王 瑗,潘 葳

(上海交通大學(xué) 物理與天文學(xué)院 物理國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，上海 200240)

傳統(tǒng)的大學(xué)學(xué)習(xí)重在知識(shí)的傳承和傳播，現(xiàn)代大學(xué)注重在傳授知識(shí)的過程中進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題以及創(chuàng)造性思維等綜合性學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)[1]. 研究型教學(xué)方法是近幾年國內(nèi)高等學(xué)校本科教學(xué)改革中提及比較多的一種教學(xué)方法，大家對(duì)它的理解和進(jìn)行的具體教學(xué)實(shí)踐過程雖然各有所異，但都有這些基本共識(shí)，即：研究型教學(xué)是以培養(yǎng)創(chuàng)新性人才為目標(biāo)，將教學(xué)與科研相結(jié)合，改變傳統(tǒng)課堂教學(xué)中以教師講授為主為教師問題引導(dǎo)下的學(xué)生自我思考、學(xué)習(xí)、研究和探索的教學(xué)模式[2-5].

上海交通大學(xué)在本科教學(xué)中把培養(yǎng)應(yīng)對(duì)未來需求的多學(xué)科交叉的復(fù)合型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)作為了辦學(xué)的根本任務(wù)，打通了機(jī)、電、船、材等工科學(xué)科人才的培養(yǎng)方案，積極建設(shè)并運(yùn)行著工科創(chuàng)新人才培養(yǎng)平臺(tái). 上海交通大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心是學(xué)校重要的基礎(chǔ)教學(xué)平臺(tái)之一，全年承擔(dān)著學(xué)校面上工科、物理理科、致遠(yuǎn)學(xué)院理科及工科、密西根聯(lián)合學(xué)院、交大醫(yī)學(xué)院、莫斯科航空班等多個(gè)獨(dú)立教學(xué)單位開設(shè)的不同層次的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課教學(xué)任務(wù)，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課在本科生的教育培養(yǎng)體系中占有重要地位. 要真正開好每堂實(shí)驗(yàn)課，使學(xué)生確實(shí)學(xué)有所獲，教師必須深入研究每個(gè)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)效果，積極將新的教學(xué)思想和教學(xué)理念在教學(xué)中不斷地實(shí)踐、總結(jié)提高、再實(shí)踐，以收到好的教學(xué)效果并加以推廣和應(yīng)用. 我校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室(國家教學(xué)示范中心)設(shè)備先進(jìn)、師資力量強(qiáng)，借助該教學(xué)平臺(tái)可以使教學(xué)和科研相互促進(jìn)，教師與學(xué)生直接溝通和交流，進(jìn)而引導(dǎo)、培養(yǎng)學(xué)生形成創(chuàng)新思維和研究能力.

本文以我校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課中開設(shè)的“液氮比汽化熱測量實(shí)驗(yàn)”為例，介紹研究型教學(xué)方法在該實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)中的具體開展過程，以及收到的教學(xué)效果.

“液氮比汽化熱測量實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)思路是：首先教授學(xué)生學(xué)習(xí)該實(shí)驗(yàn)的原理并用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，然后引導(dǎo)學(xué)生分析測量結(jié)果,鼓勵(lì)學(xué)生積極發(fā)現(xiàn)問題，用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行深入研究，從教師的“教”與學(xué)生的“學(xué)”向教師的“導(dǎo)”與學(xué)生的“研”方向轉(zhuǎn)化，在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)課時(shí)間內(nèi)以解決某個(gè)問題為主線，鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新，提出新的、好的解決方案,重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲取更好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果. 該方法對(duì)學(xué)生思維能力、動(dòng)手能力、解決問題的實(shí)際能力和實(shí)事求是的工作態(tài)度都是很好的鍛煉.

