基于信息技術(shù)的大學物理創(chuàng)新性實驗的研究與實踐

丁益民

(湖北大學物理與電子科學學院 湖北 武漢 430062)

田文秀 朱 蓉

(湖北大學知行學院 湖北 武漢 430011)

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基于信息技術(shù)的大學物理創(chuàng)新性實驗的研究與實踐

丁益民

(湖北大學物理與電子科學學院 湖北 武漢 430062)

田文秀 朱 蓉

(湖北大學知行學院 湖北 武漢 430011)

針對社會對人才培養(yǎng)的新要求和教學研究型大學的實際，提出了一種依托數(shù)字傳感和數(shù)字仿真技術(shù)改進物理實驗教學的創(chuàng)新性實驗教學方式，并簡要闡述了創(chuàng)新性實驗教學方式、設計思路和教學實踐.

大學物理教學 創(chuàng)新性實驗 DIS傳感器 數(shù)字仿真

1 引言

創(chuàng)新教育是以培養(yǎng)人的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力為基本價值取向的教育.創(chuàng)新教育的方式有多種，其中，在物理教學實踐中，以物理實驗教學為載體的創(chuàng)新教育，是培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的一條重要途徑.近年來我國很多研究型大學就在大學物理實驗教學中如何實施創(chuàng)新教育進行了研究[1～3].我們結(jié)合我校教學研究型大學的實際，開展了在大學物理實驗教學中實施創(chuàng)新教育的教學改革，我們采取的方法是：將數(shù)字傳感技術(shù)與數(shù)字計算技術(shù)引入到大學物理實驗教學中，引導學生在實驗教學中，發(fā)現(xiàn)問題，采用信息技術(shù)的手段對物理問題進行研究，對物理實驗進行改進，這種教學方法既有利于改進實驗設備，也有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力.

2 創(chuàng)新性物理實驗

創(chuàng)新性物理實驗是以培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力為目的的物理實驗形式，它是大學物理實驗課程的最高層次.創(chuàng)新性實驗與其他層次的實驗有一定區(qū)別，主要表現(xiàn)在以下幾個方面.

2.1 實驗內(nèi)容的不確定性

創(chuàng)新性實驗與基礎性實驗和綜合性實驗的不同之處在于實驗的內(nèi)容不確定.實驗課題的選擇既可

以由實驗教師提出，也可以由學生在實驗過程自己發(fā)現(xiàn)并提出.實驗課題即使確定了，在實驗的探究過程中，很多具體實驗內(nèi)容有可能會根據(jù)不同的情況，作適當調(diào)整，表現(xiàn)出明顯的不確定性.

2.2 實驗方式的開放性

創(chuàng)新性實驗內(nèi)容的不確定性使得其教學方式不能采用課表式的固定教學方式,而必須采取相對靈活的開放式教學方式.我校開展創(chuàng)新性實驗教學主要采用以下兩種形式:其一是開設“創(chuàng)新性實驗”選修課,一般采用32學時左右的彈性學時.學生在創(chuàng)新性實驗課中自主選擇實驗課題，進行探究式學習.其二是以“項目研究”的形式，學生用課外時間，在指導教師的指導下自主約定時間到實驗室進行實驗研究.學生在“項目研究”中取得一定的研究成果，可認定為選修了一定的學分.

2.3 實驗方法的探究式

創(chuàng)新性實驗采用“探究式”教學方法，其教學流程依次為提出問題、文獻檢索、設計實驗、實驗研究和撰寫論文，如圖1所示.

提出問題文獻檢索設計實驗實驗研究撰寫論文

圖1 探究式教學流程圖

探究式教學法不僅提高了學生問題意識，還使學生在信息檢索、文獻閱讀、實驗設計以及論文寫作等多方面的能力都得到了培養(yǎng).

3 數(shù)字傳感物理創(chuàng)新性實驗

物理量的測量是物理實驗中的重要內(nèi)容.然而在傳統(tǒng)的物理實驗中，物理量的測量常常使用的是傳統(tǒng)的測量工具，如長度用刻度尺或螺旋測微器來測量，時間用秒表或數(shù)字毫秒計來測量.這些測量工具一般是手動操作、人工讀數(shù)，不僅容易產(chǎn)生偶然誤差，還不便于將數(shù)據(jù)輸入到計算機中進行數(shù)據(jù)處理，與當前信息化時代存在明顯的不適應.將數(shù)字傳感器引入到物理實驗中，可以有效地解決這個問題.下面以我校物理學專業(yè)學生的論文研究為例,介紹DIS傳感器在大學物理實驗中的應用.

案例1：用DIS傳感器研究氣墊導軌上的阻尼振動[4]

設計思路：用DIS位移傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗的光電門和秒表,如圖2所示.

