大學生物理學術競賽的創新實驗探究
——以CD氣墊船為例

武 翔, 李業鳳

(1. 電子科技大學 機械電子工程學院, 成都 611731; 2. 電子科技大學 物理電子學院，成都 610054)

大學生物理學術競賽的創新實驗探究——以CD氣墊船為例

武 翔1, 李業鳳2

(1. 電子科技大學 機械電子工程學院, 成都 611731; 2. 電子科技大學 物理電子學院，成都 610054)

全國大學生物理學術競賽是一項面向本科生、以團隊對抗為形式的全國性物理競賽。針對大學物理實驗教學中存在的問題，提出了基于該項賽事的創新物理實驗教學方法，嘗試利用該項賽事的先進理念和獨特的競賽模式進一步完善大學物理實驗教學體系。在分析國內物理實驗教學現狀基礎上，結合相關研究成果，以CD氣墊船為例，探究了該項賽事在題目分析，實驗裝置制作，理論建模，實驗對比，交流展示5個階段對學生能力的培養，并同時闡明了教師的指導作用。教學實踐表明，該項賽事的創新實驗能夠激發學生的參與熱情，培養學生自主系統地解決問題的能力，強化參賽學生的理論水平和實驗技能，提高動手能力與合作交流能力，促進創新人才的培養。

大學生物理學術競賽; 創新能力; 自主學習; 氣墊船

0 引 言

創新型人才的培養是我國教育的重點，也是高校義不容辭的責任。我校長期致力于本科生創新精神、創新能力、創新素質的培養，取得了豐碩的成果[1-7]。但是，由于大學物理實驗課程課時和設備的限制，教學方式主要采用老師講解和演示，學生在已準備好的實驗設備上進行操作。這就使得部分優秀同學的實驗能力沒有得到充分拓展，創新能力的培養受阻。

學科競賽對大學物理及實驗教學具有促進作用[8-11]，伴隨著全國大學生物理學術競賽(China Undergraduate Physics Tournament，CUPT)的興起，大學物理實驗中心積極探索與CUPT相結合的創新實驗教學方法，加強本科生的創新實驗能力，逐步建立面向學生自主學習的物理實驗教學體系。很多學者對CUPT對大學生的促進作用進行過研究[12-14]，但尚無針對一個題目，貫穿賽事始終的研究。本文以2015年CUPT第9題“Hovercraft”(中文名“CD氣墊船”)為例，分5個階段探究在結合CUPT的實驗教學模式下學生創新能力的培養過程。

1 CUPT簡介

CUPT自2010年開始舉辦，是面向全國大學生的大規模競賽，旨在鍛煉學生解決復雜科學問題的能力，并且能夠針對這些問題給出令人信服的解決方案。CUPT每年共17道賽題，均來自當年的國際青年物理學家錦標賽。題目均為開放性問題，要求學生自主確定研究方向進行理論分析并設計實驗，最終以團隊辯論的方式進行比賽。

該項賽事至今已舉辦六屆，清華大學，北京大學，復旦大學，電子科技大學等40余所高校參加了比賽。我校多次取得全國一等獎和二等獎的好成績，積累了豐富經驗。

2 題目理解與分析

CUPT問題均為開放性問題，沒有固定模式和唯一答案。學生首先需要從17道題目中選定一道自己感興趣的題目，然后分析問題，自主確定研究方向。

CD氣墊船中文題目為：使用CD光盤和一個充滿氣的氣球制作一個簡易氣墊船裝置，通過氣球放氣可以使氣墊船裝置以低摩擦狀態懸浮起來，探究相關因素對氣墊船低摩擦懸浮時間的影響。

由題意可知，該題研究對象為CD氣墊船，研究過程中通過放氣使CD氣墊船懸浮起來，要研究影響懸浮時間的相關參量。于是可以提出3個問題：①低摩擦狀態是什么？②低摩擦狀態下裝置是否離開試驗臺？ ③對低摩擦狀態持續時間的影響因素有哪些？怎樣影響？

