大学物理设计性实验的教学浅谈

【摘要】大学物理设计性实验的核心是设计，本文就如何在大学物理实验教学中根据实验要求选择实验方案、实验仪器，设计实验步骤，以及测量条件的确定以及数据处理方法的选择进行介绍。

【关键词】大学物理实验设计性

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2014）3-0204-02

大学物理实验作为工科学生的一门重要基础课, 在培养学生的动手实践能力、研究创新能力以及解决问题的能力等方面, 发挥着举足轻重的作用。然而在传统的实验教学中, 实验项目大多属于验证性和测量性实验, 教材已经详细的给出了的实验目的、实验仪器、实验原理以及数据处理方法。学生只需按部就班地在实验室已安排好的实验仪器上进行调试、测量、记录，并进行适当的数据处理，便可以完成实验。可见传统实验只是对已有知识的简单验证和重复。显然无益于培养学生的解决问题的能力以及创新思维能力。因此有必要对传统实验教学进行改革，近年来, 教育部明确规定实验项目中应增加一定比重的设计性实验，研究性设计性实验也越来越受到各大高校教学工作者的重视 。

设计性实验是在学生在具有一定知识基础、实验技能以及数据处理能力的前提下,自行设计实验方案、实验仪器，独立进行操作和测量，解决实验中遇到的各种问题。这种实验对于培养学生分析、解决问题的能力以及创新能力大有裨益。

大学物理设计性实验的基本程序包括提出实验方案；选择实验仪器；制定步骤；实施实验操作；处理数据；撰写实验报告。笔者结合具体实验教学谈谈对如何开展设计性实验的几点看法。

一、 实验方案的选择

实验方案的选择即实验物理模型和方法的选择。同一个实验可以选用不同的实验物理模型。同一个物理模型有可以选择不同的实验方法。如重力加速度的测量就可以选用单摆模型和自由落体模型；转动惯量的测定既可以用刚体转动模型也可以用三线摆模型。而电阻的测量，根据欧姆定律和基尔霍夫定律有伏安法和比较法（电桥法和电位差计法）等。

学生应根据自己的选题，查阅有关文献、资料、收集各种实验原理和实验方法（即根据被测量和可测量之间的关系，找出各种可能使用的实验方法），然后比较各种实验方法的优劣性（如实验精确度、使用条件以及在学校实验实所能提供的仪器条件下的可行性等），最后确定一种具体实施方案。

二、测量仪器的选择与配套

通过待测的间接测量量与各直接测量量的函数关系导出不确定度传递公式，并按照"误差的等量分配原则（不确定度均分）"原理，将对间接测量量的不确定度要求分配给各直接测量量，由此选择精度和量程适合的仪器。

注意："不确定度均分"只是一个原则上的分配方法，对于具体情况还可具体处理。比如：

由于条件限制，某一物理量测量的不确定度稍大，继续降低不确定度又比较困难，这时可以允许该量的不确定度大一些，而将其它物理量的测量不确定度降得更低，以保证合成不确定度达到设计要求。另外，由有效数字运算法则可知，所选测量仪器的测量精度(有效数字位数)应大致相同。为了合理使用仪器，达到相应的测量精度，在选择仪器时应根据实际情况，兼顾仪器的等级和量程，使仪器的量程略大于测量值即可。

三、测量条件与最佳参数的确定

在实验方法及仪器选定的情况下，选择有利的测量条件，最大限度地减小系统误差。如用单摆测重力加速度时，我们选用的实验装置必须满足：球要小，可看成质点；线要轻，可忽略摆线质量；摆角要小于5°，以满足公式 的要求。又如一般电表读数的最有利条件是选取电表刻度盘的2/3附近的区域。

另外，环境条件如温度、湿度、气压、射线、电磁场、振动等，对仪器的正常工作都会有一定的影响，也会引起系统误差，所以选定合适的测量环境也是不可忽视的。

四、数据处理方法的选择

在选择数据处理方法主要有列表法，作图法，逐差法和最小二乘法。列表法简单明确给出物理量之间的对应关系，便于分析和发现数据的规律性；作图法具有形象直观的优点；逐差法常用于处理自变量等间距变化的数据组；最小二乘法通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。所以应根据实验数据特点充分考虑每种数据处理方法的特点进行选择。

通过多年的教学实践证明开设大学物理设计性实验，让学生自行设计实验，相比传统实验教学，充分地发挥了学生的主动性, 提高动手能力、分析判断及逻辑思维能力, 为学生的创造力发挥提供了更为广阔的空间。相信, 通过不断的实践、改进、再实践, 大学物理设计性实验在提高力高教学质量、培养学生素质及能力上发挥越来越重要的作用。

参考文献:

[1]饶益花. 大学物理实验教程[ M] . 上海交通大学出版社, 2011

[2] 张雄, 王黎智. 物理实验设计与研究[ M] . 北京: 科学出版社, 2001

[3] 周殿清. 深化物理实验教学改革, 努力培养创新人才[ J] . 物理实验, 2001, 21( 特刊) : 3~ 6

[4] 沈元华. 设计性、研究性物理实验介绍[ J] . 物理实验, 2004, 24( 2) : 33~ 37

基金项目："南华大学2013年高等教育研究与改革立项课题"(2013ZZ001)，"湖南省教育厅规划课题"（XJK013BGD018），南华大学物理精品课程专项资助。