圖2 案例1設計思路

案例2:利用DIS溫度傳感器測金屬的比熱容[5]

設計思路：用DIS溫度傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗的熱電偶和秒表，如圖3所示.

圖3 案例2設計思路

4 數(shù)字仿真物理創(chuàng)新性實驗

在大學物理教學中，由于實驗器材成本高、耗材大，實驗現(xiàn)象可重復性差、實效性低等特點，真實物理實驗往往在課堂教學中難以實現(xiàn).隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，不僅許多真實物理實驗都可以用計算機仿真技術(shù)來實現(xiàn)，而且許多在真實環(huán)境中無法實現(xiàn)或難以觀察的物理實驗也可以用計算機來模擬.下面，我們介紹了以計算機語言C+ +和Matlab為仿真的工具平臺進行的物理實驗模擬.

案例3：基于Visual C+ +的非線性電路實驗模擬[6]

實驗問題：本實驗的目的是觀察非線性電路的混沌現(xiàn)象.傳統(tǒng)的方法是示波器法，即在實物性的非線性電路實驗中用示波器來觀察混沌現(xiàn)象.這種方法的最大弊端就是實驗儀器較貴，儀器調(diào)節(jié)比較麻煩，用示波器觀察時圖像不夠穩(wěn)定.

設計思路：采用計算機軟件方法用電腦顯示器代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗的示波器,如圖4所示.

圖4 案例3設計思路

案例4：基于Matlab的光的單縫衍射實驗模擬研究[7]

實驗問題：本實驗的目的是觀察單縫的衍射現(xiàn)象.傳統(tǒng)的方法是實物性實驗法，即在實物性的實驗中通過目鏡來觀察衍射現(xiàn)象.這種方法的最大弊端就是實驗穩(wěn)定性不好，儀器調(diào)節(jié)比較麻煩，眼睛觀察時容易疲勞.

設計思路：采用計算機軟件方法用電腦顯示器代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗的毛玻璃屏.

圖5 案例4設計思路

5 結(jié)束語

通過以上案例分析，可以看出，利用數(shù)字傳感器

與數(shù)字仿真技術(shù)改進傳統(tǒng)實驗可以極大地提高大學物理實驗的教學效果.我們在湖北大學物理系進行了5年多的教學實踐，學生對實驗探究產(chǎn)生了濃厚興趣，并且還取得了一系列的研究成果：近5年本科生撰寫的實驗研究論文有10余篇已在《物理實驗》、《大學物理實驗》和《物理與工程》等期刊上發(fā)表，如表1所示.創(chuàng)新性實驗的開展不僅增強了學生的科研意識，培養(yǎng)了學生創(chuàng)新思維，還促進了物理實驗儀器與方法的改進.

表1 本科生發(fā)表的研究論文

1 張增明,孫臘珍，霍劍青，等.創(chuàng)新研究型物理實驗教學平臺的建設與實踐.物理實驗，2009,29(7)：14～17

2 陳水橋,陳洪山.物理實驗研究性課題式教學方法的實現(xiàn)與探討.物理實驗，2008,28(6)：18～21

3 任峰，李美亞，蔡光旭，等.離子注入技術(shù)在大學研究型實驗教學中的開展.物理實驗，2014,34(3)：23～25

4 鐘莉,丁益民，黃嬌，等.用DIS位移傳感器研究氣墊導軌上的阻尼振動.物理實驗，2011,31(10)：26～28

5 翟林萍,丁益民，姚亮，等.利用DISlab溫度傳感器測金屬的比熱容.大學物理實驗，2011，34(3)：23～25

6 張毅，丁益民.基于Visual C+ +的非線性電路實驗的模擬.大學物理實驗，2010,33(3)：23～25

7 夏漫，陳生，徐揚子，等.基于Matlab的光的單縫衍射實驗模擬研究.大學物理實驗，2015,36(2)：23～25

Research and Practice on the University Physics Innovative Experiment Basing on IT

Ding Yimin

(Faculty of Physics and Electronic Technology, Hubei University, Wuhan, Hubei 430062)

Tian Wenxiu Zhu Rong

(Zhixing College of Hubei University,Wuhan, Hubei 430011)

In allusion to the new requirements of talents training for society, and the practice of teaching research university, this paper proposes a teaching mode of innovative physics experiment using DIS sensor and computer simulation， using the specific experimental case to expound the experimental methods, teaching methods and teaching effects.

college physics teaching; innovative experiment; DIS sensor；computer simulation

*湖北大學《大學物理實驗》精品資源共享課建設項目，項目編號：C201407

丁益民(1965- )，男，教授，主要從事物理課程與教學論、統(tǒng)計物理與復雜網(wǎng)絡的研究.

2016-07-06)