周愛平

摘 要：針對傳統(tǒng)工科物理實驗教學(xué)對學(xué)生創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)不足的問題，本文提出了應(yīng)用PASCO物理實驗系統(tǒng)進行創(chuàng)新物理實驗教學(xué)的改革舉措，結(jié)合PASCO系統(tǒng)的基本特性，著重討論了該系統(tǒng)在教學(xué)中的優(yōu)勢和重要作用，探索出了有效可行的教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：PASCO系統(tǒng)；工科物理實驗教學(xué)；創(chuàng)新思維能力

中圖分類號：O4-4

1 引言

隨著時代的發(fā)展，大學(xué)工科專業(yè)的教學(xué)越來越重視對學(xué)生創(chuàng)新思維能力和動手操作能力進行培養(yǎng)，以期造就出一大批能夠根據(jù)生產(chǎn)需求研發(fā)新技術(shù)、新工藝和新產(chǎn)品的工程技術(shù)人員，從而滿足現(xiàn)代化建設(shè)的需要。大學(xué)物理實驗作為工科學(xué)生入校以來遇到的第一門實驗課程，不是簡單地對物理理論課程進行實驗延伸，而是針對工科學(xué)生的實驗技能和良好素質(zhì)的培養(yǎng)而獨立開設(shè)的，具有非常重要的作用。但由于條件的限制，我們長期以來一直采用傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方式，即教師講授實驗原理和測量方法，學(xué)生按部就班地操作并完成實驗報告。整個過程學(xué)生不需要多少思考，更不用說進行創(chuàng)新設(shè)計。同時，學(xué)生本身對這門課程也往往不夠重視，多是抱著應(yīng)付課程拿學(xué)分的態(tài)度，沒有多少興趣，積極性也不高。針對這種狀況，我們積極響應(yīng)學(xué)校關(guān)于加強實驗教學(xué)的號召，開展了物理實驗教學(xué)的創(chuàng)新改革。其中一個重要舉措，就是引入了美國PASCO公司開發(fā)生產(chǎn)的專門用于物理實驗的計算機數(shù)據(jù)采集與分析的系統(tǒng)，建立了PASCO物理實驗室，開設(shè)了創(chuàng)新物理實驗課程。

2 什么是PASCO物理實驗系統(tǒng)

該系統(tǒng)設(shè)備主要由各類傳感器、計算機接口系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與分析軟件三個部分組成。實驗中各物理量的實時數(shù)據(jù)可通過傳感器利用傳感技術(shù)轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)過計算機接口系統(tǒng)傳入計算機中，由此實現(xiàn)準確、高效的數(shù)據(jù)采集，最后通過Data Studio軟件對數(shù)據(jù)進行分析、處理和呈現(xiàn)。目前可選用的傳感器有力、運動、壓強、溫度、聲級、光、電荷/電壓/電流、磁場等50余種，采用純數(shù)字化信號，傳輸速度快。數(shù)據(jù)采集接口可根據(jù)需要采用不同的采樣速率，最高可達250kHz。而Data Studio軟件以圖表的形式可實時記錄并顯示物理量變化中的數(shù)據(jù)情況。除了與傳統(tǒng)實驗儀器結(jié)合使用，PASCO公司自身也開發(fā)了一系列配套的實驗項目，從普通物理的基礎(chǔ)實驗到近代物理的拓展課題實驗，涵蓋了典型物理課程的大部分內(nèi)容。相應(yīng)的儀器配件具有很強的組合性，可與其它的部件靈活組合出多個不同的實驗項目。

3 PASCO系統(tǒng)在教學(xué)上的優(yōu)勢

我們首先在13級電力專業(yè)學(xué)生的大物實驗課程中采用PASCO系統(tǒng)來進行試點教學(xué)。和之前操作傳統(tǒng)實驗儀器相比，學(xué)生的興趣明顯增加。PASCO系統(tǒng)不同于以往實驗的新儀器和新實驗方法引起了學(xué)生的好奇。他們不自覺地想去弄明白這些儀器是做什么用的、怎么操作、怎樣才能組合出一套完整的實驗裝置。但是，單純地靠實驗方法和儀器的新穎性只能短時間內(nèi)讓學(xué)生覺得新鮮。要激起他們對物理實驗持續(xù)的興趣并從中真正得到能力的鍛煉，需要我們對PASCO系統(tǒng)如何應(yīng)用于物理實驗教學(xué)之中進行深入的探索和思考。

