微型物理演示實驗箱的研制與應(yīng)用

盧榮德，程福臻，孫臘珍，陶小平，黃 環(huán)

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院，安徽合肥230026）

1 引 言

在大學(xué)物理教學(xué)中物理演示實驗是最重要的手段之一，也是培養(yǎng)學(xué)生形成科學(xué)的思維，培養(yǎng)科學(xué)研究方法的重要途徑，是實施素質(zhì)教育和提高教學(xué)質(zhì)量不可或缺的重要實踐環(huán)節(jié).微型物理演示實驗作為新興的實驗方法和技術(shù)，已被國內(nèi)外物理教學(xué)界所采用，并日趨成為今后物理實驗改革的方向[1].以微型化為特征的物理演示實驗教學(xué)，具有安全可靠、節(jié)約資源、動腦動手結(jié)合等優(yōu)勢.微型物理演示實驗的出現(xiàn)和發(fā)展，為加強和改善物理演示實驗教學(xué)，特別為激發(fā)學(xué)生的探索能力及創(chuàng)造能力的培養(yǎng)提供了廣闊的前景.

2 多功能成套微型物理演示實驗箱的技術(shù)背景

微型物理演示實驗安全、省時、節(jié)約、經(jīng)濟、操作簡易，便于教師演示實驗教學(xué)實踐，實現(xiàn)課堂（動腦）與實驗（動手）的結(jié)合、交叉、滲透、互補.可從根本上改變教師做學(xué)生看、教師講學(xué)生聽的傳統(tǒng)模式，利于師生進行探究式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高實驗動手能力[2].微型演示實驗在物理課堂教學(xué)的普及勢在必行，它的特點特別適合探究式的教學(xué)，切中物理教材.

在物理演示實驗的實踐和推廣中，關(guān)于物理演示實驗儀器，雖然現(xiàn)已有多種儀器在實際教學(xué)中使用，取得了可喜的成果，但當(dāng)前的物理演示實驗教學(xué)中存在下列問題[1－3]：

1）演示實驗內(nèi)容專業(yè)口徑過窄，導(dǎo)致物理課堂與實驗之間缺乏交叉融合.

2）單一化演示實驗儀器設(shè)備服務(wù)學(xué)生的容量小、演示實驗室附屬于課程組或附屬于實驗組、驗證性實驗多而自主設(shè)計性實驗少.

3）演示實驗通用教學(xué)模式，多是課前將物理演示實驗準(zhǔn)備好，教師表演、學(xué)生觀察模式；定性半定量演示實驗?zāi)Ｊ绞侵附處熃淮脤嶒灥哪康?、原理、要求，學(xué)生按講義完成實驗.這些實驗教師熟悉，實驗技術(shù)人員有經(jīng)驗，但學(xué)生動腦不多，現(xiàn)象觀察的程度、思考的深度無從考查，探索性實驗、挑戰(zhàn)性設(shè)計難以落實.

20世紀(jì)80年代以后，“大學(xué)物理”和“大學(xué)物理實驗”獨立設(shè)課.“大學(xué)物理”傳授物理學(xué)的基本概念、基本理論和基本方法；“大學(xué)物理實驗”傳授從實踐中獲取知識的技能和方法；“演示實驗”引導(dǎo)學(xué)生觀察和分析實驗現(xiàn)象，建立物理圖像和物理模型，總結(jié)規(guī)律，是物理教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)不可缺少的手段，是理論與實驗教學(xué)的橋梁和紐帶[4].大學(xué)物理演示實驗可構(gòu)建師生理實交融的平臺，實現(xiàn)物理演示實驗立體化教學(xué)體系，對此研制了一套造價低廉、易于推廣的微型物理演示實驗工具箱.

3 微型物理演示實驗箱設(shè)計的科學(xué)性和新穎性

由于目前國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)中的物理演示實驗儀器在實際教學(xué)中存在問題，而微型物理演示實驗在我國開展十來年，還不能在物理演示教學(xué)中普遍推廣應(yīng)用.以此作為切入口，著眼于打通理論教學(xué)與實驗教學(xué)分立設(shè)課的壁壘，著重研制和開發(fā)符合科學(xué)原理，具有多功能性、實用性強、能滿足物理演示教學(xué)內(nèi)容的簡易標(biāo)準(zhǔn)接口配套微型儀器[3].與國內(nèi)原有演示實驗儀器比較，具有如下優(yōu)點：

1）儀器具有多功能性，使其種類、數(shù)量大為減少，每套有儀器16種共28件，如圖1所示，利用率高.

