自制物理實驗儀器的探索與實踐

李 斌，譚 鵬，陳國杰，謝嘉寧

（佛山科學技術學院 光電子與物理學系，廣東 佛山 528000）

物理學是一門以實驗為基礎的學科，實驗教學既是理論學習的外延，是對知識的探索過程，又是培養學生實踐能力和創新能力的重要手段，而實驗儀器又是實驗教學的重要工具。市場上現有的實驗教學儀器不僅價格昂貴，而且這些實驗儀器不易改進，不能完全及時滿足實驗教學的需要。針對這種現狀，我校鼓勵教師根據實驗教學情況進行實驗儀器的自行研制。物理實驗教學中心的教師根據實驗教學需要自制了一批實驗教學儀器，在實驗教學中受到了一致好評，并成為省級實驗教學示范中心的一大特色。本文結合本中心自制實驗儀器的工作實踐，談談自制物理實驗儀器的看法和體會。

1 自制實驗儀器的必要性與可行性

隨著社會對高校人才培養質量要求的提高，實驗教學體系與教學內容應該不斷創新發展，實驗教學儀器必須與實驗教學體系、實驗教學內容相配套［1］，而儀器廠家的成套設備不能滿足創新發展的需要，因此需要自制實驗儀器來加以補充。隨著電子技術的發展，儀器廠家生產的實驗教學儀器越來越智能化、集成化，同時也越來越封閉，導致生動的物理思想和實踐環節被先進的儀器掩蓋，這種高度智能化的儀器不利于鍛煉學生的動手、動腦的能力，因此需要自制實驗儀器來克服這種缺點。同時，隨著科學技術的發展與產業的調整，一些原有的實驗方法與手段已不再適用，學生對一些新科技、新知識有強烈的求知欲，而市場上的儀器設備不可能緊跟科技發展的需要，因此根據實驗教學要求自制實驗儀器顯得尤為重要。

另外，高校擁有一大批理論知識過硬、技術水平較高的教師與實驗技術人員，他們通過與學生交流，了解學生的要求和興趣，了解學生在實驗中遇到的問題和難點，他們知道儀器哪些部位容易損壞，以及哪些儀器有利于學生能力的提高等，這些有利條件為教師有針對性地自制符合實驗教學需要的儀器設備提供了基礎。

再有，各高校都在大力提倡自制實驗儀器，每年都會有一定的資金投入，這就為自制儀器提供了資金保障。因此在高校自行研制實驗儀器具有可行性。

2 自制物理實驗儀器舉例

2.1 改正傳統儀器的缺陷，自制穩定可靠的實驗儀器

有些傳統的物理實驗儀器設計本身存在一定的缺陷，嚴重地影響了實驗教學。例如，傳統的液體黏滯系數測量儀存在如下缺陷：鋼球由人工釋放，下落時很容易偏離黏滯液體量筒的中心軸線，測量精度低，甚至由于鋼球偏離軸線不能擋光而使光電門計時失敗；落入液體的鋼球堆積在量筒內，需要拿出清洗后才能重復使用；學生做該實驗時成功率低，誤差較大，油污大，操作比較麻煩。為此，我們設計了一種用磁鐵釋放拾取鋼球的液體黏滯系數測量儀（見圖1）。在傳統實驗裝置的基礎上增設了鋼球吸持磁鐵、引導器、收集槽、擱板和鋼球釋拾器等部分。磁鐵釋放和拾取鋼球保證了鋼球沿量筒的中心軸線下落。鋼球收集槽由量筒斜曲底部和量筒壁組成，鋼球能自動滾落到量筒同一側的內壁邊緣，便于用磁鐵拾取，而且鋼球可免清洗，可重復使用［2］。我們自制的測量儀測量準確，實驗重復性好，操作簡單方便，無油污，穩定可靠，投入使用后受到了師生的一致好評。

圖1 液體黏滯系數測量儀

2.2 克服自動化高的缺點，自制能揭示物理本質的實驗儀器

現在國內外的教學儀器的自動化程度越來越高，也越來越封閉，計算機控制和數據處理也逐漸融入到實驗儀器中。但是，這樣的先進儀器掩蓋了大部分物理本質，實驗內容就只是測幾個數據而已，導致學生的實踐能力得不到提高。例如，鐵磁材料的動態磁滯回線常用示波器或微機來測量。由于磁滯回線是一條連續的封閉曲線，從磁滯回線本身不能直接看出它的形成過程和繞行方向，也不能直接顯示初始磁化曲線和磁滯回線，并且從示波器讀取剩磁、矯頑力等數據誤差較大，自動化程度高，不利于學生實踐能力的培養。針對這種情況，我們研制了一種動態智能磁滯回線實驗儀（見圖2），用單片機采集和處理數據，用點陣液晶（LCD）顯示曲線，除了像示波器一樣能連續測量磁滯回線外，還能按設置步長、離散測量磁滯回線和初始磁化曲線，從而揭示磁滯回線的形成過程和特征。LCD顯示的磁滯回線可通過按鍵放大或縮小，可移動光標逐點讀取各點的磁場強度和磁感應強度，大大提高了測量精度［3］。在使用過程中，學生可以采用連續和離散兩種方式測量動態磁滯回線和初始磁化曲線，物理過程非常清晰，這樣大大增強了學生的實驗興趣，提高了實驗教學質量。

