工科專業大學物理實驗的背景教學研究

汪超 雷振宙 杜偉偉

摘 要：大學物理實驗開展對工科各專業人才的培養具有極其重要的作用，是頂級工科人才教育上的非常重要的一環。國內各個工科院校對該門課程的開展都非常重視，一般都在大學一年級開設若干個實驗進行教學。但目前的大學物理實驗教學有一些弊端，主要體現在純物理背景教學，無法結合學生所學的專業進行背景教學，該文針對若干個物理實驗，探究一種新的物理實驗教學方法，設計了針對不同工科專業背景的大學物理實驗教學研究，此舉可以提高學生學以致用的興趣，提高實驗教學效率。

關鍵詞：物理實驗；背景教學；興趣

中圖分類號：G642.0文獻標志碼：A文章編號：2095-9214（2016）09-0094-02

一、引言

實驗物理是相對于理論物理而言，理論物理是從理論上探索自然界未知的物質結構，相互作用和物質運動的基本規律的學科，實驗物理主要是從實驗上來探索物質世界和自然規律并對物理理論課中的一些公式定律加以驗證。大學物理實驗涵蓋了大量高等數學知識和專業理論知識，而此時學生的知識層面還停留在高中純物理知識的掌握上，物理知識不豐富，又很少有動手的機會。如何銜接，過渡，引導學生在掌握基礎物理理論的同時又能對所學專業知識有一些淺顯的認知，物理實驗教師如何上好實驗課，使物理實驗教學達到預期的教學效果，剛踏入校門的工科學生對自己將要學習的專業課有著無限的期待和憧憬。目前高校普遍采取一般式物理實驗教學方法，實驗教師只是照實驗書本講授實驗。實驗教師大都是理科背景老師，無相關工科專業背景知識，采用純物理實驗教學模式，無法結合相關的工科專業背景知識進行物理實驗教學，這種方法學生學習的是純物理知識，只能起到對書本上一些物理定理公式的證明和驗證的作用和效果，比較晦澀難懂，有點紙上談兵的味道，無法和相關工科背景聯系起來。激發不了學生的興趣，學生做實驗像完成一次大作業，達不到預期的實驗教學效果。大學物理實驗課覆蓋面廣，涉及許多專業領域。這就要求實驗教師在教授實驗課的同時，能聯系一些專業知識，一起教授給學生。這樣在很大程度上能滿足學生的實驗興趣，更能體現綜合性很強的物理實驗技能訓練，提高學生的動手能力，培養了學生的理論聯系時際的實事求是的科學作風，積極主動的探索精神，使學生的實驗效果事半功倍。

那么如何養成學生良好的實驗習慣，為他們今后的專業實驗課打好基礎，同時又能解決學生對專業的憧憬和提高學生的實驗興趣呢？本門我們總結了一些實驗教學經驗，探索了一種新型的物理實驗教學方式。本院物理實驗室開設了力熱光電三十多個實驗。經歷了三十多年的物理實驗教學的探索和研究，一直致力于探究物理理論和物理實驗教學與我院各專業理論之間千絲萬縷的聯系，以小博大，對同一個實驗的教學，結合不同系部專業的專業背景知識，設計不同的實驗教學方法進行教學，教師在教授實驗的同時，即讓學生認識和理解了該堂物理概念知識，又從不同的專業角度進一步給學生闡釋了物理概念和實驗方法，使物理理論知識承上啟下，有繁化簡，和各專業之間巧妙地鏈接起來，實驗教學形象生動，能充分調動學生做實驗的興趣，學生做實驗由被動轉變成主動，學習興趣高漲，和其他專業實驗承上啟下，起銜接的作用。該課程在培養工科人才的培養上重要的一環。對工科學生的動手能力和創新能力的提高起著重要的促進作用。如何培養工科學生的創新能力以及實驗動手能力，如何針對不同的工科背景學生設計大學物理實驗，激發學生學習物理的興趣，適應新時代對人才發展的要求，這是一個嚴肅的課題，擺在了我們面前。

