全國大學生物理實驗競賽(創新)自選類比賽的思考與總結

何九寧,鄧邦林,田榮剛,劉 雙

(成都理工大學 數理學院,四川 成都 610059)

在當今科學技術快速發展的時代,培養創新能力和實踐技能已成為大學教育的重要目標. 為推動學生在物理領域的創新能力和實驗技能的培養,全國大學生物理實驗競賽(創新)應運而生. 該賽事為大學生提供了全面發揮個人才能、挑戰創新極限的平臺[1-4],旨在通過實驗設計與探究來培養學生的科學研究能力和解決問題的能力. 該競賽能夠讓學生親身經歷科學探索的過程,培養學生的觀察力、實驗設計能力和團隊合作精神,進一步提升物理實驗教學質量和高素質創新人才的培養質量[5-8]. 此項賽事于2020年首次舉辦,競賽分為“命題類創新作品”“自選課題類創新作品”和“大學生物理實驗講課比賽”3個類別. 筆者團隊已連續2屆參加該競賽,并取得了出色的成績,積累了一定的競賽經驗. 在第7屆競賽(創新)中,筆者團隊共有5支代表隊參賽,獲得一等獎3項、三等獎1項和優秀獎1項. 在第8屆競賽中,筆者團隊再次獲得一等獎3項,二等獎和三等獎各1項. 本文主要針對競賽第2類別——自選課題類創新作品,從研讀比賽細則標準、構思參賽作品、體現特色和亮點、數據智能化采集等環節總結了此類賽事的參賽經驗,對如何高效且有針對性地完成參賽作品進行了具體論述.

1 研讀比賽細則標準

參賽前要仔細研讀組委會制定的比賽細則. 自選類題目分為2類:a.實驗儀器制作和改進;b.物理教學資源的開發. 實驗儀器制作和改進類題目要求參賽作品能夠提升物理實驗教學效果或儀器性能,提交的作品在實際操作中應具有可調控的實驗過程和直觀可測的參量,以便實驗者對內容有更清晰、直觀地理解和掌握. 此外,作品還要使物理圖像和規律更加直觀,具有拓寬研究和應用范圍的作用.

例如,筆者團隊在第7屆比賽中提交的作品“渦旋電流制動裝置”(圖1),是研究渦流制動的原理與效果的實驗教學儀器. 在該作品中,首先進行了儀器的建模與搭建,并提供了詳細的設計說明,確保參賽評委和觀眾能夠清晰地理解儀器的結構和工作原理. 隨后,對影響渦流制動效果的5個關鍵參量進行了實驗研究,包括磁鐵間距、銅盤厚度、制動方向、制動桿個數等,觀察到這些參量對渦流制動效果的直接影響,進而深入揭示了渦流制動現象的本質. 此外,該作品借助清晰的物理圖像使得物理規律更加直觀,拓寬了渦流現象的研究和應用范圍.

圖1 渦流制動裝置

再如,筆者團隊在第8屆比賽中提交的作品 “電磁場分布的測定與分析系統”(圖2),通過將自動化數據采集與測量結果可視化相結合,成功解決了傳統物理實驗中電磁場圖像不清晰的問題. 該作品突出了電磁場的測量與分析,為學生提供了更直觀、清晰的電磁場圖像. 在該作品中,首先通過精確的實驗設計和儀器搭建,實現了對電磁場的測量. 然后,將測量到的數據以圖像形式展示,并通過自動化控制程序實現了圖像的實時顯示和調節. 該設計能夠讓學生直觀地觀察和分析電磁場的分布情況,更好地理解電磁現象的本質和規律,更深入地理解電磁場的特性,并能夠通過調整實驗條件和參量來觀察電磁場的變化趨勢. 這種直觀的呈現方式有助于提高學生的實驗參與度和學習效果.

圖2 電磁場的測定裝置

物理教學資源的開發類題目要求實驗設計者在對有關教材內容有了更深地理解和掌握后,對相關內容有自己獨特的見解,并能夠利用信息技術開發具有良好教學效果或參考價值的教學資源. 在完成此類作品時務,必做到物理原理正確,且能夠啟發學生獨立思考,激發學生進一步學習和探究相關內容的興趣.

此外,參賽前還要認真學習組委會制定的作品評審標準. 參賽隊伍需提供完整的參賽資料,包括教學資源設計報告、PPT、介紹視頻等,明確了解自選類比賽的形式和視頻剪輯的要求,尤其是視頻剪輯的要求和時長,如果不仔細研讀可能會違規扣分甚至被判出局. 2022年,大學生物理實驗自選類競賽評審分5個評價維度、11個評分標準,共計100分.

