物理綜合性實驗研究

任俊仙

（太原師范學(xué)院，山西 太原 030031）

物理綜合性實驗研究

任俊仙

（太原師范學(xué)院，山西 太原 030031）

通過對綜合性實驗的定義、特點、開設(shè)范圍、運行、保證措施，教學(xué)案例的論述，說明開展綜合性實驗，不僅提高了教學(xué)質(zhì)量，提高了教學(xué)效率，優(yōu)化了教學(xué)過程，而且在學(xué)生畢業(yè)分配及工作后完成教學(xué)、科研任務(wù)有著一定的實用價值。

綜合性實驗；實用價值；研究

物理綜合性實驗（以下簡稱綜合性實驗）是隨著教育改革形勢的發(fā)展和高校本科評估工作的推進出現(xiàn)的一種新的實驗類型。根據(jù)國家教育部的要求，目前許多高校陸續(xù)開設(shè)了綜合性實驗課程。我們學(xué)校一慣重視本科教學(xué)工作，重視實驗教學(xué)工作，重視綜合性實驗工作，在全校理科院系中都開設(shè)了綜合性實驗，并且制定了相應(yīng)的管理辦法和保證措施，在教育部本科教學(xué)質(zhì)量評估中被評為優(yōu)秀等級。綜合性實驗是優(yōu)化和整合實驗教學(xué)內(nèi)容的重要途徑，是培養(yǎng)學(xué)生綜合分析能力、實驗動手能力、查閱資料能力、探索創(chuàng)新能力、科學(xué)思維能力的重要手段。學(xué)生通過廣泛深入地開展綜合性實驗，可以多方面提高實驗技能和教學(xué)水平，為參加工作后適應(yīng)社會、適應(yīng)不同條件的工作環(huán)境而完成教學(xué)科研任務(wù)提供了新思路。

1 綜合性實驗的定義及其特點

綜合性實驗是指實驗內(nèi)容涉及本課程的綜合知識或與本課程相關(guān)課程知識的實驗。是在學(xué)生經(jīng)過一段時間的學(xué)習后，在具備一定的知識和技能基礎(chǔ)上，運用某一門課程或多門課程的知識對學(xué)生實驗技能和方法進行綜合訓(xùn)練的一種復(fù)合性實驗，具有以下特點:

（1）實驗內(nèi)容的復(fù)合性，即一門課程中二個以上的知識點有機結(jié)合，或二門以上課程知識點有機結(jié)合。

（2）實驗方法的多元性，即綜合運用兩種或兩種以上的基本實驗方法，完成同一個實驗。

（3）實驗手段的多樣性，即綜合運用兩種或兩種以上的實驗手段完成同一個實驗。

具備以上條件之一者即可認定為綜合性實驗。

2 綜合性實驗的開設(shè)范圍

所有主干實驗課程應(yīng)根據(jù)課程特點開設(shè)綜合性實驗，非主干實驗課程應(yīng)逐步創(chuàng)造條件開設(shè)綜合性實驗。

各專業(yè)有綜合性實驗的課程應(yīng)占有實驗課程的80%以上，一門課程所開設(shè)綜合性實驗不少于一項。

3 綜合性實驗的運行

3.1 實驗準備

綜合性實驗應(yīng)提前向?qū)W生布置任務(wù)，學(xué)生應(yīng)根據(jù)實驗任務(wù)，查閱資料，進行理論分析和研究，確定實驗方案，或根據(jù)規(guī)定的實驗方案確定實驗步驟。

學(xué)生擬定的實驗方案或?qū)嶒灢襟E，寫成書面方案，其內(nèi)容包括文獻查閱、理論分析或研究、實驗方案（目的、儀器設(shè)備、方法、步驟等）。書面方案應(yīng)經(jīng)過指導(dǎo)教師審查同意。

3.2 實驗指導(dǎo)

在實驗過程中指導(dǎo)教師應(yīng)讓學(xué)生自己獨立思考、獨立操作，指導(dǎo)教師應(yīng)密切關(guān)注學(xué)生的實驗過程，對于思路太偏的學(xué)生可以適當點撥，著重引導(dǎo)學(xué)生如何將所學(xué)的知識和技能用來解決實驗中遇到的各種問題。要啟發(fā)學(xué)生，點撥學(xué)生，不要對學(xué)生的操作過多干涉，注重最后的實驗結(jié)果及對實驗結(jié)果的討論。