目前高校普遍采取一般式物理實驗教學方法，高校實驗教師都是理科背景老師，無相關工科專業背景知識，采用純物理教學模式，無法結合相關的工科專業背景知識進行物理實驗教學，這種方法學生學習的是純物理知識，比較晦澀難懂，有點紙上談兵的味道，無法和相關工科背景聯系起來。激發不了學生的興趣。物理實驗課覆蓋面廣，這就要要求實驗教師在教授實驗課的同時，能聯系一些專業知識，一起教授給學生，能大大提高學生的實驗興趣。

下面我們舉若干個例子。

實驗一 用惠斯頓電橋測電阻

目的：（1）掌握惠斯頓電橋測電阻的原理

（2）學會自己組合惠斯頓電橋測電阻

原理：

惠斯頓電橋是直流單臂電橋，其原理圖如圖所示。

四個箱式電阻組成橋臂，檢流計所在的支路為電橋，電源在另一支路上。當檢流計中無電流通過時，電橋達到平衡。求待測電阻公式為

R=R2R1R0

為消除比例臂電阻誤差，交換比例臂電阻，電橋二次平衡，待測電阻公式為

R=（R1/R2）R

兩式相乘，有

R=R0R0

傳統的實驗教學方法：

通常，實驗教師給學生按傳統的實驗教學方法講授實驗時，只講清實驗目的，實驗原理和實驗做法。學生做實驗主觀意愿不努力，“看”實驗的人多，做實驗的人少，小組里通常是一個人做實驗，其他人抄數據，學生像完成一次物理大作業。即使實驗教師多講授惠斯頓電橋測電阻的重要性和方法，如箱式電橋的使用，要求測量精度的準確性等，學生的思維模式也只是建立在物理理論知識的聯系上，只按物理理論的思維來認知該實驗，認為這種測電阻的方法只是配合物理理論教學，與自己所學專業沒有多少聯系。學生動手做實驗就表現得比較消極。這種實驗教學方法的確存在著實驗思想單一，實驗方法機械，激發不了學生對實驗的興趣，達不到創新思維，提高學生動手能力的作用，實驗教學效果較差。

改進后的實驗教學方法：

根據我院各系專業的不同，結合專業理論知識，找到物理理論知識和其他專業知識之間的聯系來講授物理實驗，就能提高學生做物理實驗的興趣，激發學生的思維，學生才能從根本上認識到物理是一切專業課的基礎，是與他們所學的專業有著密不可分的關聯。同是一個實驗，學生做實驗的主觀意愿增強，“看”實驗的人少了，做實驗的人多了，通常是一個學生做完，另一個學生自己再重做一遍，掌握實驗的結構和原理，力求記憶深刻，真真實實地學到自己的心里去。學生做實驗的主觀意愿增強，實驗教學效果良好。

例如：

（1）在給電氣系學生講授該實驗時，在講清該實驗的目的，實驗原理后，再結合一些無線電的知識，講授電橋的作用，能激發學生的課堂興趣。如果將電橋橋臂電阻換成二極管，電橋的電源支路接交流電端，電橋的橋支路改成輸出端，外加電感線圈濾直。由于二極管的單向導電性，理論上就能將交流電變成直流電。

直流電橋的橋臂電線不能過長。導線之間不可避免地存在分布電容，這就相當于各橋臂上并聯了電容，不再是純電阻電橋。因此，除了電阻平衡外，還需要電容能平衡。

（2）在給計算機專業的學生講授該實驗時，在講清該實驗的目的，實驗原理后，再結合微機接口原理的知識，講授電橋的作用，能激發學生的課堂興趣。因為計算機系統要把外設與微機連接起來，只能通過接口電路。如果信號隨交流電的正半周輸入，負半周截止來傳輸的話，計算機的頻幕上就會出現“黑屏”現象。如果將電橋橋臂電阻換成場效應管，電橋的電源支路接信號的輸入端，電橋的橋支路改成信號輸出端，使信號隨交流電正負半周都有輸出，計算機就不會出現“黑屏”現象了。

