張春華

(滄州師范學(xué)院 物理與信息工程學(xué)院，河北 滄州 061001)

在理工科教學(xué)中為學(xué)生開(kāi)設(shè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，主要體現(xiàn)出三個(gè)方面的教育優(yōu)勢(shì)：第一，它是將課堂知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用能力的有效教學(xué)途徑；第二，它是有效激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，充分發(fā)揮學(xué)生潛能的有效教學(xué)方法；第三，它是砥礪學(xué)習(xí)意志，提升科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)創(chuàng)新能力的有效學(xué)習(xí)途徑.目前在我國(guó)全面實(shí)施的新課程改革中，不論是在高等教育、中等教育，還是基礎(chǔ)教育或職業(yè)教育，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)伴隨著探究式教學(xué)理念的不斷加強(qiáng)，日益彰顯出其有效提高教育教學(xué)質(zhì)量的重要作用[1].然而，如何將傳統(tǒng)的、眾多的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，是當(dāng)前人們遇到的一個(gè)較為普遍的問(wèn)題，為此本文通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)案例來(lái)展示如何進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與研究，以供大家參考.

1　設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的基本設(shè)計(jì)方法

一般來(lái)說(shuō)，在學(xué)生掌握一定的專業(yè)基礎(chǔ)理論和一定的基本實(shí)驗(yàn)技能之后就可以開(kāi)設(shè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)要注意以下幾個(gè)方面.

第一，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的引入要引人入勝、發(fā)人深省.任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題，哪怕再簡(jiǎn)單，只要經(jīng)過(guò)一個(gè)適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)設(shè)計(jì)都可以促使學(xué)生產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的求知欲.一般來(lái)說(shuō)，提升實(shí)驗(yàn)的吸引力應(yīng)注意兩點(diǎn)：第一點(diǎn)，用好奇打動(dòng)人，比如密度測(cè)量實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象可選定新穎或新奇的客觀存在，切忌庸俗無(wú)味；第二點(diǎn)，用實(shí)際應(yīng)用價(jià)值或探索意義感染人，比如注重實(shí)驗(yàn)的社會(huì)應(yīng)用性與理論探索的前瞻性，切忌脫離實(shí)際與理論發(fā)展，仍以最為普通的密度測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究為例，其研究對(duì)象與探索方法的選定還應(yīng)緊密聯(lián)系其實(shí)驗(yàn)的社會(huì)科技與發(fā)展意義(比如物質(zhì)鑒別、環(huán)境監(jiān)測(cè))以及未來(lái)理論的進(jìn)一步構(gòu)建與發(fā)展意義(比如，從宇觀到宏觀到微觀，從實(shí)物到場(chǎng)物到探索中的暗物質(zhì)與暗能量)等等.

第二，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的研究要立意科學(xué)、探究準(zhǔn)確.首先，就任何一個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)而言，要有一定的實(shí)驗(yàn)精度作保障，否則，它的實(shí)驗(yàn)研究是不可信的.如何保證一個(gè)實(shí)驗(yàn)的研究精度呢？從實(shí)驗(yàn)測(cè)量來(lái)講，這就需要緊扣測(cè)量精度的定義與正確運(yùn)用誤差傳遞公式來(lái)做具體設(shè)計(jì)與分析.比如，用量筒和天平測(cè)某一可溶于水的固體的密度，要求測(cè)量精度不低于5%，如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)？對(duì)于這樣一類間接測(cè)量問(wèn)題，我們通常用四步設(shè)計(jì)法即可完成.

第一步，將“測(cè)量精度不低于5%”這一要求，用測(cè)量精度的定義轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)表達(dá)式

Δρ/ρ≤5%

(1)

第二步，運(yùn)用誤差傳遞公式Δρ/ρ=ΔV/V+Δm/m將數(shù)學(xué)表達(dá)式(1)式進(jìn)一步細(xì)化為

Δρ/ρ=ΔV/V+Δm/m≤5%

(2)

第三步，將測(cè)量精度要求合理分配給細(xì)化的表達(dá)式——不等式(2)式的左端的每一部分(亦即分配至每一個(gè)測(cè)量量)，比如，做等精度分配時(shí)，有

ΔV/V≤2.5%，Δm/m≤2.5%

(3)

第四步，根據(jù)精度分配結(jié)果(3)式，選定滿足精度要求的儀器設(shè)備與相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法.

