工科專業(yè)大學物理實驗的背景教學研究

汪超 雷振宙 杜偉偉

摘 要：大學物理實驗開展對工科各專業(yè)人才的培養(yǎng)具有極其重要的作用，是頂級工科人才教育上的非常重要的一環(huán)。國內各個工科院校對該門課程的開展都非常重視，一般都在大學一年級開設若干個實驗進行教學。但目前的大學物理實驗教學有一些弊端，主要體現(xiàn)在純物理背景教學，無法結合學生所學的專業(yè)進行背景教學，該文針對若干個物理實驗，探究一種新的物理實驗教學方法，設計了針對不同工科專業(yè)背景的大學物理實驗教學研究，此舉可以提高學生學以致用的興趣，提高實驗教學效率。

關鍵詞：物理實驗；背景教學；興趣

中圖分類號：G642.0文獻標志碼：A文章編號：2095-9214（2016）09-0094-02

一、引言

實驗物理是相對于理論物理而言，理論物理是從理論上探索自然界未知的物質結構，相互作用和物質運動的基本規(guī)律的學科，實驗物理主要是從實驗上來探索物質世界和自然規(guī)律并對物理理論課中的一些公式定律加以驗證。大學物理實驗涵蓋了大量高等數學知識和專業(yè)理論知識，而此時學生的知識層面還停留在高中純物理知識的掌握上，物理知識不豐富，又很少有動手的機會。如何銜接，過渡，引導學生在掌握基礎物理理論的同時又能對所學專業(yè)知識有一些淺顯的認知，物理實驗教師如何上好實驗課，使物理實驗教學達到預期的教學效果，剛踏入校門的工科學生對自己將要學習的專業(yè)課有著無限的期待和憧憬。目前高校普遍采取一般式物理實驗教學方法，實驗教師只是照實驗書本講授實驗。實驗教師大都是理科背景老師，無相關工科專業(yè)背景知識，采用純物理實驗教學模式，無法結合相關的工科專業(yè)背景知識進行物理實驗教學，這種方法學生學習的是純物理知識，只能起到對書本上一些物理定理公式的證明和驗證的作用和效果，比較晦澀難懂，有點紙上談兵的味道，無法和相關工科背景聯(lián)系起來。激發(fā)不了學生的興趣，學生做實驗像完成一次大作業(yè)，達不到預期的實驗教學效果。大學物理實驗課覆蓋面廣，涉及許多專業(yè)領域。這就要求實驗教師在教授實驗課的同時，能聯(lián)系一些專業(yè)知識，一起教授給學生。這樣在很大程度上能滿足學生的實驗興趣，更能體現(xiàn)綜合性很強的物理實驗技能訓練，提高學生的動手能力，培養(yǎng)了學生的理論聯(lián)系時際的實事求是的科學作風，積極主動的探索精神，使學生的實驗效果事半功倍。

那么如何養(yǎng)成學生良好的實驗習慣，為他們今后的專業(yè)實驗課打好基礎，同時又能解決學生對專業(yè)的憧憬和提高學生的實驗興趣呢？本門我們總結了一些實驗教學經驗，探索了一種新型的物理實驗教學方式。本院物理實驗室開設了力熱光電三十多個實驗。經歷了三十多年的物理實驗教學的探索和研究，一直致力于探究物理理論和物理實驗教學與我院各專業(yè)理論之間千絲萬縷的聯(lián)系，以小博大，對同一個實驗的教學，結合不同系部專業(yè)的專業(yè)背景知識，設計不同的實驗教學方法進行教學，教師在教授實驗的同時，即讓學生認識和理解了該堂物理概念知識，又從不同的專業(yè)角度進一步給學生闡釋了物理概念和實驗方法，使物理理論知識承上啟下，有繁化簡，和各專業(yè)之間巧妙地鏈接起來，實驗教學形象生動，能充分調動學生做實驗的興趣，學生做實驗由被動轉變成主動，學習興趣高漲，和其他專業(yè)實驗承上啟下，起銜接的作用。該課程在培養(yǎng)工科人才的培養(yǎng)上重要的一環(huán)。對工科學生的動手能力和創(chuàng)新能力的提高起著重要的促進作用。如何培養(yǎng)工科學生的創(chuàng)新能力以及實驗動手能力，如何針對不同的工科背景學生設計大學物理實驗，激發(fā)學生學習物理的興趣，適應新時代對人才發(fā)展的要求，這是一個嚴肅的課題，擺在了我們面前。

