張 禮,左玉生，陳 杰,吳 弘

(1.東南大學成賢學院 基礎部物理實驗中心， 南京 210088； 2.東南大學 實驗室與設備管理處， 南京 210096)

獨立學院大學物理實驗預習系統(tǒng)開發(fā)與研究

張 禮1,左玉生2，陳 杰1,吳 弘1

(1.東南大學成賢學院 基礎部物理實驗中心， 南京 210088； 2.東南大學 實驗室與設備管理處， 南京 210096)

為提高獨立學院學生物理實驗的效率，培養(yǎng)高質(zhì)量應用型人才，提出一套大學物理實驗預習系統(tǒng)的設計，其包含引導類A系統(tǒng)和提高類B系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要通過Matlab的GUI界面演示預習過程、展示實現(xiàn)現(xiàn)象及進行數(shù)據(jù)處理，并通過單片機及外圍芯片實時測量和傳輸數(shù)據(jù)，展現(xiàn)實驗過程及數(shù)據(jù)變化趨勢。應用該系統(tǒng)引導學生準確理解預習規(guī)范，提升學生對操作過程的預判能力。實際教學證明，該系統(tǒng)對學生實驗起到了很好的輔助指導作用，明顯減少了學生實驗的誤操作，實驗效率顯著提升，重復實驗率大大降低；學生實驗報告中，因實驗數(shù)據(jù)測量錯誤導致的結果錯誤大幅減少，且實驗分析內(nèi)容有所增加，實驗分析質(zhì)量有明顯的深化和提升。

獨立學院； 大學物理實驗； 預習系統(tǒng)； Matlab； 圖形用戶界面

0 引 言

大學物理實驗是學生進入大學后接觸的第一門實驗課程，其學習過程包含課前、課堂和課后三部分組成，目前課前預習部分對學生的要求是通過充分的教材預習并寫好預習報告[1]。對于獨立學院的大部分學生，僅通過教材做書面預習，無法使學生比較清晰地了解實驗的具體內(nèi)容，且由于部分學生學習習慣較差，預習報告也經(jīng)常會出現(xiàn)應付教師檢查的現(xiàn)象，從而使預習流于形式，成為變相的“抄書”，導致課堂教學效率低，課堂實驗錯誤多，一些學生做完實驗都無法全面了解所做實驗，實驗報告問題較多，甚至出現(xiàn)因不了解而損壞設備的現(xiàn)象[2-3]。有些學生到畢業(yè)的時候大學物理實驗課程都無法拿到學分[4]。為了徹底改變這一存在已久的問題，開發(fā)了大學物理實驗預習系統(tǒng)，切合學校應用型人才培養(yǎng)的模式[5]。為切合獨立學院大學物理實驗教學工作的安排，本系統(tǒng)擬從A類和B類系統(tǒng)進行預習系統(tǒng)的開發(fā)與研究。其中A類系統(tǒng)為引導類系統(tǒng)，開設在大學物理實驗的第一學期，對應學生時間為大一下學期；B類系統(tǒng)為促進類系統(tǒng)，開設于大學物理實驗的第二學期，對應學生時間為大二上學期。

1 實驗預習系統(tǒng)總體設計

實驗預習系統(tǒng)的設計旨在引導學生從單純的教材預習轉變?yōu)閷嶒炇液徒滩念A習相結合的形式。

此前，學生的預習基本是通過對教材的閱讀來完成，此過程存在幾點不足：① 預習內(nèi)容太抽象；② 預習報告流于形式；③ 預習效果不理想[6]。

本設計擬從以下幾個方面進行實驗課程中預習部分的改革，并從教學大綱、教學內(nèi)容、成績給定等幾個部分進行保障。

(1) 引導學生進入實驗室預習。 較多的高校現(xiàn)在都推行網(wǎng)絡教學，從實驗的角度出發(fā)，網(wǎng)絡預習有比較好的效果，能夠引導學生利用實物的圖片及動畫和視頻初步了解實驗內(nèi)容及實驗目的。然而，對于我校學生的具體情況而言，應盡量引導學生進入實驗室進行預習，這樣不僅能對儀器從三維的角度來進行觀察，而且通過真實儀器與預習系統(tǒng)的配合能夠讓學生更加有直觀上的感受，更有利于實驗課程的開展[7]。

