何九寧,鄧邦林,田榮剛,劉 雙

(成都理工大學(xué) 數(shù)理學(xué)院,四川 成都 610059)

在當(dāng)今科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的時代,培養(yǎng)創(chuàng)新能力和實(shí)踐技能已成為大學(xué)教育的重要目標(biāo). 為推動學(xué)生在物理領(lǐng)域的創(chuàng)新能力和實(shí)驗技能的培養(yǎng),全國大學(xué)生物理實(shí)驗競賽(創(chuàng)新)應(yīng)運(yùn)而生. 該賽事為大學(xué)生提供了全面發(fā)揮個人才能、挑戰(zhàn)創(chuàng)新極限的平臺[1-4],旨在通過實(shí)驗設(shè)計與探究來培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究能力和解決問題的能力. 該競賽能夠讓學(xué)生親身經(jīng)歷科學(xué)探索的過程,培養(yǎng)學(xué)生的觀察力、實(shí)驗設(shè)計能力和團(tuán)隊合作精神,進(jìn)一步提升物理實(shí)驗教學(xué)質(zhì)量和高素質(zhì)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)質(zhì)量[5-8]. 此項賽事于2020年首次舉辦,競賽分為“命題類創(chuàng)新作品”“自選課題類創(chuàng)新作品”和“大學(xué)生物理實(shí)驗講課比賽”3個類別. 筆者團(tuán)隊已連續(xù)2屆參加該競賽,并取得了出色的成績,積累了一定的競賽經(jīng)驗. 在第7屆競賽(創(chuàng)新)中,筆者團(tuán)隊共有5支代表隊參賽,獲得一等獎3項、三等獎1項和優(yōu)秀獎1項. 在第8屆競賽中,筆者團(tuán)隊再次獲得一等獎3項,二等獎和三等獎各1項. 本文主要針對競賽第2類別——自選課題類創(chuàng)新作品,從研讀比賽細(xì)則標(biāo)準(zhǔn)、構(gòu)思參賽作品、體現(xiàn)特色和亮點(diǎn)、數(shù)據(jù)智能化采集等環(huán)節(jié)總結(jié)了此類賽事的參賽經(jīng)驗,對如何高效且有針對性地完成參賽作品進(jìn)行了具體論述.

1 研讀比賽細(xì)則標(biāo)準(zhǔn)

參賽前要仔細(xì)研讀組委會制定的比賽細(xì)則. 自選類題目分為2類:a.實(shí)驗儀器制作和改進(jìn);b.物理教學(xué)資源的開發(fā). 實(shí)驗儀器制作和改進(jìn)類題目要求參賽作品能夠提升物理實(shí)驗教學(xué)效果或儀器性能,提交的作品在實(shí)際操作中應(yīng)具有可調(diào)控的實(shí)驗過程和直觀可測的參量,以便實(shí)驗者對內(nèi)容有更清晰、直觀地理解和掌握. 此外,作品還要使物理圖像和規(guī)律更加直觀,具有拓寬研究和應(yīng)用范圍的作用.

例如,筆者團(tuán)隊在第7屆比賽中提交的作品“渦旋電流制動裝置”(圖1),是研究渦流制動的原理與效果的實(shí)驗教學(xué)儀器. 在該作品中,首先進(jìn)行了儀器的建模與搭建,并提供了詳細(xì)的設(shè)計說明,確保參賽評委和觀眾能夠清晰地理解儀器的結(jié)構(gòu)和工作原理. 隨后,對影響渦流制動效果的5個關(guān)鍵參量進(jìn)行了實(shí)驗研究,包括磁鐵間距、銅盤厚度、制動方向、制動桿個數(shù)等,觀察到這些參量對渦流制動效果的直接影響,進(jìn)而深入揭示了渦流制動現(xiàn)象的本質(zhì). 此外,該作品借助清晰的物理圖像使得物理規(guī)律更加直觀,拓寬了渦流現(xiàn)象的研究和應(yīng)用范圍.

圖1 渦流制動裝置

再如,筆者團(tuán)隊在第8屆比賽中提交的作品 “電磁場分布的測定與分析系統(tǒng)”(圖2),通過將自動化數(shù)據(jù)采集與測量結(jié)果可視化相結(jié)合,成功解決了傳統(tǒng)物理實(shí)驗中電磁場圖像不清晰的問題. 該作品突出了電磁場的測量與分析,為學(xué)生提供了更直觀、清晰的電磁場圖像. 在該作品中,首先通過精確的實(shí)驗設(shè)計和儀器搭建,實(shí)現(xiàn)了對電磁場的測量. 然后,將測量到的數(shù)據(jù)以圖像形式展示,并通過自動化控制程序?qū)崿F(xiàn)了圖像的實(shí)時顯示和調(diào)節(jié). 該設(shè)計能夠讓學(xué)生直觀地觀察和分析電磁場的分布情況,更好地理解電磁現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律,更深入地理解電磁場的特性,并能夠通過調(diào)整實(shí)驗條件和參量來觀察電磁場的變化趨勢. 這種直觀的呈現(xiàn)方式有助于提高學(xué)生的實(shí)驗參與度和學(xué)習(xí)效果.

