獨立學院大學物理實驗預習系統開發與研究

張 禮,左玉生，陳 杰,吳 弘

(1.東南大學成賢學院 基礎部物理實驗中心， 南京 210088； 2.東南大學 實驗室與設備管理處， 南京 210096)

獨立學院大學物理實驗預習系統開發與研究

張 禮1,左玉生2，陳 杰1,吳 弘1

(1.東南大學成賢學院 基礎部物理實驗中心， 南京 210088； 2.東南大學 實驗室與設備管理處， 南京 210096)

為提高獨立學院學生物理實驗的效率，培養高質量應用型人才，提出一套大學物理實驗預習系統的設計，其包含引導類A系統和提高類B系統。該系統主要通過Matlab的GUI界面演示預習過程、展示實現現象及進行數據處理，并通過單片機及外圍芯片實時測量和傳輸數據，展現實驗過程及數據變化趨勢。應用該系統引導學生準確理解預習規范，提升學生對操作過程的預判能力。實際教學證明，該系統對學生實驗起到了很好的輔助指導作用，明顯減少了學生實驗的誤操作，實驗效率顯著提升，重復實驗率大大降低；學生實驗報告中，因實驗數據測量錯誤導致的結果錯誤大幅減少，且實驗分析內容有所增加，實驗分析質量有明顯的深化和提升。

獨立學院； 大學物理實驗； 預習系統； Matlab； 圖形用戶界面

0 引 言

大學物理實驗是學生進入大學后接觸的第一門實驗課程，其學習過程包含課前、課堂和課后三部分組成，目前課前預習部分對學生的要求是通過充分的教材預習并寫好預習報告[1]。對于獨立學院的大部分學生，僅通過教材做書面預習，無法使學生比較清晰地了解實驗的具體內容，且由于部分學生學習習慣較差，預習報告也經常會出現應付教師檢查的現象，從而使預習流于形式，成為變相的“抄書”，導致課堂教學效率低，課堂實驗錯誤多，一些學生做完實驗都無法全面了解所做實驗，實驗報告問題較多，甚至出現因不了解而損壞設備的現象[2-3]。有些學生到畢業的時候大學物理實驗課程都無法拿到學分[4]。為了徹底改變這一存在已久的問題，開發了大學物理實驗預習系統，切合學校應用型人才培養的模式[5]。為切合獨立學院大學物理實驗教學工作的安排，本系統擬從A類和B類系統進行預習系統的開發與研究。其中A類系統為引導類系統，開設在大學物理實驗的第一學期，對應學生時間為大一下學期；B類系統為促進類系統，開設于大學物理實驗的第二學期，對應學生時間為大二上學期。

1 實驗預習系統總體設計

實驗預習系統的設計旨在引導學生從單純的教材預習轉變為實驗室和教材預習相結合的形式。

此前，學生的預習基本是通過對教材的閱讀來完成，此過程存在幾點不足：① 預習內容太抽象；② 預習報告流于形式；③ 預習效果不理想[6]。

本設計擬從以下幾個方面進行實驗課程中預習部分的改革，并從教學大綱、教學內容、成績給定等幾個部分進行保障。

(1) 引導學生進入實驗室預習。 較多的高校現在都推行網絡教學，從實驗的角度出發，網絡預習有比較好的效果，能夠引導學生利用實物的圖片及動畫和視頻初步了解實驗內容及實驗目的。然而，對于我校學生的具體情況而言，應盡量引導學生進入實驗室進行預習，這樣不僅能對儀器從三維的角度來進行觀察，而且通過真實儀器與預習系統的配合能夠讓學生更加有直觀上的感受，更有利于實驗課程的開展[7]。

(2) 引導學生了解實驗原理。 學生在預習時，對實驗原理部分的掌握是最容易流于形式的抄寫，通過與學生的交流，很多學生雖然寫了實驗原理，但是卻不知究竟，歸其原因可能有以下兩點：① 理論教學部分尚未涉及到實驗所需的知識及內容；② 對實驗過程中所述的較為復雜的現象無法進行思維分析。基于這兩點原因，本實驗系統在設計時考慮將實驗現象或實驗結果以比較形象的方法先切入，學生通過實驗現象或實驗結果出發，回頭來對實驗原理部分進行預習，這樣可達到事半功倍的效果[8]。

(3) 引導學生了解實驗目的。 因大學物理實驗中的一部分實驗設計了比較巧妙的測量方案，導致有些學生在測量及計算的過程中過于注重過程計算量，而忽略了最終結果的求解，本系統在設計時考慮，一些結果可以一種并不是很精確的方法給出并引起學生對結果的注意[9]。

(4) 引導學生認識待測量及測量方法。 實驗課程的最終目的并不是要求學生學會物理量的測量，但是對待測量的了解卻是在預習過程中不可缺少的一個重要環節。課前，學生應很好地了解實驗目標、待測量、測量儀器、測量精度等。充分了解待測量后，學生在課堂聽講時才能對實驗原理及儀器設計的精度等有清晰的認知[10]。

