力學(xué)基本量測(cè)量實(shí)驗(yàn)中育人和育才雙效結(jié)合教育的探索

劉仁臣 陸靜

摘? 要：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程是當(dāng)前各普通高校非物理類(lèi)專(zhuān)業(yè)普遍開(kāi)設(shè)的一門(mén)公共必修課程，對(duì)塑造學(xué)生的人格和品質(zhì)具有重要作用。文章以大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中一堂普通的力學(xué)基本量測(cè)量實(shí)驗(yàn)為例，結(jié)合在游標(biāo)卡尺和螺旋測(cè)微器讀數(shù)中，以及Mathstudio 軟件的應(yīng)用（均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、逐差和線(xiàn)性回歸）中高頻錯(cuò)誤，探討大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程對(duì)學(xué)生人格塑造的切入點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn);mathstudio;課程思政;實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：G640? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2019）25-0051-04

Abstract： The College Physics Experiment course is a public compulsory course for non-physics majors in colleges and universities， which plays an important role in shaping students' personality and quality. Taking a common experiment of measuring the basic quantity of mechanics in college physics experiment as an example， combined with frequently occurring errors in reading of Vernier caliper and spiral micrometer， as well as in the application of Mathstudio software （mean， standard deviation， successive deviation and linear regression）， this paper probes into the cut-in point of shaping students' personality in the course of College Physics Experiment.

Keywords： College Physics Experiment; mathstudio; ideological and political education in other courses; experimental accomplishment

引言

習(xí)總書(shū)記多次在全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議上強(qiáng)調(diào)：思政教育不單單是政治課教師和高校輔導(dǎo)員的職責(zé)，更是全體教師的神圣職責(zé)[1]。課堂是高校教書(shū)育人的最重要平臺(tái)，每門(mén)課程和全體教師都要用好這一渠道，與政治課相得益彰，形成協(xié)同效應(yīng)[2]。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是各高校本科生邁入大學(xué)校門(mén)較早接觸到的一門(mén)重要的基礎(chǔ)必修課。我校作為一所有三萬(wàn)多名在校本科和碩士生的應(yīng)用型本科高校，每學(xué)期都有2000多名理工科專(zhuān)業(yè)同學(xué)修讀該門(mén)課程。通過(guò)這門(mén)課程的培養(yǎng)不僅要使學(xué)生掌握必備的實(shí)驗(yàn)理論和動(dòng)手技能，促進(jìn)對(duì)大學(xué)物理理論課上物理學(xué)原理和物理定律的理解，更重要的是提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)，例如學(xué)生的細(xì)致耐心、實(shí)事求是和鍥而不舍等寶貴品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)、能力和素養(yǎng)三方面的協(xié)調(diào)發(fā)展。實(shí)驗(yàn)教師要潛心研究，充分挖掘育人素材，在實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)中恰如其分的滲透社會(huì)主義核心價(jià)值觀和辯證唯物主義世界觀等，培養(yǎng)學(xué)生的高尚情操、正確的價(jià)值觀和道德觀，為偉大祖國(guó)培養(yǎng)建設(shè)者和接班人。

當(dāng)前有很多教師和同學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)課思想上不重視，覺(jué)得它是一門(mén)公共課，重要性不如專(zhuān)業(yè)課，更別提在每堂實(shí)驗(yàn)課中融入育人元素。作者在講授大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課之前，也有過(guò)類(lèi)似的想法。但是，自從親自帶過(guò)幾輪后，對(duì)這門(mén)課程有了新的認(rèn)識(shí)。該課程看上去好像都是一些簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性或者設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，用到的儀器也都是平常生活中很常見(jiàn)到，如萬(wàn)用表、天平、秒表和電流表等，很少涉及到一些高端的精密儀器。但是，就這樣一些看似簡(jiǎn)單平常的實(shí)驗(yàn)，卻能有效培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識(shí)，是全面培養(yǎng)學(xué)生思想道德覺(jué)悟的非常有效的課程。本文以大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的非常普通的一節(jié)力學(xué)基本量測(cè)量實(shí)驗(yàn)為例，談?wù)勗趯?shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生綜合素養(yǎng)的具體措施。

