獨(dú)立學(xué)院大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)系統(tǒng)開發(fā)與研究

張 禮,左玉生，陳 杰,吳 弘

(1.東南大學(xué)成賢學(xué)院 基礎(chǔ)部物理實(shí)驗(yàn)中心， 南京 210088； 2.東南大學(xué) 實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處， 南京 210096)

獨(dú)立學(xué)院大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)系統(tǒng)開發(fā)與研究

張 禮1,左玉生2，陳 杰1,吳 弘1

(1.東南大學(xué)成賢學(xué)院 基礎(chǔ)部物理實(shí)驗(yàn)中心， 南京 210088； 2.東南大學(xué) 實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處， 南京 210096)

為提高獨(dú)立學(xué)院學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)的效率，培養(yǎng)高質(zhì)量應(yīng)用型人才，提出一套大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其包含引導(dǎo)類A系統(tǒng)和提高類B系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要通過Matlab的GUI界面演示預(yù)習(xí)過程、展示實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象及進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并通過單片機(jī)及外圍芯片實(shí)時(shí)測量和傳輸數(shù)據(jù)，展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)變化趨勢。應(yīng)用該系統(tǒng)引導(dǎo)學(xué)生準(zhǔn)確理解預(yù)習(xí)規(guī)范，提升學(xué)生對操作過程的預(yù)判能力。實(shí)際教學(xué)證明，該系統(tǒng)對學(xué)生實(shí)驗(yàn)起到了很好的輔助指導(dǎo)作用，明顯減少了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的誤操作，實(shí)驗(yàn)效率顯著提升，重復(fù)實(shí)驗(yàn)率大大降低；學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，因?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)測量錯(cuò)誤導(dǎo)致的結(jié)果錯(cuò)誤大幅減少，且實(shí)驗(yàn)分析內(nèi)容有所增加，實(shí)驗(yàn)分析質(zhì)量有明顯的深化和提升。

獨(dú)立學(xué)院； 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)； 預(yù)習(xí)系統(tǒng)； Matlab； 圖形用戶界面

0 引 言

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后接觸的第一門實(shí)驗(yàn)課程，其學(xué)習(xí)過程包含課前、課堂和課后三部分組成，目前課前預(yù)習(xí)部分對學(xué)生的要求是通過充分的教材預(yù)習(xí)并寫好預(yù)習(xí)報(bào)告[1]。對于獨(dú)立學(xué)院的大部分學(xué)生，僅通過教材做書面預(yù)習(xí)，無法使學(xué)生比較清晰地了解實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容，且由于部分學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣較差，預(yù)習(xí)報(bào)告也經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)應(yīng)付教師檢查的現(xiàn)象，從而使預(yù)習(xí)流于形式，成為變相的“抄書”，導(dǎo)致課堂教學(xué)效率低，課堂實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤多，一些學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)都無法全面了解所做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告問題較多，甚至出現(xiàn)因不了解而損壞設(shè)備的現(xiàn)象[2-3]。有些學(xué)生到畢業(yè)的時(shí)候大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程都無法拿到學(xué)分[4]。為了徹底改變這一存在已久的問題，開發(fā)了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)系統(tǒng)，切合學(xué)校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的模式[5]。為切合獨(dú)立學(xué)院大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的安排，本系統(tǒng)擬從A類和B類系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)習(xí)系統(tǒng)的開發(fā)與研究。其中A類系統(tǒng)為引導(dǎo)類系統(tǒng)，開設(shè)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的第一學(xué)期，對應(yīng)學(xué)生時(shí)間為大一下學(xué)期；B類系統(tǒng)為促進(jìn)類系統(tǒng)，開設(shè)于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的第二學(xué)期，對應(yīng)學(xué)生時(shí)間為大二上學(xué)期。

1 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)旨在引導(dǎo)學(xué)生從單純的教材預(yù)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)驗(yàn)室和教材預(yù)習(xí)相結(jié)合的形式。

此前，學(xué)生的預(yù)習(xí)基本是通過對教材的閱讀來完成，此過程存在幾點(diǎn)不足：① 預(yù)習(xí)內(nèi)容太抽象；② 預(yù)習(xí)報(bào)告流于形式；③ 預(yù)習(xí)效果不理想[6]。