本預習系統的組建通過Matlab及單片機等硬件實現，暫未推出網絡服務版，后期將逐漸完善。基于對初期實驗開設時學生對實驗過程不熟悉的情況，推出以現象、結果演示為主的A類大學物理實驗系統，基于對實驗過程及測量較為復雜的實驗進行更深入了解的要求及期望，推出以實驗過程、結果演示為主的B類大學物理實驗系統。

2 A類(引導類)預習系統

2.1方案論證

A類預習系統的主要作用是根據大學物理實驗緒論課后第一次正式實驗之前及之后的預習引導，針對學生剛參加實驗課，還不知道預習該如何操作的情況，設置與預習報告需要完成的任務相類似的實驗系統。預習實驗系統的步驟及順序：① 實驗名稱(系統中設定與教材相同的實驗名稱及章節，以供學生在目錄中快速查閱)；② 實驗目的(根據教材中提到的實驗訓練目的部分進行精簡，以簡潔文字的形式清晰明了的告知學生實驗的目的所在)；③ 實驗原理(實驗原理部分是實驗中所用到的物理原理以及儀器原理部分，篇幅較大，故在此處安排直接給出教材對應頁碼，引導學生直接進行教材和儀器的結合閱讀)；④ 實驗步驟(本部分通過簡潔有序的描述，簡要介紹學生在實驗過程中的操作程序，以加深學生對操作的了解，教材的實驗步驟部分描述會比較細致，而系統在本部分的描述旨在做全面系統的了解)；⑤ 實驗表格(本部分通過按鈕調用預習表格，這里的預習表格與教材中的實際實驗表格不同，此處的實驗表格旨在羅列出待測量，提高學生對待測量的進一步了解，避免在上課過程中出現的測錯、測漏等現象的發生)[11]。學生通過對該實驗系統的操作，了解預習的步驟，同時為增加學生對即將做的實驗有比較好的感性認識，在系統中可同時顯示實驗裝置的實際照片及實驗中即將看到的比較有趣的實驗現象，以此來引導學生認識裝置，提高興趣。

2.2A類系統示例

本系統以大學物理實驗中經典的牛頓環實驗為例，軟件編程利用Matlab的GUI設計，初始界面如圖1所示。

在系統的界面右側，擬提供本實驗所用實驗儀器的實際照片，讓學生與儀器見“第一面”，有了圖形的印象后，學生會更加了解儀器介紹部分所介紹的內容及結構。

A類系統界面中，安排了實驗結果或現象顯示按鈕，通過點擊按鈕，學生可以獲得在實驗過程中應該看到的實驗現象，目的是為了讓學生對該有的現象有第一印象和心里準備，同時也提高了學生儀器調節的目的性，避免盲目調節以及因對實驗現象不了解而找到的一些錯誤“現象”的情況發生。

圖1 牛頓環預習系統設計圖

2.3結果顯示

通過界面中的提示，學生按順序、步驟完成后，通過按鈕結果查看，實驗預習內容也均應大致掌握，通過類似的1～2個預習實驗的練習，預習過程即可掌握得比較熟練。系統運行后的圖像如圖2～4所示。

圖2 系統運行圖

圖3 實驗現象調用圖

圖4 表格調用圖

3 B類(促進類)預習系統

3.1方案論證

B類預習系統應用于大學物理實驗(下)的教學過程中，即大學物理第二學期的教學過程。學生通過大學物理實驗(上)的學習，已基本了解學生實驗環節與過程，所以第二學期的實驗教學會提升學習的深度，采用更為深入的訓練方法來進行，第二學期的實驗難度會有所加大，大量的綜合性實驗會出現。學生雖然已經對實驗過程了然于胸，但是對于綜合性實驗依然會有力不從心的感覺，綜合性實驗通過不止一項內容及方法，或通過多個實驗儀器的結合，來獲得一個或多個結果，有時會使學生有思路不清晰的感覺[12]。

B類系統的主要目的是為了明確學生的實驗目的，理清操作思路，了解多個量之間的關系，做到在實驗中穩步操作，以不變應萬變。本文在研究過程中采用實物與軟件結合的方式進行。

為了讓學生更清晰、直接地看到實驗過程中的現象，了解大致實驗情況，本系統擬采用實際儀器結合單片機測量數據并在電腦上顯示數據變化過程的方式給出。系統以最直觀的方式給定待測量，待測量在測量過程中的變化，待測量在變化過程中的規律。通過PC顯示出具體的數據點供學生查看，并完成數據的可計算結果[13]。

