特点，符合学生的认识规律， 实验教学是物理教学的重要组成部分，实验教学在物理教学巾起着非 常重要而且越来越重要的作用，实验教学是实施科学素养培养必不可 少的重要教学环节。 1 4 物理实验教学在学生科学素养培养中的作用 学生科学素质的培养是一个庞大的系统工程，有赖于环境的熏陶 与训练，实验教学就是使学生在特定的环境下，通过自身主观努力完 成的教学过程。它在培养学生科学素养方面具有特定优势。由于实验 教学相对于理论教学更具直观性、实践性、综合性、创造性，具有理 论教学不可替代的作用，正是实验教学的这种特点以及在学生科学素 养培养中的地位，决定了实验教学在学生科学素养培养中的作用。 1 4 1 训练学生掌握科学实验方法 物理学的发展，自伽俐略时代以来，就形成了完整的科学研究方 法。“，归纳起来有如下几个过程：现象观察、提出假设、运用数学和 逻辑进行推理、实验检验、理论形成。具体到大学物理实验课中的基 本实验方法有直读法、放大法、平衡法、比较法、转换变量法、模拟 法和干涉法七大类。，而物理学发展史上许多著名的实验都是单独或 综合应用了这些方法。如迈克尔逊一莫雷实验，运用的正是基本测量 方法中的光学放大法，得到了“以太漂移零结果”，从而验证了爱因 斯坦狭义相对论中基本假设的正确性。“。实际上每一个物理实验、每 一种不同的方法均蕴含着一定的物理模型、科学方法等思维训练素 材；而一个完整的实验过程般又由实验研究目的、实验仪器选取、 实验步骤的设计、实验过程的实施、实验数据的分析处理、实验结论 大学物理实验分层教学与学生能力培养探究 的获取等几个环节构成，因而通过完成一个完整的实验过程，可以培 养和训练学生的科学思维方法。实验教学中老师能够通过引导学生对 实验设计思想及实验资料、仪器设备等的分析，有效地促成学生对科 学实验方法的领悟。所以，实验是对学生进行科学实验方法训练的有 效途径，通过学生实验以及教师引导，可以达到培养和训练学生掌握 科学实验方法的目的。 1 4 2 全方位培养和发展学生的能力 实验能力是不能仅依靠教师的讲解来传授的，而必须在具体的实 践活动中才能得到发展，通过实验的组织、设计、实旌和评价，可以 使学生获得实验技术理论和实验操作技能的训练，进一步提高动手能 力，培养实验能力。除此之外，通过实验还可以培养学生的想象能力、 思维能力等。例如，在进行观察与实验中，需要敏锐的洞察力，及时 捕获一些重要现象，从而培养观察能力；通过设计实验、分析结果等 能锻炼和培养想象能力和分析能力；在研究原因、结果和形成概念的 过程中，要进行概括、抽象的逻辑思维和辨证思维，通过分析、比较、 判断、推理等能培养逻辑思维能力；通过想象、假设也能锻炼和发展 想象能力、创造能力；在实际操作和汇报实验结果的过程中，还能培 养组织能力、表达能力等。可见，在实验的探索过程中，学生的能力 可以得到全方位的培养和发展。 1 4 3 培养学生严谨的科学态度和勇于创新的探索精神 科学实验不仅能培养学生实事求是的科学态度、严谨细致的工作 作风和坚韧不拔的顽强毅力，而且有助于培养学生的创新和探索精 神。实验过程是实验目标分析、实验方法与实验仪器的选择、实验装 置的设计、实验条件的保证和实验操作的完满、实验数据记录处理、 实验结果分析诸要素的辨证统一过程。各因素相互联系、影响、制约 高校在职教师硕士学位论文 实验，而且为了检验结果的町靠性还须进一步改变实验条件来重复实 验过程。所有这一切都要求学生具有严谨的科学态度、坚韧不拔的毅 力和创新探索精神。实验中必须做到谨小慎微，任何一个不起眼的失 误，都有可能导致实验的失败。实验过程是一个探索的过程，有着重 重疑难和阻碍，没有坚韧不拔的毅力和敢于探索的精神，不可能取得 重大成功。例如，法拉第发现电磁感应定律便用了整整1 0 年的时问， 那是一个与时问和精力抗争的过程，是一个艰苦的探索过程，是敢于 创新的典范，是探索精神的体现。 大学物理实验分层教学与学生能力培养探究 2 大学物理实验分层教学模式探究 经典教育理论认为，教学在本质上是一种环境的创造，即创造出 由教育内容、教学方法、教学作用、社会关系、活动类型、场所设施 等要素组成的环境。