大學(xué)物理實驗中學(xué)生創(chuàng)新思維訓(xùn)練與提升

王新順，王本陽，張立彬

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）理學(xué)院，山東威海 264209）

0 引言

大學(xué)物理實驗是理工類學(xué)科學(xué)生必修課程之一，對于學(xué)生動手能力的提高以及科研素質(zhì)的訓(xùn)練有重要的影響，在培養(yǎng)學(xué)生活躍的創(chuàng)新意識、理論聯(lián)系實際分析解決問題能力、成為適應(yīng)社會科技發(fā)展的智能型開拓型創(chuàng)新人才等方面具有其他實踐類課程不可替代的作用，利用大學(xué)物理實驗教學(xué)平臺培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力已經(jīng)受到越來越多的高校的重視［1-13］。而創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，首先應(yīng)該是學(xué)生創(chuàng)新思維的形成。然而，很多高校把對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)等同于科技創(chuàng)新項目訓(xùn)練、科技競賽或與科研項目相結(jié)合的科研訓(xùn)練，卻忽視了在大學(xué)物理實驗基礎(chǔ)教學(xué)中創(chuàng)新思維的訓(xùn)練。大學(xué)物理實驗作為本科生第一門基礎(chǔ)實驗課，教學(xué)中創(chuàng)新思維的訓(xùn)練對學(xué)生實驗習(xí)慣的形成、實驗素養(yǎng)的提高至關(guān)重要。

現(xiàn)實中大學(xué)物理實驗教學(xué)存在很多問題，①大部分學(xué)生習(xí)慣于中小學(xué)應(yīng)試教育的思維模式，習(xí)慣于依賴教師，實驗中很少獨立思考，思維方式單一；②長期以來，物理實驗沿用傳統(tǒng)的實驗教學(xué)手段，實驗教學(xué)模式固定，教學(xué)過程基本上都是4 個步驟：學(xué)生預(yù)習(xí)，教師講解實驗原理、演示實驗過程，學(xué)生完成實驗及數(shù)據(jù)處理等，僵化的教學(xué)模式使學(xué)生缺乏獨立思考和數(shù)據(jù)分析的鍛煉，很多學(xué)生只是為了拿學(xué)分而應(yīng)付實驗，基本實驗素養(yǎng)得不到訓(xùn)練，更談不上創(chuàng)新思維的形成；③隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，教學(xué)儀器自動化程度越來越高，操作步驟簡單，儀器物理結(jié)構(gòu)不明確，也限制了學(xué)生創(chuàng)新思維的形成。如何創(chuàng)新實驗教學(xué)，有意識地轉(zhuǎn)變學(xué)生思維方式已成為大學(xué)物理實驗教學(xué)十分迫切的工作。

本文結(jié)合電表改裝實驗，從以下幾個方面談?wù)勗诖髮W(xué)物理實驗教學(xué)中如何通過實驗訓(xùn)練有意識地訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維，轉(zhuǎn)變學(xué)生的思維方式。

1 樹立學(xué)生實驗中遇到問題應(yīng)從理論分析入手來解決的意識

1.1 替代法測電表內(nèi)阻中的思維方式訓(xùn)練

替代法測電表內(nèi)阻的測量原理見圖1。當(dāng)被測電流計接在電路中時，用電阻箱R2替代它，當(dāng)電路中的電壓、可變電阻RW均不變時，調(diào)節(jié)電阻箱R2的阻值，使電路中的電流（即標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)）保持不變，則此時電阻箱的電阻值即為被測電流計內(nèi)阻。

圖1 替代法測電表內(nèi)阻電路圖

在實際測量中，有學(xué)生發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)R2在某個范圍內(nèi)變化時，標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)一直等于原來被測電流計接在電路中的讀數(shù)，并不隨R2的變化而發(fā)生變化。譬如，當(dāng)學(xué)生在150.0 Ω到159.9 Ω之間調(diào)節(jié)R2時，標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)保持不變，按替代法原理，電流計內(nèi)阻可以等于150.0～159.9 Ω之間的任意值，這顯然是不正確的。

