基于培養(yǎng)研究型創(chuàng)新能力的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

劉宇 徐江龍 劉寧 何玉平 聶招秀

[摘 要]當(dāng)前大學(xué)生參與創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃及學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽等項(xiàng)目日趨盛行，結(jié)合大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)實(shí)踐性課程的特點(diǎn)，文章開發(fā)一種非稱重實(shí)驗(yàn)方法，并自制簡(jiǎn)易滑輪裝置來精確測(cè)量螺帽質(zhì)量。通過引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)非稱重法測(cè)量質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)方案并自制儀器，極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的研究型思維能力和創(chuàng)新能力，且有利于提高大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]研究型;創(chuàng)新能力;自制儀器

[基金項(xiàng)目]2018年11月南昌工程學(xué)院教學(xué)改革研究課題“研究型隨堂演示實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用與探討”（2018JG042）;2017年11月南昌工程學(xué)院教學(xué)改革研究課題“大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)開放模式的探討與實(shí)踐”（2017JG048）;2019年12月南昌工程學(xué)院“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽項(xiàng)目資助“基于無粘結(jié)劑一體化電極的水系超級(jí)電容器”（201947）

[作者簡(jiǎn)介]劉 宇（1985—），男，江西萬載人，博士，南昌工程學(xué)院理學(xué)院講師，主要從事大學(xué)物理及大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究。

[中圖分類號(hào)] G434 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）47-0-02 [收稿日期] 2020-05-27

一、引言

如何全面提高教學(xué)質(zhì)量這一核心任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)尤其是創(chuàng)新能力，是各高校面臨的迫切問題[1]。物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，是學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的基礎(chǔ)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力起著不可替代的作用[2]。實(shí)際基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，本科學(xué)生很難接觸到科研項(xiàng)目，但借助大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目及課外學(xué)術(shù)科技競(jìng)賽等，參與成員能對(duì)科學(xué)問題的研究方法、思路方案及流程等方面有一個(gè)深入的了解，同時(shí)學(xué)生能夠參與設(shè)計(jì)并自制實(shí)驗(yàn)儀器裝置，一定程度上培養(yǎng)自己的研究型創(chuàng)新能力和實(shí)踐動(dòng)手能力[3]。

本文以帶領(lǐng)學(xué)生參加江西省大學(xué)生物理創(chuàng)新大賽開放實(shí)驗(yàn)試題為例，開發(fā)一種非稱重實(shí)驗(yàn)方法，通過全程參與設(shè)計(jì)及自制儀器，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的研究型思維能力、創(chuàng)新能力和實(shí)踐動(dòng)手能力。

二、實(shí)驗(yàn)要求

使用自制非稱重簡(jiǎn)易裝置以及米尺、游標(biāo)卡尺，秒表三種可測(cè)量數(shù)據(jù)的儀器，自行設(shè)計(jì)一種非直接稱重裝置，用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量出待測(cè)螺帽質(zhì)量。自制裝置不得自帶任何稱重儀表（包括彈簧秤、天平、壓力傳感器等可直接顯示質(zhì)量的表盤），可以自帶已知質(zhì)量的物體（如砝碼等）。要求寫出相關(guān)的實(shí)驗(yàn)原理和測(cè)量方法，自擬數(shù)據(jù)處理方法算出螺帽質(zhì)量。

三、實(shí)驗(yàn)思路

在上述的要求中，我們需設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易方便測(cè)量數(shù)據(jù)和計(jì)算的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，保證在誤差允許的范圍內(nèi)測(cè)量出螺帽的質(zhì)量。考慮到待測(cè)物體為質(zhì)量較小的螺帽，自制彈簧的勁度系數(shù)難以保證測(cè)量精度，而排水法和簡(jiǎn)諧振動(dòng)周期法則需要較復(fù)雜的儀器裝置和較長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)時(shí)間。因此，我們團(tuán)隊(duì)采用自制簡(jiǎn)易滑輪裝置來有效測(cè)量出螺帽的質(zhì)量。

四、實(shí)驗(yàn)過程

（一）實(shí)驗(yàn)儀器

支架（鐵架臺(tái)）、滑輪、細(xì)繩、米尺、秒表、已知質(zhì)量的砝碼若干、待測(cè)螺帽。用支架和滑輪組裝成如圖1所示的自制儀器裝置，該裝置底部相對(duì)穩(wěn)定，頂部?jī)筛菟烧{(diào)節(jié)滑輪的高度和滑輪的長(zhǎng)短，整體裝置簡(jiǎn)易、組裝起來相對(duì)容易。

