林 踐

(臺灣彰化師范大學(xué)理學(xué)院物理學(xué)系,臺灣彰化)

研究為導(dǎo)向之物理實驗技術(shù)課程設(shè)計
——以自制學(xué)生級鎖相放大器教學(xué)課程之設(shè)計為例

林 踐

(臺灣彰化師范大學(xué)理學(xué)院物理學(xué)系,臺灣彰化)

實驗物理教學(xué)課程的內(nèi)涵與成效在過去數(shù)十年中一直是受到學(xué)者們的質(zhì)疑.而其改進(jìn)工作亦從無間斷,從食譜式的引導(dǎo),轉(zhuǎn)換成探究式教學(xué);從單調(diào)的手工數(shù)據(jù)量測升級為電腦自動化量測,再再看到許多學(xué)者的投入與努力.然而大學(xué)實驗教學(xué)課程在奠定專題生與研究生之動手做的基礎(chǔ)能力方面,仍有許多努力空間,筆者在進(jìn)行物理系高年級之物理實驗技術(shù)課程中,以鎖相放大器為教學(xué)標(biāo)的,透過一系列的課程,從理論、電路實作、應(yīng)用等方面,讓學(xué)生能深刻了解此儀器所要解決的物理問題與操作時參數(shù)的選用與設(shè)定,并自制一個簡易型的線性變數(shù)差動變壓器(LVDT)作為測試鎖相放大器應(yīng)用的儀器.經(jīng)過完整、有系統(tǒng)的學(xué)習(xí)后,學(xué)生在日后進(jìn)行研究實驗中,面對一臺研究級的鎖相放大器時,較能得心應(yīng)手,解決問題.

物理實驗教學(xué)設(shè)計;鎖相放大器

1 前言

在各級學(xué)校的物理課程的設(shè)計中,大都或多或少安排實驗課程,而其內(nèi)容亦與物理講授課程平行,也就是教室中的教學(xué)內(nèi)容,到實驗室再進(jìn)行一次,只是方法從理論的推導(dǎo)、證明換成了數(shù)據(jù)的搜集與測試?yán)碚?如此的安排從小學(xué)到大學(xué)幾乎一成不變.而實驗教學(xué)的進(jìn)行,大都采取教師先講解、示范,然后學(xué)生依照實驗課本如食譜方式的程序,逐步完成實驗,最后將實驗數(shù)據(jù)匯整,完成實驗報告.教師再依實驗報告內(nèi)容及上課表現(xiàn),評定成績.這樣的過程似乎并無不妥之處,教師在教室講授的內(nèi)容,到實驗室中再驗證一次,除了加深對學(xué)習(xí)項目的了解,并可學(xué)習(xí)到如何利用器材去檢驗物理,如果實驗數(shù)據(jù)與理論值有誤差,更可利用其差異探討理論是否過于理想化,有無欠考慮之處,引發(fā)學(xué)習(xí)者更深刻的學(xué)習(xí).

此實驗教學(xué)方式,并非全然未受質(zhì)疑與挑戰(zhàn),20世紀(jì)70年代就有研究者提出物理實驗課程的成效的質(zhì)疑,按部就班的實驗程序,充其量只是訓(xùn)練學(xué)習(xí)者的閱讀與照著做的能力,對科學(xué)的本質(zhì)與開創(chuàng)性并未有太多的助益.然而自20世紀(jì)80年代后,建構(gòu)主義興起,有些學(xué)者則以社會建構(gòu)的角度去看實驗課程,認(rèn)為實驗小組中的互動,有益于科學(xué)概念的形成,在 2003年,R.Trumper以《物理實驗的回顧與展望》為名發(fā)表一篇文獻(xiàn)研究論文,他搜集137篇相關(guān)論文,并以旁觀的角度詮釋過去不同研究者的意見,并點出未來物理實驗課程的方向,即是以個人電腦為基礎(chǔ)的課程設(shè)計,將是未來物理實驗的展望與方向.