圖2 電磁場的測定裝置

物理教學(xué)資源的開發(fā)類題目要求實(shí)驗設(shè)計者在對有關(guān)教材內(nèi)容有了更深地理解和掌握后,對相關(guān)內(nèi)容有自己獨(dú)特的見解,并能夠利用信息技術(shù)開發(fā)具有良好教學(xué)效果或參考價值的教學(xué)資源. 在完成此類作品時務(wù),必做到物理原理正確,且能夠啟發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考,激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)和探究相關(guān)內(nèi)容的興趣.

此外,參賽前還要認(rèn)真學(xué)習(xí)組委會制定的作品評審標(biāo)準(zhǔn). 參賽隊伍需提供完整的參賽資料,包括教學(xué)資源設(shè)計報告、PPT、介紹視頻等,明確了解自選類比賽的形式和視頻剪輯的要求,尤其是視頻剪輯的要求和時長,如果不仔細(xì)研讀可能會違規(guī)扣分甚至被判出局. 2022年,大學(xué)生物理實(shí)驗自選類競賽評審分5個評價維度、11個評分標(biāo)準(zhǔn),共計100分.

1)科學(xué)性:選題有意義、物理原理正確;設(shè)計思路清晰、技術(shù)方案合理有特色;參賽文檔及視頻質(zhì)量高. (30分)

2)創(chuàng)新性:選題內(nèi)容是以往教學(xué)實(shí)驗中缺少但有益學(xué)生長遠(yuǎn)發(fā)展的方向. (10分)

3)學(xué)生參與程度:學(xué)生的貢獻(xiàn)比例,且在文檔中有明確說明. (10分)

4)先進(jìn)性:演示操作熟練且規(guī)范;測量準(zhǔn)確、精度高及可行性論證充分;預(yù)期教學(xué)效果良好. (30分)

5)現(xiàn)實(shí)意義:實(shí)驗裝置簡便,易于操作;推廣價值高;作品的成熟程度. (20分)

2 確定選題角度

按照競賽要求構(gòu)思參賽作品題目是非常重要的步驟. 自選類競賽的選題相對開放,參賽隊伍可以根據(jù)不同的思路和實(shí)踐經(jīng)驗確定作品題目.

2.1 改進(jìn)和應(yīng)用傳統(tǒng)實(shí)驗項目

該類選題有2個關(guān)鍵點(diǎn)需要注意:a.創(chuàng)新的實(shí)驗裝置設(shè)計和改進(jìn);b.實(shí)驗參量的可調(diào)控和直觀可測性. 在創(chuàng)新的實(shí)驗裝置設(shè)計和改進(jìn)方面,可以考慮對傳統(tǒng)光學(xué)實(shí)驗裝置進(jìn)行改進(jìn),以提高測量精度或者拓展實(shí)驗功能. 例如,通過引入新的材料或優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計,可以減少實(shí)驗誤差并提高測量精度. 另外,可以增加附加組件或改變光路布局拓展實(shí)驗功能,使其具有更多的研究或應(yīng)用價值. 而在實(shí)驗參量可調(diào)控和直觀可測的設(shè)計中,可以考慮設(shè)計具有可調(diào)控參量的實(shí)驗裝置,使實(shí)驗者能夠直觀地觀察和測量實(shí)驗過程中的關(guān)鍵參量. 通過調(diào)節(jié)這些參量,實(shí)驗者可以實(shí)時觀察到參量變化對實(shí)驗結(jié)果的影響,從而深入理解物理原理. 以上的改進(jìn)和設(shè)計思路將有助于提高實(shí)驗效果和教學(xué)價值.

2.2 虛擬仿真和課件開發(fā)

此類選題可考慮采用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)交互式的物理實(shí)驗?zāi)M軟件以及制作教學(xué)課件和動畫. 例如,可以開發(fā)模擬電路實(shí)驗的虛擬實(shí)驗室,讓學(xué)生能夠在計算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗操作和觀察. 虛擬實(shí)驗室能夠提供安全、可控的環(huán)境,讓學(xué)生通過模擬實(shí)驗來理解物理原理和實(shí)驗過程. 同時,學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和需求調(diào)整實(shí)驗參量,加深對物理概念的理解. 通過制作富有創(chuàng)意和互動性的教學(xué)課件和動畫,可以向?qū)W生展示物理概念和現(xiàn)象激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和獨(dú)立思考能力,讓學(xué)生更好地理解抽象的物理概念,并進(jìn)行實(shí)際的應(yīng)用和探究.

