汪超 雷振宙 杜偉偉

摘 要：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)開展對(duì)工科各專業(yè)人才的培養(yǎng)具有極其重要的作用，是頂級(jí)工科人才教育上的非常重要的一環(huán)。國內(nèi)各個(gè)工科院校對(duì)該門課程的開展都非常重視，一般都在大學(xué)一年級(jí)開設(shè)若干個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)。但目前的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有一些弊端，主要體現(xiàn)在純物理背景教學(xué)，無法結(jié)合學(xué)生所學(xué)的專業(yè)進(jìn)行背景教學(xué)，該文針對(duì)若干個(gè)物理實(shí)驗(yàn)，探究一種新的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，設(shè)計(jì)了針對(duì)不同工科專業(yè)背景的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究，此舉可以提高學(xué)生學(xué)以致用的興趣，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。

關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn)；背景教學(xué)；興趣

中圖分類號(hào)：G642.0文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：2095-9214（2016）09-0094-02

一、引言

實(shí)驗(yàn)物理是相對(duì)于理論物理而言，理論物理是從理論上探索自然界未知的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，相互作用和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)物理主要是從實(shí)驗(yàn)上來探索物質(zhì)世界和自然規(guī)律并對(duì)物理理論課中的一些公式定律加以驗(yàn)證。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)涵蓋了大量高等數(shù)學(xué)知識(shí)和專業(yè)理論知識(shí)，而此時(shí)學(xué)生的知識(shí)層面還停留在高中純物理知識(shí)的掌握上，物理知識(shí)不豐富，又很少有動(dòng)手的機(jī)會(huì)。如何銜接，過渡，引導(dǎo)學(xué)生在掌握基礎(chǔ)物理理論的同時(shí)又能對(duì)所學(xué)專業(yè)知識(shí)有一些淺顯的認(rèn)知，物理實(shí)驗(yàn)教師如何上好實(shí)驗(yàn)課，使物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果，剛踏入校門的工科學(xué)生對(duì)自己將要學(xué)習(xí)的專業(yè)課有著無限的期待和憧憬。目前高校普遍采取一般式物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，實(shí)驗(yàn)教師只是照實(shí)驗(yàn)書本講授實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)教師大都是理科背景老師，無相關(guān)工科專業(yè)背景知識(shí)，采用純物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，無法結(jié)合相關(guān)的工科專業(yè)背景知識(shí)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這種方法學(xué)生學(xué)習(xí)的是純物理知識(shí)，只能起到對(duì)書本上一些物理定理公式的證明和驗(yàn)證的作用和效果，比較晦澀難懂，有點(diǎn)紙上談兵的味道，無法和相關(guān)工科背景聯(lián)系起來。激發(fā)不了學(xué)生的興趣，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)像完成一次大作業(yè)，達(dá)不到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課覆蓋面廣，涉及許多專業(yè)領(lǐng)域。這就要求實(shí)驗(yàn)教師在教授實(shí)驗(yàn)課的同時(shí)，能聯(lián)系一些專業(yè)知識(shí)，一起教授給學(xué)生。這樣在很大程度上能滿足學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，更能體現(xiàn)綜合性很強(qiáng)的物理實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)了學(xué)生的理論聯(lián)系時(shí)際的實(shí)事求是的科學(xué)作風(fēng)，積極主動(dòng)的探索精神，使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效果事半功倍。

