儀器智能化與物理實驗教學(xué)的改進(jìn)*

鄭飛躍 陳翔翔 尤素萍 彭輝麗 黃 華

(杭州電子科技大學(xué)理學(xué)院 浙江 杭州 310018)

當(dāng)今世界，信息技術(shù)在各行各業(yè)中得到普遍應(yīng)用，就工業(yè)領(lǐng)域來說，從儀器設(shè)備的設(shè)計開發(fā)到應(yīng)用，都會涉及到諸如計算機(jī)、單片機(jī)、通信接口等信息技術(shù).大學(xué)作為人才教育基地，在學(xué)科的建設(shè)中需要融合信息技術(shù).大學(xué)物理實驗是實踐性課程，除了教學(xué)管理、教學(xué)手段與教學(xué)環(huán)節(jié)外，還需要在教學(xué)工具即實驗儀器上融合信息技術(shù).

從目前的報道看，信息技術(shù)和實驗的融合主要利用網(wǎng)絡(luò)平臺進(jìn)行實驗管理、實驗預(yù)習(xí)、實驗仿真等[1～3].對于實驗儀器，融合計算機(jī)和傳感器技術(shù)后改變了測量手段，提高了實驗精度，但在一定程度上削弱了學(xué)生對物理實驗的感性認(rèn)識，特別是一些儀器智能化程度過高，不利于學(xué)生理解物理過程[4,5]，因而有人認(rèn)為使用智能化實驗儀器，學(xué)生的動手能力和數(shù)據(jù)處理能力得不到鍛煉，影響教學(xué)效果，對此，我們在實驗儀器的智能化改進(jìn)和實驗教學(xué)方法上做了一些探索.

1 實驗儀器的智能化改進(jìn)

大學(xué)物理實驗是基礎(chǔ)性的實驗課程，主要是培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、分析問題和解決問題的能力，加深物理理論知識的理解，增強物理實驗過程的感性認(rèn)識.在開設(shè)的物理實驗中，許多是驗證物理規(guī)律的，如非線性電阻的伏安特性、長螺線管的磁場分布、光電效應(yīng)、單縫衍射的光強分布等實驗，這類實驗在驗證物理規(guī)律的過程中，其操作是重復(fù)的，對學(xué)生實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)作用不大.有的實驗曲線測量的點數(shù)比較多，實驗數(shù)據(jù)不夠形象直觀，學(xué)生不能第一時間判斷是否和理論相符合，而且測量時間比較長，學(xué)生也沒有時間分析實驗結(jié)果，這樣不利于培養(yǎng)學(xué)生主動研究的精神.可以通過儀器的智能化改進(jìn)來解決這些問題.

1.1 儀器智能化改進(jìn)的原則

儀器智能化是指利用單片機(jī)和傳感器自動采集數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計算實驗結(jié)果，包括誤差和不確定度.考慮到以往智能化儀器對實驗教學(xué)效果的影響，在儀器的智能化改進(jìn)時要求：

(1)增加學(xué)生對信息技術(shù)的認(rèn)識，不降低對物理實驗過程的體會；

(2)不降低大學(xué)物理實驗的課程要求.

1.2 儀器智能化改進(jìn)的實施

以學(xué)生為主、教師為輔的方式對一些操作重復(fù)的實驗儀器進(jìn)行改進(jìn)，在原有儀器的基礎(chǔ)上結(jié)合單片機(jī)開發(fā)板和傳感器自動采集實驗數(shù)據(jù)，用編程軟件如labview，python等處理數(shù)據(jù)；或借助傳感器和Pasco系統(tǒng)相結(jié)合，采用Capstone軟件處理數(shù)據(jù).因為是在現(xiàn)有儀器上改進(jìn)，因而儀器是開放而非封閉的，學(xué)生的實驗過程和體會基本不變.

2 實驗儀器智能化后實驗教學(xué)的設(shè)計

儀器智能化可以縮短測量時間，但不能縮短實驗時間，降低實驗要求，應(yīng)充分利用多出來的時間豐富教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)質(zhì)量.

2.1 培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識

教師在介紹實驗儀器的時候，應(yīng)強調(diào)傳感器、通信接口和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)在實驗中的應(yīng)用，鼓勵學(xué)生學(xué)習(xí)開發(fā)軟件與數(shù)據(jù)處理軟件，了解單片機(jī)開發(fā)板性能和作用，為后續(xù)開發(fā)儀器、參加省大學(xué)生物理創(chuàng)新競賽打下基礎(chǔ).

