武 翔, 李業(yè)鳳

(1. 電子科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院, 成都 611731; 2. 電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院，成都 610054)

大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)探究——以CD氣墊船為例

武 翔1, 李業(yè)鳳2

(1. 電子科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院, 成都 611731; 2. 電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院，成都 610054)

全國(guó)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽是一項(xiàng)面向本科生、以團(tuán)隊(duì)對(duì)抗為形式的全國(guó)性物理競(jìng)賽。針對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出了基于該項(xiàng)賽事的創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，嘗試?yán)迷擁?xiàng)賽事的先進(jìn)理念和獨(dú)特的競(jìng)賽模式進(jìn)一步完善大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。在分析國(guó)內(nèi)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)研究成果，以CD氣墊船為例，探究了該項(xiàng)賽事在題目分析，實(shí)驗(yàn)裝置制作，理論建模，實(shí)驗(yàn)對(duì)比，交流展示5個(gè)階段對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)，并同時(shí)闡明了教師的指導(dǎo)作用。教學(xué)實(shí)踐表明，該項(xiàng)賽事的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚣ぐl(fā)學(xué)生的參與熱情，培養(yǎng)學(xué)生自主系統(tǒng)地解決問(wèn)題的能力，強(qiáng)化參賽學(xué)生的理論水平和實(shí)驗(yàn)技能，提高動(dòng)手能力與合作交流能力，促進(jìn)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽; 創(chuàng)新能力; 自主學(xué)習(xí); 氣墊船

0 引 言

創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)是我國(guó)教育的重點(diǎn)，也是高校義不容辭的責(zé)任。我校長(zhǎng)期致力于本科生創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力、創(chuàng)新素質(zhì)的培養(yǎng)，取得了豐碩的成果[1-7]。但是，由于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程課時(shí)和設(shè)備的限制，教學(xué)方式主要采用老師講解和演示，學(xué)生在已準(zhǔn)備好的實(shí)驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行操作。這就使得部分優(yōu)秀同學(xué)的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰](méi)有得到充分拓展，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)受阻。

學(xué)科競(jìng)賽對(duì)大學(xué)物理及實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有促進(jìn)作用[8-11]，伴隨著全國(guó)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽(China Undergraduate Physics Tournament，CUPT)的興起，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心積極探索與CUPT相結(jié)合的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，加強(qiáng)本科生的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，逐步建立面向?qū)W生自主學(xué)習(xí)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。很多學(xué)者對(duì)CUPT對(duì)大學(xué)生的促進(jìn)作用進(jìn)行過(guò)研究[12-14]，但尚無(wú)針對(duì)一個(gè)題目，貫穿賽事始終的研究。本文以2015年CUPT第9題“Hovercraft”(中文名“CD氣墊船”)為例，分5個(gè)階段探究在結(jié)合CUPT的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)過(guò)程。

1 CUPT簡(jiǎn)介

CUPT自2010年開(kāi)始舉辦，是面向全國(guó)大學(xué)生的大規(guī)模競(jìng)賽，旨在鍛煉學(xué)生解決復(fù)雜科學(xué)問(wèn)題的能力，并且能夠針對(duì)這些問(wèn)題給出令人信服的解決方案。CUPT每年共17道賽題，均來(lái)自當(dāng)年的國(guó)際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽。題目均為開(kāi)放性問(wèn)題，要求學(xué)生自主確定研究方向進(jìn)行理論分析并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，最終以團(tuán)隊(duì)辯論的方式進(jìn)行比賽。

該項(xiàng)賽事至今已舉辦六屆，清華大學(xué)，北京大學(xué)，復(fù)旦大學(xué)，電子科技大學(xué)等40余所高校參加了比賽。我校多次取得全國(guó)一等獎(jiǎng)和二等獎(jiǎng)的好成績(jī)，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。