本設(shè)計(jì)擬從以下幾個(gè)方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程中預(yù)習(xí)部分的改革，并從教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容、成績給定等幾個(gè)部分進(jìn)行保障。

(1) 引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室預(yù)習(xí)。 較多的高?，F(xiàn)在都推行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，從實(shí)驗(yàn)的角度出發(fā)，網(wǎng)絡(luò)預(yù)習(xí)有比較好的效果，能夠引導(dǎo)學(xué)生利用實(shí)物的圖片及動(dòng)畫和視頻初步了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。然而，對于我校學(xué)生的具體情況而言，應(yīng)盡量引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行預(yù)習(xí)，這樣不僅能對儀器從三維的角度來進(jìn)行觀察，而且通過真實(shí)儀器與預(yù)習(xí)系統(tǒng)的配合能夠讓學(xué)生更加有直觀上的感受，更有利于實(shí)驗(yàn)課程的開展[7]。

(2) 引導(dǎo)學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)原理。 學(xué)生在預(yù)習(xí)時(shí)，對實(shí)驗(yàn)原理部分的掌握是最容易流于形式的抄寫，通過與學(xué)生的交流，很多學(xué)生雖然寫了實(shí)驗(yàn)原理，但是卻不知究竟，歸其原因可能有以下兩點(diǎn)：① 理論教學(xué)部分尚未涉及到實(shí)驗(yàn)所需的知識(shí)及內(nèi)容；② 對實(shí)驗(yàn)過程中所述的較為復(fù)雜的現(xiàn)象無法進(jìn)行思維分析?；谶@兩點(diǎn)原因，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或?qū)嶒?yàn)結(jié)果以比較形象的方法先切入，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或?qū)嶒?yàn)結(jié)果出發(fā)，回頭來對實(shí)驗(yàn)原理部分進(jìn)行預(yù)習(xí)，這樣可達(dá)到事半功倍的效果[8]。

(3) 引導(dǎo)學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?因大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的一部分實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了比較巧妙的測量方案，導(dǎo)致有些學(xué)生在測量及計(jì)算的過程中過于注重過程計(jì)算量，而忽略了最終結(jié)果的求解，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮，一些結(jié)果可以一種并不是很精確的方法給出并引起學(xué)生對結(jié)果的注意[9]。

(4) 引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)待測量及測量方法。 實(shí)驗(yàn)課程的最終目的并不是要求學(xué)生學(xué)會(huì)物理量的測量，但是對待測量的了解卻是在預(yù)習(xí)過程中不可缺少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。課前，學(xué)生應(yīng)很好地了解實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、待測量、測量儀器、測量精度等。充分了解待測量后，學(xué)生在課堂聽講時(shí)才能對實(shí)驗(yàn)原理及儀器設(shè)計(jì)的精度等有清晰的認(rèn)知[10]。

本預(yù)習(xí)系統(tǒng)的組建通過Matlab及單片機(jī)等硬件實(shí)現(xiàn)，暫未推出網(wǎng)絡(luò)服務(wù)版，后期將逐漸完善。基于對初期實(shí)驗(yàn)開設(shè)時(shí)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程不熟悉的情況，推出以現(xiàn)象、結(jié)果演示為主的A類大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，基于對實(shí)驗(yàn)過程及測量較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行更深入了解的要求及期望，推出以實(shí)驗(yàn)過程、結(jié)果演示為主的B類大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

