力學(xué)基本量測量實驗中育人和育才雙效結(jié)合教育的探索

劉仁臣 陸靜

摘? 要：大學(xué)物理實驗課程是當(dāng)前各普通高校非物理類專業(yè)普遍開設(shè)的一門公共必修課程，對塑造學(xué)生的人格和品質(zhì)具有重要作用。文章以大學(xué)物理實驗中一堂普通的力學(xué)基本量測量實驗為例，結(jié)合在游標卡尺和螺旋測微器讀數(shù)中，以及Mathstudio 軟件的應(yīng)用（均值、標準偏差、逐差和線性回歸）中高頻錯誤，探討大學(xué)物理實驗課程對學(xué)生人格塑造的切入點。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理實驗;mathstudio;課程思政;實驗素養(yǎng)

中圖分類號：G640? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2019）25-0051-04

Abstract： The College Physics Experiment course is a public compulsory course for non-physics majors in colleges and universities， which plays an important role in shaping students' personality and quality. Taking a common experiment of measuring the basic quantity of mechanics in college physics experiment as an example， combined with frequently occurring errors in reading of Vernier caliper and spiral micrometer， as well as in the application of Mathstudio software （mean， standard deviation， successive deviation and linear regression）， this paper probes into the cut-in point of shaping students' personality in the course of College Physics Experiment.

Keywords： College Physics Experiment; mathstudio; ideological and political education in other courses; experimental accomplishment

引言

習(xí)總書記多次在全國高校思想政治工作會議上強調(diào)：思政教育不單單是政治課教師和高校輔導(dǎo)員的職責(zé)，更是全體教師的神圣職責(zé)[1]。課堂是高校教書育人的最重要平臺，每門課程和全體教師都要用好這一渠道，與政治課相得益彰，形成協(xié)同效應(yīng)[2]。

大學(xué)物理實驗是各高校本科生邁入大學(xué)校門較早接觸到的一門重要的基礎(chǔ)必修課。我校作為一所有三萬多名在校本科和碩士生的應(yīng)用型本科高校，每學(xué)期都有2000多名理工科專業(yè)同學(xué)修讀該門課程。通過這門課程的培養(yǎng)不僅要使學(xué)生掌握必備的實驗理論和動手技能，促進對大學(xué)物理理論課上物理學(xué)原理和物理定律的理解，更重要的是提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)，例如學(xué)生的細致耐心、實事求是和鍥而不舍等寶貴品質(zhì)，實現(xiàn)知識、能力和素養(yǎng)三方面的協(xié)調(diào)發(fā)展。實驗教師要潛心研究，充分挖掘育人素材，在實驗課堂教學(xué)中恰如其分的滲透社會主義核心價值觀和辯證唯物主義世界觀等，培養(yǎng)學(xué)生的高尚情操、正確的價值觀和道德觀，為偉大祖國培養(yǎng)建設(shè)者和接班人。

當(dāng)前有很多教師和同學(xué)對實驗課思想上不重視，覺得它是一門公共課，重要性不如專業(yè)課，更別提在每堂實驗課中融入育人元素。作者在講授大學(xué)物理實驗課之前，也有過類似的想法。但是，自從親自帶過幾輪后，對這門課程有了新的認識。該課程看上去好像都是一些簡單的驗證性或者設(shè)計性實驗，用到的儀器也都是平常生活中很常見到，如萬用表、天平、秒表和電流表等，很少涉及到一些高端的精密儀器。但是，就這樣一些看似簡單平常的實驗，卻能有效培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識，是全面培養(yǎng)學(xué)生思想道德覺悟的非常有效的課程。本文以大學(xué)物理實驗中的非常普通的一節(jié)力學(xué)基本量測量實驗為例，談?wù)勗趯嶒炛信囵B(yǎng)學(xué)生綜合素養(yǎng)的具體措施。

一、力學(xué)基本量測量實驗課的具體措施

我校每學(xué)期約12位教師同時講授大學(xué)物理實驗課，開學(xué)第一周為緒論課，第二周統(tǒng)一講授力學(xué)基本量測量，這為后續(xù)實現(xiàn)打下基礎(chǔ)。很多教師在講力學(xué)量測量這個實驗時，經(jīng)常回辦公室聊天、喝水或者做其他的事，他們認為這個實驗非常簡單、幾乎不需要教師指導(dǎo)，學(xué)生自己能很好的完成。但是，當(dāng)我接觸這個實驗的時候，發(fā)現(xiàn)這個實驗對學(xué)生而言并非那么簡單。學(xué)生在儀器的使用、操作、讀數(shù)和數(shù)據(jù)處理等方面會犯各種各樣的錯誤，需要教師的耐心指導(dǎo)。學(xué)生所犯的各類錯誤正是培育學(xué)生思想道德的極好素材。

