基于信息技術(shù)的大學(xué)物理創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的研究與實(shí)踐

丁益民

(湖北大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 湖北 武漢 430062)

田文秀 朱 蓉

(湖北大學(xué)知行學(xué)院 湖北 武漢 430011)

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基于信息技術(shù)的大學(xué)物理創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的研究與實(shí)踐

丁益民

(湖北大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 湖北 武漢 430062)

田文秀 朱 蓉

(湖北大學(xué)知行學(xué)院 湖北 武漢 430011)

針對(duì)社會(huì)對(duì)人才培養(yǎng)的新要求和教學(xué)研究型大學(xué)的實(shí)際，提出了一種依托數(shù)字傳感和數(shù)字仿真技術(shù)改進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，并簡(jiǎn)要闡述了創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式、設(shè)計(jì)思路和教學(xué)實(shí)踐.

大學(xué)物理教學(xué) 創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn) 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(jià)值取向的教育.創(chuàng)新教育的方式有多種，其中，在物理教學(xué)實(shí)踐中，以物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)為載體的創(chuàng)新教育，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的一條重要途徑.近年來(lái)我國(guó)很多研究型大學(xué)就在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中如何實(shí)施創(chuàng)新教育進(jìn)行了研究[1～3].我們結(jié)合我校教學(xué)研究型大學(xué)的實(shí)際，開(kāi)展了在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)施創(chuàng)新教育的教學(xué)改革，我們采取的方法是：將數(shù)字傳感技術(shù)與數(shù)字計(jì)算技術(shù)引入到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，采用信息技術(shù)的手段對(duì)物理問(wèn)題進(jìn)行研究，對(duì)物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，這種教學(xué)方法既有利于改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力.

2 創(chuàng)新性物理實(shí)驗(yàn)

創(chuàng)新性物理實(shí)驗(yàn)是以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為目的的物理實(shí)驗(yàn)形式，它是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的最高層次.創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)與其他層次的實(shí)驗(yàn)有一定區(qū)別，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面.

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的不確定性

創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)與基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)的不同之處在于實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容不確定.實(shí)驗(yàn)課題的選擇既可

以由實(shí)驗(yàn)教師提出，也可以由學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程自己發(fā)現(xiàn)并提出.實(shí)驗(yàn)課題即使確定了，在實(shí)驗(yàn)的探究過(guò)程中，很多具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有可能會(huì)根據(jù)不同的情況，作適當(dāng)調(diào)整，表現(xiàn)出明顯的不確定性.

2.2 實(shí)驗(yàn)方式的開(kāi)放性

創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的不確定性使得其教學(xué)方式不能采用課表式的固定教學(xué)方式,而必須采取相對(duì)靈活的開(kāi)放式教學(xué)方式.我校開(kāi)展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要采用以下兩種形式:其一是開(kāi)設(shè)“創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)”選修課,一般采用32學(xué)時(shí)左右的彈性學(xué)時(shí).學(xué)生在創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)課中自主選擇實(shí)驗(yàn)課題，進(jìn)行探究式學(xué)習(xí).其二是以“項(xiàng)目研究”的形式，學(xué)生用課外時(shí)間，在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下自主約定時(shí)間到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.學(xué)生在“項(xiàng)目研究”中取得一定的研究成果，可認(rèn)定為選修了一定的學(xué)分.

2.3 實(shí)驗(yàn)方法的探究式

創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)采用“探究式”教學(xué)方法，其教學(xué)流程依次為提出問(wèn)題、文獻(xiàn)檢索、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)研究和撰寫(xiě)論文，如圖1所示.

提出問(wèn)題文獻(xiàn)檢索設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)研究撰寫(xiě)論文

圖1 探究式教學(xué)流程圖

探究式教學(xué)法不僅提高了學(xué)生問(wèn)題意識(shí)，還使學(xué)生在信息檢索、文獻(xiàn)閱讀、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及論文寫(xiě)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(shí)驗(yàn)

物理量的測(cè)量是物理實(shí)驗(yàn)中的重要內(nèi)容.然而在傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)中，物理量的測(cè)量常常使用的是傳統(tǒng)的測(cè)量工具，如長(zhǎng)度用刻度尺或螺旋測(cè)微器來(lái)測(cè)量，時(shí)間用秒表或數(shù)字毫秒計(jì)來(lái)測(cè)量.這些測(cè)量工具一般是手動(dòng)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(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，與當(dāng)前信息化時(shí)代存在明顯的不適應(yīng).將數(shù)字傳感器引入到物理實(shí)驗(yàn)中，可以有效地解決這個(gè)問(wèn)題.下面以我校物理學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的論文研究為例,介紹DIS傳感器在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用.

