基礎實驗與專題研究實驗的互動教學設計及應用
——以液氮比汽化熱測量實驗為例

王 瑗， 潘 葳， 黃學東， 余建波

（上海交通大學a.物理與天文學院物理教學研究中心，物理國家級實驗教學示范中心；b.教務處，上海200240）

0 引 言

大學物理實驗是高校理工科專業學生必修的一門重要的公共基礎實驗課。物理實驗中心是國家級教學示范中心，全年承擔著學校多個獨立教學單位開設的不同要求的大學物理實驗課教學內容，在面上開設的實驗課中，對全校工科、醫學院、密西根聯合學院、莫斯科航空班等教學單位完成一個實驗內容的課堂教學時間安排基本為3或4個學時，對物理系、致遠學院等完成一個實驗內容的課堂教學時間安排基本為6個學時。學校運行了10年的致遠榮譽計劃和開始了1年多的強基計劃把在本科教學中培養應對未來需求的多學科交叉的復合型創新人才作為了根本任務，著重研究、實踐著為本科生提供強基礎、重交叉、研究式學習的多種特色課程體系［1-2］。

物理實驗中心是學校本科教學的一個重要的基礎教學平臺，始終緊跟學校的發展步伐，積極研究、探索、引進多種先進的教學理念和教學方法，力圖在傳授知識的過程中進一步加強對每個學生發現問題、解決問題以及創造性思維等綜合性學習能力的培養［3-4］。“測量液氮比汽化熱實驗”是一個很有代表性的大學物理熱學實驗。液化氮氣（簡稱液氮）的沸點約-196℃（77.3 K），在壓強一定并保持溫度不變時，單位質量的液氮轉化為氣體所需吸收的熱量稱為它的比汽化熱L［5-7］，它是目前應用非常廣泛的一種制冷劑，在大學物理實驗中開設測量液氮比汽化熱的實驗具有非常重要的實際意義。

傳統的基礎實驗內容是將室溫下一定質量的紫銅樣品塊作為熱源投入到液氮測量桶中，通過計算機實時采集在它放熱過程中造成液氮快速汽化時產生的質量快速變化的數據曲線［8］，由此計算出液氮的比汽化熱L。

液氮實驗的現象和操作過程非常生動有趣，選課的學生很多，但很多學生做完實驗一段時間后腦中只留下液氮汽化時霧氣騰騰的情景，回想不出這實驗究竟在干什么。究其原因是學生在實驗中只是根據講義的內容在課堂上機械地執行完每個步驟，測出數據，經老師檢查無誤后就可以回去寫報告上交了，的確很難收到好的教學效果，這也迫使應該盡快改進現有教學方法，研究采用新的、合適的教學方法。國內一些高校的物理實驗室也在研究對該實驗的教學方法進行改進［9］。分析了這幾年國內高校各專業本科教學改革中應用比較多的各種教學改革方法，認為目前討論比較多的研究型教學方法是一種很好的教學方法［10-13］，尤其是專題研究型教學方法［14］，很適合引入到本科實驗課教學改革中來，各學校對這種教學方法的理解和進行的具體教學實踐過程雖然各有不同，但都有的共識是：專題研究教學方法就是針對教學過程中存在的一些突出需要解決的問題，運用科學方法，有目的、有計劃地去探索教學規律的研究活動，其根本目的是為了深化教學改革，提高教學質量。

在具體的實驗課教學中引進專題研究教學方法的前提必須是學生已經清楚知道該實驗原來的實驗目的是什么、基本原理是什么、儀器怎么使用、數據如何處理等等，并在實驗學時數夠多的條件下才能將專題研究教學方法引進課堂教學中來。為此，設計將基礎實驗與專題研究實驗有機組合互動教學的方法，在交大致遠學院的物理實驗課“測量液氮比汽化熱實驗”中進行實際應用，得到了學校和實驗中心在人力、財力、設備等方面的大力支持，也收到比較好的教學效果。