這個實驗現(xiàn)象大部分學(xué)生都會遇到，但能分析出原因并正確處理的同學(xué)幾乎沒有，他們大都是不加思考，隨便選取一個標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)等于原來被測電流計接在電路中的讀數(shù)時的R2值作為電流計的內(nèi)阻。這說明，大部分學(xué)生根本沒有在實驗中根據(jù)現(xiàn)象分析問題解決問題的意識和習(xí)慣，很多學(xué)生遇到實際問題，總是有畏懼心理，覺得無從下手，自認(rèn)為可能很高深，自己解決不了。

這個問題的關(guān)鍵是學(xué)生沒有考慮到標(biāo)準(zhǔn)表的靈敏度。R2變化時，標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)之所以不變，是因為標(biāo)準(zhǔn)表的靈敏度太低，R2變化引起流過標(biāo)準(zhǔn)表電流的變化太小，不足以讓標(biāo)準(zhǔn)表指針偏轉(zhuǎn)。解決這個問題的辦法有兩個，①更換靈敏度更高的標(biāo)準(zhǔn)表，②在R2變化范圍不變的情況下，讓流過標(biāo)準(zhǔn)表的電流變化增大，從而引起標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)發(fā)生變化。本實驗只能采用第2種方法。經(jīng)過提醒，幾乎所有同學(xué)都明白了為什么R2變化而電流計讀數(shù)卻不變的原因，也能從理論公式Im=E/（RW+R2）找到采取什么措施能使替代法測出的電流計內(nèi)阻精確到10 分位的方法（式中Im為流過標(biāo)準(zhǔn)電流表的電流），即減小RW，或增大電源電壓E，使原來被測電流計接在電路中的電流增大，從而讓流過替換的標(biāo)準(zhǔn)表的電流變化也增大，使得R2在十分位數(shù)值發(fā)生變化時標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)也能隨之發(fā)生變化。這樣的訓(xùn)練讓學(xué)生體會到了實驗中自己根據(jù)實驗現(xiàn)象、從理論分析到實際解決問題的樂趣。實際上，如果他們在實驗中有主動獨立解決問題的意識，有遇到問題能從物理原理或理論來分析的習(xí)慣，大部分問題并不難解決。

1.2 半電流法測電流計內(nèi)阻中思維方式的訓(xùn)練

半電流法（也稱中值法或半偏法）測電流計內(nèi)阻的測量原理見圖2。當(dāng)被測電流計接在電路中時，使電流計滿偏，記下此時標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)；然后將電阻箱R2與電流計并聯(lián)作為分流電阻，改變R2電阻值、電源電壓或RW，使電流計指針指示到中間值時，標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)（總電流強度）仍保持原來讀數(shù)不變，這時分流電阻R2的值就等于電流計的內(nèi)阻。

圖2 半電流法測電流計內(nèi)阻電路圖

這個實驗原理看似簡單，但實際調(diào)節(jié)并不簡單。當(dāng)調(diào)節(jié)電路使標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)（總電流強度）保持原來讀數(shù)時，電流計指針一般并不指向中值半偏；當(dāng)調(diào)節(jié)電路使電流計指針指向中值半偏時，標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)又發(fā)生了變化，不等于原來的讀數(shù)了。如何快速的調(diào)節(jié)才能使電路達(dá)到測量電流計的內(nèi)阻的要求呢？很多同學(xué)不知從何入手，胡亂調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)很長時間也達(dá)不到要求，他們沒有從理論分析入手來指導(dǎo)和解決實驗中出現(xiàn)問題的意識和習(xí)慣。由圖2 可知，，式中Rg為待測電流計的內(nèi)阻，從理論上分析，如果不改變RW或E，當(dāng)把R2接入電路中時，電路總電阻肯定是減小的，流過標(biāo)準(zhǔn)表的電流肯定是變大的。減小E 或增大RW，使標(biāo)準(zhǔn)表恢復(fù)原來的值；此時若R2不等于電流計內(nèi)阻，則電流計讀數(shù)將不是中值半偏，調(diào)節(jié)R2大小使電流計中值半偏；調(diào)節(jié)以后，R2的變化使得電路總電阻發(fā)生了變化，從而使流過標(biāo)準(zhǔn)表的電流也不再等于原來的值，再調(diào)節(jié)E 或RW使標(biāo)準(zhǔn)表恢復(fù)到原來的值，注意此時不能通過調(diào)節(jié)R2來恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)；調(diào)節(jié)以后，標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)變化又使得流過待測電流計的分電流發(fā)生了變化，不會再是中值半偏，此時不能再調(diào)節(jié)E或RW，只能通過調(diào)節(jié)R2大小使電流計中值半偏；調(diào)節(jié)R2變化又使得電路總電阻發(fā)生了變化，從而使標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)又不再等于原來的值，如此周而復(fù)始，多次重復(fù)調(diào)節(jié)電路，最后才會無限接近所要求的電路狀態(tài)。通過啟發(fā)提示，同學(xué)們學(xué)會了從理論分析入手來指導(dǎo)和解決實驗中出現(xiàn)問題的方法。有同學(xué)根據(jù)理論分析總結(jié)出了一個電路調(diào)節(jié)流程圖，如圖3 所示，按照這個流程，很快就能將電路調(diào)到半電流法測電流計內(nèi)阻所要求的電路狀態(tài)。