而教学模式就是创造这种环境的方法，即为创造 这种环境而建构和设计课程体系、内容、环节、程序、形式并使之能 够有效运行和相互作用，以及采用完善这些要素的手段等方面的方 法。从这个意义上说，大学物理实验的教学模式，就是建构和设计大 学物理实验课程体系、内容、环节、程序、形式并使之能够有效运行 和相互作用，以及采用完善这些要素的手段等方面的方法。具体地说， 大学物理实验的教学模式，就是为培养大学生的实验方法、实验技能、 实验素质和实验能力等方面的基本科学方法技能和基础科研素质能 力而创造的一种教育范式、方式和方法。 2 1 多种实验教学模式辨析 通过交流并查阅大量的文献资料，可以总结出目前国内有代表性 的四种大学物理实验教学模式，它们分别是传统的实验教学模式、计 算机辅助与网络虚拟教学模式、开放型的实验教学模式以及分层开放 型实验教学模式。 2 1 1 传统的实验教学模式 这是我国许多大学长期以来一直沿用的物理实验教学模式。这种 模式的教学过程一般是：先由老师讲解实验目的、原理、仪器、注意 事项等，学生再按老师或教材所讲步骤重复实验，测量数据，验证结 果。在实验的选题方面是以传统经典的验证性实验为主，实验内容陈 旧。实验成绩由平时成绩和期末考核各占一定比例，平时成绩的依据 高校存职教师硕士学位论文 就是实验报告分数，考核方式通常有三种：一是笔试；二是操作考试， 让学生重复部分已做过的实验；三是笔试与操作考试相结合的方式。 传统的教学模式主要侧重于让学生掌握一些基本实验仪器的使用方 法、基本的测量方法以及基本实验技能的训练。传统的实验教学模式 虽然实验内容陈旧、实验方法单一，但这些实验对于学生掌握一些基 本实验仪器的使用方法，了解实验测量方法，加深对物理概念、规律 的理解都有很大帮助。这种模式最大的缺陷就是以教师为中心，学生 只是被动的重复实验步骤，忽视了学生认识过程中的主观能动作用， 不利于学生创造能力的培养；注熏的是结果，是知识的验证和传授， 而忽视了过程，忽视了实验过程中能力、素养的培养；其次考核方式 也存在一些弊端，笔试不适宜作为实验的考核方式，重复操作作为考 核方式，也不利于学生创新思维的培养。 2 1 2 计算机辅助与网络虚拟教学模式 这是一种利用多媒体计算机和互联网资源，使用仿真技术、虚拟 现实技术等手段米完成物理实验教学各个环节的实验教学模式。这种 模式是在网上建立实验选课系统，其内容一般包括实验项目、开放时 间、每个实验一次町容纳的人数、实验所在房间、指导教师姓名、实 验介绍、b b s 系统( 可发表通知、答疑和讨论) ，并同时建立专供教 师使用的学生成绩管理系统，查询每个实验的学生预约情况、学牛到 课情况、登记实验成绩。这种模式不仅实现了实验时问在网上预约， 而且学生还可以在网上预习、自学、质疑、讨论，也呵在焖上进行模 拟与仿真实验。这种实验教学模式打破了传统的实验教学管理形式， 实现了网络化管理，提高了上作效率，激发了学生实验课前预习的兴 趣，有利于提高实验教学效果。同时，在实验时间安排上，它打破了 专业和班级的限制，存实验室提供的时间段内，学生可自主选择实验 大学物理实验分层教学与学生能力培养探究 时间。这种模式适用了现代实验教学管理的需要，在众多的高校已实 现了物理实验的网络虚拟教学管理。这种模式的不足之处是：对实验 教学内容、实验教学方法及实验教学手段的改革有待进一步研究。 2 1 3 开放型的实验教学模式 这是一种以学生为主体、教师为主导，以学生自主的学习活动为 基础的较新的物理实验教学模式。从形式上来讲，开放型的实验教学 模式是指实验时问、实验教室、实验设备的开放。从深层次来讲，它 是指提供学生选择实验题目和实验方案的空间。实验内容一般有必做 和选做两部分。必做部分主要是一些基础性的实验内容，要求每个学 生必做；选做部分包括提高性和设计性的实验内容，对于能力较强学 有余力的同学可选做其感兴趣的内容。这种实验教学模式不仅做到了 时问上、仪器设备上的开放，更重要的是作到了实验内容上的开放， 有利于因材施教，有利于学生的个性发展瞳印。