圖2 智能磁滯回線實驗儀

2.3 結合地方產業特色，自制先進的實驗儀器

圖3 大功率LED特性測量儀

我校地處經濟發達的珠三角地區，佛山市的LED電光源企業發達，擁有國家級光伏產業基地和廣東省首個太陽能產業基地。我們結合地方的產業特色，開發了“大功率白光LED特性測量”實驗，市面上還沒有符合該實驗項目要求的實驗儀器。我們根據實驗需求，研制了大功率LED溫度特性測量儀（包括LED數控恒流、恒壓電源）見圖3。它采用半導體元件加熱或制冷，用貼片式pt100測量溫度，用亮度傳感器測量光強，它具有恒溫和測溫快、測量準確、效率高、操作便捷等優點［4］，填補了國內空白。實驗時學生可以實時地測量大功率白光LED在恒流驅動與恒壓驅動下，溫度對光強、發光效率、電壓、電流等光電特性的影響，通過比較恒流驅動與恒壓驅動時溫度特性的異同，揭示LED的物理特性。通過自制該儀器，在物理實驗中引入有當代“綠色照明光源”之稱的大功率LED的實驗，也開拓了學生的視野，激發了學生的學習興趣。

2.4 與實際應用相結合，自制應用型實驗儀器

隨著實驗教學改革的推進，要求實驗教學內容應該與科研、工程等實際應用相結合，而且學生對應用性實驗非常感興趣。例如，根據“綠色照明”的發展要求，我們開發自制了基于DALI和RS485總線的節能照明控制系統（見圖4），該系統既能滿足人們日常生活中對于室內照度的需求，又能最大限度地利用室外的自然光照，達到節約能源的目的。自制的節能照明控制系統由LED輸出模塊、調光輸出模塊、開關輸出模塊、無線發射與接收模塊、電源輸出模塊、通信模塊、LED面板、燈光展示板（常用的光源，如白光LED燈炮、LED燈管、小型無極燈、0～10V整流器一拖二2個、節能燈1個）、主控制箱和配件、面板控制箱和配件、PC軟件及相關通信協議等組成。利用該自制儀器能讓學生學習常見光源驅動電源的工作原理，學習基于DALI協議的數碼調光和0～10V模擬調光，根據環境光的變化進行自適應調光等。該儀器可以開設設計性實驗，學生可以通過軟件編程來改變設備的設計參數，實現在線動態調光和照明預設場景等功能。該儀器制作成開放式的系統，而不是黑匣子，有助于學生更充分地了解系統的工作原理和掌握相關技術。

圖4 節能照明控制系統

3 自制實驗儀器的作用

3.1 自制實驗儀器，促進了實驗教學改革

儀器設備是實驗教學的硬件，實驗教學改革除了教學體系、教學內容、教學方法與手段等更新外，還依賴于實驗儀器設備的更新換代［5］。自制實驗儀器是按照實驗教學體系、實驗教學內容的需要而量身定做的，更能滿足實驗教學的實際需要，豐富了實驗教學內容，它有助于改進實驗教學方法和解決教學中的難點、重點。另外，利用自制儀器可以開設綜合性、設計性或研究性實驗項目。

3.2 自制實驗儀器，提高了實驗教學質量

教師自制實驗儀器的出發點和設計構思是為了學生更好地學習和更好地培養學生的實踐能力。自制儀器改正了原有儀器的缺點或缺憾，性能相對穩定，教師在授課時就可以把主要精力放在實驗教學上，而無需應付頻出的問題。自制的部分儀器能做到與時俱進，實用性強，這對提高學生的學習興趣、提高實驗教學質量都有很大的作用。

3.3 自制實驗儀器，培養了學生創新能力

教師在儀器設備的研制過程中，帶領學生共同參與。學生參與儀器的研制，使學生在感性上充分理解儀器的構造與功能，在制作過程中通過查找相關材料、尋找解決途徑的過程中，培養了學生發現問題、分析問題、解決問題的能力，也充分發揮了學生的積極性與創造性，培養了學生的創新能力。

