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        儀器智能化與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)*

        2021-03-07 00:32:41鄭飛躍陳翔翔尤素萍彭輝麗
        物理通報(bào) 2021年11期
        關(guān)鍵詞:教學(xué)效果智能化實(shí)驗(yàn)教學(xué)

        鄭飛躍 陳翔翔 尤素萍 彭輝麗 黃 華

        (杭州電子科技大學(xué)理學(xué)院 浙江 杭州 310018)

        當(dāng)今世界,信息技術(shù)在各行各業(yè)中得到普遍應(yīng)用,就工業(yè)領(lǐng)域來說,從儀器設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)到應(yīng)用,都會涉及到諸如計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、通信接口等信息技術(shù).大學(xué)作為人才教育基地,在學(xué)科的建設(shè)中需要融合信息技術(shù).大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是實(shí)踐性課程,除了教學(xué)管理、教學(xué)手段與教學(xué)環(huán)節(jié)外,還需要在教學(xué)工具即實(shí)驗(yàn)儀器上融合信息技術(shù).

        從目前的報(bào)道看,信息技術(shù)和實(shí)驗(yàn)的融合主要利用網(wǎng)絡(luò)平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)管理、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)仿真等[1~3].對于實(shí)驗(yàn)儀器,融合計(jì)算機(jī)和傳感器技術(shù)后改變了測量手段,提高了實(shí)驗(yàn)精度,但在一定程度上削弱了學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)的感性認(rèn)識,特別是一些儀器智能化程度過高,不利于學(xué)生理解物理過程[4,5],因而有人認(rèn)為使用智能化實(shí)驗(yàn)儀器,學(xué)生的動手能力和數(shù)據(jù)處理能力得不到鍛煉,影響教學(xué)效果,對此,我們在實(shí)驗(yàn)儀器的智能化改進(jìn)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法上做了一些探索.

        1 實(shí)驗(yàn)儀器的智能化改進(jìn)

        大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)課程,主要是培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、分析問題和解決問題的能力,加深物理理論知識的理解,增強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)過程的感性認(rèn)識.在開設(shè)的物理實(shí)驗(yàn)中,許多是驗(yàn)證物理規(guī)律的,如非線性電阻的伏安特性、長螺線管的磁場分布、光電效應(yīng)、單縫衍射的光強(qiáng)分布等實(shí)驗(yàn),這類實(shí)驗(yàn)在驗(yàn)證物理規(guī)律的過程中,其操作是重復(fù)的,對學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)作用不大.有的實(shí)驗(yàn)曲線測量的點(diǎn)數(shù)比較多,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不夠形象直觀,學(xué)生不能第一時(shí)間判斷是否和理論相符合,而且測量時(shí)間比較長,學(xué)生也沒有時(shí)間分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,這樣不利于培養(yǎng)學(xué)生主動研究的精神.可以通過儀器的智能化改進(jìn)來解決這些問題.

        1.1 儀器智能化改進(jìn)的原則

        儀器智能化是指利用單片機(jī)和傳感器自動采集數(shù)據(jù),利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果,包括誤差和不確定度.考慮到以往智能化儀器對實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的影響,在儀器的智能化改進(jìn)時(shí)要求:

        (1)增加學(xué)生對信息技術(shù)的認(rèn)識,不降低對物理實(shí)驗(yàn)過程的體會;

        (2)不降低大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的課程要求.

        1.2 儀器智能化改進(jìn)的實(shí)施

        以學(xué)生為主、教師為輔的方式對一些操作重復(fù)的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行改進(jìn),在原有儀器的基礎(chǔ)上結(jié)合單片機(jī)開發(fā)板和傳感器自動采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),用編程軟件如labview,python等處理數(shù)據(jù);或借助傳感器和Pasco系統(tǒng)相結(jié)合,采用Capstone軟件處理數(shù)據(jù).因?yàn)槭窃诂F(xiàn)有儀器上改進(jìn),因而儀器是開放而非封閉的,學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程和體會基本不變.

        2 實(shí)驗(yàn)儀器智能化后實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)

        儀器智能化可以縮短測量時(shí)間,但不能縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間,降低實(shí)驗(yàn)要求,應(yīng)充分利用多出來的時(shí)間豐富教學(xué)內(nèi)容,提高教學(xué)質(zhì)量.

        2.1 培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識

        教師在介紹實(shí)驗(yàn)儀器的時(shí)候,應(yīng)強(qiáng)調(diào)傳感器、通信接口和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用,鼓勵學(xué)生學(xué)習(xí)開發(fā)軟件與數(shù)據(jù)處理軟件,了解單片機(jī)開發(fā)板性能和作用,為后續(xù)開發(fā)儀器、參加省大學(xué)生物理創(chuàng)新競賽打下基礎(chǔ).

