大學物理實驗競賽引起的反思

何仁生，皮斌斌，翦知漸，陳小林，周艷明

(湖南大學 物理與微電子科學學院，湖南 長沙 410082)

作為理工科學生在本科階段所接受的系統性較強的實驗課程，大學物理實驗旨在學生運用一般的物理實驗方法[1]，駕馭基本物理量的測量步驟，挖掘物理理論和實驗之間的聯系[2]，對物理實驗表現出的科學實驗的共性有所感觸，這對學生今后的科研學習具有難以替代的影響[3].而當大學物理實驗由學習探索變為競賽后，形式的改變又將激發學生的求知與探索實際操作實驗的興趣，而這正是被教師和學生忽略或不被重視的一部分[4].對其進行科學的研究和剖釋[5]，是該課程教學進步的源頭所在.

湖南省大學物理競賽分理論和實驗2部分，理論部分由省教育廳統一命題，實驗部分由承辦學校命題.2018年的競賽在湖南大學舉行，實驗命題由我校教師完成，意在考查學生的綜合素質和創新能力.按理說，參加競賽的學生通過學校選拔、培訓，代表本學校參賽，且有資格參加實驗競賽的學生是理論競賽成績前60名的學生，他們的理論水平和實驗技能等大學物理知識方面的素養應該是“過硬”的.但從操作和答題思路分析，參賽學生的表現差強人意.在此，對競賽題之一提供多種方案和方法解答，并就學生在競賽中出現的問題進行分析和反思.

1 競賽試題解答方案及分析

試題：實驗室提供信號發生器、數字示波器各1臺，信號線、導線若干，電阻1只(1 kΩ)，請利用以上儀器、配件，用盡可能多的方法估測未知電容大小.要求：

1)簡述每種測量方法的原理，畫出電路圖并在圖上標明所測物理量；

2)連接電路與儀器，正確測出需要的物理量；

3)每種方法至少測量3組數據，在記錄每種方法的第1組數據時，請監考教師確認測量數據與儀器狀態；

4)根據所測物理量的數值，計算電容的大小.

依據不同實驗原理的設計，列出了以下4種方案共7種方法.每種方案都是對必修的基礎性內容和選修等方面的綜合能力的考查，學生只要基礎打牢了，結合拓展的知識就可以構建模型并找到解決方案.

1.1 方案1：通過測量相位差得到電容值

按圖1所示連接簡單的RC電路，接入信號源，將A點和B點的信號接入示波器,輸入正弦信號.

方法1：2路信號的觸發方式選擇“單觸”，選擇適當頻率，示波器顯示圖2所示波形.調節上下位移使波形處于屏幕中心，調節左右位移便于讀數，調節掃描頻率使波形相差的顯示更明顯.從屏幕上讀出A和B點的時間差Δt，即可得到A點和B點的相差為

Δφ=ωΔt，

(1)

RC電路中，A和B兩點的相差滿足

(2)

據此可以計算出電容值.

圖1 RC電路1

圖2 示波器波形

方法2：選擇顯示方式為“XY”，屏幕上將顯示如圖3所示的李薩如圖形.調節2路信號的垂直旋鈕，使得橢圓位于中心，從屏幕上測出a和b的大小(a和b分別是長軸、縱軸的截距)即可得到相差Δφ滿足：

sin Δφ=a/b.

(3)

然后再按方法1得到電容值.

圖3 李薩如圖形

分析：有31人選擇這一方案設計實驗，其中，有6人沒有正確接地，占19%；有14人不會設置“單觸”，占45%，當然，這里不設置“單觸”而停止示波器的掃描也是可以的；有7人不會選擇合適頻率，占23%；僅3人合格，占10%.總的說來，學生打不開思路.

1.2 方案2：通過測量信號幅度得到電容值

同樣連接RC電路，通過測量信號幅度來計算電容值.

方法3：按圖1接線，輸入適當頻率的正弦波.測出B點的信號幅度，得到UR；不改變信號源參量，按圖4接線，測出B點的信號幅度，得到UC.信號幅度與阻抗成正比，所以

(4)

因此可以得到C值.

方法4：按圖1(或圖4)接線，分別測出A點的信號幅度Ui和B點的信號幅度UR(或UC)，信號幅度與有效阻抗成正比，所以

(5)

因此可以得到C值.

圖4 RC電路2

方法5：基本同方法4的測量過程，在屏幕上同時顯示Ui和UR.利用數字示波器的“波形運算”功能，在屏幕上顯示Ui-UR(即CH1-CH2或CH2-CH1)，從而得到UC，在屏幕上讀出UC的大小，再利用(4)式即可得到電容值.

