吳晶晶，高 輝

(江南大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是絕大多數(shù)高等院校理工類專業(yè)必修的基礎(chǔ)課程，通常在大學(xué)低年級開設(shè)。作為一門基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作課程，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課不僅能加強(qiáng)學(xué)生對經(jīng)典物理理論的理解，還能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)造能力，為學(xué)生以后開展科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)[1-2]。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程一般包括三個(gè)部分：課前預(yù)習(xí)、課堂操作、和數(shù)據(jù)處理[3]。課前預(yù)習(xí)是指學(xué)生在上課前，需根據(jù)教材在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中整理和歸納出本次實(shí)驗(yàn)的物理原理，并初步了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備和設(shè)計(jì)過程；課堂操作則是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)老師的指導(dǎo)下，根據(jù)預(yù)習(xí)的內(nèi)容對實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)手操作，并得到測試數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理是將課前預(yù)習(xí)的物理原理和課堂操作得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，以便對物理原理進(jìn)行驗(yàn)證并加深理解。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，課堂操作是最為重要的一環(huán)，不僅可以將書本上的物理概念轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)的實(shí)驗(yàn)過程，而且可以培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范安全操作實(shí)驗(yàn)和合理記錄數(shù)據(jù)的習(xí)慣，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)事求是的精神等。正是由于實(shí)驗(yàn)課程的特殊性和復(fù)雜性，課程的考核形式必須多元化，才能夠做出全面的評價(jià)[4-6]。

1 對實(shí)驗(yàn)操作過程考核的困難性

雖然基礎(chǔ)型物理實(shí)驗(yàn)的操作是非常重要的[7]，然而，當(dāng)前的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)成績的考核評價(jià)中，課程操作卻是最容易被忽視的一環(huán)。這是因?yàn)椋赫n前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，可以根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告查看其實(shí)驗(yàn)原理是否是照搬課本、邏輯是否清晰、是否有關(guān)鍵性的公式和圖表等；課后的數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，可以根據(jù)數(shù)據(jù)處理方式和步驟、有效數(shù)字、量綱等進(jìn)行打分；但課程操作部分的評分需要教師對學(xué)生的操作過程進(jìn)行檢查[8]。然而，絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)課是30人左右的課堂，因?yàn)閷W(xué)生人數(shù)較多，老師很難同時(shí)觀察到每個(gè)學(xué)生的操作細(xì)節(jié)，更無法及時(shí)獲知學(xué)生是否存在操作不規(guī)范的情況。

因此，對實(shí)驗(yàn)操作部分進(jìn)行有效評價(jià)，既是必要的又是困難的。本文根據(jù)本校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出必須要重視原始數(shù)據(jù)的重要性，通過分析學(xué)生的原始數(shù)據(jù)來對其實(shí)際操作進(jìn)行評價(jià)。這種方法不僅可以客觀且量化地評價(jià)學(xué)生的實(shí)操過程，又能將老師從觀察學(xué)生的操作細(xì)節(jié)中解放出來，使其有更多精力指導(dǎo)每一名學(xué)生。

2 以拉伸法測金屬絲楊氏模量實(shí)驗(yàn)為例分析原始數(shù)據(jù)的重要性

2.1 拉伸法測金屬絲楊氏模量實(shí)驗(yàn)原理

本文以拉伸法測金屬絲楊氏彈性模量實(shí)驗(yàn)為例[9]，來闡明從原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄中考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作水平的可行性。

圖1 楊氏彈性模量原理圖

圖2 楊氏彈性模量測試儀[9]

楊氏彈性模量是描述金屬形變的重要參量。在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，通常采用靜態(tài)拉伸法和光杠桿原理來測量金屬絲的楊氏彈性模量。其實(shí)驗(yàn)過程如圖1所示：首先在金屬絲前方放置的平面鏡，在其下方放置的砝碼。將平面鏡的后足尖放置金屬絲下方的下夾頭上。從圖2中光路圖可以看出，測量時(shí)激光從光路圖左側(cè)的望遠(yuǎn)鏡處射出，光線經(jīng)過平面鏡的反射后到達(dá)望遠(yuǎn)鏡上方的標(biāo)尺。當(dāng)金屬絲下方的砝碼增加時(shí)，拉伸的金屬絲會(huì)通過平面鏡后足尖帶動(dòng)起上下翻轉(zhuǎn)，從而改變光斑在標(biāo)尺上的位置，通過測量各器件位置可計(jì)算出金屬絲的楊氏彈性模量。

在本校實(shí)驗(yàn)室的楊氏模量實(shí)驗(yàn)中，楊氏彈性模量Y的計(jì)算公式如下：

(1)

