综合设计物理实验开发的思考.doc

综合设计性物理实验开发的思考 摘 要：对综合设计性物理实验，根据物理实验教学需要，进行了探索，提出了综合设计性实验的开发与教学的想法和做法，对激发学生的自主探究性学习兴趣，培养学生创新精神和创新能力，起到了一定的作用。关键词：综合性；设计性；物理实验；开发 1 引言实验教学对于提高学生的综合素质、培养学生的创新精神与实践能力具有特殊的作用1。我校基础物理实验面向四个教学系、九个专业，开设普通物理实验、大学物理实验、近代物理实验，共有95个实验项目，大多属于基础验证性实验，其实验原理、方法、仪器配置、内容取舍、现象观察、数据处理等方面都具有基础性、典型性和继承性的特点，这是传授实验知识，培养学生实验动手能力所必需的。但是，由于实验教学模式单一，内容陈旧、教学时间限制过死，难以激发学生的学习兴趣，培养学生的创新意识和创新能力。教育部在“教高(2005)1号”文件中强调指出实验教学要“更加注重能力培养，着力提高大学生的学习能力，实践能力和创新能力”，“开发学生智能，培养与提高学生科学实验能力和素质”，要“把实践教学作为评比的关键性指标1”。针对我校基础物理实验教学内容和教学方法的现状，对学生进行具有科学实验全过程训练性质的综合性和开放性实验教学是十分必要的。所以，对综合性、设计性物理实验的研究和开发，对加强实验教学，培养学生实验能力和创新能力有着重要意义2-11。近年来，在综合性设计性实验的研究和开发方面，做了如下几点探索性的工作。2 综合设计性实验开发的思路2.1 综合性实验开发的思路综合性物理实验涉及的物理基础理论知识范围较宽，仪器调节更加精细，是独其特点的代表性实验技术，更有助于较全面地培养学生的学习能力，实验动手能力和创新能力。为此，在现有学校的实验教学资源条件下，开发了新的物理综合性实验项目，是有意义的工作。针对如何开发新的综合性物理实验，进行了分析，提出了如下的思路。2.1.1 以物理规律的探索与应用为目的的综合在物理实验的内容中，其中有一部分实验，实验方法是相同的，可以将它们综合成以物理规律的探索与应用为目的的综合性实验，以培养学生的探索物理规律和应用实验方法的能力。例如：在力学实验中，单摆实验是测量摆长与周期的关系，复摆实验是测量回旋半径和重力加速度，三线摆是测转动惯量和验证平行轴定理，惯性秤是测惯性质量等，这些实验都是基于简谐振动的物理规律，寻找直接测得物理量与间接测量物理量的关系，而设计的基础实验，使学生掌握这些实验方法，是必须的。但是为了进一步达到教学目的，把这一类实验综合成“简谐振动实验方法的应用研究”，或“振动规律的探究与应用研究”，提升实验要求，对于探索和应用物理规律，培养学生的综合应用能力，具有重要的意义。2.1.2 以应用为目的综合物理量之间的转换，是物理实验设计中最常用和基本的重要实验方法。当某一物理量不能直接测量或不利于信息的采集、传输、处理、加工时，就需要将该物理量转化为有利于直接测量，有利于信息的自动采集、传输、处理的物理量。传感器就是属于这样的实验装置之一，它是将不能直接测量、或不利于信息的传输、处理、加工的物理量转换为电信号的实验装置，因为电信号有利于测量，有利于信息的采集、传输、加工。因此，传感器在生活和生产中的应用越来越广泛，可考虑将典型传感元件的特性测量实验，组合成一个传感器特性的测量和应用研究的综合性实验，例如：电容式传感器、霍尔式传感器、温度传感器、热电阻传感器、金属箔式应变传感器、光电传感器等进行综合，供学生选做，对于扩大学生的实验知识视野，提高学生的理论联系实践能力、综合应用能力，具有良好的教学效果。2.1.3 以物理性质为主线的综合物理实验的教学目的之一，就是启发引导学生对实验现象的观察和分析，加深对物理概念、物理规律的认识和理解。因此，需要开发一类达到这样的实验教学目的综合性实验。例如：学习和认识RLC交流电路的特性，将交流电桥、交流电路的暂态、稳态、谐振等实验，综合成交流电路特性的研究，并与直流电路进行比较，提高学生全面认识和理解交流电路的性质，培养学生应用物理实验的方法，去学习物理知识、掌握物理规律的能力。