2.3 科研成果轉(zhuǎn)化

參賽團(tuán)隊可以基于指導(dǎo)教師的科研項目將科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗裝置或應(yīng)用,展示其在物理教學(xué)中的應(yīng)用價值. 或者應(yīng)用科研成果中的新理論、新方法或新技術(shù),對傳統(tǒng)實(shí)驗進(jìn)行改進(jìn),從而使實(shí)驗結(jié)果更加準(zhǔn)確、可靠.

2.4 深化和拓展學(xué)術(shù)競賽內(nèi)容

參賽選手可以以中國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽(CUPT)相關(guān)內(nèi)容為基礎(chǔ)進(jìn)行深入研究和拓展,將其作為選題的切入點(diǎn). 例如,在光學(xué)競賽項目的基礎(chǔ)上,可以設(shè)計出更復(fù)雜的實(shí)驗裝置,以進(jìn)一步研究光的干涉和衍射. 通過增加實(shí)驗的廣度性和深度,參賽選手可以探索更深層次的物理現(xiàn)象和理論,并展示出對光學(xué)領(lǐng)域的深入理解和創(chuàng)新思維. 這種深化和拓展的研究方向可以為競賽作品帶來更高水平的學(xué)術(shù)價值和創(chuàng)新性.

3 裝置設(shè)計與搭建

大學(xué)生物理實(shí)驗競賽(創(chuàng)新)自選類作品的實(shí)驗屬于綜合設(shè)計性實(shí)驗,沒有內(nèi)容詳盡的標(biāo)準(zhǔn)教材可供參考,需要充分發(fā)揮參賽選手的主觀能動性和科學(xué)探索精神. 從調(diào)研參考文獻(xiàn)、擬定實(shí)驗方案、開展預(yù)實(shí)驗、購買實(shí)驗耗材、設(shè)計搭建實(shí)驗裝置,再到開展實(shí)驗、采集并分析實(shí)驗數(shù)據(jù),以及撰寫實(shí)驗報告和錄制視頻,該過程模擬了科學(xué)實(shí)驗的全過程. 整個過程要求競賽指導(dǎo)教師和參賽隊員具備扎實(shí)的基礎(chǔ)知識、實(shí)驗技能和有效的科學(xué)方法,同時要具備團(tuán)隊合作、創(chuàng)新思維和解決問題的能力,這也對指導(dǎo)教師和參賽隊員提出了更高的要求.

特別在裝置設(shè)計與搭建的環(huán)節(jié)中,為確保實(shí)驗裝置的科學(xué)性和實(shí)用性,在正式搭建實(shí)驗裝置前,應(yīng)首先開展預(yù)實(shí)驗以驗證相關(guān)猜想的可行性. 開展預(yù)實(shí)驗可以幫助學(xué)生了解實(shí)驗中可能出現(xiàn)的問題,并采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行改進(jìn). 其次,在正式搭建裝置前應(yīng)利用計算機(jī)輔助設(shè)計軟件進(jìn)行裝置模擬搭建. 通過3D建模和虛擬裝置搭建,可以模擬實(shí)驗裝置的搭建和運(yùn)行過程,并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和參量調(diào)整(圖3). 裝置的虛擬搭建環(huán)節(jié)能夠使學(xué)生能夠更好地理解實(shí)驗原理和實(shí)驗過程,從而在實(shí)際搭建中減少誤差和時間成本. 因此,通過預(yù)實(shí)驗和虛擬搭建環(huán)節(jié),學(xué)生能夠在實(shí)驗設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)潛在問題并進(jìn)行改進(jìn),提高實(shí)驗的準(zhǔn)確性和可行性.

圖3 電磁場測定裝置的預(yù)實(shí)驗與虛擬搭建

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊

4 體現(xiàn)特色和亮點(diǎn)

在設(shè)計實(shí)驗時,參賽選手可以著重考慮設(shè)計自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和可視化系統(tǒng),以展現(xiàn)其創(chuàng)新和特色. 自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和可視化系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的人工采集和處理方式具有較多優(yōu)點(diǎn). 首先,自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠顯著提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和可靠性. 通過實(shí)時采集數(shù)據(jù),避免了人工記錄中可能存在的誤差和遺漏的問題,確保了數(shù)據(jù)的精確性和可信度. 其次,自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠極大提升數(shù)據(jù)采集的效率,節(jié)省時間. 學(xué)生能夠?qū)Ｗ⒂趯?shí)驗操作和結(jié)果分析,而不必花費(fèi)過多時間在數(shù)據(jù)記錄上. 這些優(yōu)點(diǎn)能夠使學(xué)生更加便捷、準(zhǔn)確地獲取和分析實(shí)驗數(shù)據(jù),提高數(shù)據(jù)處理和科學(xué)思維能力. 因此,自動化實(shí)驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和可視化系統(tǒng)在教學(xué)改革中具有重要的應(yīng)用價值和意義. 下面以筆者團(tuán)隊在第8屆比賽中的獲獎作品 “電磁場分布的測定與分析系統(tǒng)”為例,詳細(xì)介紹自動化數(shù)據(jù)采集和可視化過程.

