分層次實驗教學(xué)方法研究

殷春英

摘? 要：實驗教學(xué)與理論教學(xué)是相輔相成的，實驗教學(xué)的形式百花齊放、百家爭鳴。實驗教學(xué)采用分層次教學(xué)，體現(xiàn)了實驗內(nèi)容的系統(tǒng)性;體現(xiàn)了由理論到實際、由基礎(chǔ)到綜合、由綜合到探究的不同階段，遵從了學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，有利于對學(xué)生的動手能力、觀察能力、綜合應(yīng)用的能力、探究問題的能力、創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

關(guān)健詞：分層次實驗? 測量精度? 理論聯(lián)系實際? 教學(xué)方法? 探究性? 創(chuàng)新性

中圖分類號：G71? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）03（a）-0154-02

實驗是大學(xué)物理教學(xué)中一個重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，它在培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、觀察能力、分析探究能力、創(chuàng)新能力、協(xié)同合作等能力中起著不可低估的作用。因此，實驗教學(xué)方法的探究，對培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力意義深遠(yuǎn)。下面以“牛頓環(huán)實驗”為例，研究分層次實驗教學(xué)方法，以達(dá)到提高實驗教學(xué)效果的目的。

1? 牛頓環(huán)實驗的基礎(chǔ)理論知識層次研究

結(jié)合大學(xué)物理的理論課知識，講解牛頓環(huán)實驗的實驗原理，具體的教學(xué)方式采用預(yù)習(xí)作業(yè)和提問相結(jié)合的方式完成，目的就是為實驗教學(xué)打好理論基礎(chǔ)。

1.1 牛頓環(huán)實驗原理簡介

牛頓環(huán)即將一曲率半徑R很大（一定要強度很大）的平凸透鏡放在一個光學(xué)平面玻璃板上，凸面與玻璃板相切于O點，則構(gòu)成了一個牛頓環(huán)裝置。

1.2 牛頓環(huán)實驗的實際應(yīng)用方法分析

分析理論公式（1）和（2），公式中有rk、K、R、四個變量，結(jié)合實際應(yīng)用，由此公式可知，只要有3個變量已知，就可以求出第4個變量，即用此公式可以就進(jìn)行實際的測量，至少可以測量4個物理量。

1.3 “理論聯(lián)系實際”的準(zhǔn)確度分析

雖然由公式（1）和（2）看似可以對至少4個物理量進(jìn)行間接測量，以測量平凸透鏡凸面的曲率半徑為例，要想測量準(zhǔn)確，還存在很多問題，如：對rk、K的直接測量很容易存在較大的誤差，其中K的級次很難準(zhǔn)確確定，不能保證圓心處的空氣膜厚度一定是零。可能存在兩種情況：第一，接觸點的壓力引起了局部變形，使得接觸點變成了一個接觸平面，干涉環(huán)的中央出現(xiàn)一個暗斑;第二，由于接觸點的空氣間隙有塵埃等，產(chǎn)生了附加的光程差，干涉環(huán)的中心出現(xiàn)了明（或暗）斑，條紋中心難以確定。這兩種情況均使得級次無法準(zhǔn)確地確定。

1.4 提高測量精度的方法分析

以上分析是在物理實驗、物理測量中常見到的問題，我們解決的方法就是，實驗時采用暗環(huán)的測量（明環(huán)同理），設(shè)第m級暗環(huán)和第n級暗環(huán)的半徑分別為rm和rn，則分別代入暗環(huán)公式，然后兩式相減即得：

Dm和Dn為m和n環(huán)的直徑，公式中把具體的級次變成了級次的差，把絕對變成了相對，解決了級次難以準(zhǔn)確的問題。

2? 實驗教學(xué)層次的實施階段

我們把實驗教學(xué)分為3個層次或者說是3個階段，即基礎(chǔ)性階段、提高與綜合性階段、探究性階段。下面還是以牛頓環(huán)實驗為例進(jìn)行講解。

2.1 基礎(chǔ)性階段

此階段是進(jìn)行基本實驗技能[1]和基本測量方法的系統(tǒng)訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)處理能力和誤差分析能力，為后續(xù)的實驗教學(xué)打好基礎(chǔ)。

針對牛頓環(huán)實驗，就是要讓學(xué)生了解誤差理論，熟悉基本儀器和設(shè)備，學(xué)會基本的使用方法，如讀數(shù)顯微鏡的使用、牛頓環(huán)裝置的調(diào)節(jié)、鈉光燈的使用、45°角平面鏡的使用等。

誤差理論要理解基本的物理實驗誤差名詞的含義;要學(xué)會數(shù)據(jù)處理的基本方法如：有效數(shù)字的表示和計算、數(shù)據(jù)的公式計算及表示方法、列表法、圖表法等表示方法及注意事項。

