文/羅春梅

大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽是學(xué)生展示自己學(xué)習(xí)成果和實(shí)踐能力的重要平臺。本文以“多功能單擺演示儀的制作”參賽項(xiàng)目為例，闡述教師如何在參賽過程中，通過開展組織團(tuán)隊(duì)、獨(dú)立思考、設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案以及展開實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理等一系列科學(xué)研究活動，旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

在當(dāng)今社會，創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力成為各行各業(yè)對人才的重要要求。大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽作為一個重要的平臺，為大學(xué)生提供了可以展示自己所學(xué)知識和實(shí)踐技能的機(jī)會。本文以“多功能單擺演示儀的制作”物理實(shí)驗(yàn)參賽項(xiàng)目為例，分析了依托競賽平臺培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的具體過程。

開展大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽的目的在于，進(jìn)一步激發(fā)我國大學(xué)生對物理學(xué)及其實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)興趣和潛能，旨在讓學(xué)生通過參與實(shí)踐與競賽來提升自身的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，強(qiáng)化團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識和綜合素質(zhì)。這種“競賽搭臺，教學(xué)唱戲”的創(chuàng)新模式有助于不斷深化我國高校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，著力提高物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量和高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)質(zhì)量。大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽（創(chuàng)新）分為國賽和省賽兩個級別，在“多功能單擺演示儀制作”這一參賽項(xiàng)目上，遼寧省遼東學(xué)院物理專業(yè)的學(xué)生分別獲得過省賽一等獎、國賽三等獎的好成績。

本文主要以物理實(shí)驗(yàn)參賽項(xiàng)目“多功能單擺演示儀的制作”為例，闡述如何通過組織團(tuán)隊(duì)、獨(dú)立思考、設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案，以及展開實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理等一系列科學(xué)研究活動，旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

一、多功能單擺演示儀的制作過程

（一）多功能單擺演示儀制作方案的誕生

一方面，參賽隊(duì)成員一致認(rèn)為參與大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽是一個很好展示自己的才華和實(shí)力的機(jī)會，可以激勵自己主動學(xué)習(xí)和探索，激發(fā)自身對物理學(xué)科的興趣和熱情。另一方面，因多功能單擺演示儀既可以測量重力加速度，又可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，所以團(tuán)隊(duì)成員經(jīng)過反復(fù)討論后決定將“多功能單擺演示儀的制作”作為參賽項(xiàng)目。

課題目的：設(shè)計一種測量重力加速度的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)裝置。

課題要求：設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案，突出設(shè)計涵蓋的物理思想、原理的科學(xué)性以及設(shè)計方法和技術(shù)方面的創(chuàng)新性。

（二）跨專業(yè)組建創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)

在競賽過程中，學(xué)生跨專業(yè)組成團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)成員有擅長機(jī)械制作的，有擅長電機(jī)操作的，有擅長編程的，均具備共同完成實(shí)驗(yàn)的設(shè)計、搭建和數(shù)據(jù)分析、實(shí)驗(yàn)任務(wù)的協(xié)調(diào)合作意識與能力。

（三）多功能單擺演示儀的設(shè)計思想

1.單擺的工作原理

把一個金屬小球拴在一根細(xì)長的線上（見圖1），如果細(xì)線的質(zhì)量比小球的質(zhì)量小很多，而球的直徑又比細(xì)線的長度小很多，則此裝置可看作是一根系住其中一個質(zhì)點(diǎn)且不計質(zhì)量的細(xì)線，此裝置就被稱為單擺。略去空氣的阻力和浮力以及線的伸長等因素，在擺角很小時，可以認(rèn)為單擺在做簡諧振動，其振動周期T 的運(yùn)算公式為：

式中，l是單擺的擺長，即從懸點(diǎn)O 到小球球心的距離；g是重力加速度。因而，單擺周期T只與擺長l和重力加速度g有關(guān)。因此，如果能精確地測量出單擺的l和T，也就能精確地測量出重力加速度g。

分析光網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)管系統(tǒng)脆弱性及安全光網(wǎng)絡(luò)建設(shè)對策……………………………………………………… 朱宗國（1-115）

實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的利用單擺測量重力加速度的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，優(yōu)點(diǎn)是測驗(yàn)結(jié)果比較準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是在測量擺長時使用的工具是卷尺，容易降低測量精度，不適用對研究周期的影響因素進(jìn)行測量。

2.單擺實(shí)驗(yàn)裝置所需條件

（1）測量精度要高。

讀取擺長：通過步進(jìn)電機(jī)（旋轉(zhuǎn)角度電機(jī)）帶動傳動帶，總擺線長度減去步進(jìn)電機(jī)帶動傳動帶移動的距離即為擺長。因此，通過調(diào)整步進(jìn)電機(jī)帶動傳動帶移動的距離，就可以獲得不同的擺長，傳送精度可達(dá)到0.015mm。