那么如何養(yǎng)成學(xué)生良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，為他們今后的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課打好基礎(chǔ)，同時(shí)又能解決學(xué)生對(duì)專業(yè)的憧憬和提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣呢？本門我們總結(jié)了一些實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，探索了一種新型的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式。本院物理實(shí)驗(yàn)室開設(shè)了力熱光電三十多個(gè)實(shí)驗(yàn)。經(jīng)歷了三十多年的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索和研究，一直致力于探究物理理論和物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與我院各專業(yè)理論之間千絲萬縷的聯(lián)系，以小博大，對(duì)同一個(gè)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，結(jié)合不同系部專業(yè)的專業(yè)背景知識(shí)，設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)，教師在教授實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，即讓學(xué)生認(rèn)識(shí)和理解了該堂物理概念知識(shí)，又從不同的專業(yè)角度進(jìn)一步給學(xué)生闡釋了物理概念和實(shí)驗(yàn)方法，使物理理論知識(shí)承上啟下，有繁化簡，和各專業(yè)之間巧妙地鏈接起來，實(shí)驗(yàn)教學(xué)形象生動(dòng)，能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的興趣，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)由被動(dòng)轉(zhuǎn)變成主動(dòng)，學(xué)習(xí)興趣高漲，和其他專業(yè)實(shí)驗(yàn)承上啟下，起銜接的作用。該課程在培養(yǎng)工科人才的培養(yǎng)上重要的一環(huán)。對(duì)工科學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的提高起著重要的促進(jìn)作用。如何培養(yǎng)工科學(xué)生的創(chuàng)新能力以及實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，如何針對(duì)不同的工科背景學(xué)生設(shè)計(jì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，適應(yīng)新時(shí)代對(duì)人才發(fā)展的要求，這是一個(gè)嚴(yán)肅的課題，擺在了我們面前。

目前高校普遍采取一般式物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，高校實(shí)驗(yàn)教師都是理科背景老師，無相關(guān)工科專業(yè)背景知識(shí)，采用純物理教學(xué)模式，無法結(jié)合相關(guān)的工科專業(yè)背景知識(shí)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這種方法學(xué)生學(xué)習(xí)的是純物理知識(shí)，比較晦澀難懂，有點(diǎn)紙上談兵的味道，無法和相關(guān)工科背景聯(lián)系起來。激發(fā)不了學(xué)生的興趣。物理實(shí)驗(yàn)課覆蓋面廣，這就要要求實(shí)驗(yàn)教師在教授實(shí)驗(yàn)課的同時(shí)，能聯(lián)系一些專業(yè)知識(shí)，一起教授給學(xué)生，能大大提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣。

下面我們舉若干個(gè)例子。

實(shí)驗(yàn)一 用惠斯頓電橋測電阻

目的：（1）掌握惠斯頓電橋測電阻的原理

（2）學(xué)會(huì)自己組合惠斯頓電橋測電阻

原理：

惠斯頓電橋是直流單臂電橋，其原理圖如圖所示。

四個(gè)箱式電阻組成橋臂，檢流計(jì)所在的支路為電橋，電源在另一支路上。當(dāng)檢流計(jì)中無電流通過時(shí)，電橋達(dá)到平衡。求待測電阻公式為

R=R2R1R0

為消除比例臂電阻誤差，交換比例臂電阻，電橋二次平衡，待測電阻公式為

R=（R1/R2）R

兩式相乘，有

R=R0R0

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法：

通常，實(shí)驗(yàn)教師給學(xué)生按傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法講授實(shí)驗(yàn)時(shí)，只講清實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑢?shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)做法。學(xué)生做實(shí)驗(yàn)主觀意愿不努力，“看”實(shí)驗(yàn)的人多，做實(shí)驗(yàn)的人少，小組里通常是一個(gè)人做實(shí)驗(yàn)，其他人抄數(shù)據(jù)，學(xué)生像完成一次物理大作業(yè)。即使實(shí)驗(yàn)教師多講授惠斯頓電橋測電阻的重要性和方法，如箱式電橋的使用，要求測量精度的準(zhǔn)確性等，學(xué)生的思維模式也只是建立在物理理論知識(shí)的聯(lián)系上，只按物理理論的思維來認(rèn)知該實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為這種測電阻的方法只是配合物理理論教學(xué)，與自己所學(xué)專業(yè)沒有多少聯(lián)系。學(xué)生動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)就表現(xiàn)得比較消極。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的確存在著實(shí)驗(yàn)思想單一，實(shí)驗(yàn)方法機(jī)械，激發(fā)不了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，達(dá)不到創(chuàng)新思維，提高學(xué)生動(dòng)手能力的作用，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果較差。

