普通物理实验分层教学模式的探究与实践

陈宇环 李成金

摘 要：文章根据学生认知发展规律，结合独立院校理工科应用型人才培养的实践能力要求和普通物理实验教学的现状，提出了普通物理实验分层教学模式。以期通过实施分层教学有效地增强学生的实验素质，培养学生的综合能力，为优化普通物理实验教学提供参考意见。

关键词：普通物理实验;分层教学;分层教学实践

普通物理实验是理工科学生进入大学后接触到的一门基础必修课，它是集动手、观察、分析与判断、演绎与归纳、推理、文字表达等一系列基础能力训练为一体的综合性课程，是相关细分专业实验的基础，也是培养学生科学实验素质的重要载体。

普通物理实验教学应当着力培养学生的实验能力和创新能力。为此，依据独立学院理工科应用型人才培养目标中的实践能力要求和独立学院物理实验中心的实际情况，在构建普通物理实验分层教学模式方面做出以下探索。

一、普通物理实验分层教学模式的构建

在普通物理实验课程中，学生的知识基础不同，如果按照同样的教学计划、教学内容和要求进行教学，基础较好的学生能够轻易完成，缺乏挑战性和积极性;基础薄弱的学生简单模仿教师操作、机械记录数据，实验能力无法得到提升。若不考虑学生物理实验能力的差异性，忽视学生对教学内容、教学方法的不同需求，只强调教学的统一性，势必会阻碍基础好的学生的发展，也会使得基础薄弱的学生学习起来更加困难。因此，普通物理实验的因材施教、分层教学势在必行。

（一）教学对象的能力分层

为了更好地实施分层次、分阶段的物理实验教学，实施实验课的分层教学，教师可以依据学生在“物理实验能力测试卷”中表现出来的实验思维和主观能动性，将学生的实验能力进行隐形分层，分为基础层和提高层。

基础层的学生所需完成实验的最低要求为教学大纲中的规定，旨在提升学生基本实验素质。提高层的学生在完成教学大纲要求的基础上，教师会根据实验题目增加综合性较强的内容，提出更高的要求，进一步催化学生发展自身潜能。实施动态管理，不同能力层次的学生之间可以互通，利于学生之间的交流和良性竞争，实现共同进步。

（二）教学内容的分层

依据不同实验教学目的和学生认知发展规律，可以将普通物理实验内容划分为基础性实验、综合性实验两个层次。考虑“最近发展区”理论，从低到高、分阶段地培养学生的物理实验能力，从基本能力训练到综合能力培养，全面发展学生的实验能力。

在基础性实验中设置必做实验和补充实验，以满足多层次学生的学习需求。必做实验是教学大纲规定所有学生所需完成的教学内容;补充实验是针对实验题目进行补充和拓展，如在三线摆测量物体转动惯量实验中拓展利用扭摆测量金属丝的扭转系数、在电势差计的使用实验中补充用电势差计校正电压表等实验内容。提高层学生不仅需要完成必做实验内容，还需完成补充实验内容。

基础性实验的教学内容为预备性实验和基础性实验。这个阶段学生主要进行基本实验理论的学习，力、热、光、电学基本实验仪器的使用，基本物理量的测量，实验数据的处理，实验报告的书写和误差分析，如长度的测量、模拟法测绘静电场、金属线胀系数的测定等实验。此阶段主要是培养学生的科学实验素质和学习兴趣，提高基础实验技能，夯实实验基础，为下一个阶段的实验学习做充分准备。

综合性实验是实验原理涉及多领域、实验难度大为提高和实验方法更加复杂的实验，从力、热、光、电学经典实验逐步过渡到近代物理实验，如牛顿环、迈克耳逊干涉仪、光电效应等实验。此阶段拓展了实验的深度和广度，体现了学科交叉性，需要学生具备良好的实验分析能力，目的在于培养学生的独立思考能力和综合实验素质。

（三）教学方法的分层

我国现行的普通物理实验教学模式主要是以教师为主导。教师在实验课堂开始时讲授实验目的、实验原理、实验步骤、仪器的使用方法以及注意事项;在讲授的过程中为学生示范实验操作，学生模仿教师操作，测量基本物理量、完成实验。传统的讲授法注重知识的传授，忽略了对学生设计实验方案、分析问题的能力的培养，难以满足培养目标中的实践能力和探究能力要求。