3.3 實驗報告

指導(dǎo)學(xué)生寫出高質(zhì)量的實驗報告是綜合性實驗重要的環(huán)節(jié)。要求學(xué)生從實驗方法的建立、實驗步驟的設(shè)計、實驗儀器設(shè)備的選擇、實驗數(shù)據(jù)的處理、實驗結(jié)果的分析討論等方面寫出報告。對理論上有創(chuàng)新或技術(shù)上有實用價值的成果，指導(dǎo)教師要鼓勵和指導(dǎo)學(xué)生寫出學(xué)術(shù)論文和研究報告。

3.4 實驗總結(jié)

指導(dǎo)教師在指導(dǎo)學(xué)生完成綜合性實驗后應(yīng)進行總結(jié)實驗情況與效果分析，說明學(xué)生的參與情況、實驗中遇到的問題、學(xué)生對實驗的興趣與積極性、學(xué)時數(shù)、實驗創(chuàng)新點以及今后的改進。收集優(yōu)秀實驗報告和實驗成果。

4 綜合性實驗開設(shè)的教學(xué)質(zhì)量保證措施

（1）綜合性實驗必須有相應(yīng)的實驗教學(xué)大綱。綜合性實驗教學(xué)大綱除了一般實驗教學(xué)大綱規(guī)定的內(nèi)容外，還應(yīng)說明綜合性實驗的特性、要求、時間安排（包括課外時間）等內(nèi)容。

（2）綜合性實驗應(yīng)有指導(dǎo)書。指導(dǎo)書應(yīng)注意知識點之間的關(guān)聯(lián)比較，體現(xiàn)實驗步驟、實驗結(jié)果、數(shù)據(jù)處理及結(jié)果討論等方面的綜合性特點，并提出相應(yīng)要求。

（3）凡有實驗課程教學(xué)任務(wù)的教師均應(yīng)指導(dǎo)綜合性實驗。助教應(yīng)在高級職稱的教師指導(dǎo)下指導(dǎo)綜合性實驗。

（4）每一位指導(dǎo)教師指導(dǎo)的學(xué)生一般不得超過20人，以確保實驗教學(xué)質(zhì)量。

（5）綜合性實驗項目要實行論證制度。

（6）任何實驗室任何部門都應(yīng)當為綜合性實驗的開設(shè)創(chuàng)造良好條件和環(huán)境，不得設(shè)置任何人為的障礙。

5 物理綜合性實驗教學(xué)案例

5.1 用三種實驗方法、兩種教學(xué)手段做驗證動量守恒定律實驗

（1）五聯(lián)球碰撞法演示動量守恒定律:

演示五個等質(zhì)量球的彈性碰撞過程。即拉動一個球，另一邊有一個球偏離且偏離幅度一致，其它球不動；若拉動兩個球，另一邊有兩個球偏離幅度一致，其它球不動?？梢悦黠@的觀察到動量守恒現(xiàn)象。這種方法儀器價格低廉、取材方便，見圖1。

圖1 五聯(lián)球碰撞演示實驗

（2）碰撞實驗器法驗證動量守恒定律:

通過兩球作對心碰撞后做平拋運動來驗證動量守恒定律。它是常用的實驗方法，見圖2。

圖2 平拋運動實驗

它綜合運用平拋和碰撞兩個知識點來完成物理量的測量，觀察物理現(xiàn)象，探索物理規(guī)律。通過它可定量地驗證出動量守恒。實驗數(shù)據(jù)見表1:

表1 實驗數(shù)據(jù)

實驗結(jié)果:

碰撞前后的改變量=7.862-7.818=0.044

實驗分析:在實驗過程中，由于空氣阻力，運動過程不可避免的摩擦和讀數(shù)等會引起差。在誤差允許范圍內(nèi)動量守恒。

該實驗雖定量地研究了動量守衡，但精確度不夠高

（3）利用DIS法證動量守恒定律:

此方法是用由計算機、物理數(shù)據(jù)采集儀、光電門傳感器、應(yīng)用軟件組成的數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）與傳統(tǒng)儀器氣墊導(dǎo)軌、小型氣源整合而完成驗證動量守恒定律。DIS法與碰撞法相比，精確度可提高一個數(shù)量級，即由0.044提高到0.0038。而且用計算機處理數(shù)據(jù)，大大提高了實驗效率。綜述以上驗證動量守恒定律，在實驗內(nèi)容上綜合了碰撞和平拋兩個知識點，在實驗方法上綜合運用了五連球碰撞演示法、碰撞實驗儀器法、DIS法三種方法，在實驗手段上綜合運用了常規(guī)實驗手段和現(xiàn)代教育技術(shù)手段。

5.2 用六種實驗方法、兩種教學(xué)手段測定重力加速度g：

（1）稱重法:利用重力和質(zhì)量的關(guān)系G=mg，測g.

