《剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量》實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)

仲麗麗 孫艷 張健

摘要：在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)授課過(guò)程中，需樹(shù)立實(shí)踐技能培養(yǎng)，推動(dòng)知識(shí)的吸收消化等理念。本文對(duì)《剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量》實(shí)驗(yàn)，采用“導(dǎo)學(xué)式翻轉(zhuǎn)法”，小組合作學(xué)習(xí)等教學(xué)模式，初步進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐探討。

關(guān)鍵詞：剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;導(dǎo)學(xué)式翻轉(zhuǎn)法;小組合作學(xué)習(xí)

一、 實(shí)驗(yàn)性質(zhì)和作用

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是表示剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣性的量度，對(duì)于質(zhì)量分布均勻、幾何形狀規(guī)則的剛體，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以通過(guò)數(shù)學(xué)理論計(jì)算得到，然而在實(shí)際工程中，類(lèi)似于微型飛行器等的許多回轉(zhuǎn)體由于其布局各異，外形很不規(guī)則，內(nèi)部質(zhì)量分布也不均勻，很難根據(jù)它的外形準(zhǔn)確計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量特性，這就需要對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行實(shí)際測(cè)量【1】。

《剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量》實(shí)驗(yàn)屬于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，力學(xué)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，原理和儀器構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單。對(duì)于剛接觸實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，可通過(guò)該實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)過(guò)程，了解建立實(shí)驗(yàn)測(cè)量模型建立的基本步驟、基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)分析測(cè)量方法，建立起良好的按實(shí)驗(yàn)規(guī)則操作儀器的習(xí)慣，初步嘗試規(guī)劃實(shí)驗(yàn)步驟、驗(yàn)證理論，培養(yǎng)利用理論指導(dǎo)實(shí)踐的意識(shí)。為下一步能夠完成更復(fù)雜、自主性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)打下良好的基礎(chǔ)。

二、 具體教學(xué)設(shè)計(jì)

本人通過(guò)《剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量》這一基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐，采用“導(dǎo)學(xué)式翻轉(zhuǎn)法” 、小組合作學(xué)習(xí)等教學(xué)模式，通過(guò)給學(xué)生設(shè)置問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生課前學(xué)習(xí);課堂上通過(guò)提問(wèn)、學(xué)生表述、小組合作學(xué)習(xí)、師生討論交流等多種靈活方式檢驗(yàn)學(xué)生課前學(xué)習(xí)效果，以達(dá)到培養(yǎng)提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的目的。另外針對(duì)《剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量》這一基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)性質(zhì)，教學(xué)指導(dǎo)過(guò)程突出“嚴(yán)”，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中更要對(duì)自己嚴(yán)格要求，嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真。

1.課前環(huán)節(jié)

學(xué)生自主完成：實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)的準(zhǔn)備，熟悉實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，擬定實(shí)驗(yàn)步驟。以教材為依據(jù)，以網(wǎng)絡(luò)課件為輔助，完成以下任務(wù)：

（1）通過(guò)查找資料了解轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的工程應(yīng)用及其獲得方法;

（2）分析本實(shí)驗(yàn)依據(jù)的實(shí)驗(yàn)原理;

（3）了解轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?jī)x的結(jié)構(gòu)，熟悉存儲(chǔ)測(cè)試儀的使用方法;

（4）了解轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法;

（5）根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)擬定實(shí)驗(yàn)步驟，并隨時(shí)記錄學(xué)習(xí)中遇到的問(wèn)題。

教師課前輔助工作：制作有聲課件、操作視頻、儀器介紹視頻并上傳本校網(wǎng)站供學(xué)生自主學(xué)習(xí)參考，具體內(nèi)容：

（1）布置實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)任務(wù);

（2）有聲課件;

（3）授課視頻;

（4）實(shí)驗(yàn)儀器的結(jié)構(gòu)及使用方法介紹;

（5）實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板;

（6）數(shù)據(jù)記錄及處理要求;

（7）儀器使用說(shuō)明書(shū)。

2.課堂環(huán)節(jié)

（1）預(yù)習(xí)情況檢驗(yàn)

課上通過(guò)互動(dòng)提問(wèn)、學(xué)生表述、小組合作學(xué)習(xí)等檢驗(yàn)學(xué)生預(yù)習(xí)任務(wù)完成情況，在此基礎(chǔ)上指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)操作，完成本次實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)。以下是具體問(wèn)題：

①轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的應(yīng)用舉例？

②獲取轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的常用方法？

③恒力矩轉(zhuǎn)動(dòng)法、扭擺法的實(shí)驗(yàn)原理？

在實(shí)驗(yàn)原理教學(xué)中，為了進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生了解測(cè)量條件及理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)小組合作學(xué)習(xí)記錄，證明掌握模型建立過(guò)程，內(nèi)容設(shè)置： 恒力矩法、扭擺法實(shí)驗(yàn)測(cè)量模型。

具體任務(wù)：

用繪制流程、推導(dǎo)過(guò)程圖的方式，分別闡釋恒力矩法和扭擺法實(shí)驗(yàn)測(cè)量模型建立過(guò)程，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)需要測(cè)量哪些量及測(cè)量條件。

具體過(guò)程：

教師提示（3分鐘）：教師以扭擺法為例給出以下具體提示，

分析扭擺法的理論依據(jù)（理論測(cè)量模型），明確扭轉(zhuǎn)常數(shù)概念;建立測(cè)量方程;分析轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、扭擺周期與彈簧扭轉(zhuǎn)常數(shù)的關(guān)系，得出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算式。

個(gè)人自學(xué)（5分鐘）：嘗試?yán)L制流程/推導(dǎo)過(guò)程圖。

小組討論（10分鐘）：組內(nèi)分享個(gè)人繪制圖、綜合成員意見(jiàn)在記錄單上繪制繪制流程/推導(dǎo)過(guò)程圖、總結(jié)兩種方法的聯(lián)系與區(qū)別，成果：每組提交合作學(xué)習(xí)記錄單，隨機(jī)抽選2人回答問(wèn)題。

④驗(yàn)證平行軸定理及其驗(yàn)證方法？

（2）實(shí)驗(yàn)操作

①學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)儀器裝置并討論擬定實(shí)驗(yàn)步驟。

②教師提示注意事項(xiàng)

利用恒力矩轉(zhuǎn)動(dòng)法完成實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用水平儀，調(diào)節(jié)承物臺(tái)水平;繞線(xiàn)塔輪槽和滑輪槽等高且方位垂直;保證砝碼片著地時(shí)，細(xì)線(xiàn)完全脫離塔輪;保證繞線(xiàn)緊密并且不重疊;旋緊遮光棒，防止觸碰光電門(mén)。

利用扭擺法完成實(shí)驗(yàn)時(shí)，每次彈簧擺角在90度左右，這樣扭轉(zhuǎn)常數(shù)才基本相同。

（3）課堂總結(jié)

①教師結(jié)合實(shí)驗(yàn)留下分析思考題

分析本實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生誤差的主要原因是什么？如何減少這些因素的影響;利用本測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)并研制轉(zhuǎn)軸摩擦力矩測(cè)量?jī)x、剛體質(zhì)量偏心測(cè)定儀;研究其他常用的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量方法，例如三線(xiàn)擺法，并說(shuō)明三線(xiàn)擺法的測(cè)量原理和測(cè)量方法。

②總結(jié)課堂實(shí)驗(yàn)完成情況

3.課后環(huán)節(jié)

教師通過(guò)對(duì)課前、課堂、課后所有環(huán)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新點(diǎn)。可利用下次課前或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)等方式將實(shí)驗(yàn)報(bào)告中出現(xiàn)的問(wèn)題、教學(xué)總結(jié)的情況等信息反饋給學(xué)生，以便整改提高。

三、 教學(xué)效果

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的教學(xué)實(shí)踐，《剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量》授課，收到了良好的教學(xué)效果。學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)效果好，主要有以下反饋：

1.在教學(xué)內(nèi)容上，目的明確、原理清晰，設(shè)計(jì)科學(xué)規(guī)范，內(nèi)容符合課程特點(diǎn)和教學(xué)對(duì)象要求。深、廣度符合教學(xué)目標(biāo)要求。對(duì)本學(xué)科專(zhuān)業(yè)前沿知識(shí)有所體現(xiàn)，實(shí)踐特色突出。

2.在教學(xué)實(shí)施上，充分體現(xiàn)素質(zhì)教育和創(chuàng)新教育思想，教為主導(dǎo)學(xué)為主體意識(shí)強(qiáng)。安排合理、指導(dǎo)得力、組織有序、操作規(guī)范熟練。

3.學(xué)生注意力集中，學(xué)習(xí)熱情高，課堂氣氛活躍。有利于學(xué)生科學(xué)精神、自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐技能的培養(yǎng)，教學(xué)效果較好。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉志壯.剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量的研究 [J]. 零陵學(xué)院學(xué)報(bào).2002（6）.

第一作者簡(jiǎn)介：仲麗麗（1981-），女，空軍航空大學(xué)基礎(chǔ)部實(shí)驗(yàn)中心實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，目前主要研究方向?yàn)榱孔庸鈱W(xué)。