2 A類(引導(dǎo)類)預(yù)習(xí)系統(tǒng)

2.1方案論證

A類預(yù)習(xí)系統(tǒng)的主要作用是根據(jù)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)緒論課后第一次正式實(shí)驗(yàn)之前及之后的預(yù)習(xí)引導(dǎo)，針對學(xué)生剛參加實(shí)驗(yàn)課，還不知道預(yù)習(xí)該如何操作的情況，設(shè)置與預(yù)習(xí)報(bào)告需要完成的任務(wù)相類似的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的步驟及順序：① 實(shí)驗(yàn)名稱(系統(tǒng)中設(shè)定與教材相同的實(shí)驗(yàn)名稱及章節(jié)，以供學(xué)生在目錄中快速查閱)；② 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?根據(jù)教材中提到的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練目的部分進(jìn)行精簡，以簡潔文字的形式清晰明了的告知學(xué)生實(shí)驗(yàn)的目的所在)；③ 實(shí)驗(yàn)原理(實(shí)驗(yàn)原理部分是實(shí)驗(yàn)中所用到的物理原理以及儀器原理部分，篇幅較大，故在此處安排直接給出教材對應(yīng)頁碼，引導(dǎo)學(xué)生直接進(jìn)行教材和儀器的結(jié)合閱讀)；④ 實(shí)驗(yàn)步驟(本部分通過簡潔有序的描述，簡要介紹學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的操作程序，以加深學(xué)生對操作的了解，教材的實(shí)驗(yàn)步驟部分描述會(huì)比較細(xì)致，而系統(tǒng)在本部分的描述旨在做全面系統(tǒng)的了解)；⑤ 實(shí)驗(yàn)表格(本部分通過按鈕調(diào)用預(yù)習(xí)表格，這里的預(yù)習(xí)表格與教材中的實(shí)際實(shí)驗(yàn)表格不同，此處的實(shí)驗(yàn)表格旨在羅列出待測量，提高學(xué)生對待測量的進(jìn)一步了解，避免在上課過程中出現(xiàn)的測錯(cuò)、測漏等現(xiàn)象的發(fā)生)[11]。學(xué)生通過對該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的操作，了解預(yù)習(xí)的步驟，同時(shí)為增加學(xué)生對即將做的實(shí)驗(yàn)有比較好的感性認(rèn)識(shí)，在系統(tǒng)中可同時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)際照片及實(shí)驗(yàn)中即將看到的比較有趣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，以此來引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)裝置，提高興趣。

2.2A類系統(tǒng)示例

本系統(tǒng)以大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中經(jīng)典的牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)為例，軟件編程利用Matlab的GUI設(shè)計(jì)，初始界面如圖1所示。

在系統(tǒng)的界面右側(cè)，擬提供本實(shí)驗(yàn)所用實(shí)驗(yàn)儀器的實(shí)際照片，讓學(xué)生與儀器見“第一面”，有了圖形的印象后，學(xué)生會(huì)更加了解儀器介紹部分所介紹的內(nèi)容及結(jié)構(gòu)。

A類系統(tǒng)界面中，安排了實(shí)驗(yàn)結(jié)果或現(xiàn)象顯示按鈕，通過點(diǎn)擊按鈕，學(xué)生可以獲得在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)該看到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，目的是為了讓學(xué)生對該有的現(xiàn)象有第一印象和心里準(zhǔn)備，同時(shí)也提高了學(xué)生儀器調(diào)節(jié)的目的性，避免盲目調(diào)節(jié)以及因?qū)?shí)驗(yàn)現(xiàn)象不了解而找到的一些錯(cuò)誤“現(xiàn)象”的情況發(fā)生。

圖1 牛頓環(huán)預(yù)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

2.3結(jié)果顯示

通過界面中的提示，學(xué)生按順序、步驟完成后，通過按鈕結(jié)果查看，實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)內(nèi)容也均應(yīng)大致掌握，通過類似的1～2個(gè)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的練習(xí)，預(yù)習(xí)過程即可掌握得比較熟練。系統(tǒng)運(yùn)行后的圖像如圖2～4所示。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行圖

圖3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象調(diào)用圖

圖4 表格調(diào)用圖

3 B類(促進(jìn)類)預(yù)習(xí)系統(tǒng)

3.1方案論證

B類預(yù)習(xí)系統(tǒng)應(yīng)用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)(下)的教學(xué)過程中，即大學(xué)物理第二學(xué)期的教學(xué)過程。學(xué)生通過大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)(上)的學(xué)習(xí)，已基本了解學(xué)生實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)與過程，所以第二學(xué)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)會(huì)提升學(xué)習(xí)的深度，采用更為深入的訓(xùn)練方法來進(jìn)行，第二學(xué)期的實(shí)驗(yàn)難度會(huì)有所加大，大量的綜合性實(shí)驗(yàn)會(huì)出現(xiàn)。學(xué)生雖然已經(jīng)對實(shí)驗(yàn)過程了然于胸，但是對于綜合性實(shí)驗(yàn)依然會(huì)有力不從心的感覺，綜合性實(shí)驗(yàn)通過不止一項(xiàng)內(nèi)容及方法，或通過多個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器的結(jié)合，來獲得一個(gè)或多個(gè)結(jié)果，有時(shí)會(huì)使學(xué)生有思路不清晰的感覺[12]。