目前，我們已順利搭建了PASCO系統(tǒng)物理實驗室，可開設(shè)牛頓定律、理想氣體定律、歐姆定律、光的干涉/衍射等幾十個實驗項目，包括了力、熱、光、電、磁和近代物理各方面，也是傳統(tǒng)物理實驗課程中常見的實驗項目。通過對比學(xué)生分別使用傳統(tǒng)儀器和PASCO系統(tǒng)設(shè)備的情況，可以看到PASCO系統(tǒng)在教學(xué)上的功能主要體現(xiàn)在：

（1） PASCO系統(tǒng)改變了數(shù)據(jù)的采集方式，使物理量的測量變得簡便

以往實驗中我們用儀器直接只能測出一些基本的物理量，其它很多物理量需要通過與若干個能直接測出來的物理量之間的函數(shù)關(guān)系才能計算出來。在這個過程中，需要掌握多種測量工具的使用，相應(yīng)的測量方案很復(fù)雜，數(shù)據(jù)計算過程也比較繁瑣。PASCO系統(tǒng)改變了這樣的測量方式，利用傳感技術(shù)，借助各類傳感器去直接采集實驗中各物理量的數(shù)據(jù)。特別是對于隨時間變化的物理量，能夠做到實時測量。比如，使用了PASCO系統(tǒng)裝置中的運動、位置和加速度傳感器后，物體的位移、速度和加速度可以很方便地在運動全程中被監(jiān)控。采用了PASCO系統(tǒng)后，不再需要諸多的儀器來配合測量，減少了對實驗裝置的要求，變間接測量為直接測量，簡化了操作步驟，降低了實驗操作的難度。

傳統(tǒng)實驗儀器很難或無法測量的物理量在采用了PASCO系統(tǒng)裝置后能夠很方便就測出來。這也拓寬了實驗?zāi)軌蜓芯康姆秶?。比如，傳統(tǒng)的單擺實驗主要是通過測量單擺周期和擺長來計算當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?。而利用PASCO系統(tǒng)儀器中的力和轉(zhuǎn)動傳感器，可以直接并連續(xù)地測量單擺運動的向心力和角速度的大小，直觀地看到向心力隨時間周期變化的趨勢，進而可研究向心力與質(zhì)量、角速度、轉(zhuǎn)動半徑之間的關(guān)系。

（2） PASCO系統(tǒng)利用計算機軟件對實驗數(shù)據(jù)進行處理和顯示，簡化了數(shù)據(jù)處理的過程

傳統(tǒng)實驗中，學(xué)生課后還要花大量時間來數(shù)據(jù)處理。這個過程不僅繁瑣耗時，還往往使學(xué)生形成了只要計算出最終結(jié)果實驗就完成了的錯誤認識，造成對實驗結(jié)果的分析和思考非常欠缺。采用PASCO系統(tǒng)后則可以改善這一狀態(tài)。該系統(tǒng)利用Data Studio軟件強大的分析工具來處理計算采集到的數(shù)據(jù)，最終的結(jié)果以圖表的形式同步顯示在計算機窗口中。這就使學(xué)生從繁重的數(shù)據(jù)處理工作中解放了出來。此時，可以引導(dǎo)學(xué)生將注意力轉(zhuǎn)向?qū)嶒灛F(xiàn)象的觀察和實驗結(jié)果的分析上 ，培養(yǎng)觀察和分析的能力。而且由軟件處理得到的結(jié)果保證了計算過程的準確性，更有助于學(xué)生對實驗結(jié)果作出正確的判斷。

PASCO系統(tǒng)直接圖表形式顯示最后結(jié)果的處理方式，可以給予學(xué)生生動直觀的感受。譬如，單縫衍射實驗，學(xué)生可以很方便地當(dāng)場觀察到衍射圖形，對實驗現(xiàn)象的理解也更為深刻。又比如，牛頓定律的實驗中，小車受到的外力和加速度之間的不僅有關(guān)系曲線描述，函數(shù)關(guān)系也直接被擬合出來。

（3） PASCO系統(tǒng)配套實驗部件種類多，可靈活組合，有助于設(shè)計型創(chuàng)新實驗的開設(shè)

PASCO系統(tǒng)開發(fā)的實驗項目涵蓋的物理范圍比較廣，配套的實驗儀器種類非常豐富。這些儀器部件由先進技術(shù)制成，構(gòu)造小巧精密，共用性強，單個部件可參與到同系列多個實驗中。最常見的就是各類傳感器的重復(fù)使用。例如，轉(zhuǎn)動傳感器可用在單擺向心力、轉(zhuǎn)動慣量、扭擺等一系列實驗中。此外，其它儀器的使用也不局限于單個實驗中。例如電學(xué)實驗中常用到的RC電路板，可用來研究電容器的充放電過程，也可用來驗證歐姆定律，還可以考察LRC諧振電路的電流電壓響應(yīng)以及基爾霍夫定律有效性的證明。

