PASCO實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在工科物理實(shí)驗(yàn)課程中的應(yīng)用

周愛平

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)工科物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)不足的問題，本文提出了應(yīng)用PASCO物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革舉措，結(jié)合PASCO系統(tǒng)的基本特性，著重討論了該系統(tǒng)在教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)和重要作用，探索出了有效可行的教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：PASCO系統(tǒng)；工科物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)；創(chuàng)新思維能力

中圖分類號(hào)：O4-4

1 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，大學(xué)工科專業(yè)的教學(xué)越來越重視對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維能力和動(dòng)手操作能力進(jìn)行培養(yǎng)，以期造就出一大批能夠根據(jù)生產(chǎn)需求研發(fā)新技術(shù)、新工藝和新產(chǎn)品的工程技術(shù)人員，從而滿足現(xiàn)代化建設(shè)的需要。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)作為工科學(xué)生入校以來遇到的第一門實(shí)驗(yàn)課程，不是簡(jiǎn)單地對(duì)物理理論課程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)延伸，而是針對(duì)工科學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和良好素質(zhì)的培養(yǎng)而獨(dú)立開設(shè)的，具有非常重要的作用。但由于條件的限制，我們長(zhǎng)期以來一直采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，即教師講授實(shí)驗(yàn)原理和測(cè)量方法，學(xué)生按部就班地操作并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。整個(gè)過程學(xué)生不需要多少思考，更不用說進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。同時(shí)，學(xué)生本身對(duì)這門課程也往往不夠重視，多是抱著應(yīng)付課程拿學(xué)分的態(tài)度，沒有多少興趣，積極性也不高。針對(duì)這種狀況，我們積極響應(yīng)學(xué)校關(guān)于加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的號(hào)召，開展了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新改革。其中一個(gè)重要舉措，就是引入了美國(guó)PASCO公司開發(fā)生產(chǎn)的專門用于物理實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與分析的系統(tǒng)，建立了PASCO物理實(shí)驗(yàn)室，開設(shè)了創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)課程。

2 什么是PASCO物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

該系統(tǒng)設(shè)備主要由各類傳感器、計(jì)算機(jī)接口系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與分析軟件三個(gè)部分組成。實(shí)驗(yàn)中各物理量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可通過傳感器利用傳感技術(shù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)過計(jì)算機(jī)接口系統(tǒng)傳入計(jì)算機(jī)中，由此實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、高效的數(shù)據(jù)采集，最后通過Data Studio軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和呈現(xiàn)。目前可選用的傳感器有力、運(yùn)動(dòng)、壓強(qiáng)、溫度、聲級(jí)、光、電荷/電壓/電流、磁場(chǎng)等50余種，采用純數(shù)字化信號(hào)，傳輸速度快。數(shù)據(jù)采集接口可根據(jù)需要采用不同的采樣速率，最高可達(dá)250kHz。而Data Studio軟件以圖表的形式可實(shí)時(shí)記錄并顯示物理量變化中的數(shù)據(jù)情況。除了與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)合使用，PASCO公司自身也開發(fā)了一系列配套的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，從普通物理的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)到近代物理的拓展課題實(shí)驗(yàn)，涵蓋了典型物理課程的大部分內(nèi)容。相應(yīng)的儀器配件具有很強(qiáng)的組合性，可與其它的部件靈活組合出多個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

3 PASCO系統(tǒng)在教學(xué)上的優(yōu)勢(shì)

我們首先在13級(jí)電力專業(yè)學(xué)生的大物實(shí)驗(yàn)課程中采用PASCO系統(tǒng)來進(jìn)行試點(diǎn)教學(xué)。和之前操作傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器相比，學(xué)生的興趣明顯增加。PASCO系統(tǒng)不同于以往實(shí)驗(yàn)的新儀器和新實(shí)驗(yàn)方法引起了學(xué)生的好奇。他們不自覺地想去弄明白這些儀器是做什么用的、怎么操作、怎樣才能組合出一套完整的實(shí)驗(yàn)裝置。但是，單純地靠實(shí)驗(yàn)方法和儀器的新穎性只能短時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生覺得新鮮。要激起他們對(duì)物理實(shí)驗(yàn)持續(xù)的興趣并從中真正得到能力的鍛煉，需要我們對(duì)PASCO系統(tǒng)如何應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中進(jìn)行深入的探索和思考。

