大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)緒論課的教學(xué)研究

李久會(huì)，袁 泉，李 義，王文新，張?jiān)浦瘢裰益? 敬曉丹

(遼寧工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)緒論課的教學(xué)研究

李久會(huì)，袁 泉，李 義，王文新，張?jiān)浦?，邱忠? 敬曉丹

(遼寧工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

以大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)精品課程建設(shè)為目標(biāo)，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)緒論教學(xué)中，充分發(fā)揮大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)緒論課的導(dǎo)向作用、改進(jìn)教學(xué)手段、優(yōu)化緒論課內(nèi)容、突出使用有效數(shù)字修約的不確定度和數(shù)據(jù)處理內(nèi)容，采取講練結(jié)合，學(xué)以致用的方法，訓(xùn)練學(xué)生形成良好的物理實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，提高學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)素質(zhì)、實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新能力。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)緒論；不確定度；實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是工科院校的學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后第一次科學(xué)、系統(tǒng)地學(xué)習(xí)的一門基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)在營造自主學(xué)習(xí)環(huán)境，引入競爭機(jī)制，拓展學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生的責(zé)任感、創(chuàng)新思維、實(shí)驗(yàn)素質(zhì)、團(tuán)隊(duì)精神，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)技術(shù)、方法，解決問題的科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新能力等方面起著積極的推動(dòng)作用。在應(yīng)用本科專業(yè)培養(yǎng)的新形勢下，作為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)開篇內(nèi)容的緒論教學(xué)，對學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程，了解大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的要求、實(shí)驗(yàn)興趣的培養(yǎng)、實(shí)驗(yàn)方法的學(xué)習(xí)、操作技能的訓(xùn)練、科學(xué)作風(fēng)的形成等有著不可替代的作用。我們針對原來大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)緒論課教學(xué)中存在的一些薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了教學(xué)總結(jié)和改革嘗試，在傳授緒論課的基本理論、知識的同時(shí)，更加重視培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用緒論的基本理論和知識，解決大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中實(shí)際問題的能力。

一、重視緒論作用

開好大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)緒論第一課，充分發(fā)揮緒論課程在實(shí)驗(yàn)中的導(dǎo)向作用。強(qiáng)化安全意識。為了防患于未然，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中必須強(qiáng)化安全教育。提高實(shí)驗(yàn)室使用電、腐蝕性用品、放射性用品、易燃易爆品等的安全。我們也利用網(wǎng)上視頻，使教師和學(xué)生都了解正確使用室內(nèi)滅火器等消防器材的方法，了解逃生的基本常識，為在緊急情況下的逃生獲得寶貴的時(shí)間。要求規(guī)范操作。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室要保持室內(nèi)安靜和整潔；操作儀器時(shí)必須嚴(yán)守儀器的操作規(guī)程；連接的電路在確認(rèn)無誤，經(jīng)教師檢查允許后方可接通電源；完成實(shí)驗(yàn)后請教師檢查并在實(shí)驗(yàn)記錄上簽字后方可離開，培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)作風(fēng)。

培養(yǎng)求實(shí)精神。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀測，測量數(shù)據(jù)的記錄、整理和實(shí)驗(yàn)報(bào)告等環(huán)節(jié)，要求學(xué)生能夠描述觀察到的、具有可重復(fù)性的客觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并進(jìn)行記錄；測量過程中獲得數(shù)據(jù)要養(yǎng)成隨時(shí)記錄的好習(xí)慣，要具有數(shù)據(jù)即為信息的理念；在課上對測量的數(shù)據(jù)，剔除“壞”數(shù)據(jù)后要進(jìn)行及時(shí)的整理并盡快地進(jìn)行分析，計(jì)算出結(jié)果后再整理實(shí)驗(yàn)儀器；完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告包括題目、目的、原理摘要、儀器及編號、簡圖、實(shí)驗(yàn)步驟等，實(shí)際測量的數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)整理及結(jié)論等。

培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)精神。對于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的新實(shí)驗(yàn)，只依靠一個(gè)人的力量很難較好地完成，要求學(xué)生間有分工和協(xié)作。利用引力波實(shí)驗(yàn)中獲得榮譽(yù)的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)作為案例教學(xué)，提倡培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)精神，鼓勵(lì)每個(gè)成員發(fā)揮自己的積極性和主動(dòng)性，利用自己的特長進(jìn)行分工協(xié)作，為團(tuán)隊(duì)做出自己的貢獻(xiàn)，形成有自己特色的團(tuán)隊(duì)精神。