一些PASCO系統(tǒng)部件本身結(jié)構(gòu)設(shè)計得就非常精巧，集成度比較高，可以完成多種情況的測量。比如，PASCO系統(tǒng)提供的狹縫附件組，本身就包含了多種寬度和間距的單縫、雙縫和多縫，以及不同形狀的小孔。采用這一配件，不僅可以研究單縫衍射現(xiàn)象，還可以觀察雙縫和多縫的干涉現(xiàn)象。

PASCO系統(tǒng)部件強大的組合性，非常適合學(xué)生自己動手設(shè)計實驗，有利于創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。例如，利用PASCO干涉儀系統(tǒng)儀器，學(xué)生可以借助傳統(tǒng)實驗課上做過的邁克爾遜干涉儀實驗的知識，去測量空氣和玻璃片的折射率。這需要學(xué)生開動腦筋，查閱資料，制定測量方案，選擇合適的儀器部件搭建實驗裝置。

4 采用PASCO系統(tǒng)教學(xué)的方法

我們認為在所有實驗中都引入PASCO系統(tǒng)是不太現(xiàn)實且沒有必要的。PASCO系統(tǒng)操作簡便、儀器組合靈活的特點，更適合用于工科學(xué)生創(chuàng)新和實踐能力的培養(yǎng)上?；诖?，我們采取傳統(tǒng)實驗裝置與PASCO系統(tǒng)儀器結(jié)合使用、傳統(tǒng)實驗為主與PASCO創(chuàng)新實驗為輔的教學(xué)方式。學(xué)生在課程學(xué)習(xí)的前期需要以傳統(tǒng)的方式和實驗裝置來完成大部分的實驗，在后期則使用PASCO系統(tǒng)儀器來進行創(chuàng)新實驗項目的設(shè)計操作。其中，采用PASCO系統(tǒng)進行創(chuàng)新實驗教學(xué)的過程，我們大體上分為三步來實施：

第一步，讓學(xué)生了解如何使用PASCO系統(tǒng)來進行實驗操作，結(jié)合具體實物介紹PASCO系統(tǒng)各部件的工作原理和使用方法。再演示如何用PASCO系統(tǒng)完成一個簡單實驗的測量。通過這樣的講解和演示，使學(xué)生對PASCO系統(tǒng)有初步的認識。

第二步，讓學(xué)生根據(jù)在前期傳統(tǒng)實驗中已完成的實驗項目，結(jié)合現(xiàn)有的實驗裝置和PASCO系統(tǒng)設(shè)備，自主選擇實驗項目進行操作。通過動手操作來熟練掌握PASCO系統(tǒng)的使用方法，做到正確地采集和處理實驗數(shù)據(jù)。經(jīng)過這一步動手的訓(xùn)練，學(xué)生對PASCO系統(tǒng)加深了了解。

最后一步則是要求學(xué)生獨立完成一個實驗課題的研究，對學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力進行訓(xùn)練。學(xué)生根據(jù)已掌握的物理知識以及自行查閱各種資料，結(jié)合已有的儀器設(shè)備，確定實驗研究的對象，設(shè)計合理的實驗方法，制定詳細可行的實驗方案。在此基礎(chǔ)上動手操作，觀察實驗現(xiàn)象，獲得正確的數(shù)據(jù)結(jié)果并進行思考分析，得出現(xiàn)象背后蘊藏的規(guī)律并撰寫出完整的研究報告，最終完成課題研究。通過設(shè)計型創(chuàng)新實驗的訓(xùn)練，學(xué)生不僅了解到科學(xué)研究的基本方法，而且化被動為主動學(xué)習(xí)，養(yǎng)成了獨立思考的習(xí)慣，培養(yǎng)了探索的精神和創(chuàng)新的能力。

5 結(jié)語

PASCO系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)實驗儀器的數(shù)據(jù)采集和處理方式，使得其在物理實驗教學(xué)上表現(xiàn)出諸多的優(yōu)勢，有利于設(shè)計型創(chuàng)新實驗的開設(shè)。一年多來的試點教學(xué)研究表明，PASCO系統(tǒng)給物理實驗教學(xué)帶來了極大的便利，有助于工科學(xué)生主觀能動性的提升、科學(xué)探索精神和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。因而將PASCO系統(tǒng)引入物理實驗教學(xué)當(dāng)中是非常有必要且具有重要作用，符合現(xiàn)今教學(xué)改革的趨勢要求。

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