設計性物理實驗教學的探討

劉 鵬

（宿州學院機械與電子工程學院，安徽宿州234000）

設計性物理實驗教學的探討

劉 鵬

（宿州學院機械與電子工程學院，安徽宿州234000）

大學物理設計性實驗是在學生掌握基礎性實驗后進行的一種教學實踐活動。文章分析了大學物理設計性實驗的特點、教學要求，詳細闡述了設計性物理實驗的教學方法。

設計性實驗；實驗方案；探討

物理學是門實驗科學。物理理論教學和實驗教學都具有同等重要的地位。大學物理實驗教學通過觀測與分析，使學生掌握物理實驗的基本知識，基本理論，基本方法和實驗技能，培養(yǎng)他們從事科學實驗的基本素質(zhì)和開創(chuàng)性的科研能力。而設計性物理實驗，能促進學生積極主動地學習和思考，加強學生創(chuàng)新能力、動手能力的培養(yǎng)，有利于提高學生的科學實驗能力和素養(yǎng)。

1 設計性物理實驗的定義

設計性實驗顧名思義就是讓學生按自己設計的實驗方案去做實驗。[1]大學物理實驗中設計性實驗應有不同的形式和不同的要求。從形式上區(qū)分應包括原理性設計實驗，操作性設計實驗和制作性設計實驗；從知識要求上分應該包括利用自己掌握的知識和常用儀器所做的設計，開拓常用的新方法所做的設計等等。

2 設計性物理實驗的特點

大學物理實驗根本的目的是培養(yǎng)和鍛煉學生進行科學實驗的能力，提高實驗技能。一般的物理實驗是學生在老師的指導下，按照固定的內(nèi)容和步驟來進行的。而大學物理設計性實驗是一種介于基本教學實驗與實際科學實驗之間，對科學實驗全過程進行初步訓練的教學實驗。這類實驗帶有一定的綜合性。他要求學生具備一定的實驗基礎知識及能力，在老師的指導下，學生自行設計實驗方案，確定實驗方法，選擇配套儀器設備，進行實驗測試，最后得到實驗結果。

3 設計性物理實驗的教學要求

設計性物理實驗要求學生自行設計和選擇合理的實驗方案，并在實驗過程中檢驗其正確性。因此，設計性教學實驗的核心是設計和選擇實驗方案，并檢驗方案的正確性與合理性。設計時一般包括以下幾方面要求：

1.根據(jù)研究與實驗精度的要求，確定所應用的原理；

2.選擇實驗方法與測量方法；

3.確定測量條件，選擇配套儀器以及對測量數(shù)據(jù)進行合理處理的方法等。

在進行實驗設計，觀察現(xiàn)象，測量數(shù)據(jù)，計算結果，綜合分析，寫實驗報告的過程中，應考慮各種誤差出現(xiàn)的可能性，并分析其產(chǎn)生的原因。

4 設計性實驗的方案選擇

4.1 實驗方法的選擇

指導學生根據(jù)實驗課題的要求和所研究的對象，收集各種可能的實驗方法，即根據(jù)一定的物理原理，確定在被測量與可測量之間建立關系的各種可能的方法，然后，比較各種實驗方法所能達到的實驗精確程度，實驗條件及實施的可能性，以便確定最佳實驗方法。

4.2 測量方法的選擇

在實驗方法選擇后，對各種測量方法進行篩選，使各種測量結果誤差最小。為此需要對誤差來源及誤差傳遞進行分析，還要對間接測量與直接測量之間關系進行研究。間接測量與直接測量之間的關系為：y=f(x1，x2….xn，α1,α2，….αn)式中x1,x2…為直接測量量，α,α…為固定參量。不確定度為

4.3 測量儀器的選擇

在選擇測量儀器時，應充分發(fā)揮實驗儀器的作用，有效的進行實驗。主要應在儀器的分辨率，精確度，實用性，經(jīng)濟性上進行考慮。選擇儀器時，不能認為儀器的精度越高越好。

4.4 測量條件的選擇

確定測量的最有利條件，也就是確定在什么條件下進行測量引起的誤差最小。實驗條件的選擇是否恰當，對于實驗的成敗和效果影響很大。實驗裝置和器材是影響實驗條件的因素之一，再選擇實驗裝置和器材時應注意滿足實驗所要求的條件。另外，在實驗過程中，物理參數(shù)的個數(shù)與數(shù)值，實驗次數(shù)，實驗程序，實驗操作和觀察時間等，都可能影響實驗條件。