液氮的沸點(diǎn)約-196 ℃(77.3 K)，是目前應(yīng)用非常廣泛的制冷劑，當(dāng)壓強(qiáng)一定并保持溫度不變時(shí)，單位質(zhì)量的液氮轉(zhuǎn)化為氣體所需吸收的熱量稱為液氮的比汽化熱L[6-8]，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中開設(shè)測量液氮比汽化熱實(shí)驗(yàn)非常有實(shí)際意義. 傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是將室溫下的紫銅塊投入裝有液氮的容器中加速汽化，通過計(jì)算機(jī)快速采集到液氮放熱時(shí)質(zhì)量的變化[9]，由此計(jì)算液氮的比汽化熱. 液氮比汽化熱測量實(shí)驗(yàn)生動(dòng)有趣，對(duì)理工科學(xué)生更是基礎(chǔ)理論加應(yīng)用的一個(gè)非常好的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，但是很多學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)一段時(shí)間居然只記住液氮汽化時(shí)霧氣騰騰的情景. 究其原因是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中只是根據(jù)講義的內(nèi)容在課堂上機(jī)械地執(zhí)行完每個(gè)步驟，測出數(shù)據(jù)，經(jīng)過教師檢查無誤后就可以寫報(bào)告上交了，很難收到良好的教學(xué)效果. 為了調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，讓他們主動(dòng)參與到實(shí)驗(yàn)中，采用研究型教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生邊做實(shí)驗(yàn)邊發(fā)現(xiàn)問題，自己想辦法解決問題，在這個(gè)過程中學(xué)生會(huì)對(duì)一些問題進(jìn)行深入研究，這樣既充實(shí)了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，又調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，學(xué)生不僅學(xué)到了知識(shí)，而且記憶深刻，這是教師最希望達(dá)到的教學(xué)目的.

1 原有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法

目前在我校開設(shè)的液氮比汽化熱測量實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生用3種方法計(jì)算L：a.用焓差計(jì)算；b.用比熱容計(jì)算；c.用德拜的固體比熱容模型計(jì)算. 本文的計(jì)算分析以用比熱容計(jì)算方法為例.

實(shí)驗(yàn)裝置的基本框圖如圖1所示，實(shí)驗(yàn)過程中計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡和學(xué)生自己編程的相關(guān)數(shù)據(jù)采集軟件同步實(shí)時(shí)記錄重力傳感器傳來的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置的基本框圖

在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生要測量銅塊及裝液氮的保溫容器和液氮的質(zhì)量M隨時(shí)間t的變化關(guān)系，但計(jì)算機(jī)實(shí)際采集重力傳感器傳遞來的電壓信號(hào)，因此首先對(duì)重力傳感器用標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行定標(biāo)，求出該傳感器線性輸出的靈敏度K[10]，測量計(jì)算結(jié)果顯示在實(shí)驗(yàn)稱重范圍內(nèi)所選用的傳感器的稱重質(zhì)量與輸出電壓間的線性關(guān)系非常好[10]，因此在公式推導(dǎo)中將質(zhì)量與相應(yīng)的電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換；第二步開始采集紫銅塊的質(zhì)量信息，數(shù)據(jù)采集示意圖如圖2所示；最后將裝有液氮的保溫容器放置在重力傳感器上，當(dāng)液氮基本平靜時(shí)(ab段)將銅塊輕輕放置其中，液氮開始劇烈汽化(bc段)，直至銅塊與液氮同溫后再次平靜下來(cd段)，采集此過程的數(shù)據(jù). 過線段bc的中點(diǎn)e作時(shí)間軸的垂線，與ab的延長線和dc的延長線分別交于f點(diǎn)和g點(diǎn),如圖3所示.

圖2 計(jì)算機(jī)采集銅塊質(zhì)量示意圖

圖3 計(jì)算機(jī)采集液氮汽化質(zhì)量變化示意圖

液氮的比汽化熱計(jì)算公式為[4]

(1)

式中ΔQ是銅塊進(jìn)入液氮后(bc段)放出的熱量，實(shí)驗(yàn)中室溫(RT)是22 ℃，計(jì)算公式推導(dǎo)參見文獻(xiàn)[10].