圖1 微型成套實驗箱內(nèi)的儀器圖

2）儀器連接部位全部采用簡易標(biāo)準(zhǔn)接口（非磨口）設(shè)計[2]，但又具有磨口儀器安裝方便的特點，便于操作，能有效降低儀器成本.

3）每一模塊可獨立成一套體系，可組裝成具有獨立的13個原理清晰的微型演示實驗[2]，教師可根據(jù)課堂教學(xué)進展選擇1個模塊就可方便帶入課堂進行演示實驗，并可讓學(xué)生課上、課間操作，或課外活動進行實驗設(shè)計等多種用途.

4）多功能微型物理演示實驗平臺[3]，能方便地組裝各種微型物理演示實驗裝置，每模塊相關(guān)資源可共享，并能使用電壓、電流傳感器，通過計算機USB接口就可進行實驗現(xiàn)象的定量探究.安裝時無需螺母固定，調(diào)節(jié)方便，不用時可方便拆卸、歸位.

5）微型物理演示實驗?zāi)K及配套部件組成的便攜式微型物理演示儀器箱，每套件只有相當(dāng)飯盒的大小（24cm×12cm×11cm）；攜帶方便，操作可靠、現(xiàn)象明顯，整體裝載于拉桿箱中，便于整體搬運（質(zhì)量小于10kg）等特點.

儀器設(shè)計精致、配置合理、組裝靈活、價格低廉，容易實現(xiàn)授課教師人手一套，由于整套儀器體積小，特別適合教學(xué)中實現(xiàn)在普通教室邊上課邊實驗，以達(dá)到較好教學(xué)效果，從根本上改變了傳統(tǒng)演示實驗教學(xué)模式[5].

4 微型電磁學(xué)演示實驗箱的構(gòu)建

微型電磁學(xué)演示實驗箱是一只拉桿箱裝載13個實驗?zāi)K、電源、附件、實驗講義與光盤以及微型高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭（可選）組成.

4.1 微型演示實驗箱的電源

高壓電源：有了該電源，靜電學(xué)中許多的演示實驗外加設(shè)計模塊就可實現(xiàn)，如靜電屏蔽、哈里波特魔杖等演示實驗（可留給學(xué)生設(shè)計空間）.

該電源通市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?，采用全橋整流濾波，然后由高頻變壓器升壓，最后整流為直流高壓.在電阻負(fù)載條件下，輸出直流電壓達(dá)到3～5kV，輸出電壓從0V上升到5kV的響應(yīng)時間為0.5s左右，具有較快的響應(yīng)速度，輸出電壓為5kV時，其最大電壓波動小于5%.電源系統(tǒng)具有體積小、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等特點.如圖2所示.還有12V電源盒、1／5／7號1.5V電池、9V方塊電池等.

圖2 高壓電源原理及其裝置圖

4.2 微型電磁學(xué)演示實驗箱輔助構(gòu)件

1）微型電磁學(xué)演示實驗箱采用拉桿箱，拉桿內(nèi)置，鋼材質(zhì)，箱體有鋼置的骨架，面料防雨，材料的顆粒度大，比較耐磨；輪子內(nèi)置，橡膠材質(zhì)，在地上拉時聲音小.

2）實驗輔助構(gòu)件結(jié)構(gòu)簡單、體積小、操作方便，調(diào)節(jié)靈活，能夠單獨、方便地安裝各種微型演示實驗裝置，不用時可拆卸，便于攜帶，是一種多功能的演示實驗裝置，有利于微型演示實驗的開展.如鐵磁材料的居里溫度演示實驗操作臺為支柱設(shè)計，可根據(jù)需要自由取用，組裝樣品方便，底座是磁性的直接吸在操作臺上，可克服由于微型儀器小而輕，不便于穩(wěn)定操作，稍不小心易翻倒的弊病.

4.3 微型高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭

微型高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭具有高速、在寬視場范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)、傾斜運作安靜等特點，可快速穩(wěn)定地自動聚焦及自動曝光來控制背光補償，特別適用于課堂光線不好的條件下互聯(lián)網(wǎng)通訊的網(wǎng)絡(luò)傳播應(yīng)用.微型電磁學(xué)演示實驗在大課堂實驗時，學(xué)生可見度低，可通過微型高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭將演示實驗操作現(xiàn)場互聯(lián)在大屏幕上，拓展其能見度.