二、改善教學(xué)手段

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的緒論內(nèi)容一般安排4學(xué)時(shí)，緒論內(nèi)容豐富、術(shù)語較多且理論性較強(qiáng)；有效數(shù)字的修約規(guī)則和間接測量的誤差傳遞、數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容短時(shí)間內(nèi)不易理解；計(jì)算機(jī)編程的作圖、最小二乘法等內(nèi)容理論陌生、技術(shù)不熟。考慮到學(xué)生第一次系統(tǒng)、科學(xué)地學(xué)習(xí)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程，在充分考慮教學(xué)的內(nèi)容和學(xué)生的實(shí)際基礎(chǔ)上，充分利用PPT、圖片、動(dòng)畫、視頻、微課等直觀、形象的方式增加緒論課的信息量，改進(jìn)教學(xué)手段，提高了學(xué)習(xí)緒論的效果[1,2]。我們提供了游標(biāo)卡尺、螺旋測微器、電流表、電壓表等級、量程與讀數(shù)，正態(tài)分布中的概率密度函數(shù)，期望值與均差等參數(shù)對曲線的影響等教學(xué)資源和儀器，供學(xué)生在課前或課上進(jìn)行預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)或測量。

三、優(yōu)化緒論內(nèi)容

緒論課的內(nèi)容可分為實(shí)驗(yàn)報(bào)告基本要求、有效數(shù)字的讀取、有效數(shù)字的運(yùn)算規(guī)則及修約規(guī)則，不確定度的理論基礎(chǔ)，不確定度的A、B類分量，合成不確定度的分析與計(jì)算，直接、間接測量量的數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)操作等模塊。應(yīng)用案例講授實(shí)驗(yàn)。利用以前保存的實(shí)驗(yàn)報(bào)告的手寫范本作為案例進(jìn)行說明，這些實(shí)驗(yàn)報(bào)告具有姓名、學(xué)號、專業(yè)、班級等信息。完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求有預(yù)習(xí)（題目、目的、原理摘要、儀器、簡圖、實(shí)驗(yàn)步驟等）、實(shí)際測量（使用的儀器編號、數(shù)據(jù)記錄）、數(shù)據(jù)整理及結(jié)論等，提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求原理簡潔、數(shù)據(jù)記錄清晰、評價(jià)結(jié)果客觀、真實(shí)，語言確切。由于實(shí)驗(yàn)報(bào)告的范本來自學(xué)生們身邊和熟悉的學(xué)長，倍感熟悉親切，很容易拉近師生間的距離[3]。優(yōu)化內(nèi)容突出重點(diǎn)。利用具體任務(wù)驅(qū)動(dòng)，問題導(dǎo)向，重點(diǎn)優(yōu)化有效數(shù)字修約、不確定度、數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容。在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)緒論中，盡可能地給學(xué)生提供一個(gè)自主參與、親歷測量、積極探討的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生形成良好的實(shí)驗(yàn)作風(fēng)。學(xué)生理解有效數(shù)字的修約規(guī)則以及不確定度A、B分量確定方法，根據(jù)使用的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的最大允差，對測量的多個(gè)直接測量進(jìn)行不確定度分量的計(jì)算，合成間接測量量的不確定度。培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生正確操作力學(xué)、電學(xué)等基本儀器進(jìn)行測量的基本技能和數(shù)據(jù)處理的能力。結(jié)合軟件講授作圖。充分利用MATLAB軟件和Origin繪圖軟件，簡要講授數(shù)據(jù)處理中的計(jì)算機(jī)作圖、最小二乘法等編程數(shù)據(jù)擬合方法。鼓勵(lì)學(xué)生使用所學(xué)的C語言或VB語言編程。表1為直接測量量x和y的測量值，利用Origin 對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行的線性擬合如圖1所示。相關(guān)系數(shù)r=0.9978, 說明y與x之間滿足線性關(guān)系，擬合后的函數(shù)關(guān)系式為y=0.04292x -0.1922。實(shí)驗(yàn)操作方法可以不講或少講，可在緒論完成后，針對具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，指導(dǎo)教師詳細(xì)講授實(shí)驗(yàn)的操作及注意事項(xiàng)。

表1 直接測量量x和y的測量值

圖 1 測量數(shù)據(jù)的線性擬合

四、講練結(jié)合學(xué)以致用

前幾輪集中講授緒論課后，再對緒論課中的有效數(shù)字修約、不確定度的確定、數(shù)據(jù)處理與分析等內(nèi)容測驗(yàn)，教學(xué)效果不夠理想。學(xué)生不按規(guī)則確定有效數(shù)字，隨意確定不確定度及合成，處理數(shù)據(jù)不規(guī)范，甚至是錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)處理等。分析其中的原因有緒論課程較難的問題，也有學(xué)生接觸緒論的時(shí)間較短難于消化和吸收，講練脫節(jié)、缺少測量的親身經(jīng)歷、獨(dú)立思考、交流討論等。學(xué)生出現(xiàn)這些不足是教學(xué)過程的客觀真實(shí)的反映。