目前高校普遍采取一般式物理實驗教學方法，高校實驗教師都是理科背景老師，無相關工科專業(yè)背景知識，采用純物理教學模式，無法結合相關的工科專業(yè)背景知識進行物理實驗教學，這種方法學生學習的是純物理知識，比較晦澀難懂，有點紙上談兵的味道，無法和相關工科背景聯(lián)系起來。激發(fā)不了學生的興趣。物理實驗課覆蓋面廣，這就要要求實驗教師在教授實驗課的同時，能聯(lián)系一些專業(yè)知識，一起教授給學生，能大大提高學生的實驗興趣。

下面我們舉若干個例子。

實驗一 用惠斯頓電橋測電阻

目的：（1）掌握惠斯頓電橋測電阻的原理

（2）學會自己組合惠斯頓電橋測電阻

原理：

惠斯頓電橋是直流單臂電橋，其原理圖如圖所示。

四個箱式電阻組成橋臂，檢流計所在的支路為電橋，電源在另一支路上。當檢流計中無電流通過時，電橋達到平衡。求待測電阻公式為

R=R2R1R0

為消除比例臂電阻誤差，交換比例臂電阻，電橋二次平衡，待測電阻公式為

R=（R1/R2）R

兩式相乘，有

R=R0R0

傳統(tǒng)的實驗教學方法：

通常，實驗教師給學生按傳統(tǒng)的實驗教學方法講授實驗時，只講清實驗目的，實驗原理和實驗做法。學生做實驗主觀意愿不努力，“看”實驗的人多，做實驗的人少，小組里通常是一個人做實驗，其他人抄數據，學生像完成一次物理大作業(yè)。即使實驗教師多講授惠斯頓電橋測電阻的重要性和方法，如箱式電橋的使用，要求測量精度的準確性等，學生的思維模式也只是建立在物理理論知識的聯(lián)系上，只按物理理論的思維來認知該實驗，認為這種測電阻的方法只是配合物理理論教學，與自己所學專業(yè)沒有多少聯(lián)系。學生動手做實驗就表現(xiàn)得比較消極。這種實驗教學方法的確存在著實驗思想單一，實驗方法機械，激發(fā)不了學生對實驗的興趣，達不到創(chuàng)新思維，提高學生動手能力的作用，實驗教學效果較差。

改進后的實驗教學方法：

根據我院各系專業(yè)的不同，結合專業(yè)理論知識，找到物理理論知識和其他專業(yè)知識之間的聯(lián)系來講授物理實驗，就能提高學生做物理實驗的興趣，激發(fā)學生的思維，學生才能從根本上認識到物理是一切專業(yè)課的基礎，是與他們所學的專業(yè)有著密不可分的關聯(lián)。同是一個實驗，學生做實驗的主觀意愿增強，“看”實驗的人少了，做實驗的人多了，通常是一個學生做完，另一個學生自己再重做一遍，掌握實驗的結構和原理，力求記憶深刻，真真實實地學到自己的心里去。學生做實驗的主觀意愿增強，實驗教學效果良好。

例如：

（1）在給電氣系學生講授該實驗時，在講清該實驗的目的，實驗原理后，再結合一些無線電的知識，講授電橋的作用，能激發(fā)學生的課堂興趣。如果將電橋橋臂電阻換成二極管，電橋的電源支路接交流電端，電橋的橋支路改成輸出端，外加電感線圈濾直。由于二極管的單向導電性，理論上就能將交流電變成直流電。

直流電橋的橋臂電線不能過長。導線之間不可避免地存在分布電容，這就相當于各橋臂上并聯(lián)了電容，不再是純電阻電橋。因此，除了電阻平衡外，還需要電容能平衡。

（2）在給計算機專業(yè)的學生講授該實驗時，在講清該實驗的目的，實驗原理后，再結合微機接口原理的知識，講授電橋的作用，能激發(fā)學生的課堂興趣。因為計算機系統(tǒng)要把外設與微機連接起來，只能通過接口電路。如果信號隨交流電的正半周輸入，負半周截止來傳輸的話，計算機的頻幕上就會出現(xiàn)“黑屏”現(xiàn)象。如果將電橋橋臂電阻換成場效應管，電橋的電源支路接信號的輸入端，電橋的橋支路改成信號輸出端，使信號隨交流電正負半周都有輸出，計算機就不會出現(xiàn)“黑屏”現(xiàn)象了。

