基于PASCO平臺(tái)的設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

汪連城 吳慶春 金遠(yuǎn)偉 趙 斌 唐春紅

（南京工程學(xué)院數(shù)理部，江蘇 南京 211167）

0 引言

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是大多數(shù)工科大學(xué)學(xué)生接觸到的第一門(mén)實(shí)驗(yàn)性課程，對(duì)培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力起到重要的初期引導(dǎo)作用。因此，不斷優(yōu)化、更新物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、方法和手段，對(duì)推進(jìn)大學(xué)課程改革和教學(xué)變革，培養(yǎng)一流教師，建設(shè)一流課程，實(shí)現(xiàn)一流教學(xué)，對(duì)進(jìn)一步推動(dòng)創(chuàng)新性應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升有重要意義。

1 P AS CO實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

PASCO實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由三個(gè)必要的部分組成：（1）測(cè)量各種物理量并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器及其連接組件；（2）將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為電腦接收信號(hào)的通用接口模塊（Universal Interface）；（3）將測(cè)量數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行分析處理和可視化的軟件（Capstone）。相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器，PASCO實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有廣泛的適用性、功能的多樣性和對(duì)實(shí)踐操作能力培養(yǎng)的有效性，可以最大程度地發(fā)揮學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程中的主觀能動(dòng)作用，起到更好的教學(xué)效果。此外，由于對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量、收集到處理全部數(shù)字化，在有效提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集效率的同時(shí)，也大大提高了實(shí)驗(yàn)的精度，有效降低了人為誤操作所帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差。最后，由于組件的通用性，可以利用數(shù)量有限的傳感器配合不同的設(shè)計(jì)思路，組合出大量的實(shí)驗(yàn)儀器，在達(dá)到教學(xué)效果的同時(shí)，也節(jié)約了成本?？傊赑ASCO實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)鍛煉大學(xué)生綜合動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的作用是傳統(tǒng)整合式實(shí)驗(yàn)儀所無(wú)法替代的[1]。

2 基于P AS CO平臺(tái)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)要點(diǎn)

學(xué)生在完成基于PASCO平臺(tái)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要根據(jù)給定實(shí)驗(yàn)?zāi)康模灾鬟x擇組件，自由搭建符合要求的實(shí)驗(yàn)儀器。同時(shí)，還要對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理自主設(shè)計(jì)出合理的方案。這對(duì)學(xué)生提出了較高的要求。因此，人們提出了適合PASCO實(shí)驗(yàn)教學(xué)的三個(gè)教學(xué)要點(diǎn)。

2.1 分階段教學(xué)

即在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行分階段的培養(yǎng)[2-3]。首先，應(yīng)該讓學(xué)生完成基于整合式實(shí)驗(yàn)儀的基本實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對(duì)基本的物理原理和實(shí)驗(yàn)操作達(dá)到一定的熟練度。其次，通過(guò)教師講解和演示性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生對(duì)組成PASCO系統(tǒng)的傳感器、數(shù)據(jù)接口和平臺(tái)軟件的原理、操作方法、連接方式和數(shù)據(jù)分析與計(jì)算等有充分的認(rèn)識(shí)。然后，讓學(xué)生以分組的方式，每組2～3人為宜，自主完成一些相對(duì)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。例如，一些基于簡(jiǎn)單物理原理和單一運(yùn)動(dòng)模式的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。在這些實(shí)驗(yàn)中，需要的傳感器和待測(cè)的物理量較少，儀器搭建簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)處理以單變量函數(shù)圖像和數(shù)據(jù)表格為主。接著可以讓學(xué)生完成一些固定模式的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。在這些實(shí)驗(yàn)中，雖然需要的傳感器較多，儀器搭建較復(fù)雜，但學(xué)生可以遵循固定的步驟完成。最后，是開(kāi)放式的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)是以問(wèn)題解決為向?qū)?，?qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)儀器整體的功能性。實(shí)驗(yàn)本身沒(méi)有固定模式，可以讓學(xué)生最大程度地發(fā)揮自由創(chuàng)造精神，自主選擇所需傳感器和搭建方式，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行深度處理。相對(duì)于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告方式，開(kāi)放性的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)結(jié)合完整的研究報(bào)告甚至是研究論文來(lái)完成。

2.2 小班化教學(xué)

