如何在大學(xué)物理實驗課程中培養(yǎng)學(xué)生的思維能力

戴占海 李凌燕 呂紅英

摘要：本文探討了在大學(xué)物理實驗課程的教學(xué)中，如何將實驗原理和實驗過程相結(jié)合，通過探究實驗現(xiàn)象的物理原因，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，使學(xué)生由被動地接受知識轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥貙で笾R，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)、分析問題和解決問題的能力.

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理實驗；實驗原理；探究；思維能力

中圖分類號：G642.4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-260X（2019）03-0024-04

無論是學(xué)生的學(xué)習(xí)活動，還是人類的一切發(fā)明創(chuàng)造活動，都離不開思維，思維能力是學(xué)習(xí)能力的核心.思維能力的訓(xùn)練是一種有目的、有計劃、有系統(tǒng)的教育活動，對它的作用不可輕估[1-2].人的天性對思維能力具有影響力，但后天的教育與訓(xùn)練對思維能力的影響更大、更深[3-5].我國的高等教育注重知識和理論的傳授，能力培養(yǎng)一直是一個薄弱環(huán)節(jié).在大學(xué)物理實驗中，存在著按部就班進行實驗的弊端，學(xué)生按照實驗步驟做完了實驗，得到了實驗數(shù)據(jù)，卻沒有太大的收獲.這與在實驗課上，輕視物理實驗原理的講解，不能引導(dǎo)學(xué)生用實驗原理分析實驗現(xiàn)象，是有極大關(guān)系的.本文以“分光計的調(diào)節(jié)”和“非平衡電橋測量熱敏電阻的特性參數(shù)”兩個實驗為例，探討在大學(xué)物理實驗中，如何將實驗原理和實驗現(xiàn)象結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力.

1 分光計的調(diào)節(jié)實驗

分光計的調(diào)節(jié)一直是實驗的難點，學(xué)生經(jīng)常調(diào)著調(diào)著，一個十字像都找不到了.這種現(xiàn)象的發(fā)生，就是沒有理解透徹實驗原理，進而預(yù)測不了各個螺釘?shù)恼{(diào)節(jié)會引起的物理現(xiàn)象.

在講解原理時，首先使學(xué)生明確，分光計調(diào)整好的要求是：經(jīng)過光學(xué)元件的光線構(gòu)成的平面應(yīng)與儀器的中心轉(zhuǎn)軸垂直，即望遠(yuǎn)鏡的光軸與分光計的中心轉(zhuǎn)軸垂直，載物臺中軸線與中心轉(zhuǎn)軸重合.在視場中，十字叉絲的反射像出現(xiàn)在上交點位置（如圖1）.

經(jīng)過粗調(diào)后，將雙面反射鏡放置在載物臺上（如圖2）.使學(xué)生理解，這樣放置的優(yōu)點是：若要調(diào)節(jié)反射鏡的俯仰，只需要調(diào)節(jié)載物臺下的螺釘2或3即可，而螺釘1的調(diào)節(jié)與反射鏡的俯仰無關(guān).旋轉(zhuǎn)載物臺，使平面鏡的法線與望遠(yuǎn)鏡光軸在同一直線上.首先通過控制變量的方式，向?qū)W生提問會引起的實驗現(xiàn)象.假如載物臺中軸線與中心轉(zhuǎn)軸已經(jīng)重合，即載物臺平面已經(jīng)水平，而望遠(yuǎn)鏡的光軸與分光計的中心轉(zhuǎn)軸不垂直，假如望遠(yuǎn)鏡光軸偏高，則反射回來的十字像位于上叉絲的下方，情況如圖3（a）示.引導(dǎo)學(xué)生思考，當(dāng)將載物臺旋轉(zhuǎn)180°，反射回來的十字像也應(yīng)該處于上叉絲的下方；并且兩種情況下的十字像到上叉絲的距離相等.如圖3（b）示.從而引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：如果調(diào)節(jié)了望遠(yuǎn)鏡的高低螺釘，會使得在平面鏡的正反兩面看到的十字像往相同的方向移動同樣的距離.

再向?qū)W生提問另一種情況：如果望遠(yuǎn)鏡的光軸與分光計的中心轉(zhuǎn)軸已經(jīng)垂直，即望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)水平，而載物臺中軸線與中心轉(zhuǎn)軸不重合，即平面鏡的反射面和分光計中心轉(zhuǎn)軸成一角度，若平面鏡向觀察者傾斜，則反射回來的十字像位于上叉絲的下方，如圖4（a）示.引導(dǎo)學(xué)生思考，當(dāng)將載物臺旋轉(zhuǎn)180°，反射回來的十字像應(yīng)處于上叉絲的上方；并且兩種情況下的十字像到上叉絲的距離相等.如圖4（b）示.從而引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：如果調(diào)節(jié)了載物臺的螺釘2或者3，會使得在平面鏡的正反兩面看到的十字像往相反的方向移動同樣的距離.

