箱式電位差計實驗模塊化教學設計探討

周 嫻，潘華錦，張慶海，張 麗

(軍械工程學院 基礎部理化教研室，石家莊 050003)

箱式電位差計實驗模塊化教學設計探討

周 嫻，潘華錦，張慶海，張 麗

(軍械工程學院 基礎部理化教研室，石家莊 050003)

以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和實驗設計能力為教學目標，探討了箱式電位差計測電動勢實驗的模塊化教學模式。針對如何在該實驗中提煉實驗思想和方法，以及培養(yǎng)和鍛煉學生獨立思考和自主設計能力，分析和闡述了教學內(nèi)容和教學方法的設計方案。

實驗思想；創(chuàng)新能力；模塊化教學；教學設計

在實驗物理學的發(fā)展史中，涌現(xiàn)出了許多有重要里程碑作用的著名實驗，它們構思巧妙、方法獨到、設計完善。這些實驗帶給我們的思想和方法遠遠超越了實驗的具體內(nèi)容。所謂授之以漁而非授之以魚。在《大學物理實驗》的教學中，作為教師應該深入研究教學內(nèi)容和方法的設計，從具體實驗中提煉出實驗思想和方法，以達到培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識人才的教學目標。

箱式電位差計測電動勢實驗是大學物理實驗中一個非常重要的基礎綜合性實驗，其電路設計和儀器操作在電學實驗中具有很強的代表性。本實驗的教學目的不單單是要求學生學會箱式電位差計的原理和使用，更重要的是通過本實驗的學習，使學生掌握常用控制電路設計等方面的知識和方法，提高設計能力和創(chuàng)新能力。因此，在該實驗的教學中，如果只限于課本上的教學內(nèi)容，學生所學到的知識非常有限。而如果在教學中融入更多的電學知識，提煉出更巧妙的實驗思想、方法和技巧，并將教學內(nèi)容拓展到電位差計的各種應用以及控制電路的設計方面，教學內(nèi)容就能得到提煉和升華，教學的深度和廣度也能得到增加，也就能達到更好的教學效果。因此，完善的教學設計可以使本實驗成為提高學生設計能力和創(chuàng)新能力的一個非常好的教學實例?；谝陨纤枷?，箱式電位差計測電動勢實驗在教學方法上可以采用模塊式教學，如圖1所示，將教學內(nèi)容模塊化并合理地組織起來，形成一個完整的教學單元。

1 基礎知識模塊

常用儀器和電路設計是電學實驗的基本元素。該部分的教學目的是要學生掌握與本實驗相關的電學儀器和電路設計方面的基礎知識，并合理地進行知識面的擴展。通過常用儀器模塊的教學，使學生了解并掌握與實驗有關的儀器的結構、性能、使用方法及注意事項。只有在充分了解實驗儀器的基礎上，才能在實驗操作中更好地進行選擇和使用。

基于變阻器的控制電路是箱式電位差計原理設計中的一個重要環(huán)節(jié)，因此有必要先介紹兩種常見的控制電路，即限流電路和分壓電路，最后結合這兩種電路對控制電路的一般設計方法和流程進行分析?？刂齐娐返脑O計模塊是培養(yǎng)和鍛煉學生思維能力和設計能力的重要環(huán)節(jié)，也是基礎知識模塊教學的重點、難點。

圖1 教學模塊圖

2 箱式電位差計模塊

2.1 補償法原理

箱式電位差計是基于補償法的原理設計的。補償法是物理實驗中一種重要的測量方法，它通過對引起系統(tǒng)誤差的非對稱因素進行修正，提高測量精確度。補償法測電動勢的原理如圖2所示，在這里作為一個模塊進行教學。

圖2 補償法原理

2.2 箱式電位差計

箱式電位差計的原理主要分為校準工作電流和測量電動勢兩部分。教學中結合如圖3所示的原理圖，按照圖4所示的思路進行講授。采用提出問題—分析解決問題—引出新問題—分析解決問題的方法，引導學生思考，以倒敘講解的方式，逐步理順整個原理脈絡。同時，將結構和使用方法介紹穿插到原理講解中，把原理和實物結合起來，使講解更形象和直觀。

圖3 箱式電位差計原理圖

圖4 原理講解思路

首先，作為過渡和引題，提出問題1“在補償法原理中，如何找到一個電動勢大小已知且可調(diào)的電源E0”。分析得出，用可調(diào)電阻代替可調(diào)電源的方式來解決，這也是箱式電位差計設計中一個巧妙之處。根據(jù)補償原理，調(diào)節(jié)Rχ，待測回路達到補償狀態(tài)時，Eχ=RχI0。繼而引出問題2“Rχ和I0如何測量”。結合箱式電位差計的結構，Rχ轉盤的刻度轉化為了Eχ，但前提要求箱式電位差計的工作電流標準化。進一步引出問題3“如何校準箱式電位差計的工作電流”。

分析得出，校準工作電流要滿足兩個條件：(1)Es/Rs=I標，即通過調(diào)節(jié)Rs來補償Es隨溫度的變化;(2)使校準工作電流回路補償，即Es= RsI0，通過調(diào)節(jié)Rp實現(xiàn)。至此，所有問題得到解決。在講解過程中，配合如圖5所示的板書流程設計[1_5]。

圖5 板書流程設計

2.3 實驗思想與設計技巧

采用互動式教學，讓學生自主思考箱式電位差計設計中所體現(xiàn)的實驗思想和設計技巧，并由教師總結歸納和提煉。本實驗中所體現(xiàn)的實驗思想和技巧有以下六點：

