周 嫻，潘華錦，張慶海，張 麗

(軍械工程學(xué)院 基礎(chǔ)部理化教研室，石家莊 050003)

箱式電位差計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K化教學(xué)設(shè)計(jì)探討

周 嫻，潘華錦，張慶海，張 麗

(軍械工程學(xué)院 基礎(chǔ)部理化教研室，石家莊 050003)

以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力為教學(xué)目標(biāo)，探討了箱式電位差計(jì)測(cè)電動(dòng)勢(shì)實(shí)驗(yàn)的模塊化教學(xué)模式。針對(duì)如何在該實(shí)驗(yàn)中提煉實(shí)驗(yàn)思想和方法，以及培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生獨(dú)立思考和自主設(shè)計(jì)能力，分析和闡述了教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的設(shè)計(jì)方案。

實(shí)驗(yàn)思想；創(chuàng)新能力；模塊化教學(xué)；教學(xué)設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的發(fā)展史中，涌現(xiàn)出了許多有重要里程碑作用的著名實(shí)驗(yàn)，它們構(gòu)思巧妙、方法獨(dú)到、設(shè)計(jì)完善。這些實(shí)驗(yàn)帶給我們的思想和方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容。所謂授之以漁而非授之以魚(yú)。在《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》的教學(xué)中，作為教師應(yīng)該深入研究教學(xué)內(nèi)容和方法的設(shè)計(jì)，從具體實(shí)驗(yàn)中提煉出實(shí)驗(yàn)思想和方法，以達(dá)到培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)人才的教學(xué)目標(biāo)。

箱式電位差計(jì)測(cè)電動(dòng)勢(shì)實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中一個(gè)非常重要的基礎(chǔ)綜合性實(shí)驗(yàn)，其電路設(shè)計(jì)和儀器操作在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中具有很強(qiáng)的代表性。本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的不單單是要求學(xué)生學(xué)會(huì)箱式電位差計(jì)的原理和使用，更重要的是通過(guò)本實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握常用控制電路設(shè)計(jì)等方面的知識(shí)和方法，提高設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。因此，在該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，如果只限于課本上的教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生所學(xué)到的知識(shí)非常有限。而如果在教學(xué)中融入更多的電學(xué)知識(shí)，提煉出更巧妙的實(shí)驗(yàn)思想、方法和技巧，并將教學(xué)內(nèi)容拓展到電位差計(jì)的各種應(yīng)用以及控制電路的設(shè)計(jì)方面，教學(xué)內(nèi)容就能得到提煉和升華，教學(xué)的深度和廣度也能得到增加，也就能達(dá)到更好的教學(xué)效果。因此，完善的教學(xué)設(shè)計(jì)可以使本實(shí)驗(yàn)成為提高學(xué)生設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力的一個(gè)非常好的教學(xué)實(shí)例?；谝陨纤枷耄涫诫娢徊钣?jì)測(cè)電動(dòng)勢(shì)實(shí)驗(yàn)在教學(xué)方法上可以采用模塊式教學(xué)，如圖1所示，將教學(xué)內(nèi)容模塊化并合理地組織起來(lái)，形成一個(gè)完整的教學(xué)單元。

1 基礎(chǔ)知識(shí)模塊

常用儀器和電路設(shè)計(jì)是電學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本元素。該部分的教學(xué)目的是要學(xué)生掌握與本實(shí)驗(yàn)相關(guān)的電學(xué)儀器和電路設(shè)計(jì)方面的基礎(chǔ)知識(shí)，并合理地進(jìn)行知識(shí)面的擴(kuò)展。通過(guò)常用儀器模塊的教學(xué)，使學(xué)生了解并掌握與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的儀器的結(jié)構(gòu)、性能、使用方法及注意事項(xiàng)。只有在充分了解實(shí)驗(yàn)儀器的基礎(chǔ)上，才能在實(shí)驗(yàn)操作中更好地進(jìn)行選擇和使用。

基于變阻器的控制電路是箱式電位差計(jì)原理設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，因此有必要先介紹兩種常見(jiàn)的控制電路，即限流電路和分壓電路，最后結(jié)合這兩種電路對(duì)控制電路的一般設(shè)計(jì)方法和流程進(jìn)行分析。控制電路的設(shè)計(jì)模塊是培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生思維能力和設(shè)計(jì)能力的重要環(huán)節(jié)，也是基礎(chǔ)知識(shí)模塊教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)。