2 題目理解與分析

CUPT問(wèn)題均為開(kāi)放性問(wèn)題，沒(méi)有固定模式和唯一答案。學(xué)生首先需要從17道題目中選定一道自己感興趣的題目，然后分析問(wèn)題，自主確定研究方向。

CD氣墊船中文題目為：使用CD光盤和一個(gè)充滿氣的氣球制作一個(gè)簡(jiǎn)易氣墊船裝置，通過(guò)氣球放氣可以使氣墊船裝置以低摩擦狀態(tài)懸浮起來(lái)，探究相關(guān)因素對(duì)氣墊船低摩擦懸浮時(shí)間的影響。

由題意可知，該題研究對(duì)象為CD氣墊船，研究過(guò)程中通過(guò)放氣使CD氣墊船懸浮起來(lái)，要研究影響懸浮時(shí)間的相關(guān)參量。于是可以提出3個(gè)問(wèn)題：①低摩擦狀態(tài)是什么？②低摩擦狀態(tài)下裝置是否離開(kāi)試驗(yàn)臺(tái)？ ③對(duì)低摩擦狀態(tài)持續(xù)時(shí)間的影響因素有哪些？怎樣影響？

對(duì)于問(wèn)題①和②，可以通過(guò)設(shè)計(jì)預(yù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。問(wèn)題③是該題的核心問(wèn)題，噴出氣體體積，氣墊船質(zhì)量，噴氣口大小，氣墊船半徑，氣球材料，表面粗糙度，溫度，大氣壓強(qiáng)等都可能對(duì)懸浮時(shí)間造成影響，選擇可能作為主要影響因素且便于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的噴出氣體體積、氣墊船質(zhì)量、噴氣口大小、氣墊船半徑4個(gè)參量進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)探究。

在該階段，教師還應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生檢索并閱讀相關(guān)文獻(xiàn)。學(xué)生可以通過(guò)中國(guó)知網(wǎng)，萬(wàn)方數(shù)據(jù)，Web of science等相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)站進(jìn)行文獻(xiàn)學(xué)習(xí)，對(duì)已有的研究成果進(jìn)行了解并加深自身對(duì)題目的理解與把握。

學(xué)生在自主選擇和分析問(wèn)題，最終確定研究方向的過(guò)程中，從以往“模仿式”的物理實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)換到“自主式”的物理實(shí)驗(yàn)[15]。題目的研究?jī)?nèi)容由原來(lái)現(xiàn)成的，甚至答案唯一的模式轉(zhuǎn)換成了開(kāi)放式的，不設(shè)定具體參數(shù)的模式。這一模式的變換增強(qiáng)了學(xué)生自主思考問(wèn)題的能力，極大提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和參與性。

3 實(shí)驗(yàn)裝置制作及預(yù)實(shí)驗(yàn)

物理實(shí)驗(yàn)教師指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己選定的研究方向自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置也由學(xué)生自己制作和改進(jìn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置制作及預(yù)實(shí)驗(yàn)

CD氣墊船裝置的制作需要不同半徑的CD光盤，不同大小的氣球，塑料片，灌注器，水管接口，塑料管，美工刀，圓規(guī)，紙板，游標(biāo)卡尺，電子天平等材料和工具。

圖1為學(xué)生在比賽期間不斷改進(jìn)的3種版本的氣墊船裝置。先后克服了CD氣墊船懸浮狀態(tài)不穩(wěn)定，氣密性不好，尺寸參數(shù)難以改變等缺點(diǎn)。

圖1 不同版本CD氣墊船裝置

3.2 噴氣與否對(duì)低摩擦狀態(tài)的影響

根據(jù)在題目分析中提出的問(wèn)題①進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)。將兩個(gè)CD氣墊船放于相同實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，其中一個(gè)底部具有噴氣口，另一個(gè)不具有噴氣口。多次輕觸兩個(gè)裝置，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有噴氣口的裝置沒(méi)有明顯移動(dòng)，而具有噴氣口的裝置有明顯移動(dòng)，且撞到障礙物能夠反彈。

