基于培養研究型創新能力的大學物理實驗教學探索

劉宇 徐江龍 劉寧 何玉平 聶招秀

[摘 要]當前大學生參與創新訓練計劃及學術科技作品競賽等項目日趨盛行，結合大學物理實驗實踐性課程的特點，文章開發一種非稱重實驗方法，并自制簡易滑輪裝置來精確測量螺帽質量。通過引導學生設計非稱重法測量質量的實驗方案并自制儀器，極大地調動學生學習物理的積極性，培養學生的研究型思維能力和創新能力，且有利于提高大學物理實驗教學質量。

[關鍵詞]研究型;創新能力;自制儀器

[基金項目]2018年11月南昌工程學院教學改革研究課題“研究型隨堂演示實驗在大學物理教學中的應用與探討”（2018JG042）;2017年11月南昌工程學院教學改革研究課題“大學物理演示實驗開放模式的探討與實踐”（2017JG048）;2019年12月南昌工程學院“挑戰杯”大學生課外學術科技作品競賽項目資助“基于無粘結劑一體化電極的水系超級電容器”（201947）

[作者簡介]劉 宇（1985—），男，江西萬載人，博士，南昌工程學院理學院講師，主要從事大學物理及大學物理實驗教學與研究。

[中圖分類號] G434 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2020）47-0-02 [收稿日期] 2020-05-27

一、引言

如何全面提高教學質量這一核心任務，培養學生的綜合素質尤其是創新能力，是各高校面臨的迫切問題[1]。物理學是一門以實驗為基礎的學科，是學生進行科學實驗訓練的基礎，對培養學生創新意識和創新能力起著不可替代的作用[2]。實際基礎實驗教學中，本科學生很難接觸到科研項目，但借助大學生創新訓練項目及課外學術科技競賽等，參與成員能對科學問題的研究方法、思路方案及流程等方面有一個深入的了解，同時學生能夠參與設計并自制實驗儀器裝置，一定程度上培養自己的研究型創新能力和實踐動手能力[3]。

本文以帶領學生參加江西省大學生物理創新大賽開放實驗試題為例，開發一種非稱重實驗方法，通過全程參與設計及自制儀器，激發學生學習物理的積極性，培養學生的研究型思維能力、創新能力和實踐動手能力。

二、實驗要求

使用自制非稱重簡易裝置以及米尺、游標卡尺，秒表三種可測量數據的儀器，自行設計一種非直接稱重裝置，用實驗方法測量出待測螺帽質量。自制裝置不得自帶任何稱重儀表（包括彈簧秤、天平、壓力傳感器等可直接顯示質量的表盤），可以自帶已知質量的物體（如砝碼等）。要求寫出相關的實驗原理和測量方法，自擬數據處理方法算出螺帽質量。

三、實驗思路

在上述的要求中，我們需設計一個簡易方便測量數據和計算的一個實驗，保證在誤差允許的范圍內測量出螺帽的質量。考慮到待測物體為質量較小的螺帽，自制彈簧的勁度系數難以保證測量精度，而排水法和簡諧振動周期法則需要較復雜的儀器裝置和較長的實驗時間。因此，我們團隊采用自制簡易滑輪裝置來有效測量出螺帽的質量。

四、實驗過程

（一）實驗儀器

支架（鐵架臺）、滑輪、細繩、米尺、秒表、已知質量的砝碼若干、待測螺帽。用支架和滑輪組裝成如圖1所示的自制儀器裝置，該裝置底部相對穩定，頂部兩根螺栓可調節滑輪的高度和滑輪的長短，整體裝置簡易、組裝起來相對容易。

（二）實驗原理及方法步驟

1.根據力學知識可知力與加速度有關，利用該滑輪裝置使物體從合適高度落下，用米尺量出靠近滑輪物體底端到地面的豎直距離h。選取長度合適的細繩跨過滑輪，兩端分別固定物體（砝碼和待測螺帽），固定好后一只手拿著秒表，另一只手將較輕一端緊貼地面，保持細繩直立，待裝置整體穩定。此時放開按住物體的手的同時另一只手開始用秒表計時，待物體下落地面立即暫停計時，所用時間為t。這樣我們就可以求得物體下落的加速度a=2h/t2（物體下落過程中忽略空氣阻力影響）。但是滑輪與細繩之間存在摩擦，產生阻力矩，并且滑輪本身的轉動慣量也會影響實驗的準確性，因此還要考慮這些因素的影響。所以我們須求出滑輪本身的轉動慣量J以及摩擦阻力矩N。

2.由上述方法分析可知，我們要先用已知質量砝碼進行求解J和N。如圖2實驗原理示意圖所示。

假設m0=20g，m1=10g，通過上述方法多次實驗（減少誤差）可得每次的加速度，取加速度平均值為a1。由牛頓第二定律和剛體定軸轉動定律可得：，令A=，B=，將A，B兩個系數帶入到上述式子當中，可得等式：

3.在第2步過程中我們已經求出滑輪本身的轉動慣量和摩擦阻力矩，隨后將對實驗提供的螺帽進行測量。保持m0不變，在實驗前將待測螺帽與m0進行簡單的定性比較，可將待測螺帽和m0分別與細繩固定，放到滑輪上兩端進行觀察哪端下落，由此快速判斷待測螺帽與m0的大小關系，同理可用不同質量的砝碼與待測螺帽進行比較從而簡單判斷待測螺帽的質量范圍。

4.若mx>m0，則（mx-m0）g-Aa3-B=（mx+m0）a3，代入已知A，B，求得mx=，若mx

五、實驗結論

通過上述方法求出待測螺帽的質量，與螺帽實際質量對比，算出實驗誤差，在誤差允許的范圍內可認為準確測量出螺帽的質量。對于用滑輪法來測量螺帽的質量，在既滿足實驗要求的前提下，設計的非稱重裝置簡便易組裝，實驗原理簡單，過程簡潔明了，能夠較快地測量出螺帽的質量，測量準確性高且具有普適性。本文自制儀器非稱重法榮獲2019年江西省大學生物理創新大賽開放實驗一等獎。

六、結語

南昌工程學院大學物理省級實驗教學示范中心以社會對人才需求為背景，從研究型人才的培養目標出發，探索創新研究型教學模式。通過全程參與設計及自制儀器，重在培養學生的研究型思維能力、創新能力和實踐動手能力，我們將不斷提高教學質量，使大學物理實驗在培養創新人才方面發揮更大作用。

參考文獻

[1]王銳柯，阮揚，趙雅詩，等.大學生創新實驗項目對促進自身能力培養的幾點認識[J].科技風，2019（26）：218+220.

[2]朱盼盼，王旗.以創新能力培養為目標的大學物理實驗教學改革[J].大學物理實驗，2017，30（3）：146-148.

[3]武櫟楠，楊昌海，張召.大學生開放創新實驗實踐與探索[J].高教學刊，2018（9）：44-46.

Abstract： At present， college students' participation in innovative training programs and academic science and technology works competitions is becoming more and more popular. Combined with the characteristics of the practical course in college physics experiments， this paper develops a non-weighing experiment method and a self-made simple pulley device to accurately measure the quality of nuts. By guiding the students to design the experiment scheme of non-weighing method to measure the quality and to make the instruments themselves， the enthusiasm of the students to study physics is greatly aroused， the research-oriented thinking ability and innovation ability of the students are cultivated， and the quality of college physics experiment teaching is improved.

Key words： research-based; innovation ability; self-made instrument