學(xué)生明白了調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡高低螺釘和調(diào)節(jié)載物臺螺釘2、3對十字像的影響后，再來講解各半調(diào)節(jié)法.在實際操作中，一般望遠(yuǎn)鏡的光軸與分光計的中心轉(zhuǎn)軸不垂直，載物臺中軸線與中心轉(zhuǎn)軸也不重合，學(xué)生在正反兩面看到的十字像，在上叉絲的上下兩側(cè)，且到上叉絲的距離不等，如圖5所示.各半調(diào)節(jié)法操作要點如下：先調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸高低調(diào)節(jié)螺釘使十字像與上部十字叉絲的間距減小二分之一，再調(diào)節(jié)載物臺調(diào)平螺釘使十字像與上部十字叉絲重合，如圖6（a）.然后將載物臺旋轉(zhuǎn)180°，用同樣的方法調(diào)節(jié)另一面.在講解時，要引導(dǎo)思考學(xué)生這樣操作的原因.當(dāng)學(xué)生調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡筒高低螺釘使得M面看到的十字像上移一半時，假如此時將載物臺旋轉(zhuǎn)180°，觀察N面的十字像，看到的十字像也會上移同樣的高度，如圖6（b）所示.而在M面，當(dāng)學(xué)生繼續(xù)調(diào)節(jié)載物臺螺釘2，使得M面的十字像又上移一半，到達上交點O時，N面的綠十字像會下移同樣的高度.這樣一來，N面的十字像就回到了最初如圖5（b）所示的位置.因此，經(jīng)過對M面綠十字像的各半調(diào)節(jié)，M面的綠十字像在上交點，而N面的十字像還在最初的位置.在M面對望遠(yuǎn)鏡高低螺釘?shù)恼{(diào)節(jié)和對載物臺螺釘?shù)恼{(diào)節(jié)對N面的綠十字位置產(chǎn)生的影響互相抵消.接下來，當(dāng)用望遠(yuǎn)鏡高低螺釘和載物臺螺釘3對N面的十字像進行各半調(diào)節(jié)時，雖然每一步操作都會對M面的十字像位置產(chǎn)生影響，但最終，類似上文所講的原因，對M面的十字像位置的影響會互相抵消.當(dāng)對兩面都進行了各半調(diào)節(jié)操作后，兩面的十字像都會處在叉絲的上交點.此時，望遠(yuǎn)鏡光軸垂直于分光計中心轉(zhuǎn)軸，載物臺平面與中心轉(zhuǎn)軸垂直.

通過上述教學(xué)過程，學(xué)生既能深刻理解原理，又能快速掌握調(diào)節(jié)方法，還得到了思維的訓(xùn)練.然后讓學(xué)生自己邊思考原理邊對相應(yīng)的螺釘進行調(diào)節(jié)，用理論指導(dǎo)實踐，教師同時巡回指導(dǎo)，促進學(xué)生知識到能力的轉(zhuǎn)化，提高學(xué)生實際解決問題的能力.學(xué)生在理解了這一原理后，在講解三棱鏡的調(diào)節(jié)時，就可以利用已有的知識，讓學(xué)生自主思考三棱鏡的調(diào)節(jié)方法.如：讓學(xué)生思考，為何要按照圖7所示擺放三棱鏡？AB光學(xué)面反射的綠色十字像的位置由哪兩顆釘決定？AC光學(xué)面反射的綠色十字像的位置由哪兩顆釘決定？在這一步驟，還需要進行各半調(diào)節(jié)嗎？如何調(diào)節(jié)，能夠簡單快速地將兩個光學(xué)面的反射像都調(diào)整到上交點？通過這些問題，培養(yǎng)了學(xué)生的思維能力和解決問題的能力，將理論知識與實際物理現(xiàn)象結(jié)合，也提高了學(xué)生的實驗興趣.

2 非平衡電橋測量熱敏電阻的特性參數(shù)實驗

在非平衡電橋測量熱敏電阻的特性參數(shù)實驗中，學(xué)生在實驗中，接好電路以后，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)滑動變阻器時，電流表的數(shù)值會有正負(fù)的變化.為了使學(xué)生理解實驗現(xiàn)象背后的物理原理，教師要先進行相應(yīng)的實驗理論講解.學(xué)生有相應(yīng)的知識儲備以后，再引導(dǎo)學(xué)生自己探究實驗現(xiàn)象.在圖8電路圖中，R1和R2為定值電阻，Rx為熱敏電阻，R3為滑動變阻器，G為電流表.實驗的要求是當(dāng)熱敏電阻的阻值Rx隨溫度發(fā)生改變時，電流表的示數(shù)Ig也發(fā)生變化，利用數(shù)字萬用表記錄不同溫度下對應(yīng)的Ig，可得到熱敏電阻溫度計的定標(biāo)曲線Ig-t；再反過來利用已記錄的Ig，把熱敏電阻換成電阻箱，通過調(diào)節(jié)電阻箱的阻值，使數(shù)字萬用表顯示相應(yīng)的Ig，從而測出對應(yīng)的Rx，得到Rx-t曲線，并根據(jù)數(shù)據(jù)組（Rx，T），由Rx=aecp（b/T）擬合得到具體熱敏電阻的特性參數(shù)a、b.

3 結(jié)語

本文以“分光計的調(diào)節(jié)”和“非平衡電橋測量熱敏電阻的特性參數(shù)”兩個實驗為例，講述了在大學(xué)物理實驗課的教學(xué)中，如何注重實驗原理的教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生思考實驗現(xiàn)象和實驗原理的聯(lián)系，促使學(xué)生積極動腦思考，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，促使學(xué)生由被動地接受知識轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥貙で笾R，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)、分析問題和解決問題的能力.教學(xué)實踐證明，學(xué)生能更深刻體會物理實驗的思想，覺得做完實驗有更大的收獲，教學(xué)反響好.

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