由于V=V2-V1,ΔV=ΔV2+ΔV1=uV,Δm=um(V1與V2分別表示待測(cè)固體放入量筒前與完全浸沒(méi)于量筒水中以后的量筒讀數(shù)，uV和um分別表示量筒與天平的最小分度值)，帶入(3)式即可得出選擇量筒與天平的標(biāo)準(zhǔn)為：

V≥40uV,m≥40um

(4)

假如選取最小分度值uV=1ml的量筒與最小分度值um=0.02g的天平，帶入(4)式可知，

V≥40ml,m≥0.8g

(5)

亦即，此時(shí)所選取的待測(cè)物的體積與質(zhì)量必須滿足(5)式，才能滿足測(cè)量精度要求.

第三，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的探索要具有充裕的自主提升空間.設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的最大優(yōu)勢(shì)之一，就是能夠設(shè)法調(diào)動(dòng)并有效發(fā)揮學(xué)生的潛能，這是由于實(shí)驗(yàn)前就進(jìn)行了充分的設(shè)計(jì)與思考.比如，在上述測(cè)固體密度的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，有兩方面的設(shè)計(jì)考慮可提高實(shí)驗(yàn)測(cè)量的精度.首先，是關(guān)于測(cè)量體積前加入量筒的水位是否與量筒的某一刻線對(duì)齊的思考問(wèn)題.它可以顯著影響測(cè)量結(jié)果的精度.當(dāng)事先令V1與量筒的某一刻線對(duì)齊時(shí)，由于ΔV1≈0，將使ΔV=ΔV2+ΔV1≈ΔV2≤uV/2；否則，由于ΔV1≤uV/2，ΔV2≤uV/2，致使ΔV=ΔV2+ΔV1≤uV，測(cè)量精度大大降低.其次，關(guān)于思考待測(cè)物體積V的大小對(duì)提高測(cè)量精度的影響問(wèn)題.由于量筒與測(cè)量方法一定時(shí)，ΔV一定，故V越大，ΔV/V越小，因此體積V的測(cè)量精度越高，這樣在量筒測(cè)量范圍內(nèi)，待測(cè)物盡可能選的體積要大一些.同理，對(duì)待測(cè)物質(zhì)量m的選取也是如此，當(dāng)天平一定時(shí)，Δm=um一定，故待測(cè)物質(zhì)量m越大，質(zhì)量的測(cè)量精度Δm/m越高.因此，如果這些方面的設(shè)計(jì)與思考運(yùn)用到位，將非常有利于培養(yǎng)學(xué)生的研究能力.

第四，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容要具有應(yīng)用性與前瞻性.選定設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的題目時(shí)，人們常常感到無(wú)從下手，其實(shí)任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)都可以做設(shè)計(jì)性改進(jìn).大學(xué)本科生階段的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)要立足于基礎(chǔ)性與創(chuàng)造性、典型性與前瞻性、應(yīng)用性與地方性、科學(xué)性與思想性相結(jié)合的原則，把握住這些要點(diǎn)就可以在實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)性研究中做到縱橫馳騁、游刃有余.比如，做密度測(cè)量實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)性改進(jìn)時(shí)，它的應(yīng)用性、科學(xué)性與創(chuàng)造性主要表現(xiàn)之一，就在于深入分析與探究將密度測(cè)量精度要求如何分配到各個(gè)直接測(cè)量量方面.仔細(xì)分析一下，可以發(fā)現(xiàn)做上述等精度分配時(shí)，(3)式確立的選擇測(cè)量器材的標(biāo)準(zhǔn)(4)式或(5)式欠應(yīng)用性與科學(xué)性，主要表現(xiàn)在選擇量筒的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)于苛刻(要求的待測(cè)物的體積偏大，這與現(xiàn)存的同量級(jí)的量筒的最小分度值難以匹配)，而選擇天平的標(biāo)準(zhǔn)又過(guò)于寬松，為此做創(chuàng)造性改進(jìn)時(shí)，應(yīng)將測(cè)量精度要求的等精度分配方法變?yōu)榭茖W(xué)的非等精度分配方法，進(jìn)一步說(shuō)，應(yīng)該使待測(cè)量體積V分得的部分盡可能得多，而待測(cè)量質(zhì)量m分得的部分盡可能得少，比如有ΔV/V≤4.9%，Δm/m≤0.1%，如此等等.與此同時(shí)，選題應(yīng)與地方、生活或科研等實(shí)際需求密切相連，諸如與地方空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)等直接掛鉤；做測(cè)重力加速度實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)性改進(jìn)時(shí)，與地方的重力加速度、地方的經(jīng)緯度、海拔高度、地球自轉(zhuǎn)等精確測(cè)量相聯(lián)系，加強(qiáng)地方性，加強(qiáng)科研性，加強(qiáng)應(yīng)用性等等.