5 典型的電磁學(xué)微型演示實驗舉例

微型物理演示實驗儀器箱中配套的儀器雖然不多（只有13種類型），但其功能較強，可幫助師生設(shè)計其他的電磁學(xué)實驗.儀器組裝簡單、方便、易行，當(dāng)對其構(gòu)造、功能有系統(tǒng)認(rèn)識后，能根據(jù)實驗原理用它設(shè)計出具有創(chuàng)新性的實驗方案[4－7]，可收到明顯的教學(xué)效果，為電磁學(xué)探究性學(xué)習(xí)提供了有效的資源.

5.1 直流電動機的演示實驗

如圖3所示裝置，直流電源（1.5V干電池）置于底座盒子中.轉(zhuǎn)子：用漆包線繞制成矩形線圈做轉(zhuǎn)子，通過開關(guān)接通漆包線圈（電樞繞組），使漆包線圈（電樞導(dǎo)體）有電流流過.定子：強力磁鐵置于漆包線圈下面的底座上，組裝起來如圖3所示（電機的磁場）.換向器：線圈引出的導(dǎo)線一端只刮除一半漆膜，另一端全部刮除了漆膜，因此線圈每轉(zhuǎn)1周，只有半周有電流流過，而另半周中線圈沒有電流流過.在前半周，線圈中有電流流過，線圈受到作用力，這個力使線圈繞著中間軸線轉(zhuǎn)動.當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到后半周時，線圈中沒有了電流，線圈不會受到力的阻礙，它將由于慣性而繼續(xù)按原來的方向旋轉(zhuǎn)，直到轉(zhuǎn)到下一半周時，線圈中又有了電流，線圈再次受到力作用而繼續(xù)轉(zhuǎn)動.如此不斷反復(fù)，轉(zhuǎn)子就不停地旋轉(zhuǎn).

圖3 直流電動機演示

5.2 鐵磁材料的居里溫度演示實驗

如圖4所示裝置，鐵磁質(zhì)存在居里點，當(dāng)溫度超過居里點后，磁疇瓦解，其鐵磁性消失，變?yōu)轫槾判?居里點亦稱居里溫度，不同的鐵磁質(zhì)，居里點不同，如鐵的居里點為769℃，而鎳的居里點為358℃.將懸掛著的鎳片移近永久磁鐵，即被吸住，說明鎳片在室溫下具有鐵磁性.用打火機加熱鎳片，當(dāng)鎳片的溫度升高到一定溫度時，鎳片不再被吸引，在重力作用下回落到平衡位置，說明鎳片的鐵磁性消失，變?yōu)轫槾判?移去打火機，稍待片刻，鎳片溫度下降到居里點以下，鎳片恢復(fù)鐵磁性，又被磁鐵吸住.

圖4 鐵磁材料的居里溫度演示

5.3 法拉第磁生電圓環(huán)實驗演示

如圖5所示裝置，1831年法拉第在8月29日的實驗日記里記述了“磁生電的實驗”：

圖5 法拉第磁生電圓環(huán)實驗演示

1）在磁環(huán)上繞有A和B兩組線圈，A線圈用3股線繞成，B線圈用2股線繞成.

2）B線圈抽頭接成閉合回路，A線圈兩端接電池組，當(dāng)電源接通時，放在閉合回路B附近的小磁針發(fā)生了明顯擺動；切斷電流時磁針擺動方向相反，此效應(yīng)很短暫，這就是著名的法拉第圓環(huán)實驗，通常被認(rèn)為是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，法拉第則把該實驗稱作電流的感應(yīng).

3）改進實驗.把繞在硬紙管上的8個線圈并聯(lián)起來，并把端點接在電流計上，拿起1根磁棒快速插入紙管內(nèi)，觀察到電流計指針偏轉(zhuǎn)了，當(dāng)快速抽出磁棒，指針又向相反的方向偏轉(zhuǎn)了.磁生電的理想終于實現(xiàn)了（1831－10－17）.