2.1.4 以测量某个物理量为主线的综合在众多的物理实验中，对某个物理量的测量，根据情况的不同，已开发出不同的测量方法。例如，测量长度，对于人眼能区分的近距离的，用米尺、游标卡尺、螺旋测微器测量；对于人眼不能区分的，近距离的用显微镜测量，对远距离的用望远镜或光杠杆、测高仪等测量。虽然这些方法都是直接测量，但将它们综合成一个综合性实验，对于培养学生，根据具体情况，选用不用的测量方法和测量工具，进行实验仪器选择能力和应用能力的培养，能起到验证性实验无法达到的教学效果。2.1.5 以实验装置为主线的综合实验装置的综合，主要培养学生对仪器的组合设计能力，提高实验资源的共享程度，可节省经费开支。例如：测量电阻实验中，可用伏安法、电桥法。为此，将实验所需的有关电学元器件、仪表，组合成器件库，由学生自己根据实验需要，选择其中的元件、仪表，组装成伏安法测量电路、惠斯通电桥、开尔芬双臂及非平衡电桥等。既有利于实验的综合，又有利于实验的设计。2.2 设计性实验开发的思路设计性实验是一种介于基础教学实验与科学研究探索实验之间的物理实验，它具有对科学实验全过程进行初步训练的特点，设计性实验的内容必须经过精心的挑选，使它具有综合性，典型性和探索性。同时又要充分考虑学生的知识背景，实验技能、教学时间。根据设计性实验的教学目的和要求，主要从以下几方面进行开发。2.2.1 以测量某个物理量为目的而开发的设计性实验以测量某个物理量为最终目的设计性实验，包括实验方法、实验方案的设计、仪器设备的选取和实验装置的制作。例如：液体密度的实时测量、电容测量方案的设计和结果的比较，是针对具体要测量的物理量，选择和设计实验方案。这一类设计性实验是培养学生发散性思维能力的有效内容和途径。2.2.2 以验证物理规律为目的而开发的设计性实验物理规律都有明确的物理量之间的函数关系，开发这类实验的关键之一，是物理规律成立的条件，要使实验方案和装置，满足理论上所假设的条件，往往是很难达到的，而又必须引导学生考虑的实验问题。例如：能量守恒定律的验证实验，在气垫上做，也难以满足阻力为零，没有能量的损耗。如何解决阻力小到对实验结果的影响，可以忽略不计呢？这往往能引起学生探索的兴趣。这类设计性实验相对要难一些，但对于训练学生探索能力、科学实验能力是极为重要的内容和途径。2.2.3 以寻找某种物理量测量工具的新用途为目的，而进行的设计性实验的开发开发这类实验，首先要求学生掌握测量工具的基本用途、功能、结构，作为背景知识，再作进一步的用途开发，这类设计性实验，非常有利于培养学生的创新思维能力。例如：用示波器作为交流电桥的平衡指示器的研究。学生必须先掌握示波器的结构，工作原理，观察波形、测量电压和相位差的调节使用方法，在此基础上，才能进一步用它作为平衡指示器的实验设计，达到学会示波器新用途的实验目的。2.2.4 以制作为主要目的，而进行的设计性实验的开发这类实验包括设计制作工具，实验装置等，既能培养学生的设计创新能力，又能培养学生的动手制作、创新能力。所要求的设计制作内容，要符合学生的实际情况和实验室的条件，不能脱离实际，不能过难。例如，简易万用表的设计和制作，简易电位差计的设计与制作等，有关电子元器件和材料，是实验室有的，过程比较安全，是可行的设计制作内容。对于存在不安全因素的内容，要慎重考虑。2.2.5 为探索物理规律而开发的设计性实验这类设计性实验，给予学生一定的实验装置，要求根据任务，观察和分析实验现象，探索和总结物理规律。这种做法能很好地培养学生科学探索的兴趣和能力。例如：单摆碰撞打靶实验的设计，要求学生分析碰撞时，能量损失的大小及其主要原因，根据实验结果，通过分析，总结出球下落，相互碰撞，有关物理量之间的关系，由于涉及的内容不深，对低年级开放这样的设计实验，非常有利于培养学生的科学态度，用实验的方法研究和解决问题的思想。3 综合设计性实验装置的研制基于上述综合设计性实验的开发思路，我们初步研制了电位差计的设计与应用综合实验仪和动力学综合设计性实验装置，已被杭州大华仪器制造有限公司采用，进行批量生产。