圖1 教學(xué)模塊圖

2 箱式電位差計(jì)模塊

2.1 補(bǔ)償法原理

箱式電位差計(jì)是基于補(bǔ)償法的原理設(shè)計(jì)的。補(bǔ)償法是物理實(shí)驗(yàn)中一種重要的測(cè)量方法，它通過(guò)對(duì)引起系統(tǒng)誤差的非對(duì)稱因素進(jìn)行修正，提高測(cè)量精確度。補(bǔ)償法測(cè)電動(dòng)勢(shì)的原理如圖2所示，在這里作為一個(gè)模塊進(jìn)行教學(xué)。

圖2 補(bǔ)償法原理

2.2 箱式電位差計(jì)

箱式電位差計(jì)的原理主要分為校準(zhǔn)工作電流和測(cè)量電動(dòng)勢(shì)兩部分。教學(xué)中結(jié)合如圖3所示的原理圖，按照?qǐng)D4所示的思路進(jìn)行講授。采用提出問(wèn)題—分析解決問(wèn)題—引出新問(wèn)題—分析解決問(wèn)題的方法，引導(dǎo)學(xué)生思考，以倒敘講解的方式，逐步理順整個(gè)原理脈絡(luò)。同時(shí)，將結(jié)構(gòu)和使用方法介紹穿插到原理講解中，把原理和實(shí)物結(jié)合起來(lái)，使講解更形象和直觀。

圖3 箱式電位差計(jì)原理圖

圖4 原理講解思路

首先，作為過(guò)渡和引題，提出問(wèn)題1“在補(bǔ)償法原理中，如何找到一個(gè)電動(dòng)勢(shì)大小已知且可調(diào)的電源E0”。分析得出，用可調(diào)電阻代替可調(diào)電源的方式來(lái)解決，這也是箱式電位差計(jì)設(shè)計(jì)中一個(gè)巧妙之處。根據(jù)補(bǔ)償原理，調(diào)節(jié)Rχ，待測(cè)回路達(dá)到補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)，Eχ=RχI0。繼而引出問(wèn)題2“Rχ和I0如何測(cè)量”。結(jié)合箱式電位差計(jì)的結(jié)構(gòu)，Rχ轉(zhuǎn)盤的刻度轉(zhuǎn)化為了Eχ，但前提要求箱式電位差計(jì)的工作電流標(biāo)準(zhǔn)化。進(jìn)一步引出問(wèn)題3“如何校準(zhǔn)箱式電位差計(jì)的工作電流”。

分析得出，校準(zhǔn)工作電流要滿足兩個(gè)條件：(1)Es/Rs=I標(biāo)，即通過(guò)調(diào)節(jié)Rs來(lái)補(bǔ)償Es隨溫度的變化;(2)使校準(zhǔn)工作電流回路補(bǔ)償，即Es= RsI0，通過(guò)調(diào)節(jié)Rp實(shí)現(xiàn)。至此，所有問(wèn)題得到解決。在講解過(guò)程中，配合如圖5所示的板書(shū)流程設(shè)計(jì)[1_5]。

圖5 板書(shū)流程設(shè)計(jì)

2.3 實(shí)驗(yàn)思想與設(shè)計(jì)技巧

采用互動(dòng)式教學(xué)，讓學(xué)生自主思考箱式電位差計(jì)設(shè)計(jì)中所體現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)思想和設(shè)計(jì)技巧，并由教師總結(jié)歸納和提煉。本實(shí)驗(yàn)中所體現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)思想和技巧有以下六點(diǎn)：

1)E0的選擇。巧妙利用補(bǔ)償法原理，用可調(diào)電阻Rχ代替E0。

2)將Rχ轉(zhuǎn)盤的刻度值轉(zhuǎn)化為Eχ，使測(cè)量更加方便。

3)采用校準(zhǔn)工作電流回路進(jìn)行電流校準(zhǔn)，既方便又準(zhǔn)確。

經(jīng)過(guò)一個(gè)月的治療后,觀察組的顯效為17例(51.52%);有效人數(shù)為13例(39.39%);無(wú)效為3例(9.09%)。而對(duì)照組的顯效為11例(33.33%);有效為14例(42.42%);無(wú)效為8例(24.24%)。由此可見(jiàn),觀察組的治療有效率比對(duì)照組治療的有效率高15.15%,經(jīng)比較具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),如表1所示:

4)E0隨溫度變化由Rs進(jìn)行了補(bǔ)償，避免了由此引起的實(shí)驗(yàn)誤差，提高了測(cè)量精確度。

5)將所有問(wèn)題轉(zhuǎn)化為較易操作的電阻的調(diào)節(jié)，即RxRsRp。

6)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，為了保護(hù)檢流計(jì)，開(kāi)關(guān)K1巧妙地設(shè)計(jì)成“粗”“細(xì)”“短路”三個(gè)彈性按鈕。