（3）在給工程類的學生講授該實驗時，在講清該實驗的目的，實驗原理后，再結合工程機械的專業知識，講授電橋的作用，能激發學生的課堂興趣。如果將平衡電橋的橋臂一端換成電阻應變片貼在大橋受應力最大處，電橋的橋支路中的檢流計換成警示元件（如燈具，鬧鈴等）。應用電阻應變效應，在載荷或外界因素作用下，即當橋上的車增多時，橋梁受到的應力增大從而改變電阻應變片的阻值，就破壞了電橋的平衡，警示元件會發出相應報警警示，提示大橋管理者及時做好交通疏導工作，以減輕他們的勞動強度。

種種與生活和生產相關的案例，闡明了物理與各專業之間的聯系，在學生還沒有上專業課之前教授給學生，能加深他們對物理知識的理解，也啟迪了他們對自己各自專業的認識，學生做實驗熱情高漲，主動性增強，物理實驗教學效果良好。

實驗二 用拉伸法測金屬絲的楊氏彈性模量

目的：（1）掌握用光杠桿法測量微小長度的原理和方法

（2）學會用拉伸法測定金屬絲的楊氏彈性模量

原理：

在彈性限度內，金屬絲的正應力F/S和產生的線應變0L/L成正比，即

F/S=E（0L/L）

或E=FL/S0L

式中比例系數E稱為彈性模量。

實驗證明，彈性模量與外力F，物體的長度L和截面積S的大小無關，它只決定于材料的性質，它是表征固體材料性質的一個物理量，在公式中F，L和S可用一般的儀器和方法測得，唯有oL是一個很小的量，要用光杠桿法測量。

光杠桿就是一固定在T形架上的平面鏡，支架下部的三個尖角構成一個光杠桿，它和帶叉絲的望遠鏡配合使用。當金屬絲受外力而伸長后，光杠桿的主尖角隨金屬絲下降0L，平面鏡轉動一角度@，根據光反射定律，在望遠鏡中觀察到叉絲變化0n，由數學公式推導，得

0L=bl/2D

代入上式公式，得

E=8FLD/^d2bl

由上式可見，只要測得F、L、D、d、b和l，就可算出待測金屬絲的楊氏彈性模量。

傳統的實驗教學方法：

通常，實驗教師給學生按傳統的實驗教學方法講授實驗時，只講清實驗目的，實驗原理和實驗做法。學生難理解楊氏彈性模量這個物理量，對光杠桿測量微小長度原理也不重視。“看”實驗的人多，做實驗的人少，甚至有個別學生做一些不該在本實驗上該做的事情。實驗測量誤差大，做完實驗學生也不能理解楊氏彈性模量這個物理量的意義。

改進后的實驗教學方法：

強調楊氏彈性模量這個物理量的名詞解釋，再根據我院各系專業的不同，結合專業理論知識，教授學生楊氏彈性模量這個物理量的用途。

在給電氣系和機械系的學生講授該實驗時，在講清該實驗的目的，實驗原理后，首先重點解釋楊氏彈性模量這個物理量的概念，然后闡述測量楊氏彈性模量這個物理量的意義，和它的用途。它用在結構選型當中，設計機床的主傳動軸時，不能隨便拿種材料做主傳動軸。這就要選型。根據這根軸在運轉的過程中，受到的應力計算出應該選用什么型材的鋼來做主傳動軸。

二、結論

大學物理實驗在工科人才的創新能力和科學素質的培養上有著重要的舉足輕重的作用，本文針對工科若干個專業不同的特點設計了大學物理實驗的教學研究，旨在更好的激發學生的物理學習興趣，讓學生感受物理知識在自己專業的應用，達到學以致用的目的，更好的激發學生學習物理知識，為以后自己專業知識的學習打下鋪墊。

（作者單位：新疆工程學院基礎部）