姚 勇，宋文博，馬 欣，王湘川，張懷作，楊 軍

（西南石油大學(xué) 理學(xué)院，四川 成都 610500）

尋找物理實(shí)驗(yàn)共性，提高教學(xué)效率

姚 勇，宋文博，馬 欣，王湘川，張懷作，楊 軍

（西南石油大學(xué) 理學(xué)院，四川 成都 610500）

為了挖掘?qū)嶒?yàn)課中的存在共性，使被討論的共性更加具體化，該文從原理、儀器、數(shù)據(jù)處理等多方面進(jìn)行了詳細(xì)的探討，首先分析了目前物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教學(xué)效率不高的原因，然后從多個(gè)方面來分析實(shí)驗(yàn)課中存在的共性，提出了從共性出發(fā)，顧及個(gè)性來提高教學(xué)效率。實(shí)踐表明，使用這樣的教學(xué)方法提高了教學(xué)效率，同時(shí)提高了學(xué)生知識(shí)的遷移和動(dòng)手能力。

物理實(shí)驗(yàn)；共性；教學(xué)效率；遷移

物理實(shí)驗(yàn)是大學(xué)本科獨(dú)立的、必修的課程，是提高動(dòng)腦和動(dòng)手能力的一門重要的基礎(chǔ)課程。每個(gè)高校都為此配備了很多儀器和師資，但是并沒有達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果，教學(xué)效率不高。多篇文獻(xiàn)探討了如何提高教學(xué)效率［1－3］，如提高師生的教學(xué)積極性，充分運(yùn)用多媒體和計(jì)算機(jī)技術(shù)等。筆者就實(shí)驗(yàn)本身來思考這個(gè)問題，提出實(shí)驗(yàn)的共性是提高教學(xué)效率的一個(gè)重要因素［4］。

1 目前存在的問題

在日常實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中，學(xué)生會(huì)接觸到不同的實(shí)驗(yàn)。每次實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容對(duì)學(xué)生而言，都是全新的。面對(duì)每一個(gè)新實(shí)驗(yàn)，很多學(xué)生會(huì)畏首畏尾，不敢大膽做實(shí)驗(yàn)。即使他們做好課前預(yù)習(xí)和聽課，做完實(shí)驗(yàn)，面對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，無從下手，不敢處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以他們的學(xué)習(xí)效率不高。造成這個(gè)現(xiàn)象的原因是學(xué)生缺乏對(duì)新儀器的了解，缺乏對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的把握，缺少做實(shí)驗(yàn)和處理數(shù)據(jù)的流程，即缺乏經(jīng)驗(yàn)或者把握實(shí)驗(yàn)的共性等。

2 發(fā)掘物理實(shí)驗(yàn)中的共性

2.1 發(fā)掘儀器和實(shí)驗(yàn)操作共性

很多儀器在設(shè)計(jì)和操作方面都具有相同的地方。如光的干涉相對(duì)于其他光學(xué)實(shí)驗(yàn)而言，是一個(gè)簡(jiǎn)單入門型的光學(xué)實(shí)驗(yàn)，授課時(shí)可以優(yōu)先放在前面。在光的干涉實(shí)驗(yàn)中，移測(cè)顯微鏡具有普通光學(xué)儀器的標(biāo)準(zhǔn)配置，如目鏡、物鏡、調(diào)焦手輪、讀數(shù)裝置、定位叉絲等。如何使用，比如調(diào)焦，調(diào)焦原理是什么；調(diào)目鏡，調(diào)節(jié)目鏡的目的是什么；如何調(diào)節(jié)十字叉絲清晰；什么是視差，如何判斷視差，如何消除視差等［5］。這些對(duì)于其他光學(xué)實(shí)驗(yàn)都具有的共性，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中都要講清楚，以至于能讓學(xué)生很好地過渡到其他光學(xué)儀器。如何保護(hù)光學(xué)儀器，如手不能碰光學(xué)面，否則會(huì)污染光學(xué)面，降低成像質(zhì)量；遇到光學(xué)面上有灰塵，應(yīng)該用擦鏡紙擦拭；如何拿光學(xué)儀器都應(yīng)該做示范，同樣具有共性。對(duì)于那些電學(xué)儀器，比如如何打開與關(guān)閉電源來保護(hù)儀器，在做實(shí)驗(yàn)時(shí)如何保護(hù)儀器，如何連接電路等［6－7］。這樣的共性實(shí)驗(yàn)很多，引導(dǎo)學(xué)生思考，把以前學(xué)過的知識(shí)遷移過來，比較和實(shí)踐，舉一反三，增加學(xué)生的使用儀器的經(jīng)驗(yàn)。

2.2 發(fā)掘科學(xué)地測(cè)量數(shù)據(jù)的共性

如何科學(xué)地測(cè)量數(shù)據(jù)，也是學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)中必須考慮的問題。測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)該考慮適當(dāng)采取措施來減小誤差。如拉伸法測(cè)鋼絲的楊氏模量是一個(gè)稍微復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，為了減小誤差，需要測(cè)量較多的數(shù)據(jù)［8］。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，先加砝碼記錄讀數(shù)，再減砝碼記錄數(shù)據(jù)，最后用逐差法再次處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)減小摩擦和拉伸滯后導(dǎo)致的誤差。這種思想可以用到很多實(shí)驗(yàn)來減小誤差，在授課時(shí)講清楚逐差法使用條件，在以后的實(shí)驗(yàn)中通過點(diǎn)撥，引導(dǎo)學(xué)生使用［9］。如利用焦利秤來測(cè)量水的表面張力系數(shù)，固體膨脹系數(shù)測(cè)量，還有利用光的干涉來測(cè)量薄凸透鏡的曲率半徑等實(shí)驗(yàn)中到可以這樣測(cè)量數(shù)據(jù)來減小誤差。再如，在分光儀的實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)游標(biāo)同步讀數(shù)，再取它們的平均值，達(dá)到消除偏心差效果。這樣的測(cè)量方法同樣適用具有轉(zhuǎn)軸類儀器讀數(shù)，它們都具有共性。在測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生，讓他們思考前面實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)方法，在新的實(shí)驗(yàn)中，提出科學(xué)的測(cè)量數(shù)據(jù)方法，從而達(dá)到好的測(cè)量結(jié)果。