其中，F(xiàn)為砝碼的重量，為1 kg每個(gè)，L為金屬絲的長度，D為平面鏡到標(biāo)尺的距離，L和D由毫米刻度尺測量，d為金屬絲的直徑，由螺旋測微計(jì)測量，N為加砝碼前后標(biāo)尺讀數(shù)的變化量，為毫米刻度尺，K為平面鏡后足到前足連線的垂直距離，由50分度游標(biāo)卡尺測量?？梢园l(fā)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)涉及的測量長度的工具較多，且測量精度不相同。因此從原始數(shù)據(jù)的記錄中就可以判斷該學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作水平。在下一節(jié)將以真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例來進(jìn)行論證。

2.2 真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析案例

通過分析學(xué)生測量的原始數(shù)據(jù)，可以評價(jià)學(xué)生整個(gè)實(shí)際操作過程。下面以某位學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄為例進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如下：

第一步，依次將1 kg的砝碼加到砝碼托盤上，記錄各次的標(biāo)尺讀數(shù)，共8次；然后依次取下砝碼，記下相應(yīng)標(biāo)尺讀數(shù)，共8次，記錄如表1。：

表1 不同拉力下標(biāo)尺讀數(shù)

第二步，測鋼絲直徑d。依次在金屬絲上、中、下三個(gè)不同位置用螺旋測微計(jì)測鋼絲直徑6次，記錄如表2。

表2 鋼絲直徑/mm

第三步，用毫米刻度尺測量上、下夾頭之間鋼絲長度L以及光杠桿鏡面到標(biāo)尺距離D；用50分度游標(biāo)卡尺測光杠桿后足到兩前足連線的垂直距離K，記錄如表3。

表3 單次測量數(shù)據(jù)

評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1)原始數(shù)據(jù)的精度是否正確

不同測量儀器對應(yīng)的原始數(shù)據(jù)的精度不同。依據(jù)原始數(shù)據(jù)的精度、單位和有效數(shù)字，可以判斷學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中能否正確使用測試設(shè)備。是否讀取了零點(diǎn)讀數(shù)來判斷對螺旋測微器的正確操作；根據(jù)讀數(shù)的精度來判斷是否正確使用了米尺、游標(biāo)卡尺和螺旋測微計(jì)等。例如，在表2中，未對螺旋測微計(jì)的零點(diǎn)讀數(shù)進(jìn)行記錄、且未記錄單位；在表3中，L和D的測量是使用毫米刻度尺，因此讀數(shù)的精度不正確；表3中K的測量是使用50分度游標(biāo)卡尺，讀數(shù)精度不正確。表2和表3中的原始數(shù)據(jù)說明該學(xué)生對于螺旋測微計(jì)的使用、對游標(biāo)卡尺和毫米刻度尺的精度都沒有正確的認(rèn)識，因此可以進(jìn)行的扣分。

(2)原始數(shù)據(jù)的合理性

能否正確獲得光杠桿標(biāo)尺的變化量N可以判斷學(xué)生是否正確操作光杠桿和望遠(yuǎn)鏡；

判斷學(xué)生原始數(shù)據(jù)是否在合理的范圍內(nèi)。不僅可以驗(yàn)證學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中的正確性，同時(shí)也能判斷學(xué)生對于所測參數(shù)的理解是否準(zhǔn)確。例如，本實(shí)驗(yàn)中，金屬絲的直徑范圍為0.4～0.8mm。若有學(xué)生測量的原始數(shù)據(jù)偏離較大，甚至差一個(gè)量級，則說明該學(xué)生在實(shí)際操作中不規(guī)范或?qū)y量參數(shù)理解有誤。表2中d的測量結(jié)果處在正常的范圍內(nèi)，因此不需扣分。

(3)原始數(shù)據(jù)的變化趨勢的合理性

在實(shí)驗(yàn)中，某些參數(shù)的測量結(jié)果存在一定變化趨勢。根據(jù)這些變化趨勢也可判斷學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過程中是否存在不規(guī)范。例如本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)金屬絲下方的砝碼逐漸增加時(shí)，從望遠(yuǎn)鏡中讀取的示數(shù)應(yīng)該也是均勻增加的。如果學(xué)生原始數(shù)據(jù)的變化是不均勻的，甚至其變化趨勢與理論相悖，則說明學(xué)生在實(shí)際操作過程中存在誤操作。例如，表1中第1個(gè)標(biāo)尺讀數(shù)存在偏差，說明該學(xué)生在測第1個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，鋼絲有可能并沒有處于自由下垂的狀態(tài)?？梢赃M(jìn)行的扣分。

3 結(jié) 語

本文結(jié)合大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以拉伸法測金屬絲楊氏模量為例，提出了通過分析學(xué)生原始數(shù)據(jù)來判斷其在實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)是否規(guī)范的判斷方法。通過分析原始數(shù)據(jù)的精度、合理性和變化趨勢的正確與否，可以得知學(xué)生在實(shí)際操作中某個(gè)具體步驟理解不到位或操作失誤。該方法不僅解決了教師在實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)無法兼顧每個(gè)學(xué)生的問題，更可以使教師和學(xué)生同時(shí)細(xì)化實(shí)驗(yàn)操作的各個(gè)步驟，進(jìn)一步加深學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理和過程的理解。