2　設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的案例舉例

2.1　探索未知形變規(guī)律的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

圖1　長(zhǎng)直木條形變示意圖

引領(lǐng)學(xué)生掌握探索未知規(guī)律的基本方法，對(duì)提高學(xué)生的研究能力與探索能力非常重要.下面以探索小長(zhǎng)木條的未知形變規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究為例，從理論設(shè)計(jì)方面做一分析.

2.1.1設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題目

探索一根長(zhǎng)為l且一端被固定并呈現(xiàn)水平懸置狀態(tài)的小直木條(或小鐵條)在豎直向下的恒定外力作用下的形變規(guī)律(參見(jiàn)圖1).

2.1.2實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)目標(biāo)

第一，提高學(xué)生在初步觀察與思考之下建立規(guī)律模型的能力；第二，提高學(xué)生有效運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段的能力；第三，提高學(xué)生有效獲取和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及誤差分析的能力；第四，提高學(xué)生形成科學(xué)結(jié)論的能力；第五，提高學(xué)生深刻反思與深入探索的能力.

2.1.3實(shí)驗(yàn)方法分析

用實(shí)驗(yàn)探索未知規(guī)律，首先要對(duì)探索的未知規(guī)律從理論上建立某種合適的探索模型，然后通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和數(shù)據(jù)分析及處理后，再經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)與完善研究后才可以確定.

(1)以基本認(rèn)識(shí)為基礎(chǔ)，建立理論探索模型

以長(zhǎng)木條的固定點(diǎn)為原點(diǎn)O、長(zhǎng)直木條的水平方向?yàn)閤軸、豎直向下方向?yàn)閥軸，建立x-y直角坐標(biāo)系.為尋找形變規(guī)律，在長(zhǎng)直木條的不同x位置，懸掛同一重物W，并假設(shè)長(zhǎng)直木條的形變規(guī)律為y=f(x)，這里y表示長(zhǎng)直木條在x位置處沿y軸方向發(fā)生的形變量(見(jiàn)圖1).

通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察可發(fā)現(xiàn)，x增加，y也增加，而且有：x→0，y→0；x→最大，y→最大且似乎帶有某種冪指數(shù)的屬性，因此可將y=f(x)的具體數(shù)學(xué)模型建立為如下形式：

y=axb

(6)

式中a和b為待定系數(shù).

(2)選用科學(xué)的數(shù)據(jù)處理和誤差分析方法確定待定系數(shù)a和b

對(duì)于(6)式所示的規(guī)律模型，需要選用線性擬合法或最小二乘法來(lái)進(jìn)一步確定待定系數(shù)a和b.

將(6)式兩邊同時(shí)取自然對(duì)數(shù)得

lny=lna+blnx

(7)

這表明，當(dāng)以lnx為新的自變量X，以lny為新的因變量Y，在X─Y坐標(biāo)系中做lnx─lny圖時(shí)，由(7)式做得的圖線應(yīng)該為一條直線，而且b和lna分別為該直線的斜率和截距.這樣只要在實(shí)驗(yàn)中獲取測(cè)量列數(shù)據(jù)(xi，yi)(i=1，2，3，……，n)進(jìn)而取得測(cè)量列數(shù)據(jù)(lnxi，lnyi)時(shí)，就可以在X─Y坐標(biāo)系中做得lnx─lny直線，從而進(jìn)一步確定出待定系數(shù)a和b.