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法：

根據(jù)我院各系專業(yè)的不同，結(jié)合專業(yè)理論知識(shí)，找到物理理論知識(shí)和其他專業(yè)知識(shí)之間的聯(lián)系來講授物理實(shí)驗(yàn)，就能提高學(xué)生做物理實(shí)驗(yàn)的興趣，激發(fā)學(xué)生的思維，學(xué)生才能從根本上認(rèn)識(shí)到物理是一切專業(yè)課的基礎(chǔ)，是與他們所學(xué)的專業(yè)有著密不可分的關(guān)聯(lián)。同是一個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的主觀意愿增強(qiáng)，“看”實(shí)驗(yàn)的人少了，做實(shí)驗(yàn)的人多了，通常是一個(gè)學(xué)生做完，另一個(gè)學(xué)生自己再重做一遍，掌握實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)和原理，力求記憶深刻，真真實(shí)實(shí)地學(xué)到自己的心里去。學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的主觀意愿增強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果良好。

例如：

（1）在給電氣系學(xué)生講授該實(shí)驗(yàn)時(shí)，在講清該實(shí)驗(yàn)的目的，實(shí)驗(yàn)原理后，再結(jié)合一些無線電的知識(shí)，講授電橋的作用，能激發(fā)學(xué)生的課堂興趣。如果將電橋橋臂電阻換成二極管，電橋的電源支路接交流電端，電橋的橋支路改成輸出端，外加電感線圈濾直。由于二極管的單向?qū)щ娦?，理論上就能將交流電變成直流電?/p>

直流電橋的橋臂電線不能過長。導(dǎo)線之間不可避免地存在分布電容，這就相當(dāng)于各橋臂上并聯(lián)了電容，不再是純電阻電橋。因此，除了電阻平衡外，還需要電容能平衡。

（2）在給計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生講授該實(shí)驗(yàn)時(shí)，在講清該實(shí)驗(yàn)的目的，實(shí)驗(yàn)原理后，再結(jié)合微機(jī)接口原理的知識(shí)，講授電橋的作用，能激發(fā)學(xué)生的課堂興趣。因?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)要把外設(shè)與微機(jī)連接起來，只能通過接口電路。如果信號(hào)隨交流電的正半周輸入，負(fù)半周截止來傳輸?shù)脑?，?jì)算機(jī)的頻幕上就會(huì)出現(xiàn)“黑屏”現(xiàn)象。如果將電橋橋臂電阻換成場效應(yīng)管，電橋的電源支路接信號(hào)的輸入端，電橋的橋支路改成信號(hào)輸出端，使信號(hào)隨交流電正負(fù)半周都有輸出，計(jì)算機(jī)就不會(huì)出現(xiàn)“黑屏”現(xiàn)象了。

（3）在給工程類的學(xué)生講授該實(shí)驗(yàn)時(shí)，在講清該實(shí)驗(yàn)的目的，實(shí)驗(yàn)原理后，再結(jié)合工程機(jī)械的專業(yè)知識(shí)，講授電橋的作用，能激發(fā)學(xué)生的課堂興趣。如果將平衡電橋的橋臂一端換成電阻應(yīng)變片貼在大橋受應(yīng)力最大處，電橋的橋支路中的檢流計(jì)換成警示元件（如燈具，鬧鈴等）。應(yīng)用電阻應(yīng)變效應(yīng)，在載荷或外界因素作用下，即當(dāng)橋上的車增多時(shí)，橋梁受到的應(yīng)力增大從而改變電阻應(yīng)變片的阻值，就破壞了電橋的平衡，警示元件會(huì)發(fā)出相應(yīng)報(bào)警警示，提示大橋管理者及時(shí)做好交通疏導(dǎo)工作，以減輕他們的勞動(dòng)強(qiáng)度。