B類系統(tǒng)的主要目的是為了明確學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，理清操作思路，了解多個(gè)量之間的關(guān)系，做到在實(shí)驗(yàn)中穩(wěn)步操作，以不變應(yīng)萬變。本文在研究過程中采用實(shí)物與軟件結(jié)合的方式進(jìn)行。

為了讓學(xué)生更清晰、直接地看到實(shí)驗(yàn)過程中的現(xiàn)象，了解大致實(shí)驗(yàn)情況，本系統(tǒng)擬采用實(shí)際儀器結(jié)合單片機(jī)測量數(shù)據(jù)并在電腦上顯示數(shù)據(jù)變化過程的方式給出。系統(tǒng)以最直觀的方式給定待測量，待測量在測量過程中的變化，待測量在變化過程中的規(guī)律。通過PC顯示出具體的數(shù)據(jù)點(diǎn)供學(xué)生查看，并完成數(shù)據(jù)的可計(jì)算結(jié)果[13]。

3.2B類系統(tǒng)示例

B類系統(tǒng)利用綜合性實(shí)驗(yàn)金屬電阻溫度系數(shù)進(jìn)行示例。本例中，首先，溫度數(shù)據(jù)的采集通過溫度傳感器18B20進(jìn)行，利用單片機(jī)采集數(shù)據(jù)并傳送至上位機(jī)PC；電阻數(shù)據(jù)的采集利用恒流源進(jìn)行電源供電，利用OP07運(yùn)放對小電壓進(jìn)行放大，其后通過PCF8591模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)，再由單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)同時(shí)傳送至上位機(jī)PC，其中溫度數(shù)據(jù)傳輸采用UART通信方式進(jìn)行，電阻數(shù)據(jù)采集部分采用I2C方式進(jìn)行。其次，硬件程序的編寫利用Keil軟件進(jìn)行，采用C語言的編寫方式，再通過STC_ISP_V480軟件將所編程序燒錄至單片機(jī)中，然后通過改變待測電阻的溫度獲得變化的電阻數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，利用串口調(diào)試助手觀察其變化情況及具體數(shù)值。再次，編寫軟件程序，在前續(xù)工作完成后，PC串口通信部分通過Matlab里的serial函數(shù)建立串口對象，set函數(shù)設(shè)置串口屬性并定義回調(diào)函數(shù)，fopen函數(shù)來打開串口數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。最后，設(shè)計(jì)界面，在界面中演示溫度在升溫過程或降溫過程中的溫度變化趨勢及電阻阻值變化趨勢，通過界面按鈕對數(shù)據(jù)進(jìn)行取點(diǎn)，再通過所取數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行作圖；作圖后，利用Matlab軟件程序編寫計(jì)算出直線的斜率K，反向延長數(shù)據(jù)線獲得電阻對應(yīng)的0 ℃電阻值R0，再通過R0和K及計(jì)算公式和polyfit函數(shù)獲得最終的金屬電阻溫度系數(shù)的大小。通過對本系統(tǒng)的使用，學(xué)生能夠清晰看見數(shù)據(jù)變化趨勢，提高感性認(rèn)識(shí)，了解待測量、測量方法以及待測量之間的聯(lián)系，并深入了解各測量設(shè)備的選擇與使用[14]。

