王美玉，白彥魁，田之雪，邸 冰

(河北師范大學 1.物理學院；2.物理國家級實驗教學示范中心,河北 石家莊 050024)

用電位差計測量電池電動勢是高等院校普通物理實驗電磁學部分的一個必開設的實驗項目，其補償法原理是經(jīng)典的測量手段和實驗方法。實驗要求學生認真學習電位差計的補償式工作原理、結構及特點；掌握用電位差計測量未知電動勢的方法和技巧；培養(yǎng)學生正確連接電路、分析實驗線路和排除實驗過程中故障的能力[1]。為了提高教學質量，對該實驗的教學研究已經(jīng)有過一些相關討論[2-4]。自2020年5月教育部頒發(fā)《高等學校課程思政建設指導綱要》以來，以落實立德樹人根本任務、全面提高人才培養(yǎng)質量為中心環(huán)節(jié)，將課程思政教育理念融入課堂教學已經(jīng)成為高校教師的一種共識[5，6]。文章以用電位差計測量電池電動勢實驗為例，對課程思政融入普通物理實驗教學設計與實踐進行了初步探討。

1 儀器介紹

目前實驗室用的是杭州大華儀器制造有限公司生產的DH6502型電位差計綜合實驗儀，如圖1所示，主要包括DH325新型十一線電位差計、DHBC-5標準電勢和AZ19型直流檢流計三部分。圖2是DH325新型十一線電位差計面板圖，其所用電阻絲AB全長11米，總共分成了11段，前10段繞在透明玻璃板下的十個有機玻璃棒上，最后1段繞在一個刻度盤上。面板上有0、1、2、…、10的編號插線孔，每兩個編號插線孔間電阻絲長為1米，電阻值為10歐。觸點C可選插任意一個插線孔?；€盤電阻絲0B有毫米刻度，觸點D可在它上面滑動[7]。課堂上，可以通過簡單介紹該儀器發(fā)展歷程，展示人類創(chuàng)新思維與技術創(chuàng)新的能力。同時，學校更新實驗儀器，加大實驗課程資金投入，借機引導學生珍惜擁有的一切，感恩國家、學校、家長和老師的付出，培養(yǎng)學生家國情懷，學生會更容易接受。

圖1 DH6502型電位差計綜合實驗儀

圖2 DH325新型十一線電位差計面板圖

2 課堂教學過程

在實際教學中，為了更好地將思政元素融入到實驗教學中，設置了三個“為什么”，將實驗原理、實驗內容及實驗操作注意事項有機串聯(lián)起來。

(1)準確測量電源電動勢的方法是什么？這一問解決本實驗的原理問題，是要重點講解的部分，意在將科學思維的啟發(fā)貫穿于實驗原理中。

(1.1)補償法原理

補償原理如圖3所示。

圖3 補償法原理示意圖

Ex是待測電動勢，E0為連續(xù)可調的補償電壓。調節(jié)E0使檢流計G示零，此時必然有Ex=E0，這說明待測電動勢Ex已經(jīng)被可調的E0所“補償”，若已知E0就可以得到Ex。

(1.2)電位差計測量電池電動勢的電路

測量電路如圖4所示。實驗所依據(jù)的原理公式為

(1)

LC′D′/LCD可以直接測量得到，EN為已知的標準電池的電動勢，則EX可求出。這部分，結合實驗電路圖，可以請學生講解實驗原理公式的推導，學生的課堂表現(xiàn)記錄在過程化評價考核中，充分調動學生學習的積極性。另外，教師進行點評總結時，指出電位差計測量電動勢屬于間接測量法，進而不失時機地引出，在同學們日常學習和生活中遇到直接難以解決的問題，要積極應對，廣開思路，培養(yǎng)間接思維方式，這會是課程思政的一個有效切入點。

(2)實際操作時為什么檢流計支路要串聯(lián)一個大電阻？這一問引入到實際操作注意事項，先教師講解加演示再學生獨立操作進行親身體會。

在圖4所示電路圖中有一個電阻R0，推導原理公式的時候令R0=0。那么電路里面為什么串聯(lián)一個電阻呢？在學生進行實驗時，可能因觸點位置選的不合適導致標準電池和檢流計中通過較大電流。為了防止儀器損壞，在檢流計支路串聯(lián)一只大電阻，但這樣就降低了電位差計的靈敏度，即兩個觸點之間和EN(EX)還沒有完全平衡，由于大電阻的存在而使檢流計無明顯偏轉。因此，當電位差計平衡后，還應該逐漸減小電阻R0的值，進一步調節(jié)平衡，直到該電阻變?yōu)榱銜r調節(jié)平衡后得到的觸點間的長度才是需要的測量值，這樣就可以起到保護標準電池和檢流計的作用。保護電阻的引入，拓寬了原理知識的深度，在這一過程中，教師適時地指出：實驗教學需要大量的甚至有些是比較昂貴的實驗設備、儀器耗材，實驗課程成本高，從而要求學生要愛護實驗儀器設備，加強安全意識，規(guī)范實驗行為，同時有意識地將社會公德教育和生態(tài)文明教育融入實驗室環(huán)境，使學生在實驗活動中接受到隱性教育的信息，凸顯出對學生的人文關懷。

圖4 電位差計測量電池電動勢電路圖

(3)決定十一線電位差計準確度的因素是什么？這一問引出了本實驗的誤差計算。

十一線電位差計測量的準確度主要取決于：十一米電阻絲每段長度的準確性和粗細的均勻性、標準電源的準確度、檢流計的靈敏度及工作電流的穩(wěn)定性。實際上，本實驗所用電阻絲很均勻，標準電源電動勢準確穩(wěn)定，檢流計很靈敏。對于工作電源E一般也是比較穩(wěn)定的，但為了保證工作電流標準化，每次測量時都是經(jīng)過定標和測量兩個步驟。因此這些影響電位差計準確度的因素可以忽略不計，本實驗誤差的主要來源就成了對檢流計指零時的視差和滑線盤讀數(shù)的偶然誤差。這部分可以讓同學在觀察儀器，操作儀器及后續(xù)的實驗數(shù)據(jù)處理中去體會。