由此可以得知，在噴氣狀態(tài)下，CD氣墊船與實(shí)驗(yàn)臺(tái)摩擦力減小，形成低摩擦狀態(tài)。

3.3 低摩擦狀態(tài)是否離開(kāi)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

使用上述兩種CD氣墊船進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，用水平激光束照射裝置底部。發(fā)現(xiàn)噴氣的裝置在底部和另一端均能觀察到明顯的激光，而沒(méi)有噴氣的裝置幾乎沒(méi)有激光通過(guò)。

由此得到，噴氣的裝置底部形成一層氣墊，使裝置懸浮在實(shí)驗(yàn)臺(tái)之上，降低了裝置與實(shí)驗(yàn)臺(tái)的摩擦力，形成“低摩擦”狀態(tài)。

在實(shí)驗(yàn)裝置的制作和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)生需要自己尋找實(shí)驗(yàn)材料并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置制作和改進(jìn)。這需要充分調(diào)動(dòng)開(kāi)放性思維，多次嘗試不同實(shí)驗(yàn)條件，采用不同設(shè)計(jì)方案。這一過(guò)程不僅增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，而且培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

4 理論模型的建立與優(yōu)化

在以上階段，學(xué)生已經(jīng)確定了研究方向并且對(duì)問(wèn)題進(jìn)行了初步探究，逐步將對(duì)問(wèn)題的感性認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槔硇哉J(rèn)識(shí)。在此基礎(chǔ)上，教師指導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)進(jìn)行相關(guān)文獻(xiàn)的學(xué)習(xí)和理論模型的建立。由于推導(dǎo)過(guò)程較為繁瑣，且推導(dǎo)過(guò)程非本文研究重點(diǎn)，以下僅列出主要結(jié)論進(jìn)行討論。

氣墊船懸浮時(shí)相關(guān)參量(見(jiàn)圖2)之間的關(guān)系為[16]：

(1)

式中：μ為空氣動(dòng)態(tài)粘滯系數(shù)；m為裝置質(zhì)量；Q為流量；h為懸浮高度；R1為氣墊船半徑；R0為噴氣口半徑。

圖2 理論模型參數(shù)示意圖

將氣球底部與噴氣口連接部分視為一段中空細(xì)管。由于空氣的黏滯效應(yīng)不明顯，此處忽略其黏滯效應(yīng)并視其為不可壓縮，并且考慮氣球內(nèi)部壓強(qiáng)與體積的關(guān)系。得到噴出氣體流量與相關(guān)參量關(guān)系：

(2)

式中：ρ為空氣密度；V為氣球體積；V0為氣球橡膠膜未拉伸時(shí)對(duì)應(yīng)的體積；K為與氣球材料相關(guān)的常數(shù)，m為裝置質(zhì)量；g為重力加速度。

由式(2)可知，氣墊船懸浮過(guò)程中流量隨著氣球體積變化而變化，懸浮過(guò)程是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)過(guò)程。將非穩(wěn)態(tài)過(guò)程中的任一瞬態(tài)視為穩(wěn)態(tài)，則該瞬態(tài)的懸浮時(shí)間為該瞬態(tài)噴出氣體的體積與該瞬態(tài)對(duì)應(yīng)的流量的比值，但由于流量表達(dá)式中含有不可積分非線性項(xiàng)，不能得到非穩(wěn)態(tài)懸浮時(shí)間的解析解。故采用Matlab數(shù)值模擬得到不同初始條件下的懸浮時(shí)間，將其表示為圖3中理論值。

在此階段，學(xué)生需要針對(duì)自己的研究方向建立物理模型并提出合理的假設(shè)，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算與仿真工具軟件對(duì)自己的理論加以分析。這一過(guò)程能夠使學(xué)生將平時(shí)學(xué)習(xí)的理論知識(shí)與實(shí)際問(wèn)題相結(jié)合，學(xué)有所用，學(xué)以致用，在物理模型的完善過(guò)程中不斷強(qiáng)化自身系統(tǒng)化解決問(wèn)題的能力。