致遠學院完成每個物理實驗是6個學時，分兩次課來上。第1次課3個學時，要求學生學習、掌握基本實驗原理和實驗方法，完成數據采集測量軟件的編寫，在這個過程中教師引導學生邊做邊觀察，學生因此發現了很多對實驗有影響的問題，希望學生發揮他們的聰明才智，對實驗進行研究、改進。但有限的實驗課時間里學生只能研究、解決一些對實驗影響、干擾比較大的問題，教師就引導學生將問題歸成了幾大類，如：對質量的快速準確測量［15］；對液氮測量桶使用的材料、形狀及液氮裝入量的選擇；向液氮中投放熱量的樣品的材料、形狀的選擇；數據采集軟件的編程等，在每類問題中又可再進行細分。第1次課后學生自己選擇專題進行研究，實驗室提供各種條件配合學生研制新裝置、設計新的實驗方案。第2次實驗課也是3個學時，由于學生對基本實驗原理、要求、實驗儀器都很熟悉了，直接啟用自己改進后的方案來重新進行實驗操作，對自己的設計進行求證。無論實驗結果如何，這是學生自己在主動學習、研究，這是一種快樂的學習過程。它讓學生在實驗、研究、改進、再實驗的過程中真正地學到知識，這是最希望達到的教學目的。

本文以對液氮測量桶的內膽的改進這個專題為例，將基礎實驗與專題研究實驗在“測量液氮比汽化熱實驗”教學中有機組合互動的設計、開展過程做一下介紹。

1 基礎實驗內容和方法

目前在學校開設的該實驗中，要求學生用3種方法計算L：①用焓差計算；②用比熱容計算；③用德拜的固體比熱容模型計算。本文的計算分析以用比熱容計算方法為例。

圖1所示為實驗室測量現場裝置圖，圖2所示為實驗裝置基本框圖，實驗過程中計算機通過數據采集卡和學生自己編程的相關數據采集軟件同步實時記錄著重力傳感器傳來的相關實驗數據信息。

圖1 實驗室現場測量裝置圖

圖2 實驗裝置基本框圖

實驗過程為：①實驗開始要先前對重力傳感器用標準砝碼進行定標，求出該傳感器線性輸出的靈敏度K［13］，目前實驗室儀器配置比較合理，定標結果顯示在本實驗稱重范圍內所選用的傳感器的稱重質量與輸出電壓間的線性關系非常好［15］，因此在公式推導中將質量與相應的電壓信號可以直接進行轉換；②測量作為熱源的紫銅樣品塊質量，數據采集示意曲線如圖3所示；③測量裝有液氮的測量桶在放入銅塊前后質量變化情況，數據采集示意曲線如圖4所示。當液氮裝入測量桶后逐漸平靜時（圖4中ab段）將銅塊輕輕放入液氮中，計算機實時采集出液氮開始劇烈汽化（圖4中bc段）直至液氮再次平靜下來（圖4中cd段）這個過程液氮質量變化的數據曲線；④實驗結束后，在圖4中過線段bc的中點e作時間軸的垂線，與ab的延長線和dc的延長線分別交于f點和g點，為后期進行數據處理使用［15］。

圖3 計算機采集銅塊質量示意圖

圖4 計算機采集液氮汽化質量變化示意圖

實驗過程所用液氮的比汽化熱計算公式如下［7］：

式中：ΔQ為銅塊進入液氮后（bc段）放出的熱量，Δm（N2）為快速汽化的液氮的質量，實驗中室溫（RT）是13℃（286 K），計算公式推導參見文獻［15］。

在實驗過程中計算機實際采集到的是重力傳感器的輸出電壓U隨時間t的變化關系曲線，采集到的銅塊質量為m（Cu），圖3中B、C兩點對應的電壓分別為UB和UC，它們的關系式為：

因為實驗過程中（圖4中abcd段）始終有汽化到空氣中的液氮質量的損失，式（4）中的Δm（N2）是僅考慮銅塊進入液氮后釋放熱量引起的液氮質量變化量

式中，Uf和Ug分別為圖4中f、g兩點對應的電壓值。

將式（2）～（4）代入式（1）得：

將實驗中測得的UB，UC，Uf和Ug的數值代入式（5），即可求出液氮的比汽化熱L值。

2 引導學生發現問題進行專題研究

通過對前面基礎實驗內容的學習與實踐，學生理解了實驗原理，熟悉了測量儀器的使用，學會了數據采集與處理方法，此時教師及時引導學生對實驗過程再次進行回顧、分析，尋找出那些對實驗結果有明顯影響的、突出的、需要解決的問題，讓學生選出一個自己感興趣、短時間內有能力進行研究、改進、重新設計的問題進行專題研究。