本節(jié)課實驗教學(xué)目標有：（1）知識目標是掌握游標卡尺和螺旋測微器的使用;鞏固誤差和不確定度理論;學(xué)會用mathstudio 計算平均值、不確定度和線性擬合;（2）能力目標是培養(yǎng)學(xué)生正確使用基本測量儀器的基本技能;（3）素養(yǎng)目標是培養(yǎng)學(xué)生良好的實驗習(xí)慣和綜合素養(yǎng)。這三方面目標是通過游標卡尺測量圓桶內(nèi)徑和外徑，以及螺旋測微器和電子秤測量鋼球密度來實現(xiàn)。

（一） 游標卡尺讀數(shù)問題

第一組實驗是用50分度的游標卡尺測量直徑為34.00 mm鋁銅的外徑6次，求出平均值和不確定度。實驗室提供的是沒有自帶放大鏡的50分度的游標卡尺，測量是有好幾格看上去都是對齊的，因此很多學(xué)生不能準確判斷游標的第幾格與主尺對齊。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是部分教師在課堂上沒有剖析游標卡尺的原理，只是告訴學(xué)生讀數(shù)的規(guī)則。讀數(shù)還常見的一個錯誤就是讀游標卡尺的最左邊沿而不是讀游標的0刻度。在讓學(xué)生測量前，作者在課件上展示了采用游標卡尺測量物體的示意圖（圖1）。請同學(xué)讀數(shù)，20%同學(xué)讀作21.20mm。這些同學(xué)就是讀了游標最左側(cè)邊沿，如果從游標0刻度開始讀數(shù)，就應(yīng)該是22.20mm。關(guān)于游標第幾格恰好與主尺刻度對齊的問題，作者在剖析游標卡尺的基本原理后，請同學(xué)觀察正好對齊的那一格，左右刻度錯開的方位正好相反，利用這一規(guī)律，在后續(xù)測量過程中出錯概率顯著降低。

（二） 螺旋測微器讀數(shù)問題

零點讀數(shù)帶來的系統(tǒng)誤差是減還是加的問題，很多同學(xué)一直很模糊。圖2（a）為螺旋測微器結(jié)構(gòu)，當(dāng)測微螺桿F與測砧A接觸時，可動刻度的零刻度線和固定刻度的零點不重合，此時的讀數(shù)為零點讀數(shù)。如果直接告訴學(xué)生當(dāng)可動刻度的零刻度線在固定刻度橫線下方時用減，在上方時用加，那么在具體實驗過程中，出錯的概率非常大。因此，需要讓學(xué)生親身體驗感受。由于測量物體時活動刻度是逆時針旋轉(zhuǎn)，如圖2（b），零點刻度為0.050 mm，如果測量一個直徑為0.150mm的物體，物體置于砧片A與測微螺桿F之間時，此時可動刻度上讀出來的結(jié)果應(yīng)該為0.200mm，因此實際值等于讀數(shù)值減去零點讀數(shù)。通過親身體驗學(xué)生很容易理解零點讀數(shù)到底是減還是加。教學(xué)中關(guān)于零點讀數(shù)的問題，還有一部分同學(xué)在讀數(shù)時常犯另一個錯誤，如圖2（c）中很多同學(xué)把零點讀數(shù)讀為0.480mm，而不是0.020mm。因為在后續(xù)的讀數(shù)過程，都是以游標上的0為起點，而不是任何時候都是順時針讀數(shù)，所以正確讀數(shù)應(yīng)該是0.020mm。這個錯誤看似粗心，實際存在理解偏差，它會在后續(xù)分光計測波長或三棱鏡頂角實驗中再度出現(xiàn)。如圖2（d）所示，當(dāng)轉(zhuǎn)動分光計游標讀數(shù)時，越過刻度盤的0刻度線的偏轉(zhuǎn)角度應(yīng)加上或減去360°，其原理與螺旋測微器的零點讀數(shù)相似。