一、力學(xué)基本量測(cè)量實(shí)驗(yàn)課的具體措施

我校每學(xué)期約12位教師同時(shí)講授大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課，開(kāi)學(xué)第一周為緒論課，第二周統(tǒng)一講授力學(xué)基本量測(cè)量，這為后續(xù)實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。很多教師在講力學(xué)量測(cè)量這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，經(jīng)?；剞k公室聊天、喝水或者做其他的事，他們認(rèn)為這個(gè)實(shí)驗(yàn)非常簡(jiǎn)單、幾乎不需要教師指導(dǎo)，學(xué)生自己能很好的完成。但是，當(dāng)我接觸這個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生而言并非那么簡(jiǎn)單。學(xué)生在儀器的使用、操作、讀數(shù)和數(shù)據(jù)處理等方面會(huì)犯各種各樣的錯(cuò)誤，需要教師的耐心指導(dǎo)。學(xué)生所犯的各類(lèi)錯(cuò)誤正是培育學(xué)生思想道德的極好素材。

本節(jié)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)有：（1）知識(shí)目標(biāo)是掌握游標(biāo)卡尺和螺旋測(cè)微器的使用;鞏固誤差和不確定度理論;學(xué)會(huì)用mathstudio 計(jì)算平均值、不確定度和線(xiàn)性擬合;（2）能力目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生正確使用基本測(cè)量?jī)x器的基本技能;（3）素養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣和綜合素養(yǎng)。這三方面目標(biāo)是通過(guò)游標(biāo)卡尺測(cè)量圓桶內(nèi)徑和外徑，以及螺旋測(cè)微器和電子秤測(cè)量鋼球密度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（一） 游標(biāo)卡尺讀數(shù)問(wèn)題

第一組實(shí)驗(yàn)是用50分度的游標(biāo)卡尺測(cè)量直徑為34.00 mm鋁銅的外徑6次，求出平均值和不確定度。實(shí)驗(yàn)室提供的是沒(méi)有自帶放大鏡的50分度的游標(biāo)卡尺，測(cè)量是有好幾格看上去都是對(duì)齊的，因此很多學(xué)生不能準(zhǔn)確判斷游標(biāo)的第幾格與主尺對(duì)齊。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是部分教師在課堂上沒(méi)有剖析游標(biāo)卡尺的原理，只是告訴學(xué)生讀數(shù)的規(guī)則。讀數(shù)還常見(jiàn)的一個(gè)錯(cuò)誤就是讀游標(biāo)卡尺的最左邊沿而不是讀游標(biāo)的0刻度。在讓學(xué)生測(cè)量前，作者在課件上展示了采用游標(biāo)卡尺測(cè)量物體的示意圖（圖1）。請(qǐng)同學(xué)讀數(shù)，20%同學(xué)讀作21.20mm。這些同學(xué)就是讀了游標(biāo)最左側(cè)邊沿，如果從游標(biāo)0刻度開(kāi)始讀數(shù)，就應(yīng)該是22.20mm。關(guān)于游標(biāo)第幾格恰好與主尺刻度對(duì)齊的問(wèn)題，作者在剖析游標(biāo)卡尺的基本原理后，請(qǐng)同學(xué)觀察正好對(duì)齊的那一格，左右刻度錯(cuò)開(kāi)的方位正好相反，利用這一規(guī)律，在后續(xù)測(cè)量過(guò)程中出錯(cuò)概率顯著降低。