本文以對實驗中使用的液氮測量桶的內膽材料所進行的專題研究、選材、設計、實驗為例，進行介紹。如圖1中所示，實驗中使用的重力傳感器稱重范圍是0～300 g，測量精度0.1 g，上面放置的液氮測量桶是我們自己用泡沫材料設計制作的，優點是質量輕、保溫隔熱好、容量大，對裝入其中的液氮能及時反應其輕微的質量變化，其中盛裝液氮的內腔是個頂端敞開的直徑約0.05 m、深0.13 m的空心圓柱體，圖2中h1是桶內液氮深度，h2是桶內液氮上表面到桶口的高度。為防止液氮從測量桶的泡沫縫隙向外滲漏，在桶內襯入了加厚的保鮮袋，將倒入的液氮與泡沫內壁實現了隔離。

最直接的辦法是引導學生分析實驗數據，以圖3和圖4的示意曲線為例，從中看出：在測量銅塊質量的過程中，由于銅塊質量是不變的，重力傳感器稱量又非常穩定，因此圖3中AB段和CD段是水平的；圖4中的ab段和cd段分別是裝有液氮的測量桶在放置銅塊前后在重力傳感器上處于相對平靜的兩段，發現這兩條線不是水平的直線，是隨時間增加而慢慢向下傾斜的，同學們知道傾斜的原因是桶中裝入液氮后，由于測量桶上面是開口的，液氮始終在不停地吸收空氣中的熱量轉化為氮氣造成的。現場對測量數據進行計算，結果與文獻［16］給出的液氮比汽化熱L的參考1.98×105J/kg總是有一定的明顯偏差。其誤差主要原因之一是與使用的液氮測量桶有關。

學生就對液氮測量桶進行了研究，發現存在以下一些主要的問題：

（1）實驗前液氮測量桶中內襯的保鮮袋雖已盡可能裝的與內壁靠緊，但它無法與桶內壁緊密貼合在一起，存在不少空氣泡間隙，實驗過程中不僅影響液氮急劇汽化時產生的振動向容器壁表面的全面傳遞，還會使冷凝水存在空氣泡間隙中無法散發，直接影響了對液氮質量的測量；

（2）實驗前檢查過保鮮袋是不滲漏的，但在實驗完成后發現有個別保鮮袋還是會出現一點點破損，原因可能是原來柔軟的保鮮袋接觸液氮后立即變的很硬，個別地方不牢就易破，或者是保鮮袋在桶內有不平的堆積，被實驗中落入的銅塊觸碰造成破損，這樣也會影響實驗數據的準確測量；

（3）同一個實驗臺，保鮮袋裝入的帖合程度不同時，測量的數據結果有所不同。

在發現了問題、又進行了分析的基礎上，就把實驗室現有的其他測量桶和正在設計的新測量桶都介紹給學生看，他們可以基于這些進行研究，也可以發揮他們的聰明才智，開動腦筋自己進行創新設計，需要的材料實驗室配合購買，希望在下次的實驗課上學生帶著自己改進后的方案、裝置來重新進行實驗研究，讓實驗效果更好、更完善。

3 制定新的方案重新進行實驗

學生動腦筋構思、設計了不少新穎的方案改進液氮測量桶，有用兩個直徑不同的塑料瓶套封在一起做成全透明的測量桶的、有想用3D打印的、有改進泡沫桶內壁材料的等。本文就以對基礎實驗中使用的泡沫桶的內壁材料進行新改進、新制作和實驗驗證為例進行介紹。

從上面分析可以看出原有用泡沫材料制作的測量桶的優點很明顯，解決存在問題的關鍵是找到合適的材料替換里面的保鮮袋。學生們經過反復試制，決定用以下幾種方式制作，然后經實驗比較確定出最佳方案。

（1）用薄塑料瓶做內膽。將一個與泡沫桶內經相同、高度比泡沫桶內腔高出1 cm的圓柱形平底薄塑料瓶緊密地插入泡沫桶中做內膽，上面開口處用膠將塑料瓶與泡沫桶密封好。

（2）給泡沫桶的內壁刷上膠做內膜，將液氮與泡沫隔離。試制中發現有些油溶性的膠會與泡沫材料起反應、溶解泡沫材料，不能使用。最后選了用常用的白乳膠、丙烯酸乳膠做成了兩種不同內膜涂層材料的測量桶。