（3）打點計時器法測g:利用“驗證機械能守衡定律”的實驗裝置即重物自由下落中打點計時器打出的紙帶測得g=v2/2h。

（4）用物體在光滑的斜面上從靜止開始下滑的運動由s=gt2sinθ/2得g。（s、t、θ、分別是物體運動的位移、時間、斜面的傾角）。

（5）傳統(tǒng)的落體法測g:讓小球自由下落測出球下落的高度h和時間t，由g=2h/t2得g.

（主要實驗儀器有:光電門、數(shù)字毫秒計等。）

（6）DIS自由落體法測g:利用計算機、光電門傳感器、物理數(shù)據(jù)采集儀、自由落體實驗儀等配套測g.

第1、2、3、4種方法儀器價格低廉，操作方便，但實驗結(jié)果誤差大，實驗速度慢，數(shù)據(jù)處理煩瑣。第5種方法精確度有所提高，但光電門僅與數(shù)字毫秒計等計時裝置配套，數(shù)據(jù)讀取、記錄全由人工完成，再加上代入公式計算，實驗操作頗為繁瑣，實驗速度也相當緩慢。第6種方法不僅測量精度提高，實時性好，而且可借助計算機采集、分析、計算和處理，實驗效率大大提高。但儀器比較昂貴。

綜述以上測定重力加速度，運用了6種實驗方法、常規(guī)和現(xiàn)代教育技術(shù)兩種實驗手段。

同理，可以觸類旁通，對其它力、熱、電、光實驗用綜合性實驗方法來研究。

總之，開展綜合性實驗，使學(xué)生認真研究每一種實驗方法及手段的優(yōu)缺點，以及它們在教學(xué)過程中的適用條件，可以解決目前各地教學(xué)條件不同的情況而達到教學(xué)目的。有利于學(xué)生提高適應(yīng)各種環(huán)境而解決問題的能力。比如學(xué)生畢業(yè)后不管分配到條件好的、差的學(xué)校都可以適應(yīng)環(huán)境而完成教學(xué)任務(wù)，在條件好的學(xué)校用DIS實驗，在條件差的學(xué)校用低成本實驗。所以開發(fā)綜合性實驗研究具有較大的實用價值，為學(xué)生今后參加工作后適應(yīng)不同條件的教學(xué)環(huán)境而完成教學(xué)任務(wù)奠定一定的基礎(chǔ)。同時，通過綜合性實驗，眾多實驗方法的選擇和比較，能很好地開闊學(xué)生的視野，拓展實驗教學(xué)的研究空間，提高學(xué)生學(xué)習實驗課的興趣，提升學(xué)生的科學(xué)探究能力和創(chuàng)新思維能力。進而提高了實驗課的教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量，優(yōu)化了教學(xué)過程?？梢?，綜合性實驗是一種較好的、科學(xué)的實驗方法。因此，大力開展綜合性實驗是物理實驗教學(xué)改革的方向。

［1］ 丁紅勝.綜合性設(shè)計性實驗的教學(xué)思路探討［J］.大學(xué)物理，2007（5）:44-47.

［2］ 趙志敏.綜合性物理實驗——用動?xùn)殴饫w傳感器測位移，工科物理.1998（8）:43-45.

［3］ 沈元華.設(shè)計性研究性物理實驗介紹［J］.物理實驗2004，24（2）:33-37.

［4］ 龔華平，曹叢，屠于夢，等.光纖光柵應(yīng)變傳感的綜合性實驗設(shè)計［J］.2012，25（3）.

Physical Comprehensive Nature Experimental Study

REN Jun-xian
（Taiyuan Normal Institute，Shanxi Tianyuan 030031）

Through the discussion of the definition，characteristics，scope，operation，guarantee measures and teaching cases of the comprehensive experiments，it suggests that comprehensive experiments not only enhance education quality，education efficiency，and optimize teaching process，but also show practical value on the distribution and job of students graduate and the complement of teaching scientific research.

comprehensive experiments；practical value；research

G642.0

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.01.034

1007-2934（2015）01-0104-03

2014-10-10

全國教育科學(xué)“十一五”規(guī)劃教育部重點課題（DCA070186）