（二） 螺旋測(cè)微器讀數(shù)問(wèn)題

零點(diǎn)讀數(shù)帶來(lái)的系統(tǒng)誤差是減還是加的問(wèn)題，很多同學(xué)一直很模糊。圖2（a）為螺旋測(cè)微器結(jié)構(gòu)，當(dāng)測(cè)微螺桿F與測(cè)砧A接觸時(shí)，可動(dòng)刻度的零刻度線(xiàn)和固定刻度的零點(diǎn)不重合，此時(shí)的讀數(shù)為零點(diǎn)讀數(shù)。如果直接告訴學(xué)生當(dāng)可動(dòng)刻度的零刻度線(xiàn)在固定刻度橫線(xiàn)下方時(shí)用減，在上方時(shí)用加，那么在具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，出錯(cuò)的概率非常大。因此，需要讓學(xué)生親身體驗(yàn)感受。由于測(cè)量物體時(shí)活動(dòng)刻度是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，如圖2（b），零點(diǎn)刻度為0.050 mm，如果測(cè)量一個(gè)直徑為0.150mm的物體，物體置于砧片A與測(cè)微螺桿F之間時(shí)，此時(shí)可動(dòng)刻度上讀出來(lái)的結(jié)果應(yīng)該為0.200mm，因此實(shí)際值等于讀數(shù)值減去零點(diǎn)讀數(shù)。通過(guò)親身體驗(yàn)學(xué)生很容易理解零點(diǎn)讀數(shù)到底是減還是加。教學(xué)中關(guān)于零點(diǎn)讀數(shù)的問(wèn)題，還有一部分同學(xué)在讀數(shù)時(shí)常犯另一個(gè)錯(cuò)誤，如圖2（c）中很多同學(xué)把零點(diǎn)讀數(shù)讀為0.480mm，而不是0.020mm。因?yàn)樵诤罄m(xù)的讀數(shù)過(guò)程，都是以游標(biāo)上的0為起點(diǎn)，而不是任何時(shí)候都是順時(shí)針讀數(shù)，所以正確讀數(shù)應(yīng)該是0.020mm。這個(gè)錯(cuò)誤看似粗心，實(shí)際存在理解偏差，它會(huì)在后續(xù)分光計(jì)測(cè)波長(zhǎng)或三棱鏡頂角實(shí)驗(yàn)中再度出現(xiàn)。如圖2（d）所示，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)分光計(jì)游標(biāo)讀數(shù)時(shí)，越過(guò)刻度盤(pán)的0刻度線(xiàn)的偏轉(zhuǎn)角度應(yīng)加上或減去360°，其原理與螺旋測(cè)微器的零點(diǎn)讀數(shù)相似。

（三）mathstudio軟件數(shù)據(jù)處理問(wèn)題

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，之前同學(xué)們處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都是借助手機(jī)自帶計(jì)算器，繪圖用手，結(jié)果誤差普遍較大。有兩方面原因：一是對(duì)物理實(shí)驗(yàn)采用列表法、作圖法和逐差法等手工處理，本身容易出錯(cuò);二是有些學(xué)生為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果好看隨意改動(dòng)數(shù)據(jù)，從而無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行客觀的分析和處理，失去了實(shí)驗(yàn)的意義。如果在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中使用一些專(zhuān)業(yè)軟件，如ORIGIN和MATLAB等，雖然可以減少計(jì)算工作量和得到準(zhǔn)確的擬合曲線(xiàn)，但對(duì)正值大一下學(xué)期的同學(xué)，很多同學(xué)不會(huì)用或不熟練，而大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課時(shí)又不足以對(duì)學(xué)生進(jìn)行軟件培訓(xùn)。Mathstudio 作為一款便捷的手機(jī)APP軟件，自帶求平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和線(xiàn)性回歸繪圖功能等。該軟件所占內(nèi)存空間較小只有1.0M，學(xué)生很容易掌握和使用，是非常適合大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的工具[3]。但是，實(shí)驗(yàn)初期學(xué)生在使用mathstudio的過(guò)程中也會(huì)遇到各種具體細(xì)節(jié)問(wèn)題，需要教師的耐心指導(dǎo)。