在臺灣,依照許榮富(1989)在進(jìn)行普通物理學(xué)實驗教學(xué)改進(jìn)時,提出理念認(rèn)為改進(jìn)課程首先必須客觀地評定開課的目標(biāo)為何?他依據(jù)Josephy(1986)所提出的見解,認(rèn)為專科普物實驗?zāi)繕?biāo)應(yīng)為:(1)培養(yǎng)科學(xué)能力:能正確利用科學(xué)方法,利用科學(xué)儀器去解決問題的能力,這些能力能“帶著走”,去面對未來新科技、未知問題的挑戰(zhàn).(2)銜接物理專業(yè)課程的基礎(chǔ):包括物理概念、應(yīng)用及儀器的使用方法與操作等.近年,傅昭明(2006)的論文中不但闡述各國對大學(xué)物理實驗的改革,并認(rèn)為:“……建構(gòu)學(xué)習(xí)觀、探究性和創(chuàng)造性實驗?zāi)芰?、提示問題教學(xué)、人本素質(zhì)教育等為現(xiàn)行物理實驗教學(xué)所必要的觀念元素.科學(xué)探究能力與創(chuàng)新思維的教學(xué)目標(biāo)需要仰賴改革性實驗課程與創(chuàng)意化的教學(xué)模式.”

2 研究實驗與物理實驗技術(shù)課程

綜觀以上所述,實驗教學(xué)似乎是奠定基礎(chǔ)的工作,強(qiáng)調(diào)的是實驗素養(yǎng)的建立,所實驗的標(biāo)定亦是以已知事實為基礎(chǔ),然而對想進(jìn)入研究領(lǐng)域為志向的大學(xué)生而言,上述所言及之實驗課程序是不夠的,筆者在大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)之經(jīng)驗中,體驗到一旦實驗成為物理研究工具的一環(huán)時,研究者還必須面對以下的問題與挑戰(zhàn):

(1)理論與文獻(xiàn)欠缺:教學(xué)實驗大都建立在已知之物理上,而研究實驗的標(biāo)的物可能無相關(guān)文獻(xiàn),或不完備甚至互相矛盾,實驗的過程可能無一定標(biāo)準(zhǔn),必須自行摸索、創(chuàng)建,因此研究的結(jié)論亦無從與已知理論比對,只能猜測,或從自身經(jīng)驗,做直覺判斷.如1986年第一篇三元氧化物超導(dǎo)體之論文,即是以《可能 35K高溫超導(dǎo)體》開啟超導(dǎo)物理之新紀(jì)元.

(2)實驗器材欠缺與昂貴:教學(xué)實驗的器材顧及學(xué)生之實驗?zāi)芰?大都簡單、易操作取向,以量產(chǎn)型之產(chǎn)品為優(yōu)先考量,但在研究實驗室中,小至實驗試片的夾具,大至整個加速器,可能無量產(chǎn)型制品,必須通過定制化取得,在欠缺資源的條件下,往往研究者必須自制實驗器材.另一方面,實驗儀器可能價值連城,操作、保養(yǎng)與維修均需要高度操作能力,研究生或?qū)ｎ}生的先備技能或研究經(jīng)驗往往有助于實驗的開展.

(3)軟件欠缺:教學(xué)實驗所使用的軟件或程序,以易操作為取向,而研究實驗中,在實驗前期,必須從理論建立實驗數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型,在實驗中以電腦控制,自動化進(jìn)行實驗與數(shù)據(jù)擷取,實驗后期,則需借重電腦的數(shù)據(jù)處理與分析能力,一般而言,模擬、操控與數(shù)據(jù)分析程序必須由研究者自行發(fā)展.

(4)技巧欠缺:教學(xué)實驗中數(shù)據(jù)從簡單的儀器獲得,限于學(xué)習(xí)者之實驗?zāi)芰?大都以穩(wěn)定信號為實驗標(biāo)的,少有雜訊高于信號者.在研究實驗中,摻雜在雜訊中微弱的信號,往往是實驗常態(tài),研究者必須嘗試從理論、實驗架構(gòu)、量測方式等方面去提升信號的品質(zhì)至可接受地步,實驗團(tuán)隊的實驗素養(yǎng)往往是實驗成敗的決定因素.