第2次實驗課，學生帶著研制的新裝置進入實驗室，再次對液氮比汽化熱L進行測量，并對自己的設計進行檢驗。

在同一個實驗臺上用圖5中所示的4個測量桶依次進行實驗。首先用標準砝碼對重力傳感器進行定標，數據采集曲線如圖6所示；再測量本次實驗用的紫銅樣品塊的質量，采集到的數據曲線如圖7所示；然后開始用圖5中所示的4個測量桶依次進行測量，所用紫銅塊相同。經過前期的研究［17］發現，實驗時桶內裝的液氮液面高度h1居于桶的中間高度區域時測量L值效果最好，桶內深0.13 m，由于桶內液氮表面一直與空氣接觸處于汽化狀態，雖然桶的內壁都貼有精度為毫米的刻度尺，但也很難做到對液面高度進行精準讀數，就在中間區域對每個桶選三個h1值：0.05 m、0.06 m和0.07 m進行了測量。4個桶采集現場得到的數據曲線舉例如圖8～11所示。

圖5 實驗使用的不同材質內膽液氮測量桶

圖6 對重力傳感器定標

圖7 紫銅樣品塊的質量

圖8 保鮮袋內膽桶數據采集

4 實驗結果分析

數據用Origin軟件進行分析，圖12和圖13是將圖6中測量的紫銅塊放入液氮測量桶前后計算機采集到的數據進行線性擬合、分析的例圖。

圖12 紫銅塊質量數據線性擬合分析圖

圖13 銅塊進入液氮前后數據線性擬合圖

圖9 塑料瓶內膽桶數據采集

圖10 白乳膠內壁桶數據采集

圖11 丙烯乳酸膠內壁桶數據采集

以此類推，對圖8～11進行數據分析，結果代入式（5）中，計算得出表1所示不同材質內膽測量桶所測液氮的比汽化熱L值。

表1 4個不同材質內膽測量桶液氮比汽化熱的測量值

總體來看：

（1）新制作的2號、3號、4號桶在裝入液氮后內壁沒有出現剝落。在多次實驗的過程中都沒有出現液氮滲漏現象，說明選用的這些內壁材料是可行的。

（2）觀察發現新制作的2號、3號、4號桶實驗前后液氮損失都比原來1號桶少得多，比原來要節省很多液氮。

（3）將表1的數據與L的參考值198 kJ進行比較可以看出，用2號桶、3號桶、4號桶測量的L值都好于原來實驗室的1號桶的測量值，其中2號塑料瓶內壁桶更好些。

（4）實驗結束后再仔細查看桶的內壁，發現4號桶的內壁出現1～2條極細的裂紋，說明用塑料桶和白乳膠材料做內壁膜比用丙烯酸乳膠做內壁膜性能更好些。

（5）2號桶還有個很大的優點：如果在實驗中使用加熱的高溫電阻作為熱量樣品投放到液氮測量桶中，當碰到桶壁時1號、3號、4號桶都會被燙壞，但2號塑料瓶的內壁沒問題。

結果顯示用塑料瓶做內壁的液氮測量桶效果更好些。

通過上面的多次實驗和數據結果的分析比對，使學生對“測量液氮比汽化熱”的實驗有了深刻的印象，還學會了用實驗的方法分析、選擇合適的液氮測量桶，減小實驗誤差。

5 結 語

原本的大學物理基礎實驗“液氮比汽化熱測量實驗”習慣上以教師講授后學生按講義中規定的操作步驟進行物理實驗，但專題研究型教學方法的引入改變了這種僵化的實驗課教學和學習氣氛，它使教學與科學研究很好地結合了起來。

在扎實的基礎實驗的學習中，教師開始引導學生去發現、研究、解決影響實驗的一些關鍵問題，實驗明顯感受到學生用自己新設計的裝置和實驗方案進行實驗的成功所帶給他們的開心和喜悅，對學生思維能力、創新能力、動手能力、解決問題的實際能力和實事求是的工作態度得到很好的培養和鍛煉，既拓展了教學內容、活躍了教學氣氛，也收到了良好的教學效果。因此在基礎物理實驗教學中引入專題研究實驗的教學方法是值得肯定和推廣的。