種種與生活和生產(chǎn)相關(guān)的案例，闡明了物理與各專業(yè)之間的聯(lián)系，在學(xué)生還沒有上專業(yè)課之前教授給學(xué)生，能加深他們對(duì)物理知識(shí)的理解，也啟迪了他們對(duì)自己各自專業(yè)的認(rèn)識(shí)，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)熱情高漲，主動(dòng)性增強(qiáng)，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果良好。

實(shí)驗(yàn)二 用拉伸法測金屬絲的楊氏彈性模量

目的：（1）掌握用光杠桿法測量微小長度的原理和方法

（2）學(xué)會(huì)用拉伸法測定金屬絲的楊氏彈性模量

原理：

在彈性限度內(nèi)，金屬絲的正應(yīng)力F/S和產(chǎn)生的線應(yīng)變0L/L成正比，即

F/S=E（0L/L）

或E=FL/S0L

式中比例系數(shù)E稱為彈性模量。

實(shí)驗(yàn)證明，彈性模量與外力F，物體的長度L和截面積S的大小無關(guān)，它只決定于材料的性質(zhì)，它是表征固體材料性質(zhì)的一個(gè)物理量，在公式中F，L和S可用一般的儀器和方法測得，唯有oL是一個(gè)很小的量，要用光杠桿法測量。

光杠桿就是一固定在T形架上的平面鏡，支架下部的三個(gè)尖角構(gòu)成一個(gè)光杠桿，它和帶叉絲的望遠(yuǎn)鏡配合使用。當(dāng)金屬絲受外力而伸長后，光杠桿的主尖角隨金屬絲下降0L，平面鏡轉(zhuǎn)動(dòng)一角度@，根據(jù)光反射定律，在望遠(yuǎn)鏡中觀察到叉絲變化0n，由數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，得

0L=bl/2D

代入上式公式，得

E=8FLD/^d2bl

由上式可見，只要測得F、L、D、d、b和l，就可算出待測金屬絲的楊氏彈性模量。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法：

通常，實(shí)驗(yàn)教師給學(xué)生按傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法講授實(shí)驗(yàn)時(shí)，只講清實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)做法。學(xué)生難理解楊氏彈性模量這個(gè)物理量，對(duì)光杠桿測量微小長度原理也不重視?！翱础睂?shí)驗(yàn)的人多，做實(shí)驗(yàn)的人少，甚至有個(gè)別學(xué)生做一些不該在本實(shí)驗(yàn)上該做的事情。實(shí)驗(yàn)測量誤差大，做完實(shí)驗(yàn)學(xué)生也不能理解楊氏彈性模量這個(gè)物理量的意義。

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法：

強(qiáng)調(diào)楊氏彈性模量這個(gè)物理量的名詞解釋，再根據(jù)我院各系專業(yè)的不同，結(jié)合專業(yè)理論知識(shí)，教授學(xué)生楊氏彈性模量這個(gè)物理量的用途。

在給電氣系和機(jī)械系的學(xué)生講授該實(shí)驗(yàn)時(shí)，在講清該實(shí)驗(yàn)的目的，實(shí)驗(yàn)原理后，首先重點(diǎn)解釋楊氏彈性模量這個(gè)物理量的概念，然后闡述測量楊氏彈性模量這個(gè)物理量的意義，和它的用途。它用在結(jié)構(gòu)選型當(dāng)中，設(shè)計(jì)機(jī)床的主傳動(dòng)軸時(shí)，不能隨便拿種材料做主傳動(dòng)軸。這就要選型。根據(jù)這根軸在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，受到的應(yīng)力計(jì)算出應(yīng)該選用什么型材的鋼來做主傳動(dòng)軸。

二、結(jié)論

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)在工科人才的創(chuàng)新能力和科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)上有著重要的舉足輕重的作用，本文針對(duì)工科若干個(gè)專業(yè)不同的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)研究，旨在更好的激發(fā)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生感受物理知識(shí)在自己專業(yè)的應(yīng)用，達(dá)到學(xué)以致用的目的，更好的激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)，為以后自己專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)打下鋪墊。

（作者單位：新疆工程學(xué)院基礎(chǔ)部）