在此情況下,對于有志于此研究領(lǐng)域的學(xué)生,提升其實驗物理研究能力,成為一大課題.筆者在彰化師大進(jìn)行三年級之物理實驗技術(shù)課程教學(xué)時,即考慮能否以研究實驗的情境,設(shè)計教學(xué)內(nèi)容,并做以下的考量:(1)論文研讀與消化:研究實驗進(jìn)行的參考依據(jù)大都以文獻(xiàn)為主,書籍為輔,因此實驗教學(xué)單元均以論文導(dǎo)讀為始,先進(jìn)行經(jīng)典論文的分析,了解實驗的理論與進(jìn)行的程序,再鼓勵學(xué)生進(jìn)行相關(guān)論文的搜集,研讀后作心得報告并作小組討論,進(jìn)而設(shè)計實驗的細(xì)節(jié),借此提升學(xué)生之論文剖析能力.(2)自行制作實驗器材:從簡單的材料加工,到線路設(shè)計與焊接;從器材的工作原理,進(jìn)而了解實驗時設(shè)定參數(shù)的技巧,如此日后面對商業(yè)化產(chǎn)品時,才能有效發(fā)揮功能,并建立保養(yǎng)、維護(hù)的能力.(3)個人電腦的使用:除了學(xué)會如何進(jìn)行論文搜集,并學(xué)會虛擬儀器程序的撰寫,并進(jìn)行基本儀器的測量,及實驗量測.(4)應(yīng)用:以研究實驗為情境,將自制儀器應(yīng)用于實驗上,完成一個完整的研究實驗.

根據(jù)以上的規(guī)范,并考量時程、經(jīng)費與未來的實用性,筆者在物理實驗技課程設(shè)計上分成兩大單元,第一個單元為自動化量測的使用,以筆者編著的教科書《LabVIEW 6.X入門與應(yīng)用》為依據(jù),以一個簡單的電子放大電路自動化量測作為評量,限于篇幅,其教學(xué)設(shè)計與策略不在本篇論文中討論.第二個單元則以鎖相放大器為標(biāo)的,設(shè)計以四個實驗形成一個系列的學(xué)習(xí),并以學(xué)生的實驗報告作為總結(jié)性評量之參考依據(jù).以下對鎖相放大器教學(xué)單元作詳細(xì)說明.

3 鎖相放大器之原理

實驗中當(dāng)量取小信號時,實驗數(shù)據(jù)往往被雜訊所掩蓋,如何在雜訊中將數(shù)據(jù)取出,成為實驗的一大挑戰(zhàn),在面對問題之前,必須對雜訊的本質(zhì)有所了解.一般而言,雜訊有兩個成因:一是來自電子與原子核間的碰撞,由于涵蓋所有頻率又稱為白色雜訊,另一個與頻率成反比,其原因未明稱為1/f雜訊(又稱為粉紅色雜訊),對于直流信號而言,后者是一個致命傷,再加上直流信號的零電位,會隨著溫度飄移,因此必須借由一個能避開這些因素的信號放大機(jī)制.

為了解決以上的問題,首先將直流信號,外加一個交流參考信號,參考信號的頻率選在1～100kHz的范圍,避開 1/f雜訊的控制范圍,此時的直流信號(或頻率很低的交流信號)被參考信號所調(diào)變,變成交流信號,較容易被放大,同時亦可加上帶通濾波器,使得輸入信號只剩下參考頻率部分,有效降低雜訊的頻寬,此時信號輸入到相位靈敏檢測器,其中將輸入信號與參考信號相乘,利用三角函數(shù),積化和差的公式,得知輸出有兩項,一是兩頻率相加,另一個是兩頻率相減,由于輸入與參考頻率都相同,因此得到一個直流加上一個兩倍頻的信號,我們利用一個低通濾波器,將兩倍頻的信號及雜訊濾掉,直流信號就成為我們的輸出信號,而輸入信號與參考信號的相位差成為直流信號的一部分.由以上說明可知,鎖相放大器可有效地解決雜訊的問題,成為實驗室中的一大利器.依據(jù)Meade所著鎖相放大器專書中列舉將近80種研究實驗中會用到此儀器,大都為激光、光學(xué)、材料試驗等,成為研究實驗室中的一重要儀器.

