基于“線上—線下”雙模式結合的密立根油滴實驗教學方法

摘"要：密立根油滴實驗室高校大學物理實驗中具有重要意義的實驗，目的在于測量元電荷的數值，實驗設立旨在培養高校學生創新性的科研思維和嚴謹的科學態度。立足于目前密立根油滴實驗的教學現狀，本文提出一種基于“線上—線下”雙模式結合的密立根油滴實驗教學方法，首先通過線上實驗預習平臺，學生自主進行實驗的學習和演練。然后線下實驗授課平臺重點講解實驗原理、實驗注意事項和實驗數據的處理，充分培養學生的自主學習能力和動手能力。此外，本文創新性地提出一種“誤差反饋剔除法”對實驗所測的數據進行處理，此方法對受干擾的測量數據具有極強的魯棒性，實驗證明相比原有的倒推法，采用剔除法處理數據后實驗的精度有較大的提升。

關鍵詞：“線上—線下”雙模式；倒推法；誤差反饋剔除法

文獻標識碼：B

Abstract：Millikan"Oil"Drop"experiment"is"of"great"importance"in"the"university"laboratory"course，setting"up"to"measure"the"numerical"value"of"elementary"charge.The"experiment"aims"to"cultivate"the"innovative"scientific"research"thinking"and"rigorous"scientific"attitude"of"students.Based"on"the"current"teaching"status，this"paper"proposes"a"Millikan"oil"drop"experiment"teaching"method"based"on"the"combination"of"\"onlineoffline\""dual"mode.Firstly，students"can"independently"learn"and"practice"the"experiment"through"the"online"experiment"preview"platform.Then，the"offline"experimental"teaching"platform"focuses"on"explaining"the"experimental"principle，experimental"matters"for"safety"notes"and"experimental"data"processing，so"as"to"fully"cultivate"students'"independent"learning"ability"and"handson"ability.In"addition，this"paper"innovatively"proposed"an"\"error"feedback"elimination"method\""to"process"the"measured"data"in"the"experiment.This"method"has"a"strong"robustness"to"the"interfered"measurement"data.Experiment"show"that，compared"with"the"original"backward"induction"method，the"experimental"accuracy"of"the"data"processed"by"the"error"feedback"elimination"method"has"been"greatly"improved.

Keywords：\"Onlineoffline\""dual"mode；backward"induction；Error"feedback"elimination"method

1"概述

密立根油滴實驗是美國物理學家密立根設計的測量基本元電荷的實驗，此實驗驗證了電荷的不連續性以及基本元電荷的值，為物理學的發展奠定了良好的基礎，是高校物理實驗中較為重要的實驗［12］。目前高校所采用的密立根油滴實驗教學都是線下的實驗教學模式，受到課時的限制和教學設備的影響，課程時間只能保證完成實驗的操作部分。密立根油滴實驗設立的目的是希望學生能夠學習到一種從微觀到宏觀量測量的基本實驗設計原理和嚴謹的科學研究精神［3］。若是缺乏實驗原理的講解和減少誤差的數據分析過程，那么整個實驗就是為了完成實驗和為了測量數據，無法達到實驗教學的目的。

在此本文提出一種基于“線上—線下”雙模式結合的密立根油滴實驗教學方法。首先通過線上仿真平臺發布實驗的預習通知，設置預習題庫和預習組卷。預習成績合格的學生才可以進入線上實驗仿真平臺進行仿真實驗，完成線上仿真實驗后。然后學生通過課程教學安排進入實驗室完成基于DH0605密立根油滴儀的密立根油滴實驗操作部分，記錄實驗數據。另外，本文提出一種誤差反饋剔除法對所測量的時間數據進行處理，相較于傳統的“倒過來驗證”的方法［4］，誤差反饋剔除法能有效地剔除因實驗誤差所帶來的數據測量誤差，即剔除無效數據和干擾數據，大大提高了實驗的測量精度。線上—線下兩者相輔相成，培養了學生的自主學習能力和嚴謹的實驗態度，以此達到高校設立密立根油滴實驗的教學目的。

2"密立根油滴實驗操作步驟

2.1"線上預習平臺

傳統的實驗教學模式，學生直接進入實驗課堂進行時間。對于密立根油滴實驗而言，首先需要為學生講解密立根油滴的實驗原理，使學生理解測量量和所求量之間的數學推導關系，實驗前還需強調密立根油滴儀的使用和安全注意事項，然后逐步地演示實驗操作步驟。上述課堂步驟講解占據了大量的課堂時間，留給學生的動手操作實驗時間便會壓縮。如何熟練使用儀器進行實驗，如關鍵步驟的噴油霧、控制油滴、選擇油滴、正確測量油滴的實驗數據都需要學生花大量時間進行反復練習。如何正確處理油滴的測量實驗數據以達到最終的實驗目的也需要進行講解。想達到高校實驗教學的目的，亟須對課堂的90分鐘進行合理的規劃，使得學生的實驗重點偏重在學生實驗動手操作和自主探究而不是教師逐步講解，由此本文提出一種基于線上操作的預習平臺。