(2) 引導學生了解實驗原理。 學生在預習時，對實驗原理部分的掌握是最容易流于形式的抄寫，通過與學生的交流，很多學生雖然寫了實驗原理，但是卻不知究竟，歸其原因可能有以下兩點：① 理論教學部分尚未涉及到實驗所需的知識及內(nèi)容；② 對實驗過程中所述的較為復雜的現(xiàn)象無法進行思維分析?；谶@兩點原因，本實驗系統(tǒng)在設計時考慮將實驗現(xiàn)象或實驗結果以比較形象的方法先切入，學生通過實驗現(xiàn)象或實驗結果出發(fā)，回頭來對實驗原理部分進行預習，這樣可達到事半功倍的效果[8]。

(3) 引導學生了解實驗目的。 因大學物理實驗中的一部分實驗設計了比較巧妙的測量方案，導致有些學生在測量及計算的過程中過于注重過程計算量，而忽略了最終結果的求解，本系統(tǒng)在設計時考慮，一些結果可以一種并不是很精確的方法給出并引起學生對結果的注意[9]。

(4) 引導學生認識待測量及測量方法。 實驗課程的最終目的并不是要求學生學會物理量的測量，但是對待測量的了解卻是在預習過程中不可缺少的一個重要環(huán)節(jié)。課前，學生應很好地了解實驗目標、待測量、測量儀器、測量精度等。充分了解待測量后，學生在課堂聽講時才能對實驗原理及儀器設計的精度等有清晰的認知[10]。

本預習系統(tǒng)的組建通過Matlab及單片機等硬件實現(xiàn)，暫未推出網(wǎng)絡服務版，后期將逐漸完善?；趯Τ跗趯嶒為_設時學生對實驗過程不熟悉的情況，推出以現(xiàn)象、結果演示為主的A類大學物理實驗系統(tǒng)，基于對實驗過程及測量較為復雜的實驗進行更深入了解的要求及期望，推出以實驗過程、結果演示為主的B類大學物理實驗系統(tǒng)。

2 A類(引導類)預習系統(tǒng)

2.1方案論證

A類預習系統(tǒng)的主要作用是根據(jù)大學物理實驗緒論課后第一次正式實驗之前及之后的預習引導，針對學生剛參加實驗課，還不知道預習該如何操作的情況，設置與預習報告需要完成的任務相類似的實驗系統(tǒng)。預習實驗系統(tǒng)的步驟及順序：① 實驗名稱(系統(tǒng)中設定與教材相同的實驗名稱及章節(jié)，以供學生在目錄中快速查閱)；② 實驗目的(根據(jù)教材中提到的實驗訓練目的部分進行精簡，以簡潔文字的形式清晰明了的告知學生實驗的目的所在)；③ 實驗原理(實驗原理部分是實驗中所用到的物理原理以及儀器原理部分，篇幅較大，故在此處安排直接給出教材對應頁碼，引導學生直接進行教材和儀器的結合閱讀)；④ 實驗步驟(本部分通過簡潔有序的描述，簡要介紹學生在實驗過程中的操作程序，以加深學生對操作的了解，教材的實驗步驟部分描述會比較細致，而系統(tǒng)在本部分的描述旨在做全面系統(tǒng)的了解)；⑤ 實驗表格(本部分通過按鈕調(diào)用預習表格，這里的預習表格與教材中的實際實驗表格不同，此處的實驗表格旨在羅列出待測量，提高學生對待測量的進一步了解，避免在上課過程中出現(xiàn)的測錯、測漏等現(xiàn)象的發(fā)生)[11]。學生通過對該實驗系統(tǒng)的操作，了解預習的步驟，同時為增加學生對即將做的實驗有比較好的感性認識，在系統(tǒng)中可同時顯示實驗裝置的實際照片及實驗中即將看到的比較有趣的實驗現(xiàn)象，以此來引導學生認識裝置，提高興趣。

2.2A類系統(tǒng)示例

本系統(tǒng)以大學物理實驗中經(jīng)典的牛頓環(huán)實驗為例，軟件編程利用Matlab的GUI設計，初始界面如圖1所示。

在系統(tǒng)的界面右側，擬提供本實驗所用實驗儀器的實際照片，讓學生與儀器見“第一面”，有了圖形的印象后，學生會更加了解儀器介紹部分所介紹的內(nèi)容及結構。