        2.2 以學(xué)生為主導(dǎo)進(jìn)一步研究物理規(guī)律

        物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)既要培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?,又要通過實(shí)驗(yàn)使學(xué)生加深對物理知識、物理規(guī)律的理解.物理規(guī)律和現(xiàn)象隨著條件和參數(shù)的改變有可能發(fā)生變化,同一物理規(guī)律也可以從不同的角度去研究,這需要有較多的時(shí)間讓學(xué)生思考和操作.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于課堂時(shí)間有限,一般都在指定的條件和參數(shù)下進(jìn)行測量,儀器智能化后的教學(xué)環(huán)節(jié)中,要求學(xué)生在完成教材中規(guī)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之外,根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理自主改變實(shí)驗(yàn)的測量條件和參數(shù),研究實(shí)驗(yàn)條件和參數(shù)的改變對物理規(guī)律的影響[6],或自主研究物理規(guī)律.如空氣比熱容比實(shí)驗(yàn),要求測量空氣比熱容比.實(shí)驗(yàn)中采用樹莓派4B和BMP388傳感器自動采集數(shù)據(jù),用Python軟件編程自動繪制各個(gè)熱力學(xué)過程氣體壓強(qiáng)、溫度隨時(shí)間的變化曲線,并計(jì)算出空氣比熱容比.學(xué)生完成測量后自主研究一項(xiàng)拓展內(nèi)容,經(jīng)過對幾個(gè)熱力學(xué)過程的分析,大多數(shù)學(xué)生研究等容過程,用手對儲氣瓶加熱,研究等容條件下氣體壓強(qiáng)和溫度的關(guān)系;少數(shù)學(xué)生則利用測得的比熱容比反推研究絕熱過程;也有學(xué)生研究充放氣放慢對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響.無論用什么方法研究,都表明了學(xué)生對物理規(guī)律有一定的思考,教材中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,可以加深學(xué)生對物理規(guī)律的理解,而對于實(shí)驗(yàn)要求之外的數(shù)據(jù)規(guī)律的分析、不同角度的實(shí)驗(yàn)研究會進(jìn)一步加深對物理規(guī)律的理解.

        2.3 提高分析問題解決問題的能力

        有的實(shí)驗(yàn)受儀器調(diào)整、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等因素的影響,會產(chǎn)生較大的誤差,儀器智能化后,在實(shí)驗(yàn)中給定測量的精度要求,讓沒有達(dá)到要求的學(xué)生自己找出原因并解決.如磁懸浮動力學(xué)實(shí)驗(yàn),利用磁浮小車在導(dǎo)軌中運(yùn)動來研究牛頓第二定律,測量重力加速度等.該實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性不是很好,誤差比較大,學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)回去處理數(shù)據(jù),也只能泛泛地說哪些方面可能出現(xiàn)問題.將計(jì)算機(jī)通過Arduino開發(fā)板和光電門相連,并用LabVIEW采集、處理數(shù)據(jù).實(shí)驗(yàn)中學(xué)生利用計(jì)算機(jī)很快可以得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如果超出教師規(guī)定的精度要求,那就要學(xué)生自己分析研究實(shí)驗(yàn)過程中可能存在的問題,比如導(dǎo)軌縱向水平度或小車輪子對導(dǎo)軌的壓力等,調(diào)整后重新測量,這樣既可增強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的主動性,又可提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力.

        2.4 引導(dǎo)學(xué)生主動研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        對于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),學(xué)生根據(jù)自己的設(shè)計(jì)搭建實(shí)驗(yàn)器材,完成測量,一般很少有時(shí)間去研究自己的設(shè)計(jì)方案是否正確,只能課后數(shù)據(jù)處理時(shí)分析,缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.儀器智能化后,學(xué)生有時(shí)間用實(shí)驗(yàn)手段研究自己設(shè)計(jì)方案的正確性,有的實(shí)驗(yàn)可以根據(jù)研究結(jié)果調(diào)整設(shè)計(jì)方案.如伏安法測非線性電阻的伏安特性,該實(shí)驗(yàn)是設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),要求學(xué)生根據(jù)待測電阻的型號參數(shù)和所用電表的內(nèi)阻,設(shè)計(jì)測量電路(電流表內(nèi)接或是外接),然后逐點(diǎn)測量.在課堂上一般只能完成兩個(gè)非線性電阻的測量,學(xué)生實(shí)驗(yàn)精度是否達(dá)到要求、設(shè)計(jì)方案是否正確,在課堂上學(xué)生不清楚.將現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器和Pasco系統(tǒng)相連,用計(jì)算機(jī)采集電阻元件上的電流和電壓并用Capstone軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,學(xué)生可以很快測完數(shù)據(jù)并得到伏安特性曲線.如根據(jù)設(shè)計(jì)采用電流表外接測量穩(wěn)壓管正向伏安特性,得到伏安特性曲線后,要驗(yàn)證自己設(shè)計(jì)方案的正確性,先用Capstone軟件畫出修正電表內(nèi)阻后的伏安特性曲線,然后測出電流表內(nèi)接的伏安特性曲線,就可以比較兩種接法電表內(nèi)阻的接入誤差對測量結(jié)果的影響.