線上的實驗仿真平臺是線下實驗操作的預習演練，旨在通過實驗使學生基本掌握密立根油滴的實驗目的，并能熟練進行實驗操作。線上實驗操作的優點在于學生合理安排自己的時間進行重復多次實驗，多次的實驗過程不擔心安全問題和實驗設備的損耗，最終系統評定線上綜合成績合格的學生才可以進入線下實驗教學課堂。

2.2"線下實驗授課

線下的實驗授課重點集中在實驗中注意事項和測量完成后的數據處理過程，各高校實驗所需的密立根油滴不同測量的方法也不同［5］。總結為控制油滴從指定的位置下落指定的距離，記錄油滴經過圖2所示的下落距離所需的時間tf，為減少實驗誤差，對一個油滴進行多次下落記錄時間并計算平均值。

2.3"誤差反饋剔除法求解油滴所帶電荷量

實驗測量過程結束后需要對測量的時間數據進行處理，不管是靜態法還是動態法，油滴量計算依據都是測量所得到的時間。但是實際操作中測量過程會存在許多干擾因素導致測量的時間存在一定誤差，若是固定次數的時間中，多數的時間是存在偏差的，那么直接求時間的均值會導致最終所求的電荷量與實際電荷量有較大誤差［68］，如圖3所示。此時利用“倒推法”和“剔除法”求兩種情況下的元電荷個數、元電荷量和標準誤差如表1所示。可以看出，當測量的數據含有一定的干擾導致部分數據時，測量結果的誤差顯著增大。若是直接進行電荷量求解，最終測量結果精度不高，若想提高實驗測量結果的精度，必須對實驗數據進行處理以增強數據的有效性［910］。

因此本文提出一種“誤差反饋剔除法”來求解油滴所帶的電荷量。下面以靜態平衡法來說明如何利用所提方法求解電荷量，首先基于選定油滴來測定n組次下降時間tf=［tf1，tf2，tf3，tf4，tf5，…，tfn］，計算每一個下降時間所對應的電荷值q=［q1，q2，q3，…，qn］，利用“倒推法”計算出每個油滴對應的元電荷值em=［e1，e2，e3，…，en］和誤差σ=［σ1，σ2，σ3，…，σn］，其計算方式如下式所示。通過設置誤差閾值α，將誤差σ超出閾值所對應的電荷量從集合中剔除，將剩下的電荷量進行均值平均，然后進行元電荷的求解。

m=qe，其中m=1，2，3……j

em=qm

σ=em-ee

為驗證本文提出“誤差反饋剔除法”計算油滴帶電量的高效性，本文以實際中的測量時間樣本進行Matlab仿真訓練，本文選定20個油滴的15次實驗樣本數據進行仿真，實驗所用參數表如下：兩種方法計算所得元電荷與標準元電荷的實驗結果對比圖如下圖4所示，元電荷的誤差結果如表3所示。由圖4和表3可以看出，剔除法可成功將誤差超過閾值的測量數據從實驗數據樣本中剔除，相比直接進行倒推法求解，剔除法可有效解決實驗中因各種原因所導致的測量時間異常的問題，剔除異常數據后的測量時間樣本集合數據的有效性提高，得到的實驗精度有明顯的提高。

結語

本文提出一種基于“線上—線下”雙模式結合的密立根油滴實驗教學方法，考慮到線下課堂授課時間的限制，本方法將實驗的預習和演練部分放在課前階段的線上平臺進行，學生可進行重復多次的實驗操作，使得學生對實驗操作的熟悉程度提高，同時避免多次實驗儀器的損耗和可能的安全事故。學生自主安排預習實驗，授課教師則可根據系統統計數據和評分對學生進行考核。同時本文還提出一種剔除法對實驗測量的時間數據進行處理，對時間異常的數據通過誤差反饋進行判斷，將誤差閾值外的數據進行剔除，使得實驗過程中各種可能造成的誤差導致的異常數據不影響后續的計算結果，保證了時間測量樣本的有效性，極大地提高了實驗的測量精度，整個實驗過程極大地培養了學生的自主學習能力和嚴謹的科研精神。

參考文獻：

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［5］竺江峰.密立根油滴實驗儀：CN209015531U［P］.2019.

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［7］劉偉，郭立新，李江挺.基于MATLAB的密立根油滴實驗數據處理軟件［J］.西安郵電大學學報，2011（S2）：8587.

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［11］宋五洲.密立根油滴實驗數據處理［J］.大學物理，2005，24（12）：5758.

［12］袁哲誠，王寬亮，陸李威，等.密立根油滴實驗的數據處理方法研究［J］物理實驗，2019，39（5）：1316.

項目：武漢商學院校級教研項目，項目編號：2021N023，項目名稱：應用型課程建設的理論與實踐研究——以《建筑電氣》課程為例

作者簡介：魯迪（1992—"），女，漢族，湖北應城人，碩士研究生，實驗師，研究方向：大數據在智能電網中的應用，大學物理實驗教學研究；洪艷艷（1991—"），女，漢族，河南西華人，博士研究生，講師，研究方向：金屬材料變形機制、大學物理實驗教學研究。