對于問題①和②，可以通過設計預實驗進行探究。問題③是該題的核心問題，噴出氣體體積，氣墊船質量，噴氣口大小，氣墊船半徑，氣球材料，表面粗糙度，溫度，大氣壓強等都可能對懸浮時間造成影響，選擇可能作為主要影響因素且便于進行實驗的噴出氣體體積、氣墊船質量、噴氣口大小、氣墊船半徑4個參量進行理論分析和實驗探究。

在該階段，教師還應指導學生檢索并閱讀相關文獻。學生可以通過中國知網，萬方數據，Web of science等相關數據庫和網站進行文獻學習，對已有的研究成果進行了解并加深自身對題目的理解與把握。

學生在自主選擇和分析問題，最終確定研究方向的過程中，從以往“模仿式”的物理實驗轉換到“自主式”的物理實驗[15]。題目的研究內容由原來現成的，甚至答案唯一的模式轉換成了開放式的，不設定具體參數的模式。這一模式的變換增強了學生自主思考問題的能力，極大提高了學生的實驗興趣和參與性。

3 實驗裝置制作及預實驗

物理實驗教師指導學生根據自己選定的研究方向自主設計實驗，實驗裝置也由學生自己制作和改進。

3.1 實驗裝置制作及預實驗

CD氣墊船裝置的制作需要不同半徑的CD光盤，不同大小的氣球，塑料片，灌注器，水管接口，塑料管，美工刀，圓規，紙板，游標卡尺，電子天平等材料和工具。

圖1為學生在比賽期間不斷改進的3種版本的氣墊船裝置。先后克服了CD氣墊船懸浮狀態不穩定，氣密性不好，尺寸參數難以改變等缺點。

圖1 不同版本CD氣墊船裝置

3.2 噴氣與否對低摩擦狀態的影響

根據在題目分析中提出的問題①進行預實驗。將兩個CD氣墊船放于相同實驗臺上，其中一個底部具有噴氣口，另一個不具有噴氣口。多次輕觸兩個裝置，發現沒有噴氣口的裝置沒有明顯移動，而具有噴氣口的裝置有明顯移動，且撞到障礙物能夠反彈。

由此可以得知，在噴氣狀態下，CD氣墊船與實驗臺摩擦力減小，形成低摩擦狀態。

3.3 低摩擦狀態是否離開實驗臺

使用上述兩種CD氣墊船進行對比實驗，用水平激光束照射裝置底部。發現噴氣的裝置在底部和另一端均能觀察到明顯的激光，而沒有噴氣的裝置幾乎沒有激光通過。

由此得到，噴氣的裝置底部形成一層氣墊，使裝置懸浮在實驗臺之上，降低了裝置與實驗臺的摩擦力，形成“低摩擦”狀態。

在實驗裝置的制作和實驗設計過程中，學生需要自己尋找實驗材料并進行實驗裝置制作和改進。這需要充分調動開放性思維，多次嘗試不同實驗條件，采用不同設計方案。這一過程不僅增強了學生的動手能力，而且培養了學生的實驗設計能力。

4 理論模型的建立與優化

在以上階段，學生已經確定了研究方向并且對問題進行了初步探究，逐步將對問題的感性認識轉變為理性認識。在此基礎上，教師指導學生繼續進行相關文獻的學習和理論模型的建立。由于推導過程較為繁瑣，且推導過程非本文研究重點，以下僅列出主要結論進行討論。

氣墊船懸浮時相關參量(見圖2)之間的關系為[16]：

(1)

式中：μ為空氣動態粘滯系數；m為裝置質量；Q為流量；h為懸浮高度；R1為氣墊船半徑；R0為噴氣口半徑。

圖2 理論模型參數示意圖

將氣球底部與噴氣口連接部分視為一段中空細管。由于空氣的黏滯效應不明顯，此處忽略其黏滯效應并視其為不可壓縮，并且考慮氣球內部壓強與體積的關系。得到噴出氣體流量與相關參量關系：

(2)