讀取周期：擺球起擺后，PLC系統(tǒng)可獲得經(jīng)過光電開關(guān)的時間間隔，并精確到1ms。

（2）設(shè)計要有創(chuàng)新性。

單擺既可以作為測量裝置，亦可以作為演示儀使用。因此，液晶顯示屏需要顯示擺長、周期及重力加速度數(shù)值。另外，通過在屏幕上設(shè)置功能鍵，操作人員可以手動設(shè)置擺長數(shù)值，也便于系統(tǒng)隨著步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動自動讀取擺長，然后通過程序運(yùn)算在屏幕中顯示出重力加速度的數(shù)值。

（四）多功能單擺演示儀的制作流程

1.確定方案

團(tuán)隊(duì)成員通過獨(dú)立思考和討論，結(jié)合物理原理和創(chuàng)新思想，設(shè)計出一種利用單擺裝置測量重力與加速度的實(shí)驗(yàn)方案?？紤]到實(shí)驗(yàn)裝置需要具備穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和可操作性，團(tuán)隊(duì)成員通過不斷的修改和改進(jìn)，最終確定了最佳的實(shí)驗(yàn)方案。多功能單擺演示儀由鋁型材外架、步進(jìn)電機(jī)、滑臺模組3D 打印懸點(diǎn)夾緊裝置、量角器、擺球、擺線、光電對射開關(guān)、PLC、觸摸屏等組成。

2.分工協(xié)作進(jìn)行制作

（1）搭建鋁型材外架、3D 打印懸點(diǎn)夾緊裝置。

（2）購置設(shè)備元件，進(jìn)行組裝（正視圖和側(cè)視圖見圖2、圖3）。

（3）操作“向上”“向下”按鍵，使系統(tǒng)自動讀取擺長，然后再經(jīng)程序運(yùn)算，使屏幕顯示出周期、重力加速度數(shù)值（見圖4），并通過演示擺長對周期的影響，展示演示儀的演示功能。

（4）通過操作“GO”按鍵，操作人員可以手動輸入擺長，再經(jīng)程序運(yùn)算，使屏幕顯示出周期、重力加速度數(shù)值，展示演示儀的測量功能

擺長距離可以通過步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動滑臺的向下運(yùn)動發(fā)生改變，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動精度需達(dá)0.015mm；擺球起擺后，經(jīng)過光電開關(guān)的時間間隔可由PLC 系統(tǒng)自動獲得，可以精確到1ms，并能測量多次間隔時間。這種手動計時的流程對測量的精度要求較高。多功能單擺演示儀可以快速改變擺長，并且獲得精確數(shù)值，也可以使整個板塊的實(shí)驗(yàn)操作更加方便。

二、創(chuàng)新點(diǎn)

（1）采用了滑臺模組（傳送帶、滑塊等）?？倲[線長度確定后，步進(jìn)電機(jī)（旋轉(zhuǎn)角度電機(jī)）帶動傳動帶，能夠改變3D 打印懸點(diǎn)夾緊裝置位置，從而獲得不同擺長。其中，滑臺模組由步進(jìn)電機(jī)、傳送皮帶、無聲導(dǎo)軌組成，傳送精度可達(dá)0.015mm。

（2）懸點(diǎn)夾緊裝置采用工業(yè)級3D 打印技術(shù)，在不影響擺線張力的同時，能夠夾緊擺線，從而獲得擺長數(shù)據(jù)，并且可以實(shí)現(xiàn)無障礙上下移動，從而能夠精準(zhǔn)測量出任意擺長的數(shù)據(jù)。

（3）液晶顯示屏可以顯示擺長、周期及重力加速度數(shù)值。在屏幕上設(shè)置功能鍵，既便于手動設(shè)置擺長數(shù)值，也便于系統(tǒng)隨著步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動自動讀取擺長。經(jīng)系統(tǒng)程序?qū)[長數(shù)據(jù)展開運(yùn)算，最后在屏幕中顯示出重力加速度數(shù)值，多功能單擺演示儀既可以作為測量裝置，亦可以作為演示裝置的雙重使用目的。

三、學(xué)生綜合素養(yǎng)的提升成果

通過參與多功能單擺演示儀的制作過程，學(xué)生綜合素養(yǎng)得到了顯著提升，具體如下。

1.創(chuàng)新思維能力

學(xué)生在制作過程中需要應(yīng)用所學(xué)的知識，結(jié)合實(shí)際情況，尋找解決問題的新方法和新思路，設(shè)計出具有創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)方案和裝置，從而有效提升自身獨(dú)立思考和創(chuàng)新能力。

2.團(tuán)隊(duì)合作能力

團(tuán)隊(duì)成員通過合作完成實(shí)驗(yàn)的設(shè)計、制作和數(shù)據(jù)處理等任務(wù)，使自身相互配合、協(xié)調(diào)工作的意識以及團(tuán)隊(duì)合作能力得到強(qiáng)化。

3.實(shí)踐能力

通過多功能單擺演示儀的制作，團(tuán)隊(duì)成員分析問題、解決問題與實(shí)踐操作的能力得到了良好鍛煉。

四、結(jié)語

多功能單擺演示儀的制作展示了學(xué)生如何開展組織團(tuán)隊(duì)、獨(dú)立思考、設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案，以及展開實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理等一系列科學(xué)研究活動的具體過程。由此可見，依托競賽平臺，學(xué)生能夠通過參賽項(xiàng)目的開展來顯著提升自身創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。