目前，我們已順利搭建了PASCO系統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)室，可開設(shè)牛頓定律、理想氣體定律、歐姆定律、光的干涉/衍射等幾十個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，包括了力、熱、光、電、磁和近代物理各方面，也是傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)課程中常見的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過對(duì)比學(xué)生分別使用傳統(tǒng)儀器和PASCO系統(tǒng)設(shè)備的情況，可以看到PASCO系統(tǒng)在教學(xué)上的功能主要體現(xiàn)在：

（1） PASCO系統(tǒng)改變了數(shù)據(jù)的采集方式，使物理量的測(cè)量變得簡(jiǎn)便

以往實(shí)驗(yàn)中我們用儀器直接只能測(cè)出一些基本的物理量，其它很多物理量需要通過與若干個(gè)能直接測(cè)出來的物理量之間的函數(shù)關(guān)系才能計(jì)算出來。在這個(gè)過程中，需要掌握多種測(cè)量工具的使用，相應(yīng)的測(cè)量方案很復(fù)雜，數(shù)據(jù)計(jì)算過程也比較繁瑣。PASCO系統(tǒng)改變了這樣的測(cè)量方式，利用傳感技術(shù)，借助各類傳感器去直接采集實(shí)驗(yàn)中各物理量的數(shù)據(jù)。特別是對(duì)于隨時(shí)間變化的物理量，能夠做到實(shí)時(shí)測(cè)量。比如，使用了PASCO系統(tǒng)裝置中的運(yùn)動(dòng)、位置和加速度傳感器后，物體的位移、速度和加速度可以很方便地在運(yùn)動(dòng)全程中被監(jiān)控。采用了PASCO系統(tǒng)后，不再需要諸多的儀器來配合測(cè)量，減少了對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的要求，變間接測(cè)量為直接測(cè)量，簡(jiǎn)化了操作步驟，降低了實(shí)驗(yàn)操作的難度。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器很難或無法測(cè)量的物理量在采用了PASCO系統(tǒng)裝置后能夠很方便就測(cè)出來。這也拓寬了實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜓芯康姆秶１热?，傳統(tǒng)的單擺實(shí)驗(yàn)主要是通過測(cè)量單擺周期和擺長(zhǎng)來計(jì)算當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?。而利用PASCO系統(tǒng)儀器中的力和轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器，可以直接并連續(xù)地測(cè)量單擺運(yùn)動(dòng)的向心力和角速度的大小，直觀地看到向心力隨時(shí)間周期變化的趨勢(shì)，進(jìn)而可研究向心力與質(zhì)量、角速度、轉(zhuǎn)動(dòng)半徑之間的關(guān)系。

（2） PASCO系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理的過程

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生課后還要花大量時(shí)間來數(shù)據(jù)處理。這個(gè)過程不僅繁瑣耗時(shí)，還往往使學(xué)生形成了只要計(jì)算出最終結(jié)果實(shí)驗(yàn)就完成了的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，造成對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和思考非常欠缺。采用PASCO系統(tǒng)后則可以改善這一狀態(tài)。該系統(tǒng)利用Data Studio軟件強(qiáng)大的分析工具來處理計(jì)算采集到的數(shù)據(jù)，最終的結(jié)果以圖表的形式同步顯示在計(jì)算機(jī)窗口中。這就使學(xué)生從繁重的數(shù)據(jù)處理工作中解放了出來。此時(shí)，可以引導(dǎo)學(xué)生將注意力轉(zhuǎn)向?qū)?shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析上 ，培養(yǎng)觀察和分析的能力。而且由軟件處理得到的結(jié)果保證了計(jì)算過程的準(zhǔn)確性，更有助于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出正確的判斷。

PASCO系統(tǒng)直接圖表形式顯示最后結(jié)果的處理方式，可以給予學(xué)生生動(dòng)直觀的感受。譬如，單縫衍射實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以很方便地當(dāng)場(chǎng)觀察到衍射圖形，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的理解也更為深刻。又比如，牛頓定律的實(shí)驗(yàn)中，小車受到的外力和加速度之間的不僅有關(guān)系曲線描述，函數(shù)關(guān)系也直接被擬合出來。

（3） PASCO系統(tǒng)配套實(shí)驗(yàn)部件種類多，可靈活組合，有助于設(shè)計(jì)型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的開設(shè)

PASCO系統(tǒng)開發(fā)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涵蓋的物理范圍比較廣，配套的實(shí)驗(yàn)儀器種類非常豐富。這些儀器部件由先進(jìn)技術(shù)制成，構(gòu)造小巧精密，共用性強(qiáng)，單個(gè)部件可參與到同系列多個(gè)實(shí)驗(yàn)中。最常見的就是各類傳感器的重復(fù)使用。例如，轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器可用在單擺向心力、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、扭擺等一系列實(shí)驗(yàn)中。此外，其它儀器的使用也不局限于單個(gè)實(shí)驗(yàn)中。例如電學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用到的RC電路板，可用來研究電容器的充放電過程，也可用來驗(yàn)證歐姆定律，還可以考察LRC諧振電路的電流電壓響應(yīng)以及基爾霍夫定律有效性的證明。