“，有利于进一步刺激学 生的竞争欲望，激发学生做实验的积极性。无疑，这种教学模式是值 得推崇的。但目前各校实际情况与这种教学模式之问存在矛盾，实验 指导工作量增大与缺少教师之问存在矛盾，仪器设备损耗大与仪器设 备经费紧张之间存在矛盾。因此，除了教师敬业爱岗，不计报酬之外， 更重要的是积极寻求开放式实验教学各环节的科学化管理，制定一系 列因地制宜的措施，保证开放式实验教学的顺利进行。 2 1 4 分层开放型实验教学模式 这是一种打破了传统的按力、热、光、电、近代物理分科的界限， 将实验内容进行整合，按由浅入深、由易到难、由已知到未知的循序 渐进的原则划分层次，建立实验课程独立发展的分层次、阶梯式的新 型实验教学模式。这种模式一般是按基础实验、综合性提高性实验、 设计性实验划分为三个层次，但有少数学校开出了第四个层次的研究 高校在职教师硕士学位论文 性实验( 如中国科技大学等) ，不同的层次标志着不同的实验技能和 科学思维水平。8 。3 ”，不同层次的教学方法也不同。第一层次主要包括 基本物理量的测量、基本实验仪器的使用、基本实验技能的训练和基 本测量方法与误差分析，涉及到力、热、光、电各个知识点。在这一 层次中，老师着重讲解每一项目的重点和难点，实现对学生基本实验 技能、科学测量方法及实事求是的科学态度的培养，为整个实验学习 打基础，要求必做；第二层次开设一些综合性、提高性及与现代科技 接轨的实验，逐步增加实验的深度、难度和广度。这一层次中，老师 着重讲解实验的设计思想，逐渐引导学生独立思考完成实验，这一层 次主要是巩固基础性实验阶段的学习成果、开阔学生的眼界和思路， 提高对实验方法和实验技术的综合运用能力，要求学生选做一定项 目；第三层次开设设计性实验项目，在这一层次中，学生可自主选题， 自己查阅资料确定实验方案，白选实验仪器，自拟实验步骤，独立测 量、处理实验数据并分析实验结果，老师只起启发、引导和咨询的作 用，学生完全是主动学习。设计性实验的开设是对学生掌握实验技能、 技巧和理论知识进行综合运用的一次检查，能够体现学生综合运片j 知 识和综合解决问题的能力。3 “，这一层次主要是培养学生的创新思维和 创新能力，要求学生完成一定项日。 分层开放型实验教学模式的优点：第一，使整个实验教学具有协 调性、连贯性和系统性。在各门课程融合的条件下，避免了传统实验 教学中内容重复、教学资源浪费的现象，同时实验内容的逐层加深、 难度逐层加大，能够使学生综合思维能力和创新意识逐渐得到培养和 训练，并且不同的教学层次对应不同的教学方法，分层教学模式具有 协调性、连贯性和系统性；第，主动适用了学生的接受能力，使学 生在学习中逐步提高，符合人的认识发展规律，符合循序渐进的教学 大学物理实验分层教学与学生能力培养探究 原则；第三，充分发挥了学生的主体性和创造性，改变了传统的千篇 一律的封闭式、固定式的教学模式，实行“开放式”( 实验资源、教 学内容、手段、方法的开放) 、个性化的教学，为学生创设有利于发 挥自身潜能和特长的环境和条件，这样不仅培养了学生的独立思考、 自己动手的能力，更是激发了学生的实验积极性和主动性，增强了学 生探求科学的好奇心和兴趣；第四，分层开放型教学模式鼓励学生对 知识的主动探索、主动发现和对学知识的意义建构，有利于优秀人才 的脱颖而出。这种实验教学模式具有广阔的前途和发展前景。 分层开放型实验教学模式实施过程中切忌流于形式，换汤不换 药。分层教学需要细致统筹的考虑，在各门实验课程融合之前需要做 许多调查研究工作，如果调研工作做得不完善、不细致，就容易导致 分层整合流于形式，只是将原来的普通物理实验、近代物理实验换成 第一层实验、第二层实验的名称，而实质却没有变，不能达到协调连 贯综合的效果。另外，教学的开放，不是放任学生自由实验，必须对 学生提出明确的要求，有教师的正确引导。否则。分层开放型实验教 学就失去了意义。 目前，我国正处在大学物理实验教学模式的转型时期，实验模式 的创新是一个新课题，探索新型的符合当今高素质人才培养需要的 模式是我们每一个物理实验工作者的责任。