3.1 电位差计的设计与应用综合实验仪该实验仪是以电位差计的补偿原理为基础，以培养学生实验动手能力、理论联系实际能力和综合应用设计创新能力为目标的电学实验装置。考虑了电位差计中接触问题、调零问题、灵敏度问题，解决了实验仪器中易操作与可操作性不大的矛盾。能开设的基础实验有：(1)电位差计的定标、电位差计测量电池的电动势和内阻；(2)用电位差计测量电阻、电流、电压。能开设新的综合性实验有：(1)用电位差计校正电流表和电压表；(2)电表的改装。能开设新的设计性实验有：(1)电表精度的设计；(2)电表灵敏度的设计；(3)电表量程的设计；(4)测量误差的探究。实验装置具有直观、易操作、高精度、性能稳定可靠、综合性高、可供师生设计开发的空间大等特点。3.2 动力学综合设计性实验装置 本实验装置是以简谐振动和碰撞原理为基础，以培养学生观察分析综合能力、实验数据处理能力和实验方案设计创新能力为目标的力学实验装置。综合了单摆 、复摆 、三线摆 、惯性秤、扭摆、双线摆和碰撞打杷实验等。能开设的基础实验有：(1)单摆、(2)复摆、(3)三线摆、(4)惯性秤、(5)扭摆、(6)双线摆、(7)碰撞。能开设新的设计性实验有：(1)单摆碰撞打靶实验、(2)单摆非线性行为探究实验、(3)复摆测转动惯量和验证平行轴定理的设计、(4)三线摆及非线性行为探究、(5)惯性质量测量方案的设计、(6)双线摆的运动规律探索、(7)切变模量测量方案的设计与实现。既可作为理工科一年级的学生基础入门实验，学习和掌握基本物理量的测量方法和测量工具的使用，又可作为高年级或研究生学习和探索非线性物理现象的实验。对培养学生动手组装实验能力、观察分析实验现象能力、理论应用能力和设计总结创新能力能起到一定的作用。4 结论根据物理实验教学需要，对综合性设计性实验的开发进行了研究，提出了综合性设计性实验的开发思路，开发了电位差计的设计与应用综合实验仪和动力学综合设计性实验装置，对物理实验教学，激发学生的自主探究性学习兴趣，培养学生创新精神和创新能力，具有一定的意义。这些工作只是一个开始，还将进一步对综合设计性物理实验作深入的研究。参考文献：1 教育部. 关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见教高Z，20051号.2 吴波，杨建荣. 大学生课外科技实践活动与创新能力培养研究J. 上饶师范学院学报，2005,25(3)：31-34.3 杨建荣，肖骁琦. 校园科技创新教育的几点做法J. 上饶师范学院学报，2006,26(3)：27-30.4 毛杰健，王仁炎. 物理实验教学的探讨J. 上饶师范学院学报，2005,25(3)：42-44.5 郑鹤松. 大学物理设计性实验的教改实践与思考J. 实验技术与管理，2004，21(5)：101-107.6 王教方，张永利等. 如何上好设计性实验J. 大学物理实验，2004，17(1)：85-88.7 刘竹琴，刘艳峰. 设计性实验教学探讨J. 实验技术与管理，2005，22(6)：97-99.8 周殿清. 普通物理实验中综合性、设计性实验的开设J. 物理实验，2005，25(1)：31-33.9 张锐波. 大学物理实验项目的系统设计J. 大学物理实验，2003，16(2)：84-86.10 沈元华. 设计性、研究性物理实验介绍J. 物理实验，2004，24(2)：33-37.11 吴纯，张列林，许晓嫦. 设计性实验教学法的探索J. 实验室研究与探索，2005，24(4)：74-78.Thinking about the Development of Comprehensive and Designed Physics ExperimentsAbstract: According to teaching demand, the comprehensive and designed physics experiments are ex