        3 儀器智能化前后教學(xué)方法和教學(xué)效果比較

        3.1 教學(xué)方法上的區(qū)別

        (1)儀器智能化后在課堂教學(xué)中突出“學(xué)生為主體”.使用智能化儀器,可以在較短的時(shí)間完成測量,在教學(xué)內(nèi)容的安排上,根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生自主研究物理規(guī)律,或者進(jìn)一步完成教材中的拓展內(nèi)容,又或者提高實(shí)驗(yàn)精度等等,這樣增加了學(xué)生的主動性,也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率.

        (2)儀器智能化后加深了對實(shí)驗(yàn)誤差的理解,進(jìn)一步提高學(xué)生的分析能力.儀器智能化前通過實(shí)驗(yàn)后待測物理量的誤差計(jì)算和結(jié)果的不確定度計(jì)算來培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)處理能力和分析能力.而儀器智能化后學(xué)生在課堂上利用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)計(jì)算測量誤差、繪制實(shí)驗(yàn)曲線等,不需要課后進(jìn)行繁瑣的數(shù)據(jù)處理[7],學(xué)生根據(jù)所得結(jié)果了解了產(chǎn)生誤差的主要因素,分析實(shí)驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié),根據(jù)具體情況采取相應(yīng)措施,相對于儀器智能化前,學(xué)生能力的培養(yǎng)得到進(jìn)一步加強(qiáng).

        3.2 教學(xué)效果

        從儀器智能化后的教學(xué)效果上看:

        (1)提高課堂教學(xué)效率.物理實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力和夯實(shí)物理理論基礎(chǔ).儀器智能化縮短了不必要的重復(fù)測量時(shí)間,用于分析影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素,調(diào)整實(shí)驗(yàn)儀器,提高實(shí)驗(yàn)精度,改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)或者實(shí)驗(yàn)方法,進(jìn)一步實(shí)驗(yàn),使學(xué)生對物理概念、物理規(guī)律有更深的理解,因而在課堂規(guī)定的時(shí)間內(nèi),學(xué)生獲得更多的經(jīng)驗(yàn)與體會.

        (2)提高了實(shí)驗(yàn)報(bào)告的質(zhì)量.智能化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以算出各量的測量誤差和不確定度,這樣可以避免部分學(xué)生課后因?qū)W業(yè)緊張而對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理敷衍了事,有了正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的總結(jié)有根有據(jù),不像以前對結(jié)果的討論分析空洞籠統(tǒng).教學(xué)效果有明顯的提高.

        另外,采用智能化儀器后,學(xué)生了解了信息技術(shù)在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用,對某些物理實(shí)驗(yàn)儀器產(chǎn)生一些想法,然后嘗試智能化改進(jìn),學(xué)生采用不同的開發(fā)板和不同的軟件,如labview,python,MATLAB等采集和處理數(shù)據(jù),盡管這些儀器現(xiàn)在還不能推廣到實(shí)驗(yàn)教學(xué),但可以不斷地改進(jìn)與完善,為后續(xù)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的開發(fā)打下良好的基礎(chǔ).學(xué)生在改進(jìn)儀器的過程中創(chuàng)新能力得到了鍛煉,近年來有10多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)儀器的改進(jìn)在浙江省大學(xué)生物理創(chuàng)新競賽上獲獎.

        4 結(jié)束語

        儀器智能化后的實(shí)驗(yàn)不是學(xué)生打開儀器自動測量,然后拷貝或打印實(shí)驗(yàn)結(jié)果就完成實(shí)驗(yàn)了,它只是減少了一些操作重復(fù)的數(shù)據(jù)測量,著重于提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和研究的能力,是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分.實(shí)踐表明,采用部分開放式的智能化儀器進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)教學(xué),只要合理安排教學(xué)內(nèi)容,不僅不會降低教學(xué)質(zhì)量,而且還可以使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加全面,從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果.

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