5 實(shí)驗(yàn)探究

學(xué)生經(jīng)過(guò)以上階段已經(jīng)完成了理論模型的建立與優(yōu)化，那么通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)自己的理論成果并將理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析就成為了實(shí)驗(yàn)探究階段的關(guān)鍵。

采用控制變量法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到懸浮時(shí)間分別與4個(gè)參量的變化關(guān)系如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)探究部分學(xué)生需要將自己建立的理論模型用科學(xué)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)，并通過(guò)比較理論與實(shí)驗(yàn)的偏差修正理論，再次討論理論模型中假設(shè)的合理性與偏差的來(lái)源。學(xué)生在此過(guò)程中質(zhì)疑和修正自己的理論模型，將會(huì)對(duì)自己的研究題目有更為深刻和更加全面的認(rèn)識(shí)，同時(shí)這一過(guò)程也培養(yǎng)了學(xué)生敢于質(zhì)疑，敢于創(chuàng)新的科學(xué)精神。

6 題目交流與展示

CUPT的學(xué)術(shù)交流以現(xiàn)場(chǎng)辯論賽的方式進(jìn)行，選手分別以正方、反方或評(píng)論方的方式參與題目的交流。正方以正方陳述的方式對(duì)題目和自己的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行匯報(bào)，反方對(duì)正方報(bào)告中的問(wèn)題進(jìn)行提問(wèn)并和正方進(jìn)行交流，評(píng)論方最后對(duì)正反雙方進(jìn)行提問(wèn)與點(diǎn)評(píng)。

在題目的交流與展示過(guò)程中，學(xué)生充分鍛煉了自己的溝通交流能力，團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力以及隨機(jī)應(yīng)變能力。這個(gè)過(guò)程也給同學(xué)們提供了相互交流，相互學(xué)習(xí)，相互促進(jìn)的機(jī)會(huì)。

7 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合CUPT的創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝻@著提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，動(dòng)手能力，創(chuàng)新能力，邏輯思維能力，數(shù)據(jù)處理能力，團(tuán)結(jié)協(xié)作能力以及溝通交流能力。對(duì)大學(xué)生的綜合素質(zhì)的培養(yǎng)大有益處。

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ExplorationonInnovativeExperimentBasedonChinaUndergraduatePhysicsTournament——AnIllustratingCaseofCDHovercraft

WUXiang1,LIYefeng2

(1. School of Mechatronics Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu, 611731, China; 2. School of Physical Electronics, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu, 610054, China)

China Undergraduate Physics Tournament is a tournament for undergraduate, is takes the team competition model. Facing on the teaching model of innovative physical experiment based on the current teaching condition, we attempt to further improve the teaching system of physics experiment in university by adopting the advanced ideas and unique pattern of this tournament. The effects of this tournament for undergraduate are explored by five stages, i.e., analyzing the question, making experimental apparatus, building theoretical model, experimental investigation, and discussion. Teaching experiment indicates that the innovative experiment based on tournament can stimulate participate enthusiasm of undergraduates, cultivate the ability of independent and systematical problem-solving for undergraduates, improve practical ability and cooperative ability for undergraduates, accelerate the process of cultivating innovative personnel.

undergraduate physics tournament; innovative ability; self-directed learning; hovercraft

G642.0

A

1006-7167(2017)11-0198-04

2016-10-17

武 翔(1994-)，男，云南昆明人，大學(xué)本科，第六屆第七屆中國(guó)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽隊(duì)員。

Tel.:18610562599；E-mail：wx121314@sina.com

李業(yè)鳳(1962-)，女，四川成都人，高級(jí)工程師，主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。Tel.:13881701921；E-mail: phycoll@uestc.edu.cn