式中：ρ為空氣密度；V為氣球體積；V0為氣球橡膠膜未拉伸時對應的體積；K為與氣球材料相關的常數，m為裝置質量；g為重力加速度。

由式(2)可知，氣墊船懸浮過程中流量隨著氣球體積變化而變化，懸浮過程是一個非穩態過程。將非穩態過程中的任一瞬態視為穩態，則該瞬態的懸浮時間為該瞬態噴出氣體的體積與該瞬態對應的流量的比值，但由于流量表達式中含有不可積分非線性項，不能得到非穩態懸浮時間的解析解。故采用Matlab數值模擬得到不同初始條件下的懸浮時間，將其表示為圖3中理論值。

在此階段，學生需要針對自己的研究方向建立物理模型并提出合理的假設，運用數值計算與仿真工具軟件對自己的理論加以分析。這一過程能夠使學生將平時學習的理論知識與實際問題相結合，學有所用，學以致用，在物理模型的完善過程中不斷強化自身系統化解決問題的能力。

5 實驗探究

學生經過以上階段已經完成了理論模型的建立與優化，那么通過實驗來檢驗自己的理論成果并將理論結果與實驗結果進行對比分析就成為了實驗探究階段的關鍵。

采用控制變量法進行實驗，得到懸浮時間分別與4個參量的變化關系如圖3所示。

實驗探究部分學生需要將自己建立的理論模型用科學的實驗進行檢驗，并通過比較理論與實驗的偏差修正理論，再次討論理論模型中假設的合理性與偏差的來源。學生在此過程中質疑和修正自己的理論模型，將會對自己的研究題目有更為深刻和更加全面的認識，同時這一過程也培養了學生敢于質疑，敢于創新的科學精神。

6 題目交流與展示

CUPT的學術交流以現場辯論賽的方式進行，選手分別以正方、反方或評論方的方式參與題目的交流。正方以正方陳述的方式對題目和自己的研究內容進行匯報，反方對正方報告中的問題進行提問并和正方進行交流，評論方最后對正反雙方進行提問與點評。

在題目的交流與展示過程中，學生充分鍛煉了自己的溝通交流能力，團隊協作能力以及隨機應變能力。這個過程也給同學們提供了相互交流，相互學習，相互促進的機會。

7 結 語

結合CUPT的創新物理實驗能夠顯著提高學生的自主學習能力，動手能力，創新能力，邏輯思維能力，數據處理能力，團結協作能力以及溝通交流能力。對大學生的綜合素質的培養大有益處。

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ExplorationonInnovativeExperimentBasedonChinaUndergraduatePhysicsTournament——AnIllustratingCaseofCDHovercraft

WUXiang1,LIYefeng2

(1. School of Mechatronics Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu, 611731, China; 2. School of Physical Electronics, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu, 610054, China)

China Undergraduate Physics Tournament is a tournament for undergraduate, is takes the team competition model. Facing on the teaching model of innovative physical experiment based on the current teaching condition, we attempt to further improve the teaching system of physics experiment in university by adopting the advanced ideas and unique pattern of this tournament. The effects of this tournament for undergraduate are explored by five stages, i.e., analyzing the question, making experimental apparatus, building theoretical model, experimental investigation, and discussion. Teaching experiment indicates that the innovative experiment based on tournament can stimulate participate enthusiasm of undergraduates, cultivate the ability of independent and systematical problem-solving for undergraduates, improve practical ability and cooperative ability for undergraduates, accelerate the process of cultivating innovative personnel.

undergraduate physics tournament; innovative ability; self-directed learning; hovercraft

G642.0

A

1006-7167(2017)11-0198-04

2016-10-17

武 翔(1994-)，男，云南昆明人，大學本科，第六屆第七屆中國大學生物理學術競賽隊員。

Tel.:18610562599；E-mail：wx121314@sina.com

李業鳳(1962-)，女，四川成都人，高級工程師，主要從事物理實驗教學。Tel.:13881701921；E-mail: phycoll@uestc.edu.cn