分析：有22人選擇這一方案設計實驗，其中有5人還設計了方案1.有4人接地有錯誤，占18%;有14人不能正確測出UC和UR，占64%，這里包括測信號幅度不知道從屏幕上數格子，或是不知道利用數字示波器的多種測量功能的實現方法,如示波器的“波形運算”功能.

1.3 方案3：通過暫態過程測量電容值

方法6：按圖4接好RC電路，輸入信號選擇方波.將B點信號接入示波器，選擇適當的頻率，示波器上將顯示RC電路的暫態過程.

從充電過程或放電過程中得到t1/2，即圖5中的t2-t1(可從屏幕上讀出).

對于放電過程

(6)

所以

(7)

從中即可得到電容值.

圖5 電容充放電過程

或測量UR亦可，但波形不同，如圖6所示.

圖6 電壓隨時間變化

分析：有12人選擇此方案，其中有3人不會設置合適頻率，占25%，不能呈現完整的充放電過程；為便于在屏幕上讀數，需調節示波器的水平旋鈕，有1人沒做好這一步，占8%.

1.4 方案4：測量“電容兩端電壓的最大變化率”與“流經電容的最大電流”得到電容值

方法7：因為有

(8)

所以當電流達到極大時，UC的變化率也達到極大.分別測出這2個極大值，即可得到電容值.電流的極大值在UR的峰值處，UC變化率的極大值在UC為0(正弦波)的位置，即

(9)

按照方法3，分別顯示UR與UC(注意接地線)的波形.測出URpp(峰峰值)；調節掃描頻率，盡量使得UC的波形水平方向拉長(斜率極大值附近波形呈直線)，調節垂直旋鈕讓波形位于中心，在圖7中A點處測出ΔU和Δt，即可算出電容值.

圖7 電壓UC隨時間t變化曲線

分析：沒有參賽學生選擇這一設計方案.這里涉及到接線是否正確，頻率選擇是否適當，顯示的波形是否便于測量，還涉及到變化率極大值的問題.

2 反 思

2.1 在物理課程的教學過程中加強物理科學方法的指導

無論是大學物理理論課還是實驗課，教師在講授的過程中，都應注重物理科學方法教育.物理科學方法是眾多取得成功的科學家們在科學探索的道路上所采用的行之有效的法則.在物理教學過程中，物理現象、物理過程和物理規律是主干線，這些因素一旦發生聯系時，都蘊含著物理科學方法[6]：

1)在看待相同的自然現象時，無論是同學科的深入探討還是跨學科的知識遷移，都有著方法互相聯系；

2)不同物理現象之間(包括物理過程與物理現象之間)建立聯系或發生關系時，一定存在方法；

3)物理法則用于物理過程和解答本質問題時，其本身就具有了方法的意義.

在本題中，如果知道電容和電阻在電路中的不同作用和二者的聯系，當接通交流信號時，二者存在相位差.即可選擇方案1.

2.2 在物理課程的講授中注重基礎和變式教學

教師在講授物理課時，一方面要注重基礎教學，學生的物理基礎知識掌握好，其構建“物理大廈”的地基就穩固；另一方面還要注重變式教學，在物理教學過程中對物理定律、方程等在原有表達式的基礎上加以變化，進行變式訓練，學生掌握由此及彼的多種思維方式或多種解決問題的方案[7].基礎知識是進行變式教學的敲門磚，著眼基礎進行變式教學.變式反作用基礎知識，使學生對基礎知識的掌握更加透徹，變式可引導學生舉一反三，融類旁通.因而變式教育有利于加強學生的思維學習能力，培育學生的創新意識.

在物理教學中，教師可以通過多種方法來實施變式教學：

1)可以有針對性地改變條件，引導學生思考產生的不同結果；

2)對于某一現象，可以鼓勵學生從多個角度分析其原因[8]；

3)可以改變問題的表現形式，引導學生掌握隱藏在問題中的本質等，鼓勵學生從多個方面、多種思路來剖析問題，解答問題.

本題如果知道通過測量信號幅度可以計算得到電容值，當連接好RC電路時，測量電容、電阻或電容和電阻的信號幅度，甚至使用示波器的“運算功能”，利用信號幅度與阻抗的關系式，則可變通思維、靈活選擇方法3、方法4或者方法5來完成此實驗.

