魏民云 侯雙印 周惟公 左武魁

(中國地質大學長城學院 河北 保定 071000)

大學物理實驗包括3個環(huán)節(jié)，實驗預習、實驗操作和數(shù)據(jù)處理.在預習環(huán)節(jié)學生只是簡單寫出預習報告，而對實驗原理、實驗步驟、儀器使用不求甚解，學習效率低.針對這種情況，使用雨課堂把預習內容做成PPT和視頻推送給學生，促使學生更好完成預習環(huán)節(jié)，激發(fā)興趣，提高學習效率.在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)處理一般都比較繁瑣，學生面對大量的數(shù)據(jù)會容易感到枯燥；而且數(shù)據(jù)處理常會涉及到作圖，有些實驗要求通過圖解法求直線斜率，傳統(tǒng)的手工計算和畫圖往往存在不足之處：一是作圖誤差大；二是手工作圖看上去欠缺美觀和科學性.針對這些不足，用計算機處理數(shù)據(jù)，實驗數(shù)據(jù)誤差小，使用方便快捷，能激發(fā)學生對實驗的興趣，實驗報告看起來簡潔、明了、具有科學性.

本文以“惠斯通電橋測電阻溫度系數(shù)”為例，借此來說明“雨課堂”和MATLAB在實驗教學中的應用[1～4].

1 用惠斯通電橋測電阻溫度系數(shù)實驗簡介

1.1 惠斯通電橋

如圖1所示,惠斯通電橋是由4個“橋臂”電阻(R2，R3，R4和Rx)、一個“橋”(B，D間所接的靈敏電流計)和一個電源E組成.B，D間接有靈敏電流計G.當B，D兩點電位相等時，靈敏電流計G中無電流流過，指針不偏轉，此時電橋平衡.所以，電橋平衡條件是：B，D兩點電位相等.此時有UAB=UAD，UBC=UDC，由于平衡時IG=0，所以B，D間相當于斷路，故有

I3=I4Ix=I2

所以

IxRx=I4R4I3R3=I2R2

可得

R4R2=R3Rx

或

(1)

圖1 電橋原理圖

Rx=KR4

1.2 金屬的電阻和溫度的關系

金屬的電阻R隨溫度t上升而增加，電阻和溫度的關系[5]

Rt=R0(1+αt)

(2)

2 “雨課堂”課程教學模式

雨課堂由學堂在線與清華大學在線教育辦公室共同研發(fā)，旨在連接師生的智能終端，將課前—課上—課后的每一個環(huán)節(jié)都賦予全新的體驗，最大限度地釋放教與學的能量，推動教學改革.與傳統(tǒng)教學相比，通過雨課堂，教師可以在課前推送視頻、錄音、課件，布置預習任務，了解學生學習情況，進行針對性授課.在課堂上學生在手機端接收PPT和測試題，可以通過“不懂”向老師反饋不理解知識，由此，教師可以及時了解學生學習狀態(tài)，調整教學進度.

2.1 微信創(chuàng)設雨課堂

首先開設自己的“雨課堂”班級,邀請學生加入,學生參與，如圖2所示.

圖2 微信創(chuàng)建雨課堂

2.2 發(fā)布預習課件

在著手制作的“雨課堂”里發(fā)布的預習課件并向學生手機端推送，并在該課件中添加視頻、語音等內容[6].預習課件發(fā)送給學生后，教師手機端收到【已將PPT發(fā)送至班級】的提醒.教師可隨時查看學生預習情況、學生留言反饋等信息.

2.3 監(jiān)控學生學習的情況

師生面對面班級授課,通過雨課堂查看學生對前置預習內容的反饋情況或根據(jù)習題完成情況, 掌握預習效果, 對已經達成的目標進行點評和總結, 根據(jù)預習階段收集到的“不懂”數(shù)據(jù)對教學內容的重點、難點部分進行集中講解.在講授過程中教師根據(jù)需要開啟“彈幕”功能進行師生互動.講授完成后, 可及時進行課堂在線測驗, 檢驗學生對知識的掌握情況并有針對性地進行個性化教學或答疑.如圖3所示

圖3 雨課堂監(jiān)控學生學習情況

3 實驗測量結果

實驗過程中以金屬銅為研究對象，利用溫度傳感器實驗裝置，測量銅的阻-溫關系.實驗過程中，每隔5 ℃測量一次相應的電阻值，采集的實驗數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 實驗采集數(shù)據(jù)

4 用MATLAB處理實驗數(shù)據(jù)

R值隨t的變化呈線性關系R=a+bt，現(xiàn)在利用MATLAB編程求出系數(shù)a和b，擬合出曲線.

具體程序如下：

t=40:5:100;

R= [58.62 59.71 60.80 61.73 62.69 63.81 64.92 65.93 67.12 68.31 69.43 70.45 71.51];

n=13;

P=polyfit (t,R, 1)

a=P (2) %計算截距a

b=P (1) %計算斜率b

r=corrcoef (t,R) %計算相關系數(shù)

plot (t,R,′o′) %在t-R圖上標記試驗數(shù)據(jù)點

hold on;

tbest =40:5:100;

Rbest=a+b*tbest; %輸入要進行擬合的試驗數(shù)據(jù)對

plot(tbest,Rbest,′-′) %在t-R圖上描繪擬合曲線

xlabel (′t/℃′) %對x坐標軸加標注

ylabel (′R/Ω′) %對y坐標軸加標注

保存之后再運行可以得到如下結果：

P=0.2157 49.9038

a=49.9038

b=0.2157

MATLAB所作的R-t擬合直線如圖4所示.

圖4 MATLAB擬合直線

即擬合直線為

R=49.903 8+ 0.215 7t

5 結束語

雨課堂是一種全新的教學方式，它利用我們使用最頻繁的微信來進行預習、學習，無縫連接了我們的學習和生活，利用MATLAB 語言強大的數(shù)值計算和圖形處理功能，避免了采用最小二乘法處理數(shù)據(jù)時繁瑣的計算和作圖，同時將計算機應用與物理實驗結合起來，使兩學科的知識相互交叉，拓寬了學生的視野，激發(fā)了學生學習的興趣，也培養(yǎng)了學生應用計算機知識解決實際問題的能力.在大學物理實驗教學中取得了良好的教學效果.