(2)

在實(shí)驗(yàn)過程中計(jì)算機(jī)實(shí)際采集到重力傳感器的輸出電壓U隨時(shí)間t的變化關(guān)系曲線，放入液氮中的銅塊質(zhì)量mCu為

(3)

將銅塊放入液氮，在bc段忽略液氮在空氣中汽化的損失時(shí)，快速汽化的液氮質(zhì)量ΔmN2為

(4)

由式(1)～(4)得：

(5)

將實(shí)驗(yàn)中測得的UB，UC，Uf和Ug的數(shù)值代入式(5)，即可求出液氮的比汽化熱值.

2 引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題進(jìn)行研究

教師引導(dǎo)學(xué)生觀察圖2和圖3，可以看出：在稱銅塊的質(zhì)量時(shí)，圖2中AB段和CD段是水平的，說明重力傳感器很穩(wěn)定，所稱的銅塊質(zhì)量也是穩(wěn)定不變的；再觀察圖3，其中的ab段和cd段分別是液氮容器中放置銅塊前后在重力傳感器上處于相對(duì)平靜的2段，發(fā)現(xiàn)這2條線是隨時(shí)間增加而慢慢向下傾斜的直線. 要求學(xué)生分析產(chǎn)生的原因，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果將產(chǎn)生的影響，并考慮如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)中裝液氮的泡沫保溫容器的內(nèi)腔是空心圓柱體，直徑約5 cm、高13 cm，容器上方開口，如圖1所示，h1為桶內(nèi)液氮深度，h2為桶內(nèi)液氮上表面到桶口的高度. 學(xué)生看到桶中裝入液氮后，液氮不停地吸收大氣中的熱量轉(zhuǎn)化為氮?dú)?這是造成圖3中的ab段和cd段慢慢向下傾斜的根本原因，這將影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性. 為了僅考慮銅塊進(jìn)入液氮后釋放熱量，講義中使用的數(shù)學(xué)處理方法見式(4)，即取圖3中的Ug和Uf計(jì)算汽化的液氮質(zhì)量.

教師引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)過程，希望在實(shí)驗(yàn)過程中再尋找好的方法，繼續(xù)減小測量誤差. 學(xué)生發(fā)現(xiàn)當(dāng)容器中液面逐漸降低，即h2逐漸增大時(shí)，將同樣的銅塊放入液氮中，圖3中ab段和cd段直線開始向水平方向扭轉(zhuǎn)，斜率在變小. 也就是說，液氮的液面高度會(huì)影響測量結(jié)果. 讓學(xué)生針對(duì)此問題，再深入研究，找出好的實(shí)驗(yàn)方法，制定出新的實(shí)驗(yàn)方案.

3 制定新的實(shí)驗(yàn)方案

學(xué)生提出了許多方法，本文以其中一種方法為例，將新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案、方法及數(shù)據(jù)采集結(jié)果陳述如下.

1) 改變原來用1塊銅塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的方法，使用1塊銅塊反復(fù)多次測量時(shí)想讓銅塊盡快恢復(fù)到室溫需要等待的時(shí)間較長，因此準(zhǔn)備了幾塊質(zhì)量非常接近的銅塊，編好序號(hào)，依次加到重力傳感器上累計(jì)稱重，數(shù)據(jù)采集結(jié)果如圖4所示.

圖4 6塊銅塊的質(zhì)量采集

2)采用2種液面高度明顯不同的液氮容器，測量當(dāng)銅塊放入時(shí)汽化的數(shù)據(jù).

實(shí)驗(yàn)分2次進(jìn)行：

第1次實(shí)驗(yàn)，將相同室溫的銅塊按序號(hào)逐次放入液面較高、h2值較小的液氮容器中，每塊銅塊在放入時(shí)都要等上一塊銅塊與液氮同溫后基本平靜了再放入,數(shù)據(jù)采集如圖5所示. 然后將銅塊取出，升至室溫，準(zhǔn)備第2次實(shí)驗(yàn).