學生設計好實驗方案后，指導教師要對實驗方案做出確認：

1.設計原理和方法是否正確；

2.儀器選配裝置設計是否合理；

3.實驗條件及實驗步驟是否合理；

4.測量誤差估算是否符合實驗要求。

若方案通過，學生即可準備實驗，否則要提出解決問題的方案。

5 設計性實驗項目舉例

5.1 實驗內(nèi)容

形狀不規(guī)則的物體面積測量。現(xiàn)有兩塊由同種材料制成的矩形均勻薄板，在其中的一塊挖出一個不規(guī)則的孔，試設法測出不規(guī)則孔的面積（見圖1）。

圖1 矩形薄板

5.2 要求與提示

兩塊薄板由同種材料制成，他們的密度相同；薄板厚度的測量要精確到0.01mm；設計實驗方案；合理選擇儀器；測出不規(guī)則孔的面積。

5.3 設計思路

長度測量是最基本的測量，從中學到大學均有該測試項目，主要是通過該實驗學習各種測量工具的使用。為此實驗教學中多是安排通過測量形狀規(guī)則的物體的面積或形狀規(guī)則的物體的體積。但對于形狀規(guī)則的物體，個別學生往往根據(jù)面積或體積公式去湊數(shù)據(jù)，不認真測量甚至不去測量就可以完成實驗報告。本實驗要求測量形狀不規(guī)則的物體的面積，不僅使學生沒有現(xiàn)成的公式去用，還促使學生開動腦筋設計實驗方案，推出測量形狀不規(guī)則物體面積所依據(jù)的理論公式。同時該實驗的完成，還需要測量質(zhì)量，也就是說面積的測量用到了天平，使該實驗從原來的單一測量變成了一個綜合性的設計性實驗。

5.4 實驗方案由于兩塊矩形薄板

，是由同種材料制成的，因而它們的密度相同，于是有：

其中，a1、b1、c1、a2、b2、c2分別為第一塊第二塊薄板的長、寬和厚，m1、m1為其質(zhì)量，S為挖出的不規(guī)則形狀孔的面積。測出a1、b1、c1、a2、b2、c2、及m1、m1即可求出S。

5.5 儀器選擇

因只是用于誤差分析,這里采用了間接測量的算術合成。[3]由式（1）可看出，由于薄板厚度較薄，所以式中第3項和最后一項的誤差對測量結果的總誤差的作用較大。所以對于厚度的測量要求要高一些，結合題目的要求，對于厚度的測量要用螺旋測微器或讀數(shù)顯微鏡，長與寬的測量可用游標卡尺或米尺，質(zhì)量的測量用物理天平即可。

6 結束語

大學物理設計性實驗是在創(chuàng)新理論指導下的一種科技創(chuàng)新，而培養(yǎng)創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力是高等教育實驗教學的一個重點。近幾年的大學物理實驗教材，注重加強基本實驗技能的訓練，增加了綜合性，設計性實驗和一批新的實驗項目，以便使大學物理實驗教學在內(nèi)容、方法、手段上適應培養(yǎng)新型人才和形勢發(fā)展的需要。同時，教師在指導設計性實驗的過程中，也得到極好的鍛煉和提高。

[1]梁為民.大學物理實驗[M].北京:航空工業(yè)出版社,2001:72.

[2]吳德敬.設計性物理實驗[M].上海:上海教育出版社,2002:277-326.

[3]揚述武.普通物理實驗[M].北京:高等教育出版社,2000:14.

責任編輯：胡德明

Abstract:The designed experiment for college physics is a kind of teaching practice for students who have mastered the basic experiments.The article aims to elaborate on the features,teaching acquirements and the teaching methods of the designed experiment.

Key words:designed experiment;experimental program;explore

Research into Teaching Practice for Designed Physical Experiments

Liu Peng
(Department of mechanical and Electronic Engineering,Suzhou College,Suzhou234000,China)

G642.423

A

1672-447X(2010)04-0130-03

2010-03-28

安徽省自然科學研究項目（KJ2008A342C）

劉鵬（1979-）安徽宿州人，宿州學院實驗師，碩士，研究方向為大學物理實驗。