（二）實(shí)驗(yàn)原理及方法步驟

1.根據(jù)力學(xué)知識(shí)可知力與加速度有關(guān)，利用該滑輪裝置使物體從合適高度落下，用米尺量出靠近滑輪物體底端到地面的豎直距離h。選取長(zhǎng)度合適的細(xì)繩跨過滑輪，兩端分別固定物體（砝碼和待測(cè)螺帽），固定好后一只手拿著秒表，另一只手將較輕一端緊貼地面，保持細(xì)繩直立，待裝置整體穩(wěn)定。此時(shí)放開按住物體的手的同時(shí)另一只手開始用秒表計(jì)時(shí)，待物體下落地面立即暫停計(jì)時(shí)，所用時(shí)間為t。這樣我們就可以求得物體下落的加速度a=2h/t2（物體下落過程中忽略空氣阻力影響）。但是滑輪與細(xì)繩之間存在摩擦，產(chǎn)生阻力矩，并且滑輪本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，因此還要考慮這些因素的影響。所以我們須求出滑輪本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J以及摩擦阻力矩N。

2.由上述方法分析可知，我們要先用已知質(zhì)量砝碼進(jìn)行求解J和N。如圖2實(shí)驗(yàn)原理示意圖所示。

假設(shè)m0=20g，m1=10g，通過上述方法多次實(shí)驗(yàn)（減少誤差）可得每次的加速度，取加速度平均值為a1。由牛頓第二定律和剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)定律可得：，令A(yù)=，B=，將A，B兩個(gè)系數(shù)帶入到上述式子當(dāng)中，可得等式：

3.在第2步過程中我們已經(jīng)求出滑輪本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和摩擦阻力矩，隨后將對(duì)實(shí)驗(yàn)提供的螺帽進(jìn)行測(cè)量。保持m0不變，在實(shí)驗(yàn)前將待測(cè)螺帽與m0進(jìn)行簡(jiǎn)單的定性比較，可將待測(cè)螺帽和m0分別與細(xì)繩固定，放到滑輪上兩端進(jìn)行觀察哪端下落，由此快速判斷待測(cè)螺帽與m0的大小關(guān)系，同理可用不同質(zhì)量的砝碼與待測(cè)螺帽進(jìn)行比較從而簡(jiǎn)單判斷待測(cè)螺帽的質(zhì)量范圍。

4.若mx>m0，則（mx-m0）g-Aa3-B=（mx+m0）a3，代入已知A，B，求得mx=，若mx

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過上述方法求出待測(cè)螺帽的質(zhì)量，與螺帽實(shí)際質(zhì)量對(duì)比，算出實(shí)驗(yàn)誤差，在誤差允許的范圍內(nèi)可認(rèn)為準(zhǔn)確測(cè)量出螺帽的質(zhì)量。對(duì)于用滑輪法來測(cè)量螺帽的質(zhì)量，在既滿足實(shí)驗(yàn)要求的前提下，設(shè)計(jì)的非稱重裝置簡(jiǎn)便易組裝，實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單，過程簡(jiǎn)潔明了，能夠較快地測(cè)量出螺帽的質(zhì)量，測(cè)量準(zhǔn)確性高且具有普適性。本文自制儀器非稱重法榮獲2019年江西省大學(xué)生物理創(chuàng)新大賽開放實(shí)驗(yàn)一等獎(jiǎng)。

六、結(jié)語

南昌工程學(xué)院大學(xué)物理省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心以社會(huì)對(duì)人才需求為背景，從研究型人才的培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，探索創(chuàng)新研究型教學(xué)模式。通過全程參與設(shè)計(jì)及自制儀器，重在培養(yǎng)學(xué)生的研究型思維能力、創(chuàng)新能力和實(shí)踐動(dòng)手能力，我們將不斷提高教學(xué)質(zhì)量，使大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)創(chuàng)新人才方面發(fā)揮更大作用。

參考文獻(xiàn)

[1]王銳柯，阮揚(yáng)，趙雅詩，等.大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)促進(jìn)自身能力培養(yǎng)的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)[J].科技風(fēng)，2019（26）：218+220.

[2]朱盼盼，王旗.以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2017，30（3）：146-148.

[3]武櫟楠，楊昌海，張召.大學(xué)生開放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)實(shí)踐與探索[J].高教學(xué)刊，2018（9）：44-46.

Abstract： At present， college students' participation in innovative training programs and academic science and technology works competitions is becoming more and more popular. Combined with the characteristics of the practical course in college physics experiments， this paper develops a non-weighing experiment method and a self-made simple pulley device to accurately measure the quality of nuts. By guiding the students to design the experiment scheme of non-weighing method to measure the quality and to make the instruments themselves， the enthusiasm of the students to study physics is greatly aroused， the research-oriented thinking ability and innovation ability of the students are cultivated， and the quality of college physics experiment teaching is improved.

Key words： research-based; innovation ability; self-made instrument