1)科學性:選題有意義、物理原理正確;設計思路清晰、技術方案合理有特色;參賽文檔及視頻質量高. (30分)

2)創新性:選題內容是以往教學實驗中缺少但有益學生長遠發展的方向. (10分)

3)學生參與程度:學生的貢獻比例,且在文檔中有明確說明. (10分)

4)先進性:演示操作熟練且規范;測量準確、精度高及可行性論證充分;預期教學效果良好. (30分)

5)現實意義:實驗裝置簡便,易于操作;推廣價值高;作品的成熟程度. (20分)

2 確定選題角度

按照競賽要求構思參賽作品題目是非常重要的步驟. 自選類競賽的選題相對開放,參賽隊伍可以根據不同的思路和實踐經驗確定作品題目.

2.1 改進和應用傳統實驗項目

該類選題有2個關鍵點需要注意:a.創新的實驗裝置設計和改進;b.實驗參量的可調控和直觀可測性. 在創新的實驗裝置設計和改進方面,可以考慮對傳統光學實驗裝置進行改進,以提高測量精度或者拓展實驗功能. 例如,通過引入新的材料或優化結構設計,可以減少實驗誤差并提高測量精度. 另外,可以增加附加組件或改變光路布局拓展實驗功能,使其具有更多的研究或應用價值. 而在實驗參量可調控和直觀可測的設計中,可以考慮設計具有可調控參量的實驗裝置,使實驗者能夠直觀地觀察和測量實驗過程中的關鍵參量. 通過調節這些參量,實驗者可以實時觀察到參量變化對實驗結果的影響,從而深入理解物理原理. 以上的改進和設計思路將有助于提高實驗效果和教學價值.

2.2 虛擬仿真和課件開發

此類選題可考慮采用虛擬仿真技術開發交互式的物理實驗模擬軟件以及制作教學課件和動畫. 例如,可以開發模擬電路實驗的虛擬實驗室,讓學生能夠在計算機上進行實驗操作和觀察. 虛擬實驗室能夠提供安全、可控的環境,讓學生通過模擬實驗來理解物理原理和實驗過程. 同時,學生可以根據自己的興趣和需求調整實驗參量,加深對物理概念的理解. 通過制作富有創意和互動性的教學課件和動畫,可以向學生展示物理概念和現象激發學生的學習興趣和獨立思考能力,讓學生更好地理解抽象的物理概念,并進行實際的應用和探究.

2.3 科研成果轉化

參賽團隊可以基于指導教師的科研項目將科研成果轉化為實驗裝置或應用,展示其在物理教學中的應用價值. 或者應用科研成果中的新理論、新方法或新技術,對傳統實驗進行改進,從而使實驗結果更加準確、可靠.

2.4 深化和拓展學術競賽內容

參賽選手可以以中國大學生物理學術競賽(CUPT)相關內容為基礎進行深入研究和拓展,將其作為選題的切入點. 例如,在光學競賽項目的基礎上,可以設計出更復雜的實驗裝置,以進一步研究光的干涉和衍射. 通過增加實驗的廣度性和深度,參賽選手可以探索更深層次的物理現象和理論,并展示出對光學領域的深入理解和創新思維. 這種深化和拓展的研究方向可以為競賽作品帶來更高水平的學術價值和創新性.

3 裝置設計與搭建

大學生物理實驗競賽(創新)自選類作品的實驗屬于綜合設計性實驗,沒有內容詳盡的標準教材可供參考,需要充分發揮參賽選手的主觀能動性和科學探索精神. 從調研參考文獻、擬定實驗方案、開展預實驗、購買實驗耗材、設計搭建實驗裝置,再到開展實驗、采集并分析實驗數據,以及撰寫實驗報告和錄制視頻,該過程模擬了科學實驗的全過程. 整個過程要求競賽指導教師和參賽隊員具備扎實的基礎知識、實驗技能和有效的科學方法,同時要具備團隊合作、創新思維和解決問題的能力,這也對指導教師和參賽隊員提出了更高的要求.

特別在裝置設計與搭建的環節中,為確保實驗裝置的科學性和實用性,在正式搭建實驗裝置前,應首先開展預實驗以驗證相關猜想的可行性. 開展預實驗可以幫助學生了解實驗中可能出現的問題,并采取適當的措施進行改進. 其次,在正式搭建裝置前應利用計算機輔助設計軟件進行裝置模擬搭建. 通過3D建模和虛擬裝置搭建,可以模擬實驗裝置的搭建和運行過程,并進行結構優化和參量調整(圖3). 裝置的虛擬搭建環節能夠使學生能夠更好地理解實驗原理和實驗過程,從而在實際搭建中減少誤差和時間成本. 因此,通過預實驗和虛擬搭建環節,學生能夠在實驗設計階段發現潛在問題并進行改進,提高實驗的準確性和可行性.