2.1.4具體實(shí)驗(yàn)探究

第一，做實(shí)驗(yàn)獲取數(shù)據(jù).表1展示了便于數(shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理的基本表格設(shè)計(jì)方式，也記錄了我們的一次測(cè)量結(jié)果.

表1　測(cè)量數(shù)據(jù)

第二，在X-Y坐標(biāo)系中做lnx─lny圖(圖2)，驗(yàn)證規(guī)律模型的科學(xué)性.

圖2　lnx-lny函數(shù)圖(originPro7.5軟件擬合圖)

根據(jù)表2做lny=lna+blnx擬合，得圖2和表2所示擬合結(jié)果.

表2　雙對(duì)數(shù)規(guī)律lny=lna+blnx的originPro7.5擬合結(jié)果

如此，我們探索得到的形變規(guī)律為

y=axb=(4.2133×10-4)x3.01921=(4.2×10-4)x3.019

表2清晰表明，這一形變規(guī)律比較符合實(shí)際情況，其擬合相似概率近似為99.6%.

2.1.5創(chuàng)新性探索

(1)規(guī)律建模深入探索

在建立探索該未知規(guī)律的理論模型時(shí)，選擇了(6)式的形式，其實(shí)根據(jù)其形變的基本形狀，比如似乎具有某種拋物線形狀，或類似某種局部的正弦函數(shù)形式等，因此也可以考慮選擇建立拋物線規(guī)律擬合y=a+bx+cx2+…或局部正弦函數(shù)規(guī)律擬合y=asinb[xπ/(2l)](0≤x≤l)等.

圖3和表3是基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表1所得的拋物線擬合結(jié)果.

圖3　拋物線規(guī)律y=a+bx+cx2的originPro7.5擬合圖

擬合量擬合值誤差待定參數(shù)a0.643180.28555待定參數(shù)b0.195760.03389待定參數(shù)c0.017429.32245E4線性相關(guān)系數(shù)擬合值標(biāo)準(zhǔn)偏差R0.99920.08569

從表3可以看出，拋物線規(guī)律y=a+bx+cx2的擬合相似概率近似為99.9%，大于雙對(duì)數(shù)規(guī)律lny=lna+blnx的擬合相似概率99.6%，因此就尋找形變規(guī)律而言，拋物線規(guī)律較前者更為合理，但作為實(shí)驗(yàn)探究能力培養(yǎng)而言，拋物線規(guī)律稍顯復(fù)雜，因此選擇前者就較為合適了.

通過(guò)深入探究，嘗試不同規(guī)律模型的擬合與分析，可進(jìn)一步鍛煉與提高探索未知規(guī)律的基本能力，培養(yǎng)與提高創(chuàng)造性思維.

(2)凸顯應(yīng)用性的建模方法

可將這一探索未知規(guī)律的方法靈活應(yīng)用于解決實(shí)際問(wèn)題.比如，探索汽車通過(guò)橋梁時(shí)橋梁的形變規(guī)律，由此可以建立基于“拋物線”的初步規(guī)律模型

y=a(l/2-x)b(-l/2≤x≤l/2)

也可以建立基于“余弦曲線”的初步規(guī)律模型

y=acosb(πx/l)(-l/2≤x≤l/2)

這里已假設(shè)橋梁長(zhǎng)為l，并以橋梁的1/2處為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系.

2.2　精確測(cè)量物理量的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

案例一主要介紹了如何進(jìn)行探索未知規(guī)律方面的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，下面通過(guò)對(duì)給出測(cè)量精度要求的測(cè)薄凸透鏡焦距的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，看一看如何進(jìn)行測(cè)量物理量方面的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì).

2.2.1設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題目

主要利用光具座儀器設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)量薄凸透鏡焦距的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，要求測(cè)量精度不低于5%.