A類系統(tǒng)界面中，安排了實驗結果或現(xiàn)象顯示按鈕，通過點擊按鈕，學生可以獲得在實驗過程中應該看到的實驗現(xiàn)象，目的是為了讓學生對該有的現(xiàn)象有第一印象和心里準備，同時也提高了學生儀器調(diào)節(jié)的目的性，避免盲目調(diào)節(jié)以及因對實驗現(xiàn)象不了解而找到的一些錯誤“現(xiàn)象”的情況發(fā)生。

圖1 牛頓環(huán)預習系統(tǒng)設計圖

2.3結果顯示

通過界面中的提示，學生按順序、步驟完成后，通過按鈕結果查看，實驗預習內(nèi)容也均應大致掌握，通過類似的1～2個預習實驗的練習，預習過程即可掌握得比較熟練。系統(tǒng)運行后的圖像如圖2～4所示。

圖2 系統(tǒng)運行圖

圖3 實驗現(xiàn)象調(diào)用圖

圖4 表格調(diào)用圖

3 B類(促進類)預習系統(tǒng)

3.1方案論證

B類預習系統(tǒng)應用于大學物理實驗(下)的教學過程中，即大學物理第二學期的教學過程。學生通過大學物理實驗(上)的學習，已基本了解學生實驗環(huán)節(jié)與過程，所以第二學期的實驗教學會提升學習的深度，采用更為深入的訓練方法來進行，第二學期的實驗難度會有所加大，大量的綜合性實驗會出現(xiàn)。學生雖然已經(jīng)對實驗過程了然于胸，但是對于綜合性實驗依然會有力不從心的感覺，綜合性實驗通過不止一項內(nèi)容及方法，或通過多個實驗儀器的結合，來獲得一個或多個結果，有時會使學生有思路不清晰的感覺[12]。

B類系統(tǒng)的主要目的是為了明確學生的實驗目的，理清操作思路，了解多個量之間的關系，做到在實驗中穩(wěn)步操作，以不變應萬變。本文在研究過程中采用實物與軟件結合的方式進行。

為了讓學生更清晰、直接地看到實驗過程中的現(xiàn)象，了解大致實驗情況，本系統(tǒng)擬采用實際儀器結合單片機測量數(shù)據(jù)并在電腦上顯示數(shù)據(jù)變化過程的方式給出。系統(tǒng)以最直觀的方式給定待測量，待測量在測量過程中的變化，待測量在變化過程中的規(guī)律。通過PC顯示出具體的數(shù)據(jù)點供學生查看，并完成數(shù)據(jù)的可計算結果[13]。

3.2B類系統(tǒng)示例

B類系統(tǒng)利用綜合性實驗金屬電阻溫度系數(shù)進行示例。本例中，首先，溫度數(shù)據(jù)的采集通過溫度傳感器18B20進行，利用單片機采集數(shù)據(jù)并傳送至上位機PC；電阻數(shù)據(jù)的采集利用恒流源進行電源供電，利用OP07運放對小電壓進行放大，其后通過PCF8591模數(shù)轉換芯片將數(shù)據(jù)傳送至單片機，再由單片機將采集到的數(shù)據(jù)同時傳送至上位機PC，其中溫度數(shù)據(jù)傳輸采用UART通信方式進行，電阻數(shù)據(jù)采集部分采用I2C方式進行。其次，硬件程序的編寫利用Keil軟件進行，采用C語言的編寫方式，再通過STC_ISP_V480軟件將所編程序燒錄至單片機中，然后通過改變待測電阻的溫度獲得變化的電阻數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，利用串口調(diào)試助手觀察其變化情況及具體數(shù)值。再次，編寫軟件程序，在前續(xù)工作完成后，PC串口通信部分通過Matlab里的serial函數(shù)建立串口對象，set函數(shù)設置串口屬性并定義回調(diào)函數(shù)，fopen函數(shù)來打開串口數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行采集。最后，設計界面，在界面中演示溫度在升溫過程或降溫過程中的溫度變化趨勢及電阻阻值變化趨勢，通過界面按鈕對數(shù)據(jù)進行取點，再通過所取數(shù)據(jù)點進行作圖；作圖后，利用Matlab軟件程序編寫計算出直線的斜率K，反向延長數(shù)據(jù)線獲得電阻對應的0 ℃電阻值R0，再通過R0和K及計算公式和polyfit函數(shù)獲得最終的金屬電阻溫度系數(shù)的大小。通過對本系統(tǒng)的使用，學生能夠清晰看見數(shù)據(jù)變化趨勢，提高感性認識，了解待測量、測量方法以及待測量之間的聯(lián)系，并深入了解各測量設備的選擇與使用[14]。