圖5 銅塊依次進(jìn)高液面液氮的數(shù)據(jù)采集

第2次實(shí)驗(yàn)，降低液面高度，h2值增大. 實(shí)驗(yàn)方法同第1次實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)采集如圖6所示.

圖6 銅塊依次進(jìn)低液面液氮的數(shù)據(jù)采集

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

用Origin分析數(shù)據(jù). 圖7和圖8是對(duì)圖4中的1塊銅塊在進(jìn)入液氮桶前后計(jì)算機(jī)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合、分析的例圖.

圖7 1塊銅塊的質(zhì)量線性擬合分析圖

圖8 1塊銅塊進(jìn)入液氮前后數(shù)據(jù)線性擬合圖

以此類推，將圖4～6聯(lián)合起來，分析6塊銅塊在2次液面高度相差比較大的實(shí)驗(yàn)中測得的數(shù)據(jù)，并將Origin分析后的結(jié)果代入式(5)中計(jì)算，得出不同高度液面時(shí)液氮的比汽化熱L值，如表1所示.

表1 6塊銅塊投入不同液面高度的液氮中所得L值

將表1數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[11]給出的L的參考值198.64 kJ/kg進(jìn)行比較，總體來看：

1)液氮桶內(nèi)腔深13 cm,第1次實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，第1和第2塊銅塊進(jìn)入保溫桶容器前，容器中液氮液面距離桶口高度只有1.5 cm和2.0 cm，銅塊進(jìn)入后液氮快速汽化，劇烈跳動(dòng)、迸濺到容器外，造成質(zhì)量損失，此時(shí)的數(shù)據(jù)不理想，這也是在整體分析中必須了解的.

2)從表1的數(shù)據(jù)可以看出，第2次實(shí)驗(yàn)結(jié)果明顯好于第1次(液面降低，h2值增大). 圖6相比于圖5也可以看出，每塊銅塊進(jìn)入液氮后液氮?jiǎng)×姨鴦?dòng)的幅度都有所減小，并且快速汽化完成后液氮每次進(jìn)入平靜期時(shí)的直線要更水平. 說明當(dāng)降低容器中液氮的液面高度后，液氮上表面與容器開口處不僅是距離增大，液氮快速汽化時(shí)很難濺出到桶外，而且還隔著1層厚厚的、冷冷的氮?dú)猓@就使液氮和空氣的熱交換減少. 這說明降低桶內(nèi)液面高度的實(shí)驗(yàn)方法使得測量液氮比汽化熱的實(shí)驗(yàn)在數(shù)據(jù)的實(shí)際測量過程中減小誤差成為了可能.

3)分析第1次和第2次實(shí)驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)桶內(nèi)液氮表面距離桶頂開口處的高度h2控制在4～9 cm進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，得到的L值都很理想，這也說明液氮在桶內(nèi)的高度居于中間值比較合適.

用重新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，很明顯地讓學(xué)生既定量、又定性地看到了還是用這個(gè)泡沫保溫桶，但能發(fā)現(xiàn)有很好的測量液氮L值的高度區(qū)間，同時(shí)也啟發(fā)了學(xué)生如何用實(shí)驗(yàn)的方法判斷液氮容器的選擇是否合適，實(shí)驗(yàn)時(shí)裝入多少液氮會(huì)減小測量誤差.

5 結(jié)束語

傳統(tǒng)教學(xué)模式下液氮比汽化熱測量實(shí)驗(yàn)是中規(guī)中矩的以教師講授后學(xué)生按講義中規(guī)定的操作步驟進(jìn)行的物理實(shí)驗(yàn)，研究型教學(xué)方法的引入改變了僵化的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)和學(xué)習(xí)氣氛，使教學(xué)與科學(xué)研究很好地結(jié)合起來，教師主動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，讓學(xué)生動(dòng)腦思考，設(shè)計(jì)出的新實(shí)驗(yàn)方案, 減小了實(shí)驗(yàn)誤差，又提高實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度.