PASCO實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)決定了它比較適合少量學(xué)生進(jìn)行探究式的自主式學(xué)習(xí)，而不是全體學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)。因此可將其定位為選修式的開(kāi)放式課程。對(duì)物理有濃厚興趣的，在基礎(chǔ)的大學(xué)物理理論課和實(shí)驗(yàn)課程中表現(xiàn)優(yōu)異的學(xué)生可選修此課程。對(duì)于這一部分學(xué)生，可以給予一定的獎(jiǎng)勵(lì)，例如學(xué)分和證書(shū)。

2.3 學(xué)科競(jìng)賽

對(duì)于選修基于PASCO平臺(tái)設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)生，應(yīng)鼓勵(lì)他們參加相關(guān)學(xué)科競(jìng)賽，以達(dá)到對(duì)教學(xué)效果的檢驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)一步提升學(xué)生的自主創(chuàng)新能力和實(shí)踐動(dòng)手能力。物理實(shí)驗(yàn)作品競(jìng)賽特別適合大學(xué)本科低年級(jí)學(xué)生，它強(qiáng)調(diào)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)作品制作中應(yīng)用物理原理，對(duì)作品的電子集成度和實(shí)際用途要求不高。學(xué)生在制作出基礎(chǔ)的物理實(shí)驗(yàn)作品后，后期可繼續(xù)加工并參加更高級(jí)別的比賽。

3 基于P AS CO平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)舉例

3.1 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)：布儒斯特角

布儒斯特角實(shí)驗(yàn)的物理原理較為簡(jiǎn)單，但學(xué)生需要自己動(dòng)手搭建光路，包括光學(xué)導(dǎo)軌、激光光源、偏正光具、轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器、高靈敏光傳感器等。在該實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生不但可以驗(yàn)證布瑞斯特定律，還可以測(cè)量待測(cè)透明物質(zhì)折射率。布儒斯特角實(shí)驗(yàn)裝置連接圖如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)有固定的實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)生可按說(shuō)明書(shū)一步步搭建實(shí)驗(yàn)裝置，并按要求完成一系列測(cè)量并回答預(yù)先設(shè)計(jì)好的問(wèn)題[1]。

圖1 布儒斯特角實(shí)驗(yàn)裝置連接圖

3.2 探索性實(shí)驗(yàn)：樂(lè)器發(fā)聲

樂(lè)器的發(fā)聲是一個(gè)迷人的話題。不同的樂(lè)器可以發(fā)出頻率相同的聲音，但卻能被人耳清晰的區(qū)分。其物理本質(zhì)是什么？這樣的開(kāi)放性問(wèn)題于PASCO系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來(lái)很簡(jiǎn)單。只需一支聲強(qiáng)傳感器，將不同樂(lè)器的發(fā)聲轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)接口，顯示在CAPSTON軟件上。如圖2所示是不同樂(lè)器發(fā)出相同頻率聲音時(shí)的聲強(qiáng)隨時(shí)間變化譜線，可以看出兩種樂(lè)器發(fā)出的都是由多種頻率疊加在一起的混合波。兩種波的最小頻率相同，對(duì)應(yīng)周期約為3毫秒，頻率為333赫茲。但是兩種波的高頻部分完全不同，可以明顯看出第一種聲波具有更多的高頻組分。同時(shí)可以看出，兩種波的低頻部分的振幅較高，高頻部分的振幅較小。最終被人耳感知的時(shí)候就表現(xiàn)為聲調(diào)相同，但音色不同。

圖2 不同樂(lè)器發(fā)聲圖

4 結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器相比，基于PASCO實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的物理實(shí)驗(yàn)在儀器的選擇、實(shí)驗(yàn)的搭建、測(cè)量的多樣化和自動(dòng)化以及數(shù)據(jù)處理的數(shù)字化等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，它讓物理實(shí)驗(yàn)儀不受單一的實(shí)驗(yàn)?zāi)康乃拗疲潜M可能地讓各種傳感器在不同物理實(shí)驗(yàn)中通用，配合統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口和處理軟件，從而在成本和功能上達(dá)到效益最大化。更為重要的是，PASCO物理實(shí)驗(yàn)有利于培養(yǎng)學(xué)生探索精神，有利于提升學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，并為培養(yǎng)新型應(yīng)用型人才發(fā)揮重要的作用。