3.3結(jié)果顯示

接通電源后，打開單片機(jī)工作電源，打開電阻測量的工作恒流源，PC開始接受數(shù)據(jù)并顯示，其中溫度、電阻部分以300 s為一個(gè)周期，循環(huán)記錄測量數(shù)據(jù)并顯示于GUI界面中，學(xué)生可從此變化過程看到電阻隨時(shí)間的變化，溫度隨時(shí)間的變化，形成直觀概念。雖然教材中介紹了很多復(fù)雜的儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)原理，但目的是為了測量這兩個(gè)較為熟悉的物理量，通過對實(shí)時(shí)溫度框和實(shí)時(shí)電阻框的觀察也能夠大致得出簡單規(guī)律。

數(shù)據(jù)測量范圍從室溫至大于95 ℃即可，測量可通過升溫或者降溫兩種方向進(jìn)行，若測升溫，加熱電流不宜過大；若測降溫過程，則可大電流加熱至100 ℃左右，再緩慢降溫，根據(jù)儀器的設(shè)計(jì)要求，須降溫至20 ℃以下。

達(dá)到上述要求后，可獲得電阻和溫度關(guān)系圖，如圖5所示，系統(tǒng)中按照實(shí)際獲得結(jié)果的順序?qū)⒔Y(jié)果獲得過程分為4步：① 作圖點(diǎn)獲取(包含獲得選取的作圖點(diǎn)及直線獲得)；② 獲取R0(即圖形的截距，系統(tǒng)所選為Cu50電阻，實(shí)際實(shí)驗(yàn)所用電阻與之不同)；③ 獲取K(及圖示中斜率的大小)；④ 獲取溫度系數(shù)(及本實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果)。通過以上4個(gè)步驟的訓(xùn)練，學(xué)生可以較為清晰地了解實(shí)驗(yàn)報(bào)告中圖示的大致形態(tài)，最終結(jié)果的求解以及為獲取最終結(jié)果前期需要獲得的數(shù)值[15]。

圖5 金屬電阻溫度系數(shù)計(jì)算圖

4 結(jié) 語

本文提出的A類和B類兩大實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)系統(tǒng)，目前已應(yīng)用于成賢學(xué)院課程中，平均每位學(xué)生的實(shí)驗(yàn)室預(yù)習(xí)時(shí)間為20～30 min，開設(shè)過程中有答疑教師，以保證預(yù)習(xí)系統(tǒng)的正常使用和學(xué)生的問題答疑。

與使用前的情況相比較，使用后的效果比較理想，大部分學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的興趣增加，對實(shí)驗(yàn)的操作更為順暢，同時(shí)對實(shí)驗(yàn)的理解深度有所增加，部分學(xué)生通過預(yù)習(xí)系統(tǒng)的使用，提出了較多有深度的想法及設(shè)計(jì)。下一步，將擴(kuò)大系統(tǒng)的受益面，增加適應(yīng)不同專業(yè)的預(yù)習(xí)系統(tǒng)，拓展系統(tǒng)的使用廣度與深度。

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Development and Research of Preview System of College Physics Experiment in Independent Colleges

ZHANGLi1,ZUOYusheng2,CHENJie1,WUHong1

(1.Physics Experiment Center,Southeast University Chengxian College,Nanjing 210088,China；2.Office of Laboratory and Facility Management,Southeast University,Nanjing 210096,China)

We introduce a college physics experiment preview system in order to improve the physical experiment efficiency and achieve the goal of training high quality applied type talents in independent college.This project contains two parts: A system for guiding and B system for increasing.We bring the process and trend of the experiment from using SCM and peripheral control unit for real time measurement and transmission,and use GUI of Matlab to demonstrate preview processing,experiment phenomenon and data processing.Through the use of the system,we can guide students to understand the experimental specification correctly,promote anticipation of operation processing and sublimate application ability of students.

independent college; college physics experiment; preview system; Matlab; graphical user interface (GUI)

2016-09-07

東南大學(xué)成賢學(xué)院教改項(xiàng)目(物理實(shí)驗(yàn)中心應(yīng)用型人才培養(yǎng)之“賽、創(chuàng)、?！甭?lián)動(dòng)模式探究：yjg1501)

張 禮(1982-)，男，江蘇揚(yáng)州人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)及實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工作。E-mail：116955271@qq.com

O 4-33

：A

：1006-7167(2017)07-0203-04