6 教學(xué)實踐效果

2010年10月中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院電磁學(xué)課程組開展微型物理演示實驗在課堂教學(xué)中應(yīng)用的研究，物理學(xué)院面向全校大二級的16個教學(xué)班，學(xué)生人數(shù)共1 770人參加試驗.教師人手一套微型電磁學(xué)演示實驗教具箱.全部安排在普通教室里按正常的教學(xué)秩序同時開展邊授課邊實驗的教學(xué)模式改革試驗.結(jié)果表明試驗是成功的，達(dá)到了預(yù)期教學(xué)效果，深受學(xué)生的歡迎：將知識傳授與實驗探索相融合，極大地調(diào)動了學(xué)生對物理課的興趣，促進了學(xué)生自主學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生求知欲和創(chuàng)造性.

該儀器特別適合課堂演示實驗，便于課堂上邊授課邊實驗，一些演示實驗或習(xí)題也可運用本儀器由學(xué)生自行設(shè)計和操作完成.微型實驗箱恰似微型的演示實驗室，學(xué)生也可在課間5min或校內(nèi)課外活動開展興趣實驗和探索性實驗.強化了物理實驗在本科生人才培養(yǎng)中的地位與作用，加強了學(xué)生對實驗現(xiàn)象的物理學(xué)根源挖掘和提高了實際動手能力，激發(fā)了學(xué)生的興趣和思考，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和安全意識起到潛移默化的促進作用[6].

該套微型電磁學(xué)演示實驗儀器箱適用于高校電磁學(xué)演示實驗及各層次?？圃盒５钠胀ㄎ锢黼姶艑W(xué)演示實驗，能完成電磁學(xué)五大系列中典型知識點.而常規(guī)演示實驗如超導(dǎo)等，可使微型電磁學(xué)演示實驗與常規(guī)演示實驗兩者取長補短，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，相輔相成地共同提高物理教育質(zhì)量.推廣微型物理演示實驗并不是要用微型物理演示實驗全部取代常規(guī)演示實驗，而是認(rèn)為微型物理演示實驗和常規(guī)物理演示實驗是物理演示實驗的“一體兩翼”.在教學(xué)應(yīng)用中，要明確哪些實驗可微型化，哪些實驗必須通過常規(guī)手段來完成.具體操作時，可根據(jù)教學(xué)目的要求和教學(xué)實際來進行確定.

7 結(jié)束語

綜上所述，普及微型物理演示實驗不僅具有顯著的安全性和經(jīng)濟效益，而且是實驗教學(xué)手段的更新，是物理教育中實施素質(zhì)教育的有效途徑，對全面推進素質(zhì)教育，培養(yǎng)創(chuàng)新精神與實踐能力有著重要的意義[7].一套實用性強的微型儀器，對微型物理實驗在大學(xué)普物教學(xué)活動中開展和推廣應(yīng)用，提供了必要的物質(zhì)技術(shù)條件.淡化演示實驗和學(xué)生實驗的區(qū)別，強調(diào)探究式教學(xué)和推進物理普及，為微型物理演示實驗在我國的開展和推廣提供了可能性.充分發(fā)揮微型物理演示實驗的功能，為提高大學(xué)物理教學(xué)質(zhì)量服務(wù).

[1] 張慧貞.創(chuàng)新物理教材教法理論與錦囊[M].臺中：逢甲大學(xué)出版社，2007：63－64.

[2] 盧榮德，程福臻，孫臘珍，等.大學(xué)物理演示實驗動感創(chuàng)新教學(xué)平臺的探索與實踐[J].物理通報，2011（1）：42－45.

[3] 張淑林.營造創(chuàng)新生態(tài)環(huán)境培養(yǎng)高層次創(chuàng)新型人才[J].中國高等教育，2009（22）：16－18.

[4] 張增明，孫臘珍，張權(quán)，等.創(chuàng)新研究型物理實驗教學(xué)平臺的建設(shè)[J].實驗室研究與探索，2008（12）：7－9.

[5] 盧榮德，程福臻，陶小平.大學(xué)物理教學(xué)模式的探索與實踐[J].教育與現(xiàn)代化，2010（2）：35－39.

[6] 孫臘珍.大學(xué)物理實驗的研究式教學(xué)[J].物理通報，2007，（4）：10－12.

[7] 盧榮德.大學(xué)物理數(shù)字化演示實驗教學(xué)平臺[J].實驗室探索與研究，2006，（4）：56－57.