任俊仙

（太原師范學(xué)院，山西 太原 030031）

物理綜合性實(shí)驗(yàn)研究

任俊仙

（太原師范學(xué)院，山西 太原 030031）

通過(guò)對(duì)綜合性實(shí)驗(yàn)的定義、特點(diǎn)、開設(shè)范圍、運(yùn)行、保證措施，教學(xué)案例的論述，說(shuō)明開展綜合性實(shí)驗(yàn)，不僅提高了教學(xué)質(zhì)量，提高了教學(xué)效率，優(yōu)化了教學(xué)過(guò)程，而且在學(xué)生畢業(yè)分配及工作后完成教學(xué)、科研任務(wù)有著一定的實(shí)用價(jià)值。

綜合性實(shí)驗(yàn)；實(shí)用價(jià)值；研究

物理綜合性實(shí)驗(yàn)（以下簡(jiǎn)稱綜合性實(shí)驗(yàn)）是隨著教育改革形勢(shì)的發(fā)展和高校本科評(píng)估工作的推進(jìn)出現(xiàn)的一種新的實(shí)驗(yàn)類型。根據(jù)國(guó)家教育部的要求，目前許多高校陸續(xù)開設(shè)了綜合性實(shí)驗(yàn)課程。我們學(xué)校一慣重視本科教學(xué)工作，重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，重視綜合性實(shí)驗(yàn)工作，在全校理科院系中都開設(shè)了綜合性實(shí)驗(yàn)，并且制定了相應(yīng)的管理辦法和保證措施，在教育部本科教學(xué)質(zhì)量評(píng)估中被評(píng)為優(yōu)秀等級(jí)。綜合性實(shí)驗(yàn)是優(yōu)化和整合實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的重要途徑，是培養(yǎng)學(xué)生綜合分析能力、實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、查閱資料能力、探索創(chuàng)新能力、科學(xué)思維能力的重要手段。學(xué)生通過(guò)廣泛深入地開展綜合性實(shí)驗(yàn)，可以多方面提高實(shí)驗(yàn)技能和教學(xué)水平，為參加工作后適應(yīng)社會(huì)、適應(yīng)不同條件的工作環(huán)境而完成教學(xué)科研任務(wù)提供了新思路。

1 綜合性實(shí)驗(yàn)的定義及其特點(diǎn)

綜合性實(shí)驗(yàn)是指實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及本課程的綜合知識(shí)或與本課程相關(guān)課程知識(shí)的實(shí)驗(yàn)。是在學(xué)生經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的學(xué)習(xí)后，在具備一定的知識(shí)和技能基礎(chǔ)上，運(yùn)用某一門課程或多門課程的知識(shí)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和方法進(jìn)行綜合訓(xùn)練的一種復(fù)合性實(shí)驗(yàn)，具有以下特點(diǎn):

（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的復(fù)合性，即一門課程中二個(gè)以上的知識(shí)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，或二門以上課程知識(shí)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合。

（2）實(shí)驗(yàn)方法的多元性，即綜合運(yùn)用兩種或兩種以上的基本實(shí)驗(yàn)方法，完成同一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

（3）實(shí)驗(yàn)手段的多樣性，即綜合運(yùn)用兩種或兩種以上的實(shí)驗(yàn)手段完成同一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

具備以上條件之一者即可認(rèn)定為綜合性實(shí)驗(yàn)。

2 綜合性實(shí)驗(yàn)的開設(shè)范圍

所有主干實(shí)驗(yàn)課程應(yīng)根據(jù)課程特點(diǎn)開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)，非主干實(shí)驗(yàn)課程應(yīng)逐步創(chuàng)造條件開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)。

各專業(yè)有綜合性實(shí)驗(yàn)的課程應(yīng)占有實(shí)驗(yàn)課程的80%以上，一門課程所開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)不少于一項(xiàng)。

3 綜合性實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

綜合性實(shí)驗(yàn)應(yīng)提前向?qū)W生布置任務(wù)，學(xué)生應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，查閱資料，進(jìn)行理論分析和研究，確定實(shí)驗(yàn)方案，或根據(jù)規(guī)定的實(shí)驗(yàn)方案確定實(shí)驗(yàn)步驟。

學(xué)生擬定的實(shí)驗(yàn)方案或?qū)嶒?yàn)步驟，寫成書面方案，其內(nèi)容包括文獻(xiàn)查閱、理論分析或研究、實(shí)驗(yàn)方案（目的、儀器設(shè)備、方法、步驟等）。書面方案應(yīng)經(jīng)過(guò)指導(dǎo)教師審查同意。

3.2 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中指導(dǎo)教師應(yīng)讓學(xué)生自己獨(dú)立思考、獨(dú)立操作，指導(dǎo)教師應(yīng)密切關(guān)注學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，對(duì)于思路太偏的學(xué)生可以適當(dāng)點(diǎn)撥，著重引導(dǎo)學(xué)生如何將所學(xué)的知識(shí)和技能用來(lái)解決實(shí)驗(yàn)中遇到的各種問(wèn)題。要啟發(fā)學(xué)生，點(diǎn)撥學(xué)生，不要對(duì)學(xué)生的操作過(guò)多干涉，注重最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論。