首先是軟件的安裝，安卓手機(jī)可以直接打開(kāi)微信掃描左圖3（a）的二維碼即可安裝成功，而蘋(píng)果手機(jī)需要在淘寶上付費(fèi)購(gòu)買(mǎi)圖3（b）二維碼才能安裝。兩款手機(jī)中mathstudio的界面也完全不同。其次是計(jì)算的問(wèn)題。在力學(xué)基本量測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，為了鞏固緒論中所學(xué)的誤差和不確定理論，采用50分度游標(biāo)卡尺測(cè)量鋁銅外徑6次，求平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

學(xué)生測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1。

求上述6組數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差中，學(xué)生遇到的具體問(wèn)題很多。正確的操作是在mathstudio主界面中輸入x=[33.98，34.00，34.02，33.98，33.98，34.02]（圖4（a）），而很多同學(xué)總將數(shù)據(jù)之間的逗號(hào)“，”輸成加號(hào)“+”或者是點(diǎn)“.”。另外，標(biāo)準(zhǔn)差偏差函數(shù)符號(hào)系統(tǒng)中沒(méi)有自帶，需要學(xué)生自己輸入StandardDeviation（x），這個(gè)英文單詞很多同學(xué)輸了很多次后還會(huì)經(jīng)常輸錯(cuò)，絕大多數(shù)同學(xué)都會(huì)少輸一個(gè)“d”。由于輸錯(cuò)一個(gè)字母或者符號(hào)，軟件也會(huì)顯示一些數(shù)據(jù)（圖4（b）），因此，給同學(xué)的判斷造成困難。

（四）鋼球密度不確定度的計(jì)算問(wèn)題

力學(xué)基本量測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，鋼球的密度公式為？籽 ，根據(jù)該公式推導(dǎo)出間接不確定度U（？籽） U（d）。小球的質(zhì)量為8.95g，用螺旋測(cè)微器測(cè)出小球直徑d的6組數(shù)據(jù)，得到的平均值為12.649mm。然而，在接下來(lái)直徑d不確定度U（d）和密度？籽的計(jì)算中，出現(xiàn)了各類(lèi)錯(cuò)誤，尤其是單位的換算和有效位數(shù)的保留等，最后能得到鋼球的密度正確結(jié)果的同學(xué)在整個(gè)年級(jí)2000名同學(xué)的比例不到30%。由此可見(jiàn)，看似簡(jiǎn)單的一堂實(shí)驗(yàn)課，對(duì)培養(yǎng)同學(xué)的基本素養(yǎng)而言也是有很多非常有價(jià)值的題材。

二、結(jié)束語(yǔ)

21世紀(jì)中國(guó)高等教育由精英教育走向了大眾教育，作為應(yīng)用型本科高校，近年來(lái)正在積極探索應(yīng)用型人才培養(yǎng)的規(guī)律。以人為本，強(qiáng)調(diào)在提高學(xué)生科學(xué)文化素養(yǎng)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)培養(yǎng)其實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。通過(guò)課堂教學(xué)逐步調(diào)動(dòng)學(xué)生的思維，培育良好的行為習(xí)慣和高貴的品質(zhì)[4-5]。

長(zhǎng)期以來(lái)，受傳統(tǒng)“重理論、輕實(shí)踐”觀念及經(jīng)費(fèi)不足等的影響，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程未受到應(yīng)有的重視。很多實(shí)驗(yàn)教師面對(duì)傳統(tǒng)的基礎(chǔ)性和驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從預(yù)習(xí)、原理講授、學(xué)生操作和寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告這樣固定的教學(xué)模式和方法、簡(jiǎn)單的考核方式等，已使大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)不能適應(yīng)當(dāng)前知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代對(duì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求。因此，探討和深化大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂中育人和育才雙效結(jié)合機(jī)制，切實(shí)提高大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，對(duì)全校理工科應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有著重要的意義。

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