在實(shí)驗(yàn)過程中，應(yīng)“培育”學(xué)生利用緒論講授的規(guī)則及理論、結(jié)果分析與評價(jià)的能力。近兩個(gè)學(xué)期，我們選取力學(xué)的空心圓柱體體積測量和電學(xué)的伏安法測電阻兩個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，利用任務(wù)驅(qū)動(dòng)，教師講授與學(xué)生練習(xí)緊密結(jié)合。學(xué)生課前了解游標(biāo)卡尺的允差，主動(dòng)參與利用游標(biāo)卡尺多次測量空心圓柱體的內(nèi)、外直徑，高度，以及測量的伏安法實(shí)驗(yàn)中的電壓與電流的兩組測量值，課上學(xué)生親自利用規(guī)則評價(jià)直接測量量的有效數(shù)字的保留，計(jì)算內(nèi)、外直徑的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、A類不確定度、B類不確定度，合成的不確定度[4,5]；利用間接測量量體積的不確定傳遞公式，計(jì)算體積的不確定度、平均值以及體積的有效數(shù)字，最后寫成標(biāo)準(zhǔn)形式。學(xué)生親自參與測量并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的整個(gè)訓(xùn)練過程，學(xué)生在訓(xùn)練的過程出現(xiàn)理解和應(yīng)用上的偏差，通過糾正學(xué)生出現(xiàn)的偏差，引導(dǎo)學(xué)生逐漸走向正確的數(shù)據(jù)處理方向。發(fā)現(xiàn)不足，面對面地探討和交流后進(jìn)行糾正。實(shí)驗(yàn)過程可引導(dǎo)學(xué)生在濃郁的主動(dòng)交流、探討、自我批判的學(xué)習(xí)氛圍中，將待測的物理量測量出來并用數(shù)字表達(dá)出來，說明學(xué)生對這個(gè)物理量已有進(jìn)一步的認(rèn)識。利用伏安法的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為案例教學(xué)，繼續(xù)訓(xùn)練有效數(shù)字、不確定度、數(shù)據(jù)處理與分析的能力。當(dāng)學(xué)生遇到電學(xué)儀表的B類不確定度時(shí)，重點(diǎn)講授電學(xué)儀表不確定B類分量確定的方法，學(xué)生能正確表示待測電阻的結(jié)果，并進(jìn)行正確的結(jié)果評價(jià)。利用兩個(gè)典型的數(shù)據(jù)處理與分析的案例，講授緊密結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，突出重點(diǎn)，學(xué)生積極參與、親身經(jīng)歷、獨(dú)立思考，提高學(xué)習(xí)效率和緒論的教學(xué)效果。

五、結(jié) 論

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)緒論的教學(xué)學(xué)時(shí)少、內(nèi)容多，經(jīng)過優(yōu)化大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)緒論的教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)手段、突出有效數(shù)字修約、不確定度、數(shù)據(jù)處理與分析，同時(shí)兼顧了最小二乘法數(shù)據(jù)擬合等數(shù)據(jù)處理的方法和軟件作圖。在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)緒論中，盡可能地給學(xué)生提供一個(gè)自主參與、親歷測量、積極探討的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生形成良好的實(shí)驗(yàn)作風(fēng)。訓(xùn)練學(xué)生正確使用力學(xué)、電學(xué)等基本儀器的技能，利用任務(wù)驅(qū)動(dòng)和問題導(dǎo)向，學(xué)生能夠參閱有效數(shù)字規(guī)則，針對具體的實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行不確定度的計(jì)算和數(shù)據(jù)處理。在傳授緒論課的基本理論、知識的同時(shí)，更加重視培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用緒論的基本理論和知識，有助于提高學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)素質(zhì)、實(shí)驗(yàn)技能，解決大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中實(shí)際問題的能力。

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(責(zé)任編校：付春玲)

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：A

：1674-327X (2017)01-0123-03

10.15916/j.issn1674-327x.2017.01.037

2016-04-13

遼寧省教育廳教改項(xiàng)目(UPRP20160289,UPRP20140725)；遼寧工業(yè)大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目(2014081)

李久會(huì)(1964-)，男，遼寧朝陽人，教授。