2.3 發(fā)掘?qū)嶒?yàn)作圖共性

圖解法是一種常見處理數(shù)據(jù)的方法，因?yàn)樗苤庇^，甚至可以處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以在這里單獨(dú)討論一下。有的同學(xué)認(rèn)為圖解法比較簡(jiǎn)單，打點(diǎn)連線就可以了。實(shí)際上，要想做出滿意的圖形，科學(xué)打點(diǎn)和作圖工具是必需的。如普朗克常量測(cè)定是一個(gè)較多用圖解法處理數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)。使用圖解法來精確測(cè)量遏制電壓，一般做法是在暗電流曲線與光電流曲線交點(diǎn)附近取更多點(diǎn)且點(diǎn)之間的步長(zhǎng)較小，這樣使用交點(diǎn)法測(cè)得的遏制電壓就很精確。這里體現(xiàn)了在數(shù)據(jù)關(guān)鍵地方的附件需要作很多點(diǎn)來使曲線更光滑，體現(xiàn)測(cè)量變量們之間的關(guān)系。這些思想在授課中應(yīng)該交代清楚，并且遷移到其他實(shí)驗(yàn)。如描繪霍爾電壓和磁場(chǎng)的關(guān)系，燃料電磁的伏安特性曲線，還有光敏電阻的光電流和光照度的關(guān)系。這些實(shí)驗(yàn)在作圖時(shí)，都需要找到拐點(diǎn)，然后在拐點(diǎn)附近多做點(diǎn)，且點(diǎn)之間的步長(zhǎng)應(yīng)該很小。這樣作圖以后，圖形自然精確了。學(xué)生一旦找到這些共性后，經(jīng)過老師點(diǎn)撥，就會(huì)自己思考這些問題，并想辦法如何處理數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化能力得到提高。

2.4 發(fā)掘數(shù)據(jù)處理共性

實(shí)驗(yàn)做完以后，如何處理數(shù)據(jù)，如何選擇處理數(shù)據(jù)方法，如最小二乘法、平均法、圖解法及計(jì)算不確定度等。對(duì)于大量數(shù)據(jù)處理，大部分學(xué)生感到比較困難。為了讓學(xué)生消除數(shù)據(jù)處理的恐懼，應(yīng)多舉例子，不同數(shù)據(jù)處理方法適應(yīng)不同實(shí)驗(yàn)，尋找處理數(shù)據(jù)共性。如使用最小二乘法來計(jì)算普朗克測(cè)量和固體膨脹系數(shù)是比較合適的。學(xué)生熟悉以后，可以自行選擇處理數(shù)據(jù)方法，同時(shí)也建議使用計(jì)算機(jī)軟件來處理其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，特別是將來面對(duì)大量數(shù)據(jù)時(shí)。在圖解數(shù)據(jù)時(shí)，盡量推薦學(xué)生使用計(jì)算機(jī)軟件來作圖，如origin、excel等。如在普朗克常量測(cè)定實(shí)驗(yàn)中也可以通過origin擬合來得到普朗克常量［10］。在其他實(shí)驗(yàn)中，如求斜率，固體膨脹系數(shù)測(cè)定、霍爾效應(yīng)等實(shí)驗(yàn)中都可以使用origin擬合。對(duì)于計(jì)算不確定度，可以遵循相同的計(jì)算過程，如可以畫出計(jì)算流程圖，讓學(xué)生根據(jù)流程圖來計(jì)算不確定度，這樣有助于學(xué)生熟悉和理解不確定度。

2.5 發(fā)掘?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)共性，為學(xué)生展示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想

學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，有時(shí)會(huì)感到困惑，感到無從下手。這里討論不確定度在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。不確定度是實(shí)驗(yàn)中的重要概念，告訴學(xué)生可以使用不確定度這個(gè)強(qiáng)大的工具來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，選擇合適的測(cè)量工具。如圖1所示，是個(gè)經(jīng)典測(cè)量例子，要求測(cè)量某箱體零件的軸心距離L。

圖1 測(cè)量軸心距離

有3個(gè)測(cè)量方案，

Looking for the Generality of Physics Experiment to Improve the Teaching Efficiency

YAO Yong，SONG Wenbo，MA Xin，WANG Xiangchuan，ZHANG Huaizuo，YANG Jun
（School of Sciences，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

In order to excavate the common characteristics of the experimental class，and make the discussion more concrete，this paper makes a detailed discussion from the principle，instrument，data processing and so on.This paper firstly analyzes the reason of the low efficiency of teaching in physics experiment，then analyzes the commonness in the experimental class from many aspects，and put forward starting from the common point and take into account the personality to improve teaching efficiency.Practice shows that the use of such a teaching method does improve the efficiency of teaching，at the same time，improve the migration of students knowledge and ability.

physics experiment；generality；teaching efficiency；migration

O4－33

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.043

2015－04－07；修改日期：2016－10－27

姚 勇（1977－），男，碩士，講師，主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的工作。