（3）在給工程類的學生講授該實驗時，在講清該實驗的目的，實驗原理后，再結合工程機械的專業(yè)知識，講授電橋的作用，能激發(fā)學生的課堂興趣。如果將平衡電橋的橋臂一端換成電阻應變片貼在大橋受應力最大處，電橋的橋支路中的檢流計換成警示元件（如燈具，鬧鈴等）。應用電阻應變效應，在載荷或外界因素作用下，即當橋上的車增多時，橋梁受到的應力增大從而改變電阻應變片的阻值，就破壞了電橋的平衡，警示元件會發(fā)出相應報警警示，提示大橋管理者及時做好交通疏導工作，以減輕他們的勞動強度。

種種與生活和生產相關的案例，闡明了物理與各專業(yè)之間的聯(lián)系，在學生還沒有上專業(yè)課之前教授給學生，能加深他們對物理知識的理解，也啟迪了他們對自己各自專業(yè)的認識，學生做實驗熱情高漲，主動性增強，物理實驗教學效果良好。

實驗二 用拉伸法測金屬絲的楊氏彈性模量

目的：（1）掌握用光杠桿法測量微小長度的原理和方法

（2）學會用拉伸法測定金屬絲的楊氏彈性模量

原理：

在彈性限度內，金屬絲的正應力F/S和產生的線應變0L/L成正比，即

F/S=E（0L/L）

或E=FL/S0L

式中比例系數E稱為彈性模量。

實驗證明，彈性模量與外力F，物體的長度L和截面積S的大小無關，它只決定于材料的性質，它是表征固體材料性質的一個物理量，在公式中F，L和S可用一般的儀器和方法測得，唯有oL是一個很小的量，要用光杠桿法測量。

光杠桿就是一固定在T形架上的平面鏡，支架下部的三個尖角構成一個光杠桿，它和帶叉絲的望遠鏡配合使用。當金屬絲受外力而伸長后，光杠桿的主尖角隨金屬絲下降0L，平面鏡轉動一角度@，根據光反射定律，在望遠鏡中觀察到叉絲變化0n，由數學公式推導，得

0L=bl/2D

代入上式公式，得

E=8FLD/^d2bl

由上式可見，只要測得F、L、D、d、b和l，就可算出待測金屬絲的楊氏彈性模量。

傳統(tǒng)的實驗教學方法：

通常，實驗教師給學生按傳統(tǒng)的實驗教學方法講授實驗時，只講清實驗目的，實驗原理和實驗做法。學生難理解楊氏彈性模量這個物理量，對光杠桿測量微小長度原理也不重視?！翱础睂嶒灥娜硕?，做實驗的人少，甚至有個別學生做一些不該在本實驗上該做的事情。實驗測量誤差大，做完實驗學生也不能理解楊氏彈性模量這個物理量的意義。

改進后的實驗教學方法：

強調楊氏彈性模量這個物理量的名詞解釋，再根據我院各系專業(yè)的不同，結合專業(yè)理論知識，教授學生楊氏彈性模量這個物理量的用途。

在給電氣系和機械系的學生講授該實驗時，在講清該實驗的目的，實驗原理后，首先重點解釋楊氏彈性模量這個物理量的概念，然后闡述測量楊氏彈性模量這個物理量的意義，和它的用途。它用在結構選型當中，設計機床的主傳動軸時，不能隨便拿種材料做主傳動軸。這就要選型。根據這根軸在運轉的過程中，受到的應力計算出應該選用什么型材的鋼來做主傳動軸。

二、結論

大學物理實驗在工科人才的創(chuàng)新能力和科學素質的培養(yǎng)上有著重要的舉足輕重的作用，本文針對工科若干個專業(yè)不同的特點設計了大學物理實驗的教學研究，旨在更好的激發(fā)學生的物理學習興趣，讓學生感受物理知識在自己專業(yè)的應用，達到學以致用的目的，更好的激發(fā)學生學習物理知識，為以后自己專業(yè)知識的學習打下鋪墊。

（作者單位：新疆工程學院基礎部）