3.3結果顯示

接通電源后，打開單片機工作電源，打開電阻測量的工作恒流源，PC開始接受數(shù)據(jù)并顯示，其中溫度、電阻部分以300 s為一個周期，循環(huán)記錄測量數(shù)據(jù)并顯示于GUI界面中，學生可從此變化過程看到電阻隨時間的變化，溫度隨時間的變化，形成直觀概念。雖然教材中介紹了很多復雜的儀器設備和實驗原理，但目的是為了測量這兩個較為熟悉的物理量，通過對實時溫度框和實時電阻框的觀察也能夠大致得出簡單規(guī)律。

數(shù)據(jù)測量范圍從室溫至大于95 ℃即可，測量可通過升溫或者降溫兩種方向進行，若測升溫，加熱電流不宜過大；若測降溫過程，則可大電流加熱至100 ℃左右，再緩慢降溫，根據(jù)儀器的設計要求，須降溫至20 ℃以下。

達到上述要求后，可獲得電阻和溫度關系圖，如圖5所示，系統(tǒng)中按照實際獲得結果的順序將結果獲得過程分為4步：① 作圖點獲取(包含獲得選取的作圖點及直線獲得)；② 獲取R0(即圖形的截距，系統(tǒng)所選為Cu50電阻，實際實驗所用電阻與之不同)；③ 獲取K(及圖示中斜率的大小)；④ 獲取溫度系數(shù)(及本實驗的最終結果)。通過以上4個步驟的訓練，學生可以較為清晰地了解實驗報告中圖示的大致形態(tài)，最終結果的求解以及為獲取最終結果前期需要獲得的數(shù)值[15]。

圖5 金屬電阻溫度系數(shù)計算圖

4 結 語

本文提出的A類和B類兩大實驗預習系統(tǒng)，目前已應用于成賢學院課程中，平均每位學生的實驗室預習時間為20～30 min，開設過程中有答疑教師，以保證預習系統(tǒng)的正常使用和學生的問題答疑。

與使用前的情況相比較，使用后的效果比較理想，大部分學生對實驗的興趣增加，對實驗的操作更為順暢，同時對實驗的理解深度有所增加，部分學生通過預習系統(tǒng)的使用，提出了較多有深度的想法及設計。下一步，將擴大系統(tǒng)的受益面，增加適應不同專業(yè)的預習系統(tǒng)，拓展系統(tǒng)的使用廣度與深度。

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Development and Research of Preview System of College Physics Experiment in Independent Colleges

ZHANGLi1,ZUOYusheng2,CHENJie1,WUHong1

(1.Physics Experiment Center,Southeast University Chengxian College,Nanjing 210088,China；2.Office of Laboratory and Facility Management,Southeast University,Nanjing 210096,China)

We introduce a college physics experiment preview system in order to improve the physical experiment efficiency and achieve the goal of training high quality applied type talents in independent college.This project contains two parts: A system for guiding and B system for increasing.We bring the process and trend of the experiment from using SCM and peripheral control unit for real time measurement and transmission,and use GUI of Matlab to demonstrate preview processing,experiment phenomenon and data processing.Through the use of the system,we can guide students to understand the experimental specification correctly,promote anticipation of operation processing and sublimate application ability of students.

independent college; college physics experiment; preview system; Matlab; graphical user interface (GUI)

2016-09-07

東南大學成賢學院教改項目(物理實驗中心應用型人才培養(yǎng)之“賽、創(chuàng)、?！甭?lián)動模式探究：yjg1501)

張 禮(1982-)，男，江蘇揚州人，碩士，實驗師，主要從事物理實驗教學及實驗室建設工作。E-mail：116955271@qq.com

O 4-33

：A

：1006-7167(2017)07-0203-04