●張志芹

(武警學(xué)院基礎(chǔ)部，河北廊坊 065000)

針對(duì)基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，加強(qiáng)對(duì)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的研究和開發(fā)，對(duì)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新能力有很大的作用。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是以基本知識(shí)、基本方法、基本技能的靈活運(yùn)用和提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，激發(fā)創(chuàng)新精神為目的的—種教學(xué)實(shí)驗(yàn)。這類實(shí)驗(yàn)課程具有以前實(shí)驗(yàn)的延續(xù)性、綜合性、典型性、探索性和部分設(shè)計(jì)性任務(wù)。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的是提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)素質(zhì)和科學(xué)研究能力，進(jìn)行創(chuàng)造性能力的培養(yǎng)。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是教師提出實(shí)驗(yàn)課題和研究項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)室提供條件。學(xué)生自行推證有關(guān)理論，自行確定實(shí)驗(yàn)方法，自行選擇和組合配套儀器設(shè)備，自行擬訂實(shí)驗(yàn)程序和注意事項(xiàng)等。做出具有一定精度的定量的測(cè)試結(jié)果。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的要求是在完成設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程中，充分反映自己的實(shí)際水平與能力，力求有創(chuàng)新。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的核心是設(shè)計(jì)、選擇實(shí)驗(yàn)方案，并在實(shí)驗(yàn)中檢驗(yàn)方案的正確性與合理性，設(shè)計(jì)時(shí)一般包括:根據(jù)研究的要求、實(shí)驗(yàn)精度的要求以及現(xiàn)有的主要儀器，確定應(yīng)用原理，選擇實(shí)驗(yàn)方法與測(cè)量方法，選擇測(cè)量條件與配套儀器以及測(cè)量數(shù)據(jù)的合理處理等。在進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)考慮各種誤差出現(xiàn)的可能性，分析其產(chǎn)生的原因，以及從眾多的測(cè)量數(shù)據(jù)中檢驗(yàn)系統(tǒng)誤差的存在，估計(jì)其大小并消除或減小系統(tǒng)誤差的影響。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的一般程序是:確定實(shí)驗(yàn)方法→選擇測(cè)量方法→選擇實(shí)驗(yàn)儀器→確定測(cè)量條件與最佳參數(shù)→擬定實(shí)施方案→實(shí)驗(yàn)操作→處理數(shù)據(jù)→撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

1 最優(yōu)化原則確定實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)所研究的題目，查閱有關(guān)資料收集各種可能的實(shí)驗(yàn)方法，一般的，同一個(gè)研究題目有多種實(shí)驗(yàn)方法，例如重力加速度的測(cè)量方法有單擺法、復(fù)擺法、自由落體法和氣墊導(dǎo)軌法。各種方法均有優(yōu)缺點(diǎn)，這要根據(jù)研究的要求和實(shí)驗(yàn)精度要求進(jìn)行綜合分析與比對(duì)。根據(jù)一定的實(shí)驗(yàn)原理，確定被測(cè)量與可測(cè)量之間的關(guān)系，推證出有關(guān)測(cè)量公式，通過分析與對(duì)比，比較各種方法可能引起的系統(tǒng)誤差以及將采用的消除方法，同時(shí)考慮測(cè)量的精確度，選擇出一種實(shí)驗(yàn)上可行、實(shí)驗(yàn)條件允許、能夠保證測(cè)量精度的最佳方案。

2 誤差最小原則選擇測(cè)量方法

實(shí)驗(yàn)方法選定后，為使各測(cè)量量的結(jié)果不確定度最小，需要進(jìn)行不確定度來源及不確定度傳遞的分析，并依據(jù)提供的儀器，確定合適的測(cè)量方法。例如用單擺法測(cè)量重力加速度(如圖1所示)，在測(cè)量擺長(zhǎng)時(shí)，有三種方法，即:，其中和用毫米刻度的米尺進(jìn)行單次測(cè)量，D用0.1mm的游標(biāo)卡尺進(jìn)行多次測(cè)量，測(cè)量結(jié)果的B類不確定度為由不確定度計(jì)算可得三種方法的不確定度分別為:(1)為0.042cm;(2)和(3)一樣0.061cm?？梢?，采用方法(1)的不確定度最小，因此應(yīng)用(1)測(cè)量和計(jì)算擺長(zhǎng)。