讀數(shù)顯微鏡要了解其結(jié)構(gòu)及工作原理，熟悉讀數(shù)顯微鏡各部件的作用，如目鏡、調(diào)焦手輪、標(biāo)尺、測微鼓輪等，熟練讀數(shù)顯微鏡的操作方法。

牛頓環(huán)，不僅要了解其結(jié)構(gòu)，還要會對其進(jìn)行調(diào)節(jié)，不要用力太大，否則會使透鏡變形，使環(huán)的位置要適中。

了解鈉光燈和平面鏡的作用，能正確使用。

2.2 綜合實施階段

此階段要鞏固理論知識和基礎(chǔ)性實驗階段學(xué)習(xí)的知識，開闊學(xué)生的思路和眼界，提高學(xué)生對實驗方法和實驗技能的綜合運用能力。針對牛頓環(huán)實驗如下。

任務(wù)布置：應(yīng)用以上儀器結(jié)合牛頓環(huán)的原理，測定平凸透鏡凸面的曲率半徑。

要求學(xué)生：能夠把以上儀器綜合使用，組成正確的光路圖，盡量準(zhǔn)確地讀出數(shù)據(jù)，能正確地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對誤差進(jìn)行合理的分析。

2.2.1 搭建正確的光路圖

正確地選擇實驗儀器，合理擺放，構(gòu)成正確的光路圖，使得牛頓環(huán)出現(xiàn)清晰的干涉條紋，并能在讀書顯微鏡中準(zhǔn)確地讀出。

2.2.2 準(zhǔn)確地讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理

在讀取數(shù)據(jù)時，為了避免回程差，每組測量的數(shù)據(jù)要保證手輪向一個方向轉(zhuǎn)動，中途不能反向移動，鏡筒內(nèi)十字叉絲豎直線對準(zhǔn)干涉圓環(huán)線中心，讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理

2.3 探究性階段

此階段就是培養(yǎng)學(xué)生自我設(shè)計問題的能力[2]，學(xué)生能自己提出問題并解決問題的能力，用自己所學(xué)的知識和科學(xué)實驗的方法，理論聯(lián)系實際，用自己設(shè)計的實驗來解決實際的問題。

任務(wù)布置：提出問題。

要求學(xué)生：用自己設(shè)計或改進(jìn)實驗，來解決實際的問題。

發(fā)現(xiàn)問題、探究問題：

（1）開始沒能調(diào)出清晰的牛頓環(huán)干涉條紋。

分析及解決方法：①可能光路出現(xiàn)問題，檢查光路圖;②可能牛頓環(huán)的螺絲松動，使得干涉條紋偏離;③調(diào)節(jié)目鏡，使之出現(xiàn)在焦平面上。

（2）干涉條紋疏密不均勻。

分析及解決方法：牛頓環(huán)干涉屬于等厚干涉，出現(xiàn)干涉條紋疏密不均，可能出現(xiàn)兩種情況：①牛頓環(huán)安裝不正，需要重新調(diào)整;②牛頓環(huán)中的平凸透鏡或平面玻璃受損，需要更換。

（3）數(shù)據(jù)處理的結(jié)果誤差較大。

分析及解決方法：①儀器有誤差，不可避免;②讀數(shù)有誤差，讀數(shù)時要避免回程差，讀數(shù)顯微鏡的旋鈕始終向一個方向旋轉(zhuǎn);③計算要準(zhǔn)確;④讀數(shù)顯微鏡中的縱向叉絲位置要適當(dāng)。

（4）使用此裝置還能解決的問題。

①由公式可知，應(yīng)用此裝置還可以測量光的波長。

②應(yīng)用此裝置，通過觀察干涉條紋的形狀可以檢查平凸透鏡或平面玻璃有無凸凹;用標(biāo)準(zhǔn)的平面鏡來檢測平凸透鏡，或用標(biāo)準(zhǔn)的平凸透鏡檢測平面玻璃等。

3? 結(jié)語

分層次實驗教學(xué)，適合學(xué)生的認(rèn)知過程，該實驗方法體現(xiàn)了實驗過程由理論到實際、由基礎(chǔ)到綜合、由綜合到探究的不同階段，適合各層次學(xué)生的學(xué)習(xí)，給不同層次的學(xué)生留有學(xué)習(xí)的空間，既注重了理論聯(lián)系實際[3]，又培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力、綜合應(yīng)用的能力、探究問題的能力，值得在應(yīng)用型本科院校推廣。

參考文獻(xiàn)

[1] 金雪成，宋紅燕.大學(xué)物理實驗[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2014.

[2] 朱湘萍，文元.用科研項目推進(jìn)大學(xué)物理實驗教學(xué)改革的研究與探索[J].大學(xué)物理實驗，2011（3）：110-113.

[3] 李宏榮，王小力.以創(chuàng)新人才培養(yǎng)為目標(biāo)的大學(xué)物理教學(xué)改革[J].中國大學(xué)教育，2013（8）：19-21.