3.2B類系統示例

B類系統利用綜合性實驗金屬電阻溫度系數進行示例。本例中，首先，溫度數據的采集通過溫度傳感器18B20進行，利用單片機采集數據并傳送至上位機PC；電阻數據的采集利用恒流源進行電源供電，利用OP07運放對小電壓進行放大，其后通過PCF8591模數轉換芯片將數據傳送至單片機，再由單片機將采集到的數據同時傳送至上位機PC，其中溫度數據傳輸采用UART通信方式進行，電阻數據采集部分采用I2C方式進行。其次，硬件程序的編寫利用Keil軟件進行，采用C語言的編寫方式，再通過STC_ISP_V480軟件將所編程序燒錄至單片機中，然后通過改變待測電阻的溫度獲得變化的電阻數據和溫度數據，利用串口調試助手觀察其變化情況及具體數值。再次，編寫軟件程序，在前續工作完成后，PC串口通信部分通過Matlab里的serial函數建立串口對象，set函數設置串口屬性并定義回調函數，fopen函數來打開串口數據并對數據進行采集。最后，設計界面，在界面中演示溫度在升溫過程或降溫過程中的溫度變化趨勢及電阻阻值變化趨勢，通過界面按鈕對數據進行取點，再通過所取數據點進行作圖；作圖后，利用Matlab軟件程序編寫計算出直線的斜率K，反向延長數據線獲得電阻對應的0 ℃電阻值R0，再通過R0和K及計算公式和polyfit函數獲得最終的金屬電阻溫度系數的大小。通過對本系統的使用，學生能夠清晰看見數據變化趨勢，提高感性認識，了解待測量、測量方法以及待測量之間的聯系，并深入了解各測量設備的選擇與使用[14]。

3.3結果顯示

接通電源后，打開單片機工作電源，打開電阻測量的工作恒流源，PC開始接受數據并顯示，其中溫度、電阻部分以300 s為一個周期，循環記錄測量數據并顯示于GUI界面中，學生可從此變化過程看到電阻隨時間的變化，溫度隨時間的變化，形成直觀概念。雖然教材中介紹了很多復雜的儀器設備和實驗原理，但目的是為了測量這兩個較為熟悉的物理量，通過對實時溫度框和實時電阻框的觀察也能夠大致得出簡單規律。

數據測量范圍從室溫至大于95 ℃即可，測量可通過升溫或者降溫兩種方向進行，若測升溫，加熱電流不宜過大；若測降溫過程，則可大電流加熱至100 ℃左右，再緩慢降溫，根據儀器的設計要求，須降溫至20 ℃以下。

達到上述要求后，可獲得電阻和溫度關系圖，如圖5所示，系統中按照實際獲得結果的順序將結果獲得過程分為4步：① 作圖點獲取(包含獲得選取的作圖點及直線獲得)；② 獲取R0(即圖形的截距，系統所選為Cu50電阻，實際實驗所用電阻與之不同)；③ 獲取K(及圖示中斜率的大小)；④ 獲取溫度系數(及本實驗的最終結果)。通過以上4個步驟的訓練，學生可以較為清晰地了解實驗報告中圖示的大致形態，最終結果的求解以及為獲取最終結果前期需要獲得的數值[15]。

圖5 金屬電阻溫度系數計算圖

4 結 語

本文提出的A類和B類兩大實驗預習系統，目前已應用于成賢學院課程中，平均每位學生的實驗室預習時間為20～30 min，開設過程中有答疑教師，以保證預習系統的正常使用和學生的問題答疑。

與使用前的情況相比較，使用后的效果比較理想，大部分學生對實驗的興趣增加，對實驗的操作更為順暢，同時對實驗的理解深度有所增加，部分學生通過預習系統的使用，提出了較多有深度的想法及設計。下一步，將擴大系統的受益面，增加適應不同專業的預習系統，拓展系統的使用廣度與深度。

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Development and Research of Preview System of College Physics Experiment in Independent Colleges

ZHANGLi1,ZUOYusheng2,CHENJie1,WUHong1

(1.Physics Experiment Center,Southeast University Chengxian College,Nanjing 210088,China；2.Office of Laboratory and Facility Management,Southeast University,Nanjing 210096,China)

We introduce a college physics experiment preview system in order to improve the physical experiment efficiency and achieve the goal of training high quality applied type talents in independent college.This project contains two parts: A system for guiding and B system for increasing.We bring the process and trend of the experiment from using SCM and peripheral control unit for real time measurement and transmission,and use GUI of Matlab to demonstrate preview processing,experiment phenomenon and data processing.Through the use of the system,we can guide students to understand the experimental specification correctly,promote anticipation of operation processing and sublimate application ability of students.

independent college; college physics experiment; preview system; Matlab; graphical user interface (GUI)

2016-09-07

東南大學成賢學院教改項目(物理實驗中心應用型人才培養之“賽、創、專”聯動模式探究：yjg1501)

張 禮(1982-)，男，江蘇揚州人，碩士，實驗師，主要從事物理實驗教學及實驗室建設工作。E-mail：116955271@qq.com

O 4-33

：A

：1006-7167(2017)07-0203-04