3.4 自制實驗儀器，提高了實驗教師隊伍的業務水平

教師在理論上有優勢，實驗技術人員在加工工藝、結構設計等方面有優勢，在每一項自制儀器的研制過程中，教師與實驗技術人員通力合作，從前期的調查論證、寫出可行性方案，到后期實施期間的采購、制作、安裝調試等過程，他們相輔相成、團結協作，從而提高了教師與實驗技術人員的業務水平，增長了新的技能，增強了合作能力和凝聚力，使實驗教師隊伍成為和諧、創新的團隊。在自行研制儀器的過程中，教師和實驗技術人員不但提高了業務水平，而且積累了成果，如教師和實驗技術人員根據研制成果撰寫論文、申請專利等，這在晉升和崗位評定中起到重要作用。

3.5 自制實驗儀器，推進了實驗教學示范中心的建設

通過自制實驗儀器，實驗室增加了一大批性能可靠、針對性與適用性強的實驗教學儀器，滿足了綜合性、設計性、創新性實驗的需要，豐富了實驗教學內容，促進了實驗教學改革。在研制過程中，使教師的專業水平與科研能力得到提升，使學生的創新能力得到培養。自制實驗儀器在持續健康發展中必須有政策、制度、經費等各方面的支持，因而推進了實驗教學示范中心的建設。本中心于2004年被評為我校首批實驗教學示范中心，2010年被評為廣東省高等學校實驗教學示范中心。自制的實驗儀器成為示范中心的一大特色與亮點。

4 結束語

通過多年的自行研制和開發實驗儀器，我們取得了一些成果，研制了智能單擺測量儀［6］、智能夫蘭克－赫茲實驗儀［7］、光指針式微小位移測量儀［8］、溫度傳感技術實驗儀、多普勒效應實驗儀、基于電流天平的微質量測量儀［9］、智能液體黏滯系數測定儀、磁滯回線測量儀、大功率LED溫度特性測量儀、LED數控恒流恒流電源［10］、節能照明控制系統、基于LabVIEW平臺的重力加速度測量系統［11］等儀器共15項，有的申請了專利，有的填補了同類教學儀器的空白，有的已經被推廣到其他高校。這些自制儀器已經全部投入到我校的實驗教學中，自制儀器它對促進實驗教學改革、提高實驗教學質量、豐富實驗教學方法與手段、培養學生實踐能力和創新能力、提高實驗隊伍的業務水平、加強實驗室建設、促進實驗室發展等具有重要意義［12］，也為本中心成為高等學校省級實驗教學示范中心起到推進作用。因此，各高校應該建立激勵機制，大力提倡和鼓勵教師自制實驗儀器。

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［1］廖慶敏，秦鋼年，蒙艷玫.把自制設備作為實驗教學示范中心的特色來建設［J］.實驗技術與管理，2010，27（7）：121－123.

［2］陳國杰，張潞英，李斌，等.用磁鐵釋放拾取鋼球的液體黏度測量儀［J］.大學物理，2011，30（1）：42－44.

［3］陳國杰，周有平，李斌，等.基于單片機動態磁滯回線的測量［J］.實驗室科學，2010，13（5）：153－155.

［4］陳國杰，周有平，張潞英，等.大功率LED溫度特性測量儀［J］.大學物理，2012，31（2）：33－35.

［5］王長遠，霍曉奎，劉琦，等.自制儀器對促進教學改革的作用［J］.實驗室研究與探索，2012，31（1）：118.

［6］陳國杰.智能單擺測量儀的研制［J］.佛山科學技術學院學報，2001，19（1）：28－30.

［7］陳國杰，徐志民，朱星.智能弗蘭克－赫茲實驗測量儀的研制［J］.大學物理，2002，21（6）：36－38.

［8］謝嘉寧，黃義清，陳東平，等.光指針式微小位移測量儀［J］.物理實驗，2007，27（8）：16－18.

［9］張潞英，曹輝，杜偉港.基于電流天平的微質量測量儀的研究與實現［J］.大慶師范學學報，2007，27（5）：79－81.

［10］陳國杰，余漢銘，李斌，等.大功率白光LED恒壓驅動與恒流驅動下溫度特性的實時測量［J］.大學物理，2011，30（8）：40－42.

［11］韓定安，曾亞光，陳曉龍，等.基于LabVIEW平臺的重力加速度測量系統［J］.實驗室研究與探索，2007，26（11）：34－35.

［12］陳發堂，熊慧萍，陳東生.加強自制儀器的研發 實驗創新能力的培養［J］.實驗室研究與探索，2009，28（2）：41－42.