圖1

3 誤差均分原則選擇測(cè)量?jī)x器

在選擇測(cè)量?jī)x器時(shí)，應(yīng)考慮儀器的分辨率、精確度、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性。由有效數(shù)字運(yùn)算法則可知，所選測(cè)量?jī)x器的測(cè)量精度(有效數(shù)字位數(shù))應(yīng)大致相同。比如，測(cè)量擺長(zhǎng)時(shí)，用米尺就能達(dá)到測(cè)量精度要求，就不要用游標(biāo)卡尺;測(cè)量時(shí)間用秒表能夠滿足精度，就不要使用數(shù)字毫秒表。

為了合理使用儀器，達(dá)到相應(yīng)的測(cè)量精度，在選擇儀器時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，兼顧儀器的等級(jí)和量程，使儀器的量程略大于測(cè)量值即可。例如，待測(cè)電流為60mA，現(xiàn)有0.5級(jí)量程為300mA和1.0級(jí)量程為75mA的兩塊電流表，用0.5級(jí)的表測(cè)量時(shí)，其儀器示值誤差限為:，誤差限值的相對(duì)值為;用1.0 級(jí)的表測(cè)量時(shí)，其儀器示值誤差限為。比較其結(jié)果可見，由于待測(cè)量的量值與儀器的量程不匹配，用0.5級(jí)的表測(cè)得的結(jié)果反而不如1.0級(jí)的表好。

4 最有利原則確定測(cè)量條件與參數(shù)

確定測(cè)量的最有利原則，就是確定在什么條件下進(jìn)行測(cè)量引起的誤差最小，根據(jù)高等數(shù)學(xué)知道，這個(gè)條件可以由各自變量對(duì)誤差函數(shù)求導(dǎo)等于0得到。如用單擺測(cè)重力加速度時(shí)，選用的實(shí)驗(yàn)裝置必須滿足:球要小，使小球可看成質(zhì)點(diǎn);線要輕，可忽略擺線質(zhì)量;擺角要小，以滿足公式的要求。

5 最詳細(xì)原則擬定實(shí)施方案

按所選的物理模型及實(shí)驗(yàn)方法，畫出實(shí)驗(yàn)原理圖。擬定詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟:包括儀器的安裝、調(diào)整、實(shí)驗(yàn)操作的先后次序，數(shù)據(jù)記錄的方法等。列數(shù)據(jù)表格:數(shù)據(jù)表格是實(shí)驗(yàn)者在做實(shí)驗(yàn)時(shí)將所測(cè)試的數(shù)據(jù)記錄在案的—項(xiàng)重要依據(jù)。列出所用器具詳細(xì)清單，包括儀器名稱、規(guī)格、使用條件等，以備組配實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)查對(duì)。同時(shí)記錄好環(huán)境條件如日期、天氣、氣溫、氣壓、溫度等。

6 數(shù)據(jù)處理及撰寫報(bào)告

數(shù)據(jù)處理及撰寫報(bào)告一般應(yīng)包括5個(gè)部分:(1)引言:簡(jiǎn)明扼要的說明實(shí)驗(yàn)的目的要求、內(nèi)容及對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)。(2)實(shí)驗(yàn)方法描述:介紹實(shí)驗(yàn)基本原理，簡(jiǎn)明扼要地進(jìn)行公式推導(dǎo)，簡(jiǎn)述基本方法、實(shí)驗(yàn)裝置、測(cè)試條件等的選擇。(3)數(shù)據(jù)及處理:列出數(shù)據(jù)表格，進(jìn)行計(jì)算及不確定度處理，給出最后結(jié)果。(4)實(shí)驗(yàn)總結(jié):評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果;分析實(shí)驗(yàn)過程中觀察到的異?，F(xiàn)象及其可能的解釋;分析誤差來源及消除措施;詳細(xì)介紹實(shí)驗(yàn)中遇到的故障及解決的辦法;也可以對(duì)實(shí)驗(yàn)方案及其改進(jìn)意見進(jìn)行討論;還可以談實(shí)驗(yàn)的心得體會(huì)等等。(5)參考資料。

由于物理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容十分廣泛，實(shí)驗(yàn)的方法和手段非常豐富，同時(shí)還由于誤差的影響是錯(cuò)綜復(fù)雜的，是各種因素相互影響的綜合結(jié)果，因此要很概括地分析或總結(jié)出一套實(shí)驗(yàn)方案的選擇和系統(tǒng)誤差分析的普遍適用的方法是不現(xiàn)實(shí)的。筆者在這里根據(jù)多年的學(xué)習(xí)和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，就如何做好設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)談一些想法。