2.4 實(shí)驗(yàn)實(shí)施

在學(xué)生自主實(shí)施實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，教師要起到啟發(fā)和指導(dǎo)的作用，對(duì)于自主完成實(shí)驗(yàn)較困難的學(xué)生要加強(qiáng)輔導(dǎo)。當(dāng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中遇到問(wèn)題或?qū)嶒?yàn)出現(xiàn)故障時(shí)，要鼓勵(lì)學(xué)生自己找答案或故障原因，在其無(wú)法解決時(shí)要以原理為依據(jù)，啟發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題和故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位。經(jīng)過(guò)引導(dǎo)分析，讓學(xué)生自己找出解決辦法。

3 拓展和設(shè)計(jì)模塊

課堂教學(xué)旨在教授學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)、基本實(shí)驗(yàn)思想、方法和技能。而作為課外教學(xué)活動(dòng)的拓展，設(shè)計(jì)模塊才是培養(yǎng)學(xué)生探索精神和創(chuàng)新能力的主要環(huán)節(jié)。教師要在課堂教學(xué)結(jié)束后，設(shè)定課外思考題，由學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，研究合理的測(cè)量實(shí)驗(yàn)程序和方法。必要時(shí)以科研論文或科技制作的形式進(jìn)行評(píng)比。

課后思考題有以下四點(diǎn)[6_10]：

1)補(bǔ)償法原理還有哪些應(yīng)用？如測(cè)量干電池的內(nèi)阻，思考如何設(shè)計(jì)電路圖。

2)箱式電位差計(jì)應(yīng)用廣泛，思考如何用它校準(zhǔn)電表，測(cè)量未知電阻。

3)思考本實(shí)驗(yàn)的原理和操作有沒(méi)有可以改進(jìn)的地方。

4)了解線式電位差計(jì)的原理、結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用。

開(kāi)放自由的課后拓展和設(shè)計(jì)模塊可以活躍學(xué)生的創(chuàng)新思維，理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)其積極主動(dòng)的探索精神、獨(dú)立解決問(wèn)題的能力，同時(shí)，又可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)的興趣。

4 結(jié)束語(yǔ)

箱式電位差計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K化教學(xué)設(shè)計(jì)是學(xué)生系統(tǒng)地進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)和能力訓(xùn)練的一個(gè)很好的實(shí)例。本文教授了相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)、基本方法、實(shí)驗(yàn)思想，進(jìn)行了基本技能和能力的訓(xùn)練，培養(yǎng)了學(xué)生通過(guò)探索和研究自主思考、分析并解決問(wèn)題的能力。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一項(xiàng)比理論教學(xué)更加復(fù)雜、要求更高的教學(xué)工作。如何使學(xué)生能夠在真正靈活運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)的前提下進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)，達(dá)到提高能力的目的，還需要實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作者致力于研究實(shí)驗(yàn)教學(xué)自身獨(dú)特的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法，為教育事業(yè)貢獻(xiàn)自己的力量。

[1]鞏曉陽(yáng)，魏榮慧，張振，等.電位差計(jì)的改進(jìn)和拓展應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2012，10(2)：4_5，14.

[2]張麗萍.直流電位差計(jì)測(cè)電動(dòng)勢(shì)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題分析[J].牡丹江大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，20(5)：138.

[3]王菊香.電位差計(jì)測(cè)量溫差電動(dòng)勢(shì)實(shí)驗(yàn)的研究[J].廊坊師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，8(3)：7_8，13.

[4]毛省利，杜曉偉，白麗竹.直流電位差計(jì)的線路分析與維修[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2010，37(5)：31_33.

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[7]王小懷.電位差計(jì)測(cè)干電池內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與分析[J].廣西物理，2006，27(2)：46_48.

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Discussion on M odular Teaching Design of EXperiment w ith BoX-type Potentiometer

ZHOU Xian，PAN Huajin，ZHANG Qinghai，ZHANG Li
(Physics and Chemistry Section of Basic Department，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China)

With the teaching goal of cultivating creative consciousness and ability of designing experiments of students，the modular teachingmode ofmeasuring electromotive force experimentwith box-type potentiometer has been discussed in this paper.The designing project of teaching content and method has been analyzed and expounded particularly to abstract experimental idea and method，cultivate and exercise the students'ability of considering and designing independently of students in the experiment.

experimental idea;creative ability;modular teaching;teaching design

TM93；G643.423

A

10.3969/j.issn.1672_4550.2014.01.004

2012_12_16

軍械工程學(xué)院教學(xué)研究基金。

周 嫻（1981_），女，碩士，講師，主要從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究工作。