传统型、网络虚拟型、开 放型和分层开放型的实验教学模式是目前国内具有代表性的大学物 理实验教学模式，通过这几种模式比较研究，我们发现，各种模式都 有自身的特色，而且相互之间有交叉融合，不能说哪一种模式是最优 的模式，每一个学校都有自身的实际情况，因此，每一种教学模式都 必须依据一定的教学环境去建构和设计，才能发挥出教育的功能和作 用。从现代教学论观点对大学物理实验教学模式的认识来看，过去以 高校在职教师硕士学位论文 教师为中心、抑制学生个性、阻碍学生能力发展的被动学习的教学模 式显然是过时的，应该被淘汰。物理实验教学的改革必须建立一种适 合当代科技发展、有利于培养具有深厚基础知识的创造性人才的教学 新模式，其教学内容应反映当代教育思想和高科技成果，教学方法和 手段应改变过去的单一模式，而分层开放型实验教学模式正符合现代 教学论的观点。“。 2 2 分层开放型实验教学模式构建理论 2 2 1 分层实验教学规律 分层实验教学是将力、热、光、电、近代物理各门实验内容进行 整合，构建起实验课程独立发展的新体系。作为独立发展的实验课程， 实行分层教学符合现代教育理论的教学原则”，这一教学模式是遵循 培养高素质人才的教学目的，正确运用实验教学过程中的客观规律， 将大学物理实验课程的知识结构与学生的认知结构相统一的新模式。 第一，按照实验课程知识体系的内在规律和顺序进行系统教学。 任何一门学科知识、技能，都有它的科学内在逻辑的联系，每一门新 的学科知识都是在以上的知识基础上进行的，m 前面学过的知识又可 通过后学的知识得剑进一步的巩固、改进和发展。冈而，大学物理实 验的教学遵循了上述教学规律，本着由浅入深、由易到难、由已知到 未知的循序渐进的原则实行教学。例如：在第一层次的教学中，主 要让学生掌握基本仪器的使用和实验基本方法、技能，完成对学生基 本知识的传授和学生能力的初步培养；第二层次加大实验的难度，通 过开出一类利用某种仪器测量多个物理量和一个物理量用多种方法 测量的实验，加强基本仪器的使用和实验基本方法、技能的训练，巩 固基础性实验阶段的学习成果、开阔学生的眼界和思路，提高对实验 方法和实验技术的综合运用能力：在第i 层次教学中训练学生运用已 大学物理实验分层教学与学生能力培养探究 用过的仪器和已学过的实验方法完成设计性实验，这一层次主要是培 养学生的创新思维和创造能力。这是一连贯的、系统的和循序渐进的 教学过程，教学过程中能够使后续的学习内容成为己学过内容的合乎 逻辑的发展，帮助学生把已学过的内容纳入到新的学习内容体系中 去，使学生认知结构中原有的观念和新的知识能建立实质性的联系， 真正为学生所接受，使学生的综合思维能力和实践水平真正得到提 高。分层开放型实验教学模式正是实验课程教学的连贯性和系统性的 充分体现，若在教学中破坏了这种连贯性、系统性，则会对学生综合 能力的提高造成极大的困难。 第二，分层实验教学符合学生的认知发展规律，循序渐进。学生 的认识活动是一个点滴积累、逐步提高、由量变到质变的过程，只有 循序渐进，逐级而上才能学得牢固、扎实。实验教学过程包含着一个 认识过程，这个认识过程是一个较为复杂的过程，它是从不知到知、 从知道不确切、不完全到知道确切、完全的过程，而且认识任何事物 的过程中必然是对事物和现象的感性知觉开始的。学生在第一层次基 础性实验教学中，首先是靠感觉器官建立与实验仪器、测量方法的联 系，然后通过抽象思维，从感性的认识中找出测量的本质和规律，再 在第二层次的提高与综合性实验环节中验证这些规律的真实性并加 强理解和巩固，最后在第三层次设计性实验环节中将所学知识运用于 解决实际问题，这是一条从实践斗认识寸实践的辨证的认识途径，也 实现了由量变到质变的飞跃。 2 2 2 分层开放型实验教学的必要性 现在，我们刚跨入2 l 世纪，我们的教育是现代化的教育，历史 对现代化的教育赋予了新的内涵，迈入2 l 世纪的现代化教育，对人 才的培养应是全新的、高层次的。高层次人才应该具有如下素质b “： 高校在职教师硕士学位论文 第一，新视野素质。2 1 世纪人才应该站得高，看得远，视野更 加开阔。