PASCO實驗系統在工科物理實驗課程中的應用

周愛平

摘 要：針對傳統工科物理實驗教學對學生創新思維能力培養不足的問題，本文提出了應用PASCO物理實驗系統進行創新物理實驗教學的改革舉措，結合PASCO系統的基本特性，著重討論了該系統在教學中的優勢和重要作用，探索出了有效可行的教學模式。

關鍵詞：PASCO系統；工科物理實驗教學；創新思維能力

中圖分類號：O4-4

1 引言

隨著時代的發展，大學工科專業的教學越來越重視對學生創新思維能力和動手操作能力進行培養，以期造就出一大批能夠根據生產需求研發新技術、新工藝和新產品的工程技術人員，從而滿足現代化建設的需要。大學物理實驗作為工科學生入校以來遇到的第一門實驗課程，不是簡單地對物理理論課程進行實驗延伸，而是針對工科學生的實驗技能和良好素質的培養而獨立開設的，具有非常重要的作用。但由于條件的限制，我們長期以來一直采用傳統的實驗教學方式，即教師講授實驗原理和測量方法，學生按部就班地操作并完成實驗報告。整個過程學生不需要多少思考，更不用說進行創新設計。同時，學生本身對這門課程也往往不夠重視，多是抱著應付課程拿學分的態度，沒有多少興趣，積極性也不高。針對這種狀況，我們積極響應學校關于加強實驗教學的號召，開展了物理實驗教學的創新改革。其中一個重要舉措，就是引入了美國PASCO公司開發生產的專門用于物理實驗的計算機數據采集與分析的系統，建立了PASCO物理實驗室，開設了創新物理實驗課程。

2 什么是PASCO物理實驗系統

該系統設備主要由各類傳感器、計算機接口系統和數據采集與分析軟件三個部分組成。實驗中各物理量的實時數據可通過傳感器利用傳感技術轉化為電信號，再經過計算機接口系統傳入計算機中，由此實現準確、高效的數據采集，最后通過Data Studio軟件對數據進行分析、處理和呈現。目前可選用的傳感器有力、運動、壓強、溫度、聲級、光、電荷/電壓/電流、磁場等50余種，采用純數字化信號，傳輸速度快。數據采集接口可根據需要采用不同的采樣速率，最高可達250kHz。而Data Studio軟件以圖表的形式可實時記錄并顯示物理量變化中的數據情況。除了與傳統實驗儀器結合使用，PASCO公司自身也開發了一系列配套的實驗項目，從普通物理的基礎實驗到近代物理的拓展課題實驗，涵蓋了典型物理課程的大部分內容。相應的儀器配件具有很強的組合性，可與其它的部件靈活組合出多個不同的實驗項目。

3 PASCO系統在教學上的優勢

我們首先在13級電力專業學生的大物實驗課程中采用PASCO系統來進行試點教學。和之前操作傳統實驗儀器相比，學生的興趣明顯增加。PASCO系統不同于以往實驗的新儀器和新實驗方法引起了學生的好奇。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驗裝置。但是，單純地靠實驗方法和儀器的新穎性只能短時間內讓學生覺得新鮮。要激起他們對物理實驗持續的興趣并從中真正得到能力的鍛煉，需要我們對PASCO系統如何應用于物理實驗教學之中進行深入的探索和思考。

目前，我們已順利搭建了PASCO系統物理實驗室，可開設牛頓定律、理想氣體定律、歐姆定律、光的干涉/衍射等幾十個實驗項目，包括了力、熱、光、電、磁和近代物理各方面，也是傳統物理實驗課程中常見的實驗項目。通過對比學生分別使用傳統儀器和PASCO系統設備的情況，可以看到PASCO系統在教學上的功能主要體現在：

（1） PASCO系統改變了數據的采集方式，使物理量的測量變得簡便

以往實驗中我們用儀器直接只能測出一些基本的物理量，其它很多物理量需要通過與若干個能直接測出來的物理量之間的函數關系才能計算出來。在這個過程中，需要掌握多種測量工具的使用，相應的測量方案很復雜，數據計算過程也比較繁瑣。PASCO系統改變了這樣的測量方式，利用傳感技術，借助各類傳感器去直接采集實驗中各物理量的數據。特別是對于隨時間變化的物理量，能夠做到實時測量。比如，使用了PASCO系統裝置中的運動、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動全程中被監控。采用了PASCO系統后，不再需要諸多的儀器來配合測量，減少了對實驗裝置的要求，變間接測量為直接測量，簡化了操作步驟，降低了實驗操作的難度。

傳統實驗儀器很難或無法測量的物理量在采用了PASCO系統裝置后能夠很方便就測出來。這也拓寬了實驗能夠研究的范圍。比如，傳統的單擺實驗主要是通過測量單擺周期和擺長來計算當地的重力加速度。而利用PASCO系統儀器中的力和轉動傳感器，可以直接并連續地測量單擺運動的向心力和角速度的大小，直觀地看到向心力隨時間周期變化的趨勢，進而可研究向心力與質量、角速度、轉動半徑之間的關系。