4.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在搭建電磁場測定與分析裝置的電機(jī)電路子系統(tǒng)時,采用了INA219電壓檢測模塊、Arduino UNOMEGA2560 R3開發(fā)板、V-154限位開關(guān)、42步進(jìn)電機(jī)、A4988及CNC 拓展板和同步帶輪組等組件組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊,如圖 4 所示. 電場可視化使用的探測裝置為鉑材質(zhì)mm級探針,穩(wěn)恒磁場可視化使用的探測裝置為3個正交放置的霍爾元件,同步帶輪組、電機(jī)和限位器可直接控制探針的移動.

單片機(jī)由 PC 端供電,使用 Arduino 的IED 編寫程序后,單片機(jī)接收并儲存 PC 端輸入的控制程序, 并為 CNC 拓展版提供上升沿信號和步進(jìn)方向信號. 探測裝置將探針收集到的信號傳到INA219 電壓檢測模塊,進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化,信號由模擬量轉(zhuǎn)為十六進(jìn)制的數(shù)字量后傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)上,再通過串口通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?PC 端進(jìn)行處理,電路圖如圖5所示.

圖5 電機(jī)電路系統(tǒng)運(yùn)作示意圖

4.2 可視化系統(tǒng)

可視化系統(tǒng)是“電磁場分布的測定與分析系統(tǒng)”作品的重要組成部分,它能夠?qū)⒉杉降碾姶艌鰯?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀的圖像,以便學(xué)生更好地理解和分析實(shí)驗結(jié)果. 在該系統(tǒng)中,首先通過Arduino開發(fā)板將采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表格;其次,使用Python編程語言讀取并處理Excel表格中的數(shù)據(jù),并利用Python自帶的數(shù)據(jù)庫(如NumPy和SciPy庫)[9-10]進(jìn)行數(shù)值計算、統(tǒng)計分析和擬合;最后,繪制圖像,將靜電場和穩(wěn)恒磁場測量結(jié)果的趨勢和關(guān)系進(jìn)行可視化展示.

圖6展示了在長方體容器的水環(huán)境中,2根尺寸相同的銅棒(20 cm×0.9 cm)被固定成“=”形,施加6 V電壓時,通過本系統(tǒng)測量得到的電場分布結(jié)果.

圖6 電場測量結(jié)果與仿真結(jié)果對比圖

圖7展示了在長方體容器中,通過本系統(tǒng)測量得到的圓柱形磁鐵在空氣環(huán)境中的磁場分布情況.

圖7 磁場測量結(jié)果與仿真結(jié)果對比圖

5 結(jié)束語

全國大學(xué)生物理實(shí)驗競賽(創(chuàng)新)對教學(xué)改革和學(xué)生發(fā)展具有重要的影響和啟示. 參與競賽的學(xué)生通過全面而深入的實(shí)踐鍛煉,提高了實(shí)驗技能和創(chuàng)新思維能力,不僅可以讓學(xué)生在實(shí)驗操作和數(shù)據(jù)處理方面取得顯著進(jìn)步,還加深了學(xué)生對物理學(xué)科的理解,團(tuán)隊合作和交流增強(qiáng)了學(xué)生的協(xié)作能力和溝通能力. 競賽的舉辦促進(jìn)了實(shí)踐教學(xué)的重視和推廣. 高校對競賽給予了高度關(guān)注,并提供了更優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗設(shè)備和充分的資源支持,從而為學(xué)生創(chuàng)造了良好的實(shí)踐環(huán)境. 競賽進(jìn)一步促進(jìn)了跨學(xué)科合作,培養(yǎng)了學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新思維,推動了學(xué)科之間的交叉融合. 競賽鼓勵學(xué)生獨(dú)立思考、設(shè)計實(shí)驗方案,并將所學(xué)的理論知識應(yīng)用到實(shí)踐,在解決實(shí)際問題的過程中探索物理學(xué)的前沿領(lǐng)域. 這種培養(yǎng)學(xué)生探索和創(chuàng)新意識的方式為學(xué)生未來的科學(xué)研究和應(yīng)用能力奠定了基礎(chǔ).