對比實驗在大學物理實驗教學中的意義

摘? 要：物理實驗作為高等學校的一門基礎課，對培養學生系統化的實驗技能有著重要的作用，本文以兩個物理實驗為例，從不同角度提出了做對比實驗的途徑及意義，總結了對比實驗的設計方法。

關鍵詞：物理實驗? 對比實驗? 測量結果

隨著普通高校招生范圍不斷擴大，學生層次參差不齊，教學難度也在增大，我們在大學物理實驗教學過程中深有體會，感覺學生普遍存在學習興趣低、學習能力低、學習效果差等問題，且這些現象日益嚴重。物理實驗作為高等院校普遍開設的一門理工類基礎課，承擔了大學初級階段的實踐訓練任務，是進入大學后受到系統的實驗方法和實驗技能訓練的開端，在培養科學素質和科學世界觀的過程中扮演入門向導的角色^[1]。我們如果能在大學物理實驗教學的內容設計上做一些特色化的改變，拓展一些實驗的設計思路，對培養學生創新意識，理論聯系實際、動手動腦能力、分析和解決實際問題的能力有一定的幫助。實驗的目的不僅僅是為了測量某個量的大小，得到一個結果，而是通過實驗訓練讓學生嘗試體會實驗設計思想，加強對實驗影響因素的感知度，進而激發學生的科技創新能力，這也是我們重要的任務。實驗過程中挖掘創新點，同時兼顧增加實驗趣味性，那么做對比實驗是較好的選擇。教師在設計一個實驗的教學內容時，有目的的安排設計一些對比性的實驗內容，在做實驗過程中能夠讓學生體會到不同實驗條件對實驗結果的影響，教學效果會有所不同。

一、實驗設計思路及對比法

（一）實驗設計思路

一個物理實驗的設計過程應該大致遵循如下步驟：1.根據教學要求，確定實驗目標后，先根據物理理論知識，考察待測量與哪些物理定義、定律、現象有聯系，然后推導測量的計算公式。2.選擇合適的實驗方案，廣泛聯系，奇思妙想，盡量用原理簡單、操作方便、各量易測的方法。3.對實驗方案進行初步的誤差分析，盡可能使用測量精度高的實驗方案。4.擬定合理的實驗步驟，確定測量條件，包括測量順序，以及哪些量需要重復精確測量。5.做實驗，記錄數據，處理數據，給出結果，分析誤差。

設計驗證性教學實驗時，還應該考慮使用的耗材廉價容易獲得等方面因素，并且盡量在實驗過程中能夠直觀的觀察物理量的變化、展現物理現象，驗證物理規律。

在實踐教學中發現，雖然我們的實驗設計非常好，測量精度也比較高，但學生可能是由于學習興趣不大，心不在焉等原因，不但感悟不到實驗設計思想，還總有很大一部分學生不注重細節，經常會出現一些低級錯誤，老師反復提醒強調效果也不明顯，此時不如順勢而為，就讓學生用“比較法”來試錯，以達到對實驗設計思想及實驗規范性操作的體會。

（二）對比法應用實例

我們首先以“空氣比熱容比的測定”實驗為例，比熱容比在工業設計中是一個比較重要的技術參數，本實驗以絕熱膨脹法，利用溫度傳感器、壓力傳感器測量狀態參量，只要測得、、就可求得空氣的絕熱指數，從而巧妙的規避了測量、T，使實驗變得簡單易實現。

這個實驗中把握正常放氣時間是實驗成敗的最關鍵因素之一。打開放氣閥，聽到“噗”的一聲結束，需要迅速關閉放氣閥。放氣時間長了、短了，對實驗結果影響都很大，學生經常是很隨意，不嚴格把握放氣時間。如果我們建議學生做三種放氣情況，即正常關閉氣閥、提前關閉氣閥、推遲關閉氣閥，讓學生比較不同情況下測量結果有何不同，測量誤差的大小差距是怎樣的，從而理解測量條件對測量結果影響的重要性，可以達到事半功倍的效果。

誤差分析是任何實驗中的重要任務，應該重視，它可以使實驗者對實驗過程進行思考和回顧。如果看到誤差大，會觸動學生尋找問題所在，分析可能對結果產生影響的各種因素，反思哪里可能做得不夠好，進而改進實驗操作手法，對學生提高動手能力和判斷能力起到促進作用。

本實驗中除了引導學生通過比較不同放氣狀態下得到的不同測量結果來分析誤差產生的原因以外，當然還有其他影響因素，如：實驗中絕熱過程不嚴格，放氣過程中難免會吸熱，使氣體溫度升高，向外膨脹放氣量增加，瓶內剩余氣體摩爾數減少，壓強變低，使偏小，以及實驗容器密封性差，輕微漏氣，使減小等^[3]。這里不過多的做這方面的探討。

再舉例另一個實驗，在“激光波長的測定”實驗中，用楊氏雙縫干涉測激光波長的過程中，因為測量公式中做了的近似，必須很小，所以對白屏和縫架的距離要求是要“足夠長”。但實際情況是，學生經常是隨意取值，若取值較小則不能滿足測量條件。如果讓學生做兩組不同距離的實驗，通過簡單的相對誤差E的計算，比較結果，即可看出測量結果的好壞，見表二：

結語

諸如此類的方法還可以在很多實驗中應用，例如“惠斯登電橋測電阻”，實驗中對測量狀態下電橋的靈敏度是有要求的，不妨在不同靈敏度下測量幾組比較結果;“三線扭擺測轉動慣量”的實驗中，對三線扭擺的轉動角度要求是3-5度，學生對小角度轉動沒有什么概念，往往是以任意角度轉動，且轉動角度很大，此時可以提出做一組轉角為5度左右的數據，再做一組轉角為10度左右的數據，兩組數據對結果的影響做對比，等等。教學過程中無論在哪個實驗里學生容易出現有共性的錯誤，且是對測量結果有較大影響的環節，我們就可以把那個內容做對比實驗，靈活布置比較內容，以此來加強學生對測量和實驗結果的關系的理解，進而強化學生的實驗技能，促進學生綜合能力的發展。

我們的物理實驗課每次一個實驗用時三學時，抓緊時間做這些內容是能夠完成的。經過三個學期做對比實驗的實踐，感覺教學效果明顯比以前好很多。學生普遍反映說，提高了實驗興趣，避免了以前盲目不思考的壞習慣，對提升理論聯系實際，提升動手動腦能力起到了一定的作用。

我們希望通過對物理實驗教學方法和形式的不斷研究探索，把課堂當作實施素質教育和培養學生科技素養的重要場所，通過點滴的努力，發揮對人才培養的積極作用，以達到高等學校輸出高素質人才的目標。

參考文獻

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[4]席美云，季振平.注重人才素質培養提高實驗教學效益[J].大學化學，2000，15（04）：23-25.

作者簡介

鮑偉華（1969—），女，籍貫：內蒙古呼和浩特市，內蒙古工業大學理學院副教授，碩士，理論物理。