圖3 電磁場測定裝置的預實驗與虛擬搭建

圖4 數據采集系統模塊

4 體現特色和亮點

在設計實驗時,參賽選手可以著重考慮設計自動化數據采集系統和可視化系統,以展現其創新和特色. 自動化數據采集系統和可視化系統相較于傳統的人工采集和處理方式具有較多優點. 首先,自動化數據采集系統能夠顯著提高數據采集的準確性和可靠性. 通過實時采集數據,避免了人工記錄中可能存在的誤差和遺漏的問題,確保了數據的精確性和可信度. 其次,自動化數據采集系統能夠極大提升數據采集的效率,節省時間. 學生能夠專注于實驗操作和結果分析,而不必花費過多時間在數據記錄上. 這些優點能夠使學生更加便捷、準確地獲取和分析實驗數據,提高數據處理和科學思維能力. 因此,自動化實驗數據采集系統和可視化系統在教學改革中具有重要的應用價值和意義. 下面以筆者團隊在第8屆比賽中的獲獎作品 “電磁場分布的測定與分析系統”為例,詳細介紹自動化數據采集和可視化過程.

4.1 數據采集系統

在搭建電磁場測定與分析裝置的電機電路子系統時,采用了INA219電壓檢測模塊、Arduino UNOMEGA2560 R3開發板、V-154限位開關、42步進電機、A4988及CNC 拓展板和同步帶輪組等組件組成數據采集系統模塊,如圖 4 所示. 電場可視化使用的探測裝置為鉑材質mm級探針,穩恒磁場可視化使用的探測裝置為3個正交放置的霍爾元件,同步帶輪組、電機和限位器可直接控制探針的移動.

單片機由 PC 端供電,使用 Arduino 的IED 編寫程序后,單片機接收并儲存 PC 端輸入的控制程序, 并為 CNC 拓展版提供上升沿信號和步進方向信號. 探測裝置將探針收集到的信號傳到INA219 電壓檢測模塊,進行模數轉化,信號由模擬量轉為十六進制的數字量后傳輸到單片機上,再通過串口通信將數據傳輸到 PC 端進行處理,電路圖如圖5所示.

圖5 電機電路系統運作示意圖

4.2 可視化系統

可視化系統是“電磁場分布的測定與分析系統”作品的重要組成部分,它能夠將采集到的電磁場數據轉化為直觀的圖像,以便學生更好地理解和分析實驗結果. 在該系統中,首先通過Arduino開發板將采集到的數據導入Excel表格;其次,使用Python編程語言讀取并處理Excel表格中的數據,并利用Python自帶的數據庫(如NumPy和SciPy庫)[9-10]進行數值計算、統計分析和擬合;最后,繪制圖像,將靜電場和穩恒磁場測量結果的趨勢和關系進行可視化展示.

圖6展示了在長方體容器的水環境中,2根尺寸相同的銅棒(20 cm×0.9 cm)被固定成“=”形,施加6 V電壓時,通過本系統測量得到的電場分布結果.

圖6 電場測量結果與仿真結果對比圖

圖7展示了在長方體容器中,通過本系統測量得到的圓柱形磁鐵在空氣環境中的磁場分布情況.

圖7 磁場測量結果與仿真結果對比圖

5 結束語

全國大學生物理實驗競賽(創新)對教學改革和學生發展具有重要的影響和啟示. 參與競賽的學生通過全面而深入的實踐鍛煉,提高了實驗技能和創新思維能力,不僅可以讓學生在實驗操作和數據處理方面取得顯著進步,還加深了學生對物理學科的理解,團隊合作和交流增強了學生的協作能力和溝通能力. 競賽的舉辦促進了實踐教學的重視和推廣. 高校對競賽給予了高度關注,并提供了更優質的實驗設備和充分的資源支持,從而為學生創造了良好的實踐環境. 競賽進一步促進了跨學科合作,培養了學生的綜合能力和創新思維,推動了學科之間的交叉融合. 競賽鼓勵學生獨立思考、設計實驗方案,并將所學的理論知識應用到實踐,在解決實際問題的過程中探索物理學的前沿領域. 這種培養學生探索和創新意識的方式為學生未來的科學研究和應用能力奠定了基礎.