3.3 實(shí)驗(yàn)報(bào)告

指導(dǎo)學(xué)生寫出高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)報(bào)告是綜合性實(shí)驗(yàn)重要的環(huán)節(jié)。要求學(xué)生從實(shí)驗(yàn)方法的建立、實(shí)驗(yàn)步驟的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的選擇、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析討論等方面寫出報(bào)告。對(duì)理論上有創(chuàng)新或技術(shù)上有實(shí)用價(jià)值的成果，指導(dǎo)教師要鼓勵(lì)和指導(dǎo)學(xué)生寫出學(xué)術(shù)論文和研究報(bào)告。

3.4 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

指導(dǎo)教師在指導(dǎo)學(xué)生完成綜合性實(shí)驗(yàn)后應(yīng)進(jìn)行總結(jié)實(shí)驗(yàn)情況與效果分析，說(shuō)明學(xué)生的參與情況、實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題、學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣與積極性、學(xué)時(shí)數(shù)、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)以及今后的改進(jìn)。收集優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)成果。

4 綜合性實(shí)驗(yàn)開設(shè)的教學(xué)質(zhì)量保證措施

（1）綜合性實(shí)驗(yàn)必須有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱。綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱除了一般實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱規(guī)定的內(nèi)容外，還應(yīng)說(shuō)明綜合性實(shí)驗(yàn)的特性、要求、時(shí)間安排（包括課外時(shí)間）等內(nèi)容。

（2）綜合性實(shí)驗(yàn)應(yīng)有指導(dǎo)書。指導(dǎo)書應(yīng)注意知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)比較，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、數(shù)據(jù)處理及結(jié)果討論等方面的綜合性特點(diǎn)，并提出相應(yīng)要求。

（3）凡有實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)任務(wù)的教師均應(yīng)指導(dǎo)綜合性實(shí)驗(yàn)。助教應(yīng)在高級(jí)職稱的教師指導(dǎo)下指導(dǎo)綜合性實(shí)驗(yàn)。

（4）每一位指導(dǎo)教師指導(dǎo)的學(xué)生一般不得超過(guò)20人，以確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

（5）綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要實(shí)行論證制度。

（6）任何實(shí)驗(yàn)室任何部門都應(yīng)當(dāng)為綜合性實(shí)驗(yàn)的開設(shè)創(chuàng)造良好條件和環(huán)境，不得設(shè)置任何人為的障礙。

5 物理綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例

5.1 用三種實(shí)驗(yàn)方法、兩種教學(xué)手段做驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律實(shí)驗(yàn)

（1）五聯(lián)球碰撞法演示動(dòng)量守恒定律:

演示五個(gè)等質(zhì)量球的彈性碰撞過(guò)程。即拉動(dòng)一個(gè)球，另一邊有一個(gè)球偏離且偏離幅度一致，其它球不動(dòng)；若拉動(dòng)兩個(gè)球，另一邊有兩個(gè)球偏離幅度一致，其它球不動(dòng)。可以明顯的觀察到動(dòng)量守恒現(xiàn)象。這種方法儀器價(jià)格低廉、取材方便，見圖1。

圖1 五聯(lián)球碰撞演示實(shí)驗(yàn)

（2）碰撞實(shí)驗(yàn)器法驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律:

通過(guò)兩球作對(duì)心碰撞后做平拋運(yùn)動(dòng)來(lái)驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律。它是常用的實(shí)驗(yàn)方法，見圖2。

圖2 平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

它綜合運(yùn)用平拋和碰撞兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)來(lái)完成物理量的測(cè)量，觀察物理現(xiàn)象，探索物理規(guī)律。通過(guò)它可定量地驗(yàn)證出動(dòng)量守恒。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1:

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果:

碰撞前后的改變量=7.862-7.818=0.044

實(shí)驗(yàn)分析:在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于空氣阻力，運(yùn)動(dòng)過(guò)程不可避免的摩擦和讀數(shù)等會(huì)引起差。在誤差允許范圍內(nèi)動(dòng)量守恒。

該實(shí)驗(yàn)雖定量地研究了動(dòng)量守衡，但精確度不夠高

（3）利用DIS法證動(dòng)量守恒定律:

此方法是用由計(jì)算機(jī)、物理數(shù)據(jù)采集儀、光電門傳感器、應(yīng)用軟件組成的數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）與傳統(tǒng)儀器氣墊導(dǎo)軌、小型氣源整合而完成驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律。DIS法與碰撞法相比，精確度可提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，即由0.044提高到0.0038。而且用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率。綜述以上驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上綜合了碰撞和平拋兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)方法上綜合運(yùn)用了五連球碰撞演示法、碰撞實(shí)驗(yàn)儀器法、DIS法三種方法，在實(shí)驗(yàn)手段上綜合運(yùn)用了常規(guī)實(shí)驗(yàn)手段和現(xiàn)代教育技術(shù)手段。

5.2 用六種實(shí)驗(yàn)方法、兩種教學(xué)手段測(cè)定重力加速度g：

（1）稱重法:利用重力和質(zhì)量的關(guān)系G=mg，測(cè)g.