2.2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

第一，明確測(cè)量精度要求

Δf/f≤5%

(8)

第二，明確測(cè)量原理與誤差傳遞情況

(1)測(cè)量原理式

1/f=1/u+1/v

(9)

(2)誤差傳遞公式

(10)

(3)根據(jù)誤差傳遞公式將測(cè)量精度要求細(xì)化：將(10)式帶入(8)式得

(11)

第三，采用簡(jiǎn)潔實(shí)用的特殊情況深入實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).常采用特殊情況思考法將復(fù)雜設(shè)計(jì)情況簡(jiǎn)潔與實(shí)用化.比如，考慮u=v=2f的特殊情況.此時(shí)，原理式簡(jiǎn)化為

u=v=2f

(12)

因此，誤差傳遞公式也簡(jiǎn)化為

Δu=Δv=2Δf

(13)

這時(shí)，將(12)(13)式帶入(11)得

f≥10Δu=10Δv

(14)

由此可以得出一個(gè)滿足5%的測(cè)量精度要求的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案為：

第一，可采用u=v=2f的測(cè)量方法；

第二，所選待測(cè)透鏡的焦距滿足條件f≥10Δu=10Δv.

當(dāng)然，也可以利用原理式(9)，討論f=u,u/2,u/4等情況的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題，以供進(jìn)一步地比較選擇.

2.2.3測(cè)量方法深入討論

一般情況下Δu或Δv的測(cè)量方法有下述三種情況：

第一種，成倒立放大實(shí)像時(shí)，動(dòng)“物”定“屏”：移動(dòng)成像物，固定成像屏幕，在屏幕上呈現(xiàn)出清晰的像.此時(shí)確定出的能成出清晰像的成像物的最佳移動(dòng)范圍的一半既為Δu(因?yàn)榇藭r(shí)若定“物”動(dòng)“屏”，將使確定出的能成出清晰像的“屏”的最佳移動(dòng)范圍更大，從而使確定的Δv大于前者確定的Δu，使測(cè)量精度變低).

第二種，成倒立縮小實(shí)像時(shí)，定“物”動(dòng)“屏”：移動(dòng)成像屏幕，固定成像物，在屏幕上呈現(xiàn)出清晰的像.此時(shí)確定出的能成出清晰像的屏的最佳移動(dòng)范圍的一半既為Δv(因?yàn)榇藭r(shí)若定“屏”動(dòng)“物”，將使確定出的能成出清晰像的成像物的最佳移動(dòng)范圍更大，使測(cè)量精度變低).

第三種，不論成像屬于放大、縮小或相等的哪一種情況，都可以將“物”與“屏”固定在兩者相距不小于4f的位置，而僅僅移動(dòng)凸透鏡，使之在屏幕上呈現(xiàn)出清晰的像.此時(shí)，確定出能成出清晰像的“鏡”的最佳移動(dòng)范圍的一半，既為Δu=Δv.此時(shí)，由于“物”與“屏”固定，“物”與“屏”兩位置的確定將不產(chǎn)生“景深”方面的誤差，這樣操作更為便捷.

因此，一般來(lái)講，第三種方法是人們經(jīng)常使用的方法.

2.3　由實(shí)驗(yàn)器材科學(xué)制定實(shí)驗(yàn)方案

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通常采用兩種思路：第一種，從測(cè)量精度要求出發(fā)，確立實(shí)驗(yàn)方法和選定實(shí)驗(yàn)器材，這也是人們常用的方法(如上述案例一)；第二種，從現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)器材出發(fā)，根據(jù)測(cè)量精度要求，科學(xué)制定實(shí)驗(yàn)方案.下面，以伏安法測(cè)電阻實(shí)驗(yàn)為例，說(shuō)明如何運(yùn)用第二種思路來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn).

2.3.1設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題目

使用J0407型安培表與J0408型伏特表設(shè)計(jì)一個(gè)伏安法測(cè)電阻實(shí)驗(yàn).

2.3.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

從兩表出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì).

2.3.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

第一，按照省電原則選定兩表量程.按照省電原則，兩表均選取小量程：J0407型安培表——選0.6A量程；J0408型伏特表——選3V量程.