在分层教学模式下，各层次教学中的能力培养侧重点不同，教师在指导学生实验时采用的教学方法也应有所调整。

基础性实验注重培养学生的基本实验素质。教学方法以传统的教师边讲授边示范为基本方法，加上口头提问的方式，完成对学生基本实验技能的训练，包括原始实验数据的记录、数据处理及误差分析、实验报告的书写等，为学生进一步学习打下实验理论基础。为了配合实验教学，利用微信公众号平台事先发布实验课程的微课视频，让学生进行课前预习，缩短教师实验课讲授时间，增加学生实验操作时间，让学生带着问题进行实验，更好地理解和完成实验内容。

综合性实验注重培养学生的综合实验能力。教学方法以启发式为主，如学生的自主式学习和小组合作学习，让学生主动获取知识，用所学知识分析、解决问题。教师担任引导者，从讲授式教学变为讨论式教学，鼓励小组合作完成实验，促进学生主动学习，引导学生掌握科学的实验探究方法。

二、普通物理实验分层教学模式的实践

（一）实验能力的测试与分层

1.實验能力前测试卷的设计

对本次调查研究数据采用SPSS 23.0进行分析。物理实验能力前测试卷分为两个部分：实验能力问卷调查和实验能力测试卷。

实验能力问卷调查从实验兴趣、实验习惯、问题解决能力三个维度设置了10道封闭式单项选择题。采用李克特5点量表计分，选项为“完全不同意”“比较不同意”“不一定”“比较同意”“完全同意”，分别赋值0、1、2、3、4、5分，得分越高表示学生对物理实验越有兴趣、实验习惯越好、问题解决能力越强。笔者从实验必备品格、实验知识结构、操作技能、数据处理能力和设计能力五个维度着手，编制了实验能力测试卷。物理实验能力测试卷设计了14道单项选择题、2道实验设计题，试卷总分值为100分。

设计前测试卷的目的在于了解学生对物理实验的兴趣、实验习惯和实验能力水平，并将其作为学生物理实验能力的分层依据。样本情况如表1：

共发出学生问卷227份，回收有效问卷220份。

2.实验能力的前测与分层

本次调查和实践以苏州大学文正学院四个理工科班级的学生为样本，将其中两个班级的学生设置为实验组，另外两个班级的学生设置为对照组。为了解两组学生在进行动手实践前的实验能力水平是否存在差异，对两组学生实验能力前测试卷得分情况进行独立样本t检验，结果显示实验组和对照组班级学生的得分显著性水平P=0.095>0.05，不存在显著差异，即在入学时四个班级学生的认知能力和实验能力水平处于同一层次，可以作为对照班级开展教学实验。

综合学生问卷、实验能力测试卷的得分情况，将学生的实验能力水平分为两个层次：得分较高的一半为提高层，另一半为基础层。

3.调查结果与分析

为了解学生物理实验能力在性别上是否存在差异，先对男女生前测试卷的得分情况进行描述性统计。

由图1可知，男女生在物理实验能力前测试卷上得分相当，差距不大。为探究男女生各个维度实验能力是否存在显著差异，对男女生能力成分及测试卷成绩进行独立样本t检验。

在本次测试样本中，男生和女生调查问卷得分情况满足独立大样本条件，对两组数据平均值进行差异的显著性检验需先进行方差齐性检验来考察两个总体方差是否相等。选取性别为分组变量，得到表2、表3：

利用F分布对方差进行齐性检验，虚无假设为方差齐性，备择假设为方差非齐性。令本次测试男生成绩的平均值为，女生成绩的平均值为。

提出假设：

采取双侧检验，在实践意愿能力成分得分上|t|=3.280>1.96=t0.05，显著性水平P=0.001<0.05，拒绝虚无假设H0接受备择假设H1。故有结论：在0.05 显著水平上，男女生在动手实践得分平均值上存在显著差异。在其他能力成分及测试卷得分上无明显差异。