3 實驗操作過程

教師講解和提問結束后，學生開始實驗，需要詳細觀察實驗現(xiàn)象，記錄實驗結果。本實驗的要求是：調節(jié)工作電源輸出電壓為2V，根據(jù)事先估算的長度CD和C′D′將觸點C(C′)和D(D′)調好位置，再進行定標和測量。教師跟蹤指導，及時糾正實驗中的不規(guī)范行為，并就實驗中出現(xiàn)的故障采取合理的應對方式。例如，該實驗操作中經(jīng)常出現(xiàn)的故障是：開關接通后，無論怎樣調節(jié)觸點，檢流計指針總是偏向一邊而不能補償。遇到這種情況，有的學生不加思考，盲目調節(jié)觸點位置，費時費工，沒有結果；有的同學有畏懼心理，不知無措，認為可能很高深，自己解決不了。這說明學生沒有養(yǎng)成在實驗中根據(jù)現(xiàn)象分析問題解決問題的意識和習慣。老師第一時間安慰學生不要著急，先暫停實驗，引導學生分析可能的原因，比如，工作電源電壓是否按照給定大小調節(jié)的，電路是否有斷路或者接觸不良，電源的極性有沒有接錯等，然后逐一進行排查。經(jīng)過老師的啟發(fā)提示，學生自己的排查，問題迎刃而解。這樣的訓練讓學生體會到實驗中根據(jù)故障現(xiàn)象，從物理原理或理論分析到解決實際問題的樂趣，學生的自信心會大大增強。同時也培養(yǎng)了學生遇事冷靜、善于思考、主動探索、分析問題和解決問題的能力。

實驗操作中的數(shù)據(jù)測量和記錄也融合著思政教育。實驗中要求測干電池的電動勢，每個實驗臺上給定的干電池的電動勢并不完全一樣，測量的長度C′D′也就不完全相同。授課教師要教導學生端正實驗態(tài)度，在確保自己操作正確的前提下，實事求是地記錄和分析數(shù)據(jù)，而不是盲目抄襲或者編造數(shù)據(jù)。這一過程充分體現(xiàn)了“實事求是、嚴謹認真、誠實守信”的德育滲透。近年來頻頻出現(xiàn)的學術造假以及社會上假冒偽劣產品的蔓延，就是實事求是、誠實守信精神的缺失和淪喪。因此，在實驗課上要求學生尊重客觀事實，引導學生理解實事求是的重要性，做誠實守信的人。這些都是今后個人發(fā)展和成才的基石。

實驗結束后，學生記錄好數(shù)據(jù)并由教師簽字，然后將實驗臺儀器復位，臺面干凈整潔，桌椅擺放整齊，安靜離場。這些都可以作為學生過程化評價體系的一部分，其目的就是培養(yǎng)學生遵守實驗室行為準則、愛護公共財產、維護實驗室衛(wèi)生、遵守操作規(guī)程，幫助和訓練他們養(yǎng)成良好的實驗習慣，這也是一個合格大學生的必備素養(yǎng)。

4 課后報告和反思

學生課下書寫實驗報告，進行數(shù)據(jù)處理和誤差分析計算，并回答思考題。根據(jù)本實驗課教學目的設置了兩道思考題：(1)檢流計的靈敏度對電位差計測量的準確度有什么影響？(2)在測量中如果檢流計總是無法指零，其原因可能有哪些？最后，學生要對實驗進行課程反思，主要從個人預習、課上聽講、使用儀器規(guī)范情況、實驗中出現(xiàn)問題及解決辦法、對實驗的感受和建議等方面來書寫學習反思。筆者曾經(jīng)在學會反思在普通物理實驗教學中的體現(xiàn)一文中對學習反思進行過詳細的闡述[8]。通過學習反思，可以讓學生進行自我診斷，發(fā)現(xiàn)問題，并進行自我改進。

教師通過評閱實驗報告，將實驗報告中存在的共性問題及時通過師生學習交流群反饋給學生，教師對這些共性問題進行歸納總結，結合學生反思反饋反省教學行為，變革教學生活，其結果促進了實驗教學的發(fā)展和建設，實現(xiàn)了教師和學生的雙贏局面。

5 實驗考核評價

實驗考評體系是實驗教學的重要組成部分。為體現(xiàn)實驗課程的思政教育效果，在對專業(yè)知識掌握情況、基本實驗技能等考核的同時，還要將學生的思想政治素養(yǎng)和價值觀等內容納入其中，體現(xiàn)評價的人文性和多元性。關于詳細的措施，筆者在文獻中曾經(jīng)給出詳細的闡述[9]，這里不再贅述。

6 結 語

文章以“用電位差計測量電動勢”為教學案例，牢固樹立“立德樹人”的教育理念，通過創(chuàng)新教育教學方式，探討思想政治教育融入實驗教學的授課思路，使實驗課程與思政教育同向同行，實現(xiàn)全程育人，全方位育人。從學生的反饋與交流得知，新的教育教學模式有了初步的成效，學生的實驗主動性和積極性得到了調動，在培養(yǎng)學生的科學思維、實驗能力的同時，也提高了學生的思想水平、政治覺悟和道德品質，幫助他們樹立了正確的價值觀。而且，課堂教學質量明顯優(yōu)化，大大推動了實驗課程的建設，為全面提高人才培養(yǎng)質量奠定了基礎。