一些PASCO系統(tǒng)部件本身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得就非常精巧，集成度比較高，可以完成多種情況的測(cè)量。比如，PASCO系統(tǒng)提供的狹縫附件組，本身就包含了多種寬度和間距的單縫、雙縫和多縫，以及不同形狀的小孔。采用這一配件，不僅可以研究單縫衍射現(xiàn)象，還可以觀察雙縫和多縫的干涉現(xiàn)象。

PASCO系統(tǒng)部件強(qiáng)大的組合性，非常適合學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，有利于創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。例如，利用PASCO干涉儀系統(tǒng)儀器，學(xué)生可以借助傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課上做過的邁克爾遜干涉儀實(shí)驗(yàn)的知識(shí)，去測(cè)量空氣和玻璃片的折射率。這需要學(xué)生開動(dòng)腦筋，查閱資料，制定測(cè)量方案，選擇合適的儀器部件搭建實(shí)驗(yàn)裝置。

4 采用PASCO系統(tǒng)教學(xué)的方法

我們認(rèn)為在所有實(shí)驗(yàn)中都引入PASCO系統(tǒng)是不太現(xiàn)實(shí)且沒有必要的。PASCO系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便、儀器組合靈活的特點(diǎn)，更適合用于工科學(xué)生創(chuàng)新和實(shí)踐能力的培養(yǎng)上?；诖?，我們采取傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置與PASCO系統(tǒng)儀器結(jié)合使用、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為主與PASCO創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為輔的教學(xué)方式。學(xué)生在課程學(xué)習(xí)的前期需要以傳統(tǒng)的方式和實(shí)驗(yàn)裝置來完成大部分的實(shí)驗(yàn)，在后期則使用PASCO系統(tǒng)儀器來進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)操作。其中，采用PASCO系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程，我們大體上分為三步來實(shí)施：

第一步，讓學(xué)生了解如何使用PASCO系統(tǒng)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，結(jié)合具體實(shí)物介紹PASCO系統(tǒng)各部件的工作原理和使用方法。再演示如何用PASCO系統(tǒng)完成一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)的測(cè)量。通過這樣的講解和演示，使學(xué)生對(duì)PASCO系統(tǒng)有初步的認(rèn)識(shí)。

第二步，讓學(xué)生根據(jù)在前期傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中已完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置和PASCO系統(tǒng)設(shè)備，自主選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行操作。通過動(dòng)手操作來熟練掌握PASCO系統(tǒng)的使用方法，做到正確地采集和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。經(jīng)過這一步動(dòng)手的訓(xùn)練，學(xué)生對(duì)PASCO系統(tǒng)加深了了解。

最后一步則是要求學(xué)生獨(dú)立完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)課題的研究，對(duì)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力進(jìn)行訓(xùn)練。學(xué)生根據(jù)已掌握的物理知識(shí)以及自行查閱各種資料，結(jié)合已有的儀器設(shè)備，確定實(shí)驗(yàn)研究的對(duì)象，設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)方法，制定詳細(xì)可行的實(shí)驗(yàn)方案。在此基礎(chǔ)上動(dòng)手操作，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，獲得正確的數(shù)據(jù)結(jié)果并進(jìn)行思考分析，得出現(xiàn)象背后蘊(yùn)藏的規(guī)律并撰寫出完整的研究報(bào)告，最終完成課題研究。通過設(shè)計(jì)型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，學(xué)生不僅了解到科學(xué)研究的基本方法，而且化被動(dòng)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，養(yǎng)成了獨(dú)立思考的習(xí)慣，培養(yǎng)了探索的精神和創(chuàng)新的能力。

5 結(jié)語

PASCO系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器的數(shù)據(jù)采集和處理方式，使得其在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)上表現(xiàn)出諸多的優(yōu)勢(shì)，有利于設(shè)計(jì)型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的開設(shè)。一年多來的試點(diǎn)教學(xué)研究表明，PASCO系統(tǒng)給物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來了極大的便利，有助于工科學(xué)生主觀能動(dòng)性的提升、科學(xué)探索精神和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。因而將PASCO系統(tǒng)引入物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中是非常有必要且具有重要作用，符合現(xiàn)今教學(xué)改革的趨勢(shì)要求。

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