第二，根據(jù)兩表精度級(jí)別與最佳測(cè)量范圍確定實(shí)驗(yàn)精度.對(duì)于電壓表與電流表來(lái)說(shuō)，最大測(cè)量不確定度與最佳測(cè)量范圍分別為

ΔU=Umaxav%,ΔI=ImaxaA%

這里，Umax和Imax分別表示伏特表與安培表的滿偏量程，aV和aA分別表示伏特表與安培表的精度級(jí)別.因此由兩表確定的測(cè)量電阻的精度為

亦即，有

(15)

使用J0407型安培表與J0408型伏特表時(shí)，Umax=3V，Imax=0.6A，aV=2.5,aA=2.5,由此，(15)式給出使用J0407型安培表與J0408型伏特表測(cè)電阻時(shí)的測(cè)量精度為

(16)

第三，從兩表出發(fā)選定最佳待測(cè)電阻.考慮到測(cè)量時(shí)，兩表需同時(shí)進(jìn)入最佳測(cè)量范圍才使測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量最好，因此待測(cè)電阻的最佳阻值需選定為：

(17)

又考慮測(cè)量時(shí)最大電流可達(dá)0.6A(安培表的滿偏量程)，因此待測(cè)電阻的最大允許工作電流IR不應(yīng)低于0.6A.這樣，從兩表出發(fā)選定最佳待測(cè)電阻為：

R=5Ω，IR≥0.6A

(18)

第四，進(jìn)一步選定測(cè)量方法.首先，考慮采用內(nèi)接法.若忽略理論誤差，根據(jù)微小誤差準(zhǔn)則要求[2][3][4]

R≥20RA/(7.5%)=20×0.125/(7.5%)≈33.3(Ω)

(19)

顯然(19)式與(17)式的要求相差甚遠(yuǎn)，故使用內(nèi)接法不合適.

然后，考慮使用外接法.此時(shí)，若忽略理論誤差，根據(jù)微小誤差準(zhǔn)則要求

R≤RV7.5%/(20-7.5%)=3000×7.5%/(20-7.5%)≈11.3(Ω)

(20)

很明顯，(20)式能夠滿足(17)式的要求，因此使用外接法測(cè)電阻方法科學(xué)合理.

第五，在具體測(cè)量的操作方面，為了有力消除兩表指針軸摩擦帶來(lái)的誤差，選用導(dǎo)號(hào)法，并以安培表(或伏特表)為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)表；在數(shù)據(jù)處理方面，應(yīng)采用作圖法，并輔之以最小二乘法加以深入討論(比如采用oringin等軟件).

綜上所述，選定的最佳實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案為：(1)兩表均選取小量程；(2)待測(cè)電阻選取R=5Ω,IR≥0.6A；(3)使用外接法來(lái)測(cè)量；(4)采用導(dǎo)號(hào)法來(lái)進(jìn)一步獲取數(shù)據(jù)與采用作圖法測(cè)量數(shù)據(jù)等.需要注意的事項(xiàng)是，測(cè)量時(shí)兩表須同時(shí)進(jìn)入最佳測(cè)量范圍時(shí)再獲取數(shù)據(jù).

3　結(jié)論

本文給出了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本思路與基本方法.綜上所述，一般情況下有兩種設(shè)計(jì)與研究思路：第一種，從測(cè)量目的與測(cè)量精度要求出發(fā)，確立實(shí)驗(yàn)方法與選定實(shí)驗(yàn)器材，這也是人們進(jìn)行理論設(shè)計(jì)的常用方法；第二種，從現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)器材出發(fā)，根據(jù)測(cè)量任務(wù)與測(cè)量精度要求，科學(xué)制定實(shí)驗(yàn)方案，這也是人們就地取材、挖潛創(chuàng)新的基本方法.總體來(lái)講，進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)要力爭(zhēng)滿足五個(gè)方面的基本要求：實(shí)驗(yàn)題目的融洽性(內(nèi)容貼切，意義明確)，實(shí)驗(yàn)方法的科學(xué)性(原理簡(jiǎn)潔，科學(xué)規(guī)范)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的技能性(保證精度，體現(xiàn)技巧)，實(shí)驗(yàn)研究的深入性(思維寬闊，運(yùn)用深厚)，實(shí)驗(yàn)探索的魅力性(引人入勝，啟迪創(chuàng)新).只有這樣，才能從理論上把握設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)，在實(shí)踐中充分發(fā)揮其能力培養(yǎng)、素質(zhì)提高的重要作用.

參考文獻(xiàn)：

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