不仅要立足于本国，要了解过去，把握现在，更要面向全世 界，面向未来。 第二，新思想素质。未来世界，要求人们一改传统的、保守的、 僵化的思想，从现实出发，不断产生、发展新的思想；在培植新思想 的同时，成为勇于探素、勇于创新的一代新人。实事求是是新思想的 精髓；锐意改革、勇于创新，是新思想的核心。同时，还要求人们树 立自尊、自信、自立、自强和奋发进取的开拓精神。 第三，新知识结构。知识结构是人的视野、思想、观念的基础。 新的视野、新的思想、新的观念和意识都依赖于新知识结构的建立。 只有用人类创造的最先进的知识不断丰富自己、完善自己，才能适应 2 1 世纪对人才的需要。 第四，新能力素质。现代社会对人的需要提出了更新更高的要求， 要求新型的人才在能力上具有一定特点。不仅要有一般的适应生活、 工作的能力，还要有探索、创新的特殊能力，即有一定的创造意识、 创新能力、竞争意识和人际协调能力等综合能力。 第五，新思维素质。随着科技的发展，未来人才的思维要在不断 破除旧的思维方式的基础上， 觉地向着开放性的、精确的、敏锐的、 具有，f 拓特点的思维方式迈进，以适应时代发展的需要。 物理实验是研究和发展物理科学的基本手段，它不是单纯的技术 操作过程，其中包含了丰富的认识论和方法论内容。那么，从高素质 人才培养出发，大学物理实验教学应该建立套按照本课程知识体系 的内在规律和顺序进行系统教学，能使学生科学素养培养贯穿于实验 教学全过程的教学模式，根据学牛能力提高的不同阶段和认识的发展 规律，采取合理的知识结构，实行个性化、开放式的教学。而分层开 大学物理实验分层教学与学生能力培养探究 放型物理实验教学模式正是在这种高素质人才培养的呼唤下产生的 一种新的物理实验教学模式。这种教学模式对不同层次的教学内容采 用不同的教学方法，将现代科技发展的新技术、新知识引入实验课堂， 学生可根据自己的兴趣和能力选择实验内容，实现学生自己查阅资 料、自己思考、自己研究、自己设计方案、自己制订步骤完成实验， 完全打破了传统的千篇一律的封闭式、固定式的教学模式，实现个性 化、开放式的教学，有利于高素质人才的培养和优秀人才的涌现。因 而，从提高学生科学素养培养高素质人才的角度考虑，分层开放型实 验教学模式是一种比较好的体现了这种需要的物理实验教学模式。 2 2 3 分层开放型实验教学模式的理论研究 2 2 3 1 教学过程最优化理论 教学过程最优化是前苏联教育科学院副院长、院士巴班斯基的教 学论思想，他说：“教学过程效果最优化的第一个标准，是每个学生 按照所提出的任务，于该时期内在教养、教育、发展三个方面，达到 最高可能的水平( 当然，不能低于及格水平) 。第二个标准是学生和 教师遵守学校卫生学和相应指示所规定的课堂教学和家庭作业的时 间定额”。“。简单地说，就是用最短可能的教学时间，取得最大可 能的教学效果，即很好的完成教学过程所应担负的教养、教育和发展 任务。下面从最优化理论的五个方面来阐述分层实验教学模式的构 建： 第一，教学过程的系统性和连贯性原则。巴班斯基认为教学目的、 任务、教学内容、教学方法与教学效率之间不是孤立的，而是相互渗 透、相互影响、相互制约的，它们构成一个完整的系统，必须有机的 联系起来加以系统的、连贯的研究。分层实验教学模式正是以这种辨 证的系统方法论观点看待教学过程，明确了实验教学的培养目标，并 高校在职教师硕士学位论文 将培养目标分成几个循序渐进的局部目标，根据每一个培养目标制定 合理的教学任务，选择与之适应的教学内容和教学方法，以便用最少 的精力和时间来达到既定的教学目标。 第二，选择合适的教学方法。巴班斯基认为：“现代教学的鲜明 特色乃是有日的的选择每一个课题的主要教学方法，所选的方法要能 很好地完成相应的教学和教育任务”“如果教学方法的选择符合于所 提出的任务，考虑到内容的特点和学生的能力，那么，教学效率就足 相应条件下可能达到的最高水平( 最优水平) ”。众所周知，不同 的课程乃至每一常课都有它个性的教学方法，而每一种教学方法也有 它一定的适用范围，往往某种教学方法对完成某项教学任务特别有 效