案例1：用DIS傳感器研究氣墊導(dǎo)軌上的阻尼振動(dòng)[4]

設(shè)計(jì)思路：用DIS位移傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)的光電門(mén)和秒表,如圖2所示.

圖2 案例1設(shè)計(jì)思路

案例2:利用DIS溫度傳感器測(cè)金屬的比熱容[5]

設(shè)計(jì)思路：用DIS溫度傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)的熱電偶和秒表，如圖3所示.

圖3 案例2設(shè)計(jì)思路

4 數(shù)字仿真物理創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)

在大學(xué)物理教學(xué)中，由于實(shí)驗(yàn)器材成本高、耗材大，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可重復(fù)性差、實(shí)效性低等特點(diǎn)，真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)往往在課堂教學(xué)中難以實(shí)現(xiàn).隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，不僅許多真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)都可以用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且許多在真實(shí)環(huán)境中無(wú)法實(shí)現(xiàn)或難以觀察的物理實(shí)驗(yàn)也可以用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬.下面，我們介紹了以計(jì)算機(jī)語(yǔ)言C+ +和Matlab為仿真的工具平臺(tái)進(jìn)行的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M.

案例3：基于Visual C+ +的非線性電路實(shí)驗(yàn)?zāi)M[6]

實(shí)驗(yàn)問(wèn)題：本實(shí)驗(yàn)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(shí)物性的非線性電路實(shí)驗(yàn)中用示波器來(lái)觀察混沌現(xiàn)象.這種方法的最大弊端就是實(shí)驗(yàn)儀器較貴，儀器調(diào)節(jié)比較麻煩，用示波器觀察時(shí)圖像不夠穩(wěn)定.

設(shè)計(jì)思路：采用計(jì)算機(jī)軟件方法用電腦顯示器代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)的示波器,如圖4所示.

圖4 案例3設(shè)計(jì)思路

案例4：基于Matlab的光的單縫衍射實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究[7]

實(shí)驗(yàn)問(wèn)題：本實(shí)驗(yàn)的目的是觀察單縫的衍射現(xiàn)象.傳統(tǒng)的方法是實(shí)物性實(shí)驗(yàn)法，即在實(shí)物性的實(shí)驗(yàn)中通過(guò)目鏡來(lái)觀察衍射現(xiàn)象.這種方法的最大弊端就是實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性不好，儀器調(diào)節(jié)比較麻煩，眼睛觀察時(shí)容易疲勞.

設(shè)計(jì)思路：采用計(jì)算機(jī)軟件方法用電腦顯示器代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)的毛玻璃屏.

圖5 案例4設(shè)計(jì)思路

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)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(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)可以極大地提高大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果.我們?cè)诤贝髮W(xué)物理系進(jìn)行了5年多的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)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(xiě)的實(shí)驗(yàn)研究論文有10余篇已在《物理實(shí)驗(yàn)》、《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》和《物理與工程》等期刊上發(fā)表，如表1所示.創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展不僅增強(qiáng)了學(xué)生的科研意識(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新思維，還促進(jìn)了物理實(shí)驗(yàn)儀器與方法的改進(jìn).

表1 本科生發(fā)表的研究論文

1 張?jiān)雒?孫臘珍，霍劍青，等.創(chuàng)新研究型物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)與實(shí)踐.物理實(shí)驗(yàn)，2009,29(7)：14～17

2 陳水橋,陳洪山.物理實(shí)驗(yàn)研究性課題式教學(xué)方法的實(shí)現(xiàn)與探討.物理實(shí)驗(yàn)，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(xué)研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的開(kāi)展.物理實(shí)驗(yàn)，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(dǎo)軌上的阻尼振動(dòng).物理實(shí)驗(yàn)，2011,31(10)：26～28

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

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

7 夏漫，陳生，徐揚(yáng)子，等.基于Matlab的光的單縫衍射實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，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(xué)《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》精品資源共享課建設(shè)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：C201407

丁益民(1965- )，男，教授，主要從事物理課程與教學(xué)論、統(tǒng)計(jì)物理與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的研究.

2016-07-06)