2.3 在物理課程教學中注重物理前沿的介紹

教師應該注重物理前沿知識的介紹，物理發展前沿以及目前物理與其他諸多學科交叉產生的很多新的科技領域，與社會和生活有著十分緊密的聯系，是當前相關領域的研究者們正關注或者正深入研究的現象和規律[9].從社會層面來看，在物理教學中，教師將基礎與前沿科學結合起來教學，適度地、選擇性地帶領學生了解前沿物理，讓學生知道國內外科技和社會的發展與物理的關系，了解知識在當代科技和社會中所發揮的重要作用.如本實驗的示波器由模擬向數字的發展以及數字示波器測量功能的升級，形成自覺關注物理前沿動態的意識.從學生層面來看，教師將物理前沿知識融入到課程的講授中：

1)可以增加學生學習物理的興趣，幫助學生明確學習物理的目標，增強學生學習物理的動力和熱情；

2)可以開闊學生的眼界，提高對物理和科學的認識高度；

3)有助于培養學生的科學素養，促進學生的全面發展.

在物理課程教學中滲透物理前沿知識的形式可以多種多樣：可以由教師在課堂上用課件向學生展示，并鼓勵學生提出各自新穎的想法；可以推薦學生在課外閱覽科普視頻、雜志等，然后開座談會來討論和交流；可以給學生分配收集與物理相關的前沿動態的任務，再利用如今發達的信息技術平臺，通過雨課堂手機端或者直接利用微信群和QQ群等分享給其他同學，并相互交流思想、共同學習；還可以鼓勵學生積極組織和參加創新創業活動，支持學生多動手實驗.例如，在課程中除了讓學生調出和欣賞不同頻率比的李薩如圖形，或許給學生介紹一些李薩如圖形的前言應用，甚至鼓勵學生思考討論不同頻率比以及初始相位差等所產生的李薩如圖形的變化之間的規律，這將更有利于學生加深對李薩如圖形的認識.那么在本題中使用方法2來解題就輕而易舉了.

2.4 在課堂教學中要注重營造多元學習氛圍

教師在課堂教學中不僅要善于引導學生在學科領域進行深入學習、深層思考，還應營造多元學習氛圍使學生能自主學習、思考.

1)以隨和、親切的姿態營造輕松、愉快的課堂氣氛，激勵學生勇于提問，樂于提問，積極與教師互動.

2)給學生以“心理自由”，使學生對所學的知識，敢于聯想，遇到疑難問題進行深層次思考.

3)平等對待學生.教師和學生在人格上是對等的，善于激勵學生進行“思想碰撞”，問題越爭越明，問題越爭越深入，學科的知識體系就會在學生的腦海里逐漸明晰.

思考和動手能力的培養需要過程，利用課堂營造多元學習氛圍十分有必要.就這次競賽題來說，如果學生在學習電容器的充放電過程以及微積分電路進行了充分的討論、交流，學生在競賽時也能打開思路，得心應手地大膽操作，也不至于出現忘了接地、沒有選擇合適頻率此類基本問題，有可能設計出方案3和方案4的幾種方法.

2.5 教師自己的科研、教學能力要拿得出手

如果教學只局限于低階知識和能力的學習，忽視高階知識和能力(尤其是高階思維能力)的學習，忽視學習者的思維拓展、人格培育、創新與實踐能力的不斷進步，就難以促進學習者的全面發展[10].因此，教師要先保證自己足夠優秀，才能育出優秀學子.這雖然是老調重彈，但確是作為優秀教師的基本要求.如果在課堂上教師對教材鉆研不深，對所講知識概念模糊，學生就無所適從，勢必會導致學生對知識的理解不夠深入.另外，如果教師的科研能力有限，不僅間接限制教學的效果，也影響學生對物理學習的積極性.例如，學生在生活中遇到與科技有關的課外問題時，考慮到教師能力有限，也會選擇忽略.教師是學生的榜樣和引路人，無聲無息地對學生產生著潛移默化的影響，教師所處的高度在某種程度上也影響著學生追求的高度，同時只有教師自身的科研和教學能力足夠強，才能用更為廣闊的視野把握學科領域的知識體系和框架，才能更好地啟發學生高屋建瓴，構建知識體系和框架.當學生遇到疑難問題時，以有條不紊的心態面對，并且有信心嘗試用多重思維解決問題.

相信有著對課程知識駕馭自如、分析問題的層次、深度、邏輯關系等能縱橫捭闔的教師，絕不僅是具有人格魅力的教師.對課程能夠深層次、全方位把握的教師，其學生對于不論是課內基礎知識，還是涉及相關前沿科學的課外拓展的問題，就都能應對自如.本競賽題給出的幾種解答方法，在相關的知識體系構建下，也定能在規定的時間內完成.

3 結束語

通過對此次大學物理實驗競賽進行分析和反思，在物理課程的教學中，教師要注重物理科學方法教育、基礎和變式教育、物理前沿知識的介紹、注重營造多元學習氛圍以及自身的科研和教學能力的厚實，相信學生的創新能力和解決問題的能力就會不斷得到提升.