圖3 半電流法測電表內(nèi)阻電路調(diào)節(jié)流程圖

2 樹立學(xué)生逆向思維的意識

逆向思維與正向思維相反，是從原問題的相反方向著手的一種思維，是執(zhí)果索因、知本求源的發(fā)散性思維，是一種創(chuàng)造性的求異思維。在教學(xué)實踐中巧妙設(shè)置實驗情境，激發(fā)學(xué)生逆向思維，能讓學(xué)生克服思維定勢，轉(zhuǎn)變思維方式，有利于培養(yǎng)學(xué)生的開拓創(chuàng)新意識［14-17］。

在電表改裝與校準(zhǔn)實驗中，很多教材中沒有要求學(xué)生在擴程電流表或電壓表以后要進(jìn)行滿偏校準(zhǔn)。沒有滿偏校準(zhǔn)實際上訓(xùn)練學(xué)生的是正常思維，測出表頭內(nèi)阻后，按照理論公式R=Rg/（n -1）或R=（n -1）Rg計算出要并聯(lián)或串聯(lián)的電阻（式中n為電表量程擴大的倍數(shù)），再連接電路測出校準(zhǔn)曲線即可。而滿偏校準(zhǔn)則體現(xiàn)了逆向思維的訓(xùn)練，圖4 為擴程后電流表的滿偏校準(zhǔn)電路圖。如將Ig=1 mA 的表頭擴程至5 mA，滿偏校準(zhǔn)時要求改裝表滿偏時標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)達(dá)到滿量程5 mA。

圖4 擴程后電流表的滿偏校準(zhǔn)電路圖

當(dāng)調(diào)節(jié)RW使改裝表滿偏時，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)不是5 mA（大部分情況是這樣），譬如是大于5 mA，按理論設(shè)計計算，標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)應(yīng)該是5 mA，實際上為什么不是呢？怎么才能校準(zhǔn)到5 mA？這種不遵從理論計算結(jié)果、執(zhí)果索因、知本求源的思維即是逆向思維。

為什么標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)會大于5 mA？這就促使學(xué)生思考，實際的測量和理論計算還是有差別的，出現(xiàn)差別的原因在于Rg的測量誤差，由于Rg的測量誤差，必然導(dǎo)致R2=Rg/（n-1）的理論設(shè)計值和要使改裝表滿偏電流為5 mA所要求的電阻值有不小偏差。R2理論設(shè)計值比實際要求的值小，標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)就會過大；反之，標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)就會過小。找到原因后學(xué)生就可以根據(jù)理論分析來指導(dǎo)調(diào)節(jié)電路了，如果標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)大于5 mA，就增大R2，反之，就減小R2。但改變了R2使標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)到5 mA后，表頭電流又變得不是滿偏了，這又是什么原因？又該如何調(diào)節(jié)？學(xué)生有了前面的思維訓(xùn)練，這一步也就知道從理論上來分析了。經(jīng)過分析調(diào)試，同學(xué)們發(fā)現(xiàn)這個擴程電流表以后的滿偏校準(zhǔn)也需要按一定規(guī)律多次調(diào)節(jié)電路，才能無限接近改裝表和標(biāo)準(zhǔn)表都同時達(dá)到滿偏的電路狀態(tài)，在這個狀態(tài)下，R2的大小最接近改裝表實際內(nèi)阻大小的1/（n -1）。如果不進(jìn)行逆向思維和理論分析，盲目調(diào)節(jié)，就會費時費工，很難達(dá)到改裝表和標(biāo)準(zhǔn)表都同時達(dá)到滿偏的要求。有同學(xué)總結(jié)出了電流表滿偏校準(zhǔn)的流程圖，如圖5 所示。按照這個流程，同學(xué)們很快就能將電表調(diào)到滿偏校準(zhǔn)所要求的狀態(tài)。