圖1 1/f雜訊頻譜圖

4 物理實驗技術(shù)課程

采取由易到難、簡單到復(fù)雜的教學(xué)方式,將課程分成四個實驗,第一個實驗為鎖相放大器的認(rèn)識,此實驗的目的為了解鎖相放大器的操作原理,參考 R.Wolfson的論文,利用類比開關(guān)集成電路元件DG403制作鎖相放大器的核心電路:相位靈敏檢測器,并輸入一個摻入雜訊的信號源,觀察輸出端的信號電路如圖2所示.

第二個實驗為鎖相放大器電路,目的為利用元件完成一個完整功能之電路.主要利用集成電路元件——諧調(diào)/解調(diào)器 AD630作為鎖相放大之功能,配合兩個運(yùn)算放大器:一為隨耦放大器,調(diào)整輸入阻抗,另一作為低通濾波器,放在輸出端,如此可得到放大后的信號.電路圖如圖3所示.

實驗三為線性變數(shù)差動變壓器的制作,利用三個組市售的單心線卷為線圈,排成一列,兩組在外但極性相反作為初級線圈,第三組線圈置中,作為二次線圈,組合成為一個線性變數(shù)差動變壓器(Linear Variable Differential Transformer,LVDT).以鐵粉置入塑膠管中作為鐵芯,并外接木桿,上附尺寸刻劃,解析度為1mm.將鐵芯置于變壓器中,以參考信號輸入初級線圈,二次線圈為輸入信號,連接前面實驗的鎖相放大電路,量測輸出信號,并對鐵芯位置作圖.

圖4 (a)LVDT電路圖;(b)以電線卷制作LVDT;(c)鎖相放大器量測LVDT

實驗四介紹數(shù)字式鎖相放大器,以美商國家儀器公司出產(chǎn)之?dāng)?shù)據(jù)擷取界面配合LabVIEW程序,將硬件的功能以軟件取代,最后將數(shù)據(jù)及控制完全呈現(xiàn)于電腦屏幕上如圖5所示.此實驗重復(fù)實驗三的量測過程,指示硬件電路,換成軟件鎖相放大器.

圖5 數(shù)字式鎖相放大器面板左側(cè)為擷取界面之設(shè)定參數(shù)右側(cè)為鎖相放大器之設(shè)定與輸出,輸出電壓為 R,相角為θ

5 結(jié)論

一臺研究用的鎖相放大器將近 ＄5000,基于安全考量,不大會讓新手任意操作,一般研究生求其能用,亦不太了解其原理與功能.此課程單元利用簡單器材,以自制方式,自行制作一個簡易式的鎖相放大器,從原理、操作到應(yīng)用,有系統(tǒng)地學(xué)習(xí)到如何有效地使用鎖相放大器,對其未來的研究實驗,提供相當(dāng)多的幫助,這亦是物理實驗技術(shù)課程所要強(qiáng)調(diào)的.

從圖6的量測結(jié)果,學(xué)生可了解LVDT的應(yīng)用,就是作為物體位置的感測器,或作為表面粗糙度的量測計,而鎖相放大器可確保微弱變化時數(shù)據(jù)的可靠度,以此實驗為例,1mm的變化只相當(dāng)5mV的輸出信號變化,鎖相放大的功效從此實驗即可了解.

圖6 以鎖相放大器量測鐵芯位置改變時所得之輸出信號

2010-10-12)