（三）mathstudio軟件數(shù)據(jù)處理問題

在大學(xué)物理實驗教學(xué)中，之前同學(xué)們處理實驗數(shù)據(jù)都是借助手機自帶計算器，繪圖用手，結(jié)果誤差普遍較大。有兩方面原因：一是對物理實驗采用列表法、作圖法和逐差法等手工處理，本身容易出錯;二是有些學(xué)生為了使實驗結(jié)果好看隨意改動數(shù)據(jù)，從而無法對數(shù)據(jù)進行客觀的分析和處理，失去了實驗的意義。如果在實驗數(shù)據(jù)處理中使用一些專業(yè)軟件，如ORIGIN和MATLAB等，雖然可以減少計算工作量和得到準確的擬合曲線，但對正值大一下學(xué)期的同學(xué)，很多同學(xué)不會用或不熟練，而大學(xué)物理實驗課時又不足以對學(xué)生進行軟件培訓(xùn)。Mathstudio 作為一款便捷的手機APP軟件，自帶求平均值、標準偏差和線性回歸繪圖功能等。該軟件所占內(nèi)存空間較小只有1.0M，學(xué)生很容易掌握和使用，是非常適合大學(xué)物理實驗數(shù)據(jù)處理的工具[3]。但是，實驗初期學(xué)生在使用mathstudio的過程中也會遇到各種具體細節(jié)問題，需要教師的耐心指導(dǎo)。

首先是軟件的安裝，安卓手機可以直接打開微信掃描左圖3（a）的二維碼即可安裝成功，而蘋果手機需要在淘寶上付費購買圖3（b）二維碼才能安裝。兩款手機中mathstudio的界面也完全不同。其次是計算的問題。在力學(xué)基本量測量實驗中，為了鞏固緒論中所學(xué)的誤差和不確定理論，采用50分度游標卡尺測量鋁銅外徑6次，求平均值和標準偏差。

學(xué)生測得的數(shù)據(jù)如表1。

求上述6組數(shù)據(jù)的平均值和標準偏差中，學(xué)生遇到的具體問題很多。正確的操作是在mathstudio主界面中輸入x=[33.98，34.00，34.02，33.98，33.98，34.02]（圖4（a）），而很多同學(xué)總將數(shù)據(jù)之間的逗號“，”輸成加號“+”或者是點“.”。另外，標準差偏差函數(shù)符號系統(tǒng)中沒有自帶，需要學(xué)生自己輸入StandardDeviation（x），這個英文單詞很多同學(xué)輸了很多次后還會經(jīng)常輸錯，絕大多數(shù)同學(xué)都會少輸一個“d”。由于輸錯一個字母或者符號，軟件也會顯示一些數(shù)據(jù)（圖4（b）），因此，給同學(xué)的判斷造成困難。

（四）鋼球密度不確定度的計算問題

力學(xué)基本量測量實驗中，鋼球的密度公式為？籽 ，根據(jù)該公式推導(dǎo)出間接不確定度U（？籽） U（d）。小球的質(zhì)量為8.95g，用螺旋測微器測出小球直徑d的6組數(shù)據(jù)，得到的平均值為12.649mm。然而，在接下來直徑d不確定度U（d）和密度？籽的計算中，出現(xiàn)了各類錯誤，尤其是單位的換算和有效位數(shù)的保留等，最后能得到鋼球的密度正確結(jié)果的同學(xué)在整個年級2000名同學(xué)的比例不到30%。由此可見，看似簡單的一堂實驗課，對培養(yǎng)同學(xué)的基本素養(yǎng)而言也是有很多非常有價值的題材。

二、結(jié)束語

21世紀中國高等教育由精英教育走向了大眾教育，作為應(yīng)用型本科高校，近年來正在積極探索應(yīng)用型人才培養(yǎng)的規(guī)律。以人為本，強調(diào)在提高學(xué)生科學(xué)文化素養(yǎng)的基礎(chǔ)上，重點培養(yǎng)其實踐能力和創(chuàng)新能力。通過課堂教學(xué)逐步調(diào)動學(xué)生的思維，培育良好的行為習(xí)慣和高貴的品質(zhì)[4-5]。

長期以來，受傳統(tǒng)“重理論、輕實踐”觀念及經(jīng)費不足等的影響，大學(xué)物理實驗課程未受到應(yīng)有的重視。很多實驗教師面對傳統(tǒng)的基礎(chǔ)性和驗證性的實驗內(nèi)容，從預(yù)習(xí)、原理講授、學(xué)生操作和寫實驗報告這樣固定的教學(xué)模式和方法、簡單的考核方式等，已使大學(xué)物理實驗不能適應(yīng)當(dāng)前知識經(jīng)濟時代對應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求。因此，探討和深化大學(xué)物理實驗教學(xué)課堂中育人和育才雙效結(jié)合機制，切實提高大學(xué)物理實驗教學(xué)質(zhì)量，對全校理工科應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標的實現(xiàn)有著重要的意義。

參考文獻：

[1]習(xí)近平.把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面[N].人民日報，2016-12-09（01）.

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[4]次仁尼瑪，寧長春，陳天祿，等.構(gòu)建大學(xué)物理教學(xué)團隊，促進大學(xué)物理教學(xué)[J].大學(xué)物理，2017（6）：61-65.

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