（2） PASCO系統利用計算機軟件對實驗數據進行處理和顯示，簡化了數據處理的過程

傳統實驗中，學生課后還要花大量時間來數據處理。這個過程不僅繁瑣耗時，還往往使學生形成了只要計算出最終結果實驗就完成了的錯誤認識，造成對實驗結果的分析和思考非常欠缺。采用PASCO系統后則可以改善這一狀態。該系統利用Data Studio軟件強大的分析工具來處理計算采集到的數據，最終的結果以圖表的形式同步顯示在計算機窗口中。這就使學生從繁重的數據處理工作中解放了出來。此時，可以引導學生將注意力轉向對實驗現象的觀察和實驗結果的分析上 ，培養觀察和分析的能力。而且由軟件處理得到的結果保證了計算過程的準確性，更有助于學生對實驗結果作出正確的判斷。

PASCO系統直接圖表形式顯示最后結果的處理方式，可以給予學生生動直觀的感受。譬如，單縫衍射實驗，學生可以很方便地當場觀察到衍射圖形，對實驗現象的理解也更為深刻。又比如，牛頓定律的實驗中，小車受到的外力和加速度之間的不僅有關系曲線描述，函數關系也直接被擬合出來。

（3） PASCO系統配套實驗部件種類多，可靈活組合，有助于設計型創新實驗的開設

PASCO系統開發的實驗項目涵蓋的物理范圍比較廣，配套的實驗儀器種類非常豐富。這些儀器部件由先進技術制成，構造小巧精密，共用性強，單個部件可參與到同系列多個實驗中。最常見的就是各類傳感器的重復使用。例如，轉動傳感器可用在單擺向心力、轉動慣量、扭擺等一系列實驗中。此外，其它儀器的使用也不局限于單個實驗中。例如電學實驗中常用到的RC電路板，可用來研究電容器的充放電過程，也可用來驗證歐姆定律，還可以考察LRC諧振電路的電流電壓響應以及基爾霍夫定律有效性的證明。

一些PASCO系統部件本身結構設計得就非常精巧，集成度比較高，可以完成多種情況的測量。比如，PASCO系統提供的狹縫附件組，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象，還可以觀察雙縫和多縫的干涉現象。

PASCO系統部件強大的組合性，非常適合學生自己動手設計實驗，有利于創新思維能力的培養。例如，利用PASCO干涉儀系統儀器，學生可以借助傳統實驗課上做過的邁克爾遜干涉儀實驗的知識，去測量空氣和玻璃片的折射率。這需要學生開動腦筋，查閱資料，制定測量方案，選擇合適的儀器部件搭建實驗裝置。

4 采用PASCO系統教學的方法

我們認為在所有實驗中都引入PASCO系統是不太現實且沒有必要的。PASCO系統操作簡便、儀器組合靈活的特點，更適合用于工科學生創新和實踐能力的培養上。基于此，我們采取傳統實驗裝置與PASCO系統儀器結合使用、傳統實驗為主與PASCO創新實驗為輔的教學方式。學生在課程學習的前期需要以傳統的方式和實驗裝置來完成大部分的實驗，在后期則使用PASCO系統儀器來進行創新實驗項目的設計操作。其中，采用PASCO系統進行創新實驗教學的過程，我們大體上分為三步來實施：

第一步，讓學生了解如何使用PASCO系統來進行實驗操作，結合具體實物介紹PASCO系統各部件的工作原理和使用方法。再演示如何用PASCO系統完成一個簡單實驗的測量。通過這樣的講解和演示，使學生對PASCO系統有初步的認識。

第二步，讓學生根據在前期傳統實驗中已完成的實驗項目，結合現有的實驗裝置和PASCO系統設備，自主選擇實驗項目進行操作。通過動手操作來熟練掌握PASCO系統的使用方法，做到正確地采集和處理實驗數據。經過這一步動手的訓練，學生對PASCO系統加深了了解。

最后一步則是要求學生獨立完成一個實驗課題的研究，對學生的自主學習和創新能力進行訓練。學生根據已掌握的物理知識以及自行查閱各種資料，結合已有的儀器設備，確定實驗研究的對象，設計合理的實驗方法，制定詳細可行的實驗方案。在此基礎上動手操作，觀察實驗現象，獲得正確的數據結果并進行思考分析，得出現象背后蘊藏的規律并撰寫出完整的研究報告，最終完成課題研究。通過設計型創新實驗的訓練，學生不僅了解到科學研究的基本方法，而且化被動為主動學習，養成了獨立思考的習慣，培養了探索的精神和創新的能力。

5 結語

PASCO系統不同于傳統實驗儀器的數據采集和處理方式，使得其在物理實驗教學上表現出諸多的優勢，有利于設計型創新實驗的開設。一年多來的試點教學研究表明，PASCO系統給物理實驗教學帶來了極大的便利，有助于工科學生主觀能動性的提升、科學探索精神和創新思維能力的培養。因而將PASCO系統引入物理實驗教學當中是非常有必要且具有重要作用，符合現今教學改革的趨勢要求。

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