1)E0的選擇。巧妙利用補償法原理，用可調(diào)電阻Rχ代替E0。

2)將Rχ轉盤的刻度值轉化為Eχ，使測量更加方便。

3)采用校準工作電流回路進行電流校準，既方便又準確。

經(jīng)過一個月的治療后,觀察組的顯效為17例(51.52%);有效人數(shù)為13例(39.39%);無效為3例(9.09%)。而對照組的顯效為11例(33.33%);有效為14例(42.42%);無效為8例(24.24%)。由此可見,觀察組的治療有效率比對照組治療的有效率高15.15%,經(jīng)比較具有統(tǒng)計學意義(P<0.05),如表1所示:

4)E0隨溫度變化由Rs進行了補償，避免了由此引起的實驗誤差，提高了測量精確度。

5)將所有問題轉化為較易操作的電阻的調(diào)節(jié)，即RxRsRp。

6)結構設計上，為了保護檢流計，開關K1巧妙地設計成“粗”“細”“短路”三個彈性按鈕。

2.4 實驗實施

在學生自主實施實驗的過程中，教師要起到啟發(fā)和指導的作用，對于自主完成實驗較困難的學生要加強輔導。當學生在實驗中遇到問題或實驗出現(xiàn)故障時，要鼓勵學生自己找答案或故障原因，在其無法解決時要以原理為依據(jù)，啟發(fā)學生對實驗中出現(xiàn)的問題和故障進行準確定位。經(jīng)過引導分析，讓學生自己找出解決辦法。

3 拓展和設計模塊

課堂教學旨在教授學生基礎知識、基本實驗思想、方法和技能。而作為課外教學活動的拓展，設計模塊才是培養(yǎng)學生探索精神和創(chuàng)新能力的主要環(huán)節(jié)。教師要在課堂教學結束后，設定課外思考題，由學生自主設計實驗方案，研究合理的測量實驗程序和方法。必要時以科研論文或科技制作的形式進行評比。

課后思考題有以下四點[6_10]：

1)補償法原理還有哪些應用？如測量干電池的內(nèi)阻，思考如何設計電路圖。

2)箱式電位差計應用廣泛，思考如何用它校準電表，測量未知電阻。

3)思考本實驗的原理和操作有沒有可以改進的地方。

4)了解線式電位差計的原理、結構以及應用。

開放自由的課后拓展和設計模塊可以活躍學生的創(chuàng)新思維，理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)其積極主動的探索精神、獨立解決問題的能力，同時，又可以增強學生對物理學習的興趣。

4 結束語

箱式電位差計實驗模塊化教學設計是學生系統(tǒng)地進行科學實驗和能力訓練的一個很好的實例。本文教授了相關的基礎知識、基本方法、實驗思想，進行了基本技能和能力的訓練，培養(yǎng)了學生通過探索和研究自主思考、分析并解決問題的能力。

實驗教學是一項比理論教學更加復雜、要求更高的教學工作。如何使學生能夠在真正靈活運用基礎知識的前提下進行科學實驗，達到提高能力的目的，還需要實驗教學工作者致力于研究實驗教學自身獨特的教學內(nèi)容、教學方法，為教育事業(yè)貢獻自己的力量。

[1]鞏曉陽，魏榮慧，張振，等.電位差計的改進和拓展應用[J].實驗科學與技術，2012，10(2)：4_5，14.

[2]張麗萍.直流電位差計測電動勢實驗問題分析[J].牡丹江大學學報，2011，20(5)：138.

[3]王菊香.電位差計測量溫差電動勢實驗的研究[J].廊坊師范學院學報：自然科學版，2008，8(3)：7_8，13.

[4]毛省利，杜曉偉，白麗竹.直流電位差計的線路分析與維修[J].計量與測試技術，2010，37(5)：31_33.

[5]向必純.大學物理實驗[M].成都：西南交通大學出版社，2008：155_157.

[6]劉永萍，辛言君，袁淑立，等.用箱式電位差計測電阻的4種方法[J].實驗科學與技術，2008，6(3)：29 _30.

[7]王小懷.電位差計測干電池內(nèi)阻實驗的設計與分析[J].廣西物理，2006，27(2)：46_48.

[8]祁國權.用電位差計測電壓表內(nèi)阻[J].渤海大學學報：自然科學版，2011，32(2)：132_135.

[9]蔣曉英.用電位差計校正電表實驗的儀器故障判斷與排除[J].大學物理實驗，2010，23(4)：42_43.

[10]崔杰軍.大學物理實驗[M].鄭州：鄭州大學出版社，2008：83_87.

Discussion on M odular Teaching Design of EXperiment w ith BoX-type Potentiometer

ZHOU Xian，PAN Huajin，ZHANG Qinghai，ZHANG Li
(Physics and Chemistry Section of Basic Department，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China)

With the teaching goal of cultivating creative consciousness and ability of designing experiments of students，the modular teachingmode ofmeasuring electromotive force experimentwith box-type potentiometer has been discussed in this paper.The designing project of teaching content and method has been analyzed and expounded particularly to abstract experimental idea and method，cultivate and exercise the students'ability of considering and designing independently of students in the experiment.

experimental idea;creative ability;modular teaching;teaching design

TM93；G643.423

A

10.3969/j.issn.1672_4550.2014.01.004

2012_12_16

軍械工程學院教學研究基金。

周 嫻（1981_），女，碩士，講師，主要從事實驗教學研究工作。