圖5 擴程后電流表的滿偏校準(zhǔn)流程框圖

3 樹立學(xué)生工程思維的意識

工程思維是價值定向的思維，是與具體的“個別對象”聯(lián)系在一起的“殊相”思維，其核心是解決工程問題，具有“特定性”。這些特性意味著問題的解決方案并不唯一，存在著多個不同的完成該任務(wù)的設(shè)計方案；意味著面對工程問題，解決方案可能只有合適的，不存在最好的；意味著工程師要從影響工程問題的眾多因素中，突出主要矛盾，忽略次要矛盾，工程中是允許誤差存在的；意味著并不需要面面俱到，某些性能的改善很可能需要犧牲另一些性能。由此可知，工程思維就是面對復(fù)雜的實際工程問題，在一定的條件下用最簡單的方法來解決實際問題的思維［18-20］。

在電表改裝實驗中，要求學(xué)生將0.1 級量程1 mA的電流表改裝成0.5 級的量程5 mA的電流表和量程1.5 V的電壓表，標(biāo)準(zhǔn)電流表是0.2 級的量程5 mA的電流表，標(biāo)準(zhǔn)電壓表是0.2 級的量程1.5 V的電壓表。在給定要求和給定條件下完成電表的改裝實際上就是要解決一個工程問題。讓學(xué)生認(rèn)識到電表改裝實驗等同于儀表廠電表的設(shè)計與制作，讓學(xué)生樹立工程思維的意識，實驗結(jié)果等同于新產(chǎn)品，新產(chǎn)品必須達(dá)到工廠要求的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)不到要求就需要找原因，改進(jìn)設(shè)計方案。

在實驗中，要求學(xué)生按照測量的表頭內(nèi)阻，設(shè)計出量程5 mA的電流表和量程1.5 V的電壓表，先在沒有進(jìn)行滿偏校準(zhǔn)的情況下，做出校準(zhǔn)曲線，分析改裝電表的不確定度，確定電表的等級。通過計算分析，大部分同學(xué)改裝的電表等級都比要求的0.5 級低，有的甚至達(dá)到5.0 級。達(dá)不到要求就要找原因，提出改進(jìn)措施。很多同學(xué)都能想到根據(jù)不確定度公式來找原因，式中ΔU′為表頭帶來的誤差，ΔU″為標(biāo)準(zhǔn)電表的誤差，ΔUmax為表頭內(nèi)阻的測量帶來的校準(zhǔn)誤差，也叫最大校驗誤差，取校驗曲線中ΔU 的最大值。在標(biāo)準(zhǔn)電表、表頭給定的情況下，表頭內(nèi)阻的測量帶來的誤差是主要的。如何減小由于這個測量誤差而帶來的改裝電表的誤差呢？有同學(xué)提出用標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行滿偏校準(zhǔn)是個很好的方法，也有同學(xué)重新用替代法和半電流法再測電流表內(nèi)阻的。不管采用哪種改進(jìn)措施，只要使改裝的電表達(dá)到了0.5 級的要求即可。沒有最好，只有更好。

通過這樣的訓(xùn)練，同學(xué)們既有成就感，提高了他們對實驗的興趣，又樹立了工程思維的意識，提高了他們解決實際工程問題的能力。

4 結(jié)語

在電表改裝與校準(zhǔn)實驗中，若僅僅讓學(xué)生通過實驗掌握改裝電流表及電壓表的原理，對于大學(xué)物理實驗來說就顯得有些簡單。但簡單之中若有新意，若能讓學(xué)生通過簡單實驗轉(zhuǎn)變思維方式，學(xué)會在實驗中解決實際問題的方法，養(yǎng)成從實驗現(xiàn)象思考背后物理原理、從理論分析入手來指導(dǎo)和解決實驗中出現(xiàn)問題的思維習(xí)慣，樹立逆向思維和工程思維的意識，實驗的意義將大不相同，學(xué)生也會感覺收獲滿滿，興趣盎然。