调查结果表明，男生动手组装、改造器械的实践意愿明显高于女生，男女生在实验能力水平方面没有明显区别。实践意愿产生差异的原因有男女生的性格特征和思维品质异质：男生偏向于抽象思维，动手能力较强;女生偏向于形象思维，数据记录较为准确。

为了解理工科学生开展普通物理实验课程之前的物理实验能力现状，对学生问卷各能力维度和物理实验能力前测试卷的得分进行统计，得到表4：

其中，实验兴趣成分得分为3.91，实验习惯成分得分为3.82，问题解决能力成分得分为3.34，前测试卷平均分为61.03。由此可见，理工科学生对物理实验的兴趣较高，实验习惯较好，但解决实际问题的能力有所欠缺，这可能是由高考对“会做实验题目”的要求高于“会做实验”造成的，学生在中学自己做物理实验的机会较少，习惯于在纸上做题，将物理实验课当作了理论课的辅助内容，对物理实验没有深入理解。

（二）分层教学实践

笔者依据构建的普通物理实验分层教学模式，在独立学院进行了教学实践。在实验组班级中实施普通物理实验分层教学模式，学期开始前，根据该學期所需完成的实验题目，设置必做内容和补充内容。根据前测结果将学生实验能力水平分为提高层与基础层，即每个班级中实验能力水平位于提高层的学生为A组，基础层的学生为B组，分组完成后制作实验轮换表，每次实验课开始前，教师根据该能力层次学生所需完成的实验内容准备实验器材。

学生课前预习发布于微信公众平台的实验微课视频，进入实验室后向教师进行实验预习的口头汇报或递交实验预习报告，教师判定合格后方可进行实验。在实验内容完成后，学生需向教师进行口头报告，教师将学生实验过程中的操作和口头报告情况计入实验操作成绩，实验报告撰写和课后题完成情况计入实验报告成绩。在对照组班级中，应用传统教学模式进行对比。

三、分层教学的实践结果与分析

（一）实施两种教学模式的班级差异分析

经过一个学期的教学实验，对学生的平时成绩、实验报告、操作考试成绩和实验考试成绩加权平均得到实验总评成绩。两组学生的总评成绩得分情况如表5、表6：

对比实验组与对照组学生的总评成绩发现，实施分层教学的班级学生平均分为83.99，高于实施传统教学的班级学生的77.50。对两组学生总评成绩进行独立样本t检验，发现显著性水平P<0.05，两组学生总评成绩存在显著差异。结果表明，考虑学生认知能力水平和实验能力水平的差异性，实施普通物理实验教学分层模式于教学实践中，教学效果更突出，学生的实验能力提升更快。

（二）实施两种教学模式的不同能力层次学生差异分析

在普通物理实验课程学习前，学生实验能力水平存在差异;经过两种不同的教学模式实践后，两个能力层次的学生的实验总评成绩平均得分如图2：

实验能力水平层次为提高层的学生，接受分层教学后实验总评成绩平均得分为87.63，明显高于同层次接受传统教学学生的79.13;基础层的学生接受分层教学后实验总评成绩平均得分也高于同层次接受传统教学的学生。实施分层教学模式后，拓展的教学内容使提高层学生的实验能力得到较好的发挥和提高;分层教学激发了学生对普通物理实验课的学习主动性，在实验过程中以更高的标准进行自我要求，基础层与提高层学生层间因动态管理形成良性竞争，促进了学生实验能力的整体提升。

普通物理实验教学对学生实验能力的培养起着重要作用，实施分层教学既考虑了学生的个体差异，提高了基础薄弱学生的整体实验能力，让实验能力较强的学生最大限度地开发潜能;又考虑了学生的接受能力，实验内容和难度的逐渐加深激发了学生的积极性，体现了因材施教和最近发展区原则。采用多元化的教学方法，融合多种辅助教学工具，进一步优化和整合现有的教学资源，让学生在逐层学习中开发自身能力。

参考文献：

[1]何光宏，韩 忠，杨骏骏，等.大学物理实验分类分层实验体系建设[J].物理与工程，2017，27（S1）：168-171.

[2]魏要丽，杨 亮.大学物理实验分层教学模式的探究[J].大学物理实验，2015，28（5）：126-128.