（3）打點(diǎn)計(jì)時(shí)器法測(cè)g:利用“驗(yàn)證機(jī)械能守衡定律”的實(shí)驗(yàn)裝置即重物自由下落中打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶測(cè)得g=v2/2h。

（4）用物體在光滑的斜面上從靜止開始下滑的運(yùn)動(dòng)由s=gt2sinθ/2得g。（s、t、θ、分別是物體運(yùn)動(dòng)的位移、時(shí)間、斜面的傾角）。

（5）傳統(tǒng)的落體法測(cè)g:讓小球自由下落測(cè)出球下落的高度h和時(shí)間t，由g=2h/t2得g.

（主要實(shí)驗(yàn)儀器有:光電門、數(shù)字毫秒計(jì)等。）

（6）DIS自由落體法測(cè)g:利用計(jì)算機(jī)、光電門傳感器、物理數(shù)據(jù)采集儀、自由落體實(shí)驗(yàn)儀等配套測(cè)g.

第1、2、3、4種方法儀器價(jià)格低廉，操作方便，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差大，實(shí)驗(yàn)速度慢，數(shù)據(jù)處理煩瑣。第5種方法精確度有所提高，但光電門僅與數(shù)字毫秒計(jì)等計(jì)時(shí)裝置配套，數(shù)據(jù)讀取、記錄全由人工完成，再加上代入公式計(jì)算，實(shí)驗(yàn)操作頗為繁瑣，實(shí)驗(yàn)速度也相當(dāng)緩慢。第6種方法不僅測(cè)量精度提高，實(shí)時(shí)性好，而且可借助計(jì)算機(jī)采集、分析、計(jì)算和處理，實(shí)驗(yàn)效率大大提高。但儀器比較昂貴。

綜述以上測(cè)定重力加速度，運(yùn)用了6種實(shí)驗(yàn)方法、常規(guī)和現(xiàn)代教育技術(shù)兩種實(shí)驗(yàn)手段。

同理，可以觸類旁通，對(duì)其它力、熱、電、光實(shí)驗(yàn)用綜合性實(shí)驗(yàn)方法來(lái)研究。

總之，開展綜合性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生認(rèn)真研究每一種實(shí)驗(yàn)方法及手段的優(yōu)缺點(diǎn)，以及它們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中的適用條件，可以解決目前各地教學(xué)條件不同的情況而達(dá)到教學(xué)目的。有利于學(xué)生提高適應(yīng)各種環(huán)境而解決問(wèn)題的能力。比如學(xué)生畢業(yè)后不管分配到條件好的、差的學(xué)校都可以適應(yīng)環(huán)境而完成教學(xué)任務(wù)，在條件好的學(xué)校用DIS實(shí)驗(yàn)，在條件差的學(xué)校用低成本實(shí)驗(yàn)。所以開發(fā)綜合性實(shí)驗(yàn)研究具有較大的實(shí)用價(jià)值，為學(xué)生今后參加工作后適應(yīng)不同條件的教學(xué)環(huán)境而完成教學(xué)任務(wù)奠定一定的基礎(chǔ)。同時(shí)，通過(guò)綜合性實(shí)驗(yàn)，眾多實(shí)驗(yàn)方法的選擇和比較，能很好地開闊學(xué)生的視野，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究空間，提高學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)課的興趣，提升學(xué)生的科學(xué)探究能力和創(chuàng)新思維能力。進(jìn)而提高了實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量，優(yōu)化了教學(xué)過(guò)程?？梢?，綜合性實(shí)驗(yàn)是一種較好的、科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法。因此，大力開展綜合性實(shí)驗(yàn)是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的方向。

［1］ 丁紅勝.綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)思路探討［J］.大學(xué)物理，2007（5）:44-47.

［2］ 趙志敏.綜合性物理實(shí)驗(yàn)——用動(dòng)?xùn)殴饫w傳感器測(cè)位移，工科物理.1998（8）:43-45.

［3］ 沈元華.設(shè)計(jì)性研究性物理實(shí)驗(yàn)介紹［J］.物理實(shí)驗(yàn)2004，24（2）:33-37.

［4］ 龔華平，曹叢，屠于夢(mèng)，等.光纖光柵應(yīng)變傳感的綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［J］.2012，25（3）.

Physical Comprehensive Nature Experimental Study

REN Jun-xian
（Taiyuan Normal Institute，Shanxi Tianyuan 030031）

Through the discussion of the definition，characteristics，scope，operation，guarantee measures and teaching cases of the comprehensive experiments，it suggests that comprehensive experiments not only enhance education quality，education efficiency，and optimize teaching process，but also show practical value on the distribution and job of students graduate and the complement of teaching scientific research.

comprehensive experiments；practical value；research

G642.0

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.01.034

1007-2934（2015）01-0104-03

2014-10-10

全國(guó)教育科學(xué)“十一五”規(guī)劃教育部重點(diǎn)課題（DCA070186）