2.2 以學(xué)生為主導(dǎo)進(jìn)一步研究物理規(guī)律

物理實驗教學(xué)既要培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實驗?zāi)芰Γ忠ㄟ^實驗使學(xué)生加深對物理知識、物理規(guī)律的理解.物理規(guī)律和現(xiàn)象隨著條件和參數(shù)的改變有可能發(fā)生變化，同一物理規(guī)律也可以從不同的角度去研究，這需要有較多的時間讓學(xué)生思考和操作.傳統(tǒng)實驗教學(xué)由于課堂時間有限，一般都在指定的條件和參數(shù)下進(jìn)行測量，儀器智能化后的教學(xué)環(huán)節(jié)中，要求學(xué)生在完成教材中規(guī)定的實驗內(nèi)容之外，根據(jù)實驗原理自主改變實驗的測量條件和參數(shù)，研究實驗條件和參數(shù)的改變對物理規(guī)律的影響[6]，或自主研究物理規(guī)律.如空氣比熱容比實驗，要求測量空氣比熱容比.實驗中采用樹莓派4B和BMP388傳感器自動采集數(shù)據(jù)，用Python軟件編程自動繪制各個熱力學(xué)過程氣體壓強、溫度隨時間的變化曲線，并計算出空氣比熱容比.學(xué)生完成測量后自主研究一項拓展內(nèi)容，經(jīng)過對幾個熱力學(xué)過程的分析，大多數(shù)學(xué)生研究等容過程，用手對儲氣瓶加熱，研究等容條件下氣體壓強和溫度的關(guān)系；少數(shù)學(xué)生則利用測得的比熱容比反推研究絕熱過程；也有學(xué)生研究充放氣放慢對實驗結(jié)果的影響.無論用什么方法研究，都表明了學(xué)生對物理規(guī)律有一定的思考，教材中的實驗內(nèi)容，可以加深學(xué)生對物理規(guī)律的理解，而對于實驗要求之外的數(shù)據(jù)規(guī)律的分析、不同角度的實驗研究會進(jìn)一步加深對物理規(guī)律的理解.

2.3 提高分析問題解決問題的能力

有的實驗受儀器調(diào)整、實驗環(huán)境等因素的影響，會產(chǎn)生較大的誤差，儀器智能化后，在實驗中給定測量的精度要求，讓沒有達(dá)到要求的學(xué)生自己找出原因并解決.如磁懸浮動力學(xué)實驗，利用磁浮小車在導(dǎo)軌中運動來研究牛頓第二定律，測量重力加速度等.該實驗的重復(fù)性不是很好，誤差比較大，學(xué)生完成實驗回去處理數(shù)據(jù)，也只能泛泛地說哪些方面可能出現(xiàn)問題.將計算機(jī)通過Arduino開發(fā)板和光電門相連，并用LabVIEW采集、處理數(shù)據(jù).實驗中學(xué)生利用計算機(jī)很快可以得到實驗結(jié)果，如果超出教師規(guī)定的精度要求，那就要學(xué)生自己分析研究實驗過程中可能存在的問題，比如導(dǎo)軌縱向水平度或小車輪子對導(dǎo)軌的壓力等，調(diào)整后重新測量，這樣既可增強學(xué)生實驗的主動性，又可提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力.

2.4 引導(dǎo)學(xué)生主動研究實驗結(jié)果

對于設(shè)計性實驗，學(xué)生根據(jù)自己的設(shè)計搭建實驗器材，完成測量，一般很少有時間去研究自己的設(shè)計方案是否正確，只能課后數(shù)據(jù)處理時分析，缺乏實驗驗證.儀器智能化后，學(xué)生有時間用實驗手段研究自己設(shè)計方案的正確性，有的實驗可以根據(jù)研究結(jié)果調(diào)整設(shè)計方案.如伏安法測非線性電阻的伏安特性，該實驗是設(shè)計性實驗，要求學(xué)生根據(jù)待測電阻的型號參數(shù)和所用電表的內(nèi)阻，設(shè)計測量電路(電流表內(nèi)接或是外接)，然后逐點測量.在課堂上一般只能完成兩個非線性電阻的測量，學(xué)生實驗精度是否達(dá)到要求、設(shè)計方案是否正確，在課堂上學(xué)生不清楚.將現(xiàn)有的實驗儀器和Pasco系統(tǒng)相連，用計算機(jī)采集電阻元件上的電流和電壓并用Capstone軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，學(xué)生可以很快測完數(shù)據(jù)并得到伏安特性曲線.如根據(jù)設(shè)計采用電流表外接測量穩(wěn)壓管正向伏安特性，得到伏安特性曲線后，要驗證自己設(shè)計方案的正確性，先用Capstone軟件畫出修正電表內(nèi)阻后的伏安特性曲線，然后測出電流表內(nèi)接的伏安特性曲線，就可以比較兩種接法電表內(nèi)阻的接入誤差對測量結(jié)果的影響.

3 儀器智能化前后教學(xué)方法和教學(xué)效果比較

3.1 教學(xué)方法上的區(qū)別

(1)儀器智能化后在課堂教學(xué)中突出“學(xué)生為主體”.使用智能化儀器，可以在較短的時間完成測量，在教學(xué)內(nèi)容的安排上，根據(jù)不同的實驗要求學(xué)生自主研究物理規(guī)律，或者進(jìn)一步完成教材中的拓展內(nèi)容，又或者提高實驗精度等等，這樣增加了學(xué)生的主動性，也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率.

(2)儀器智能化后加深了對實驗誤差的理解，進(jìn)一步提高學(xué)生的分析能力.儀器智能化前通過實驗后待測物理量的誤差計算和結(jié)果的不確定度計算來培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)處理能力和分析能力.而儀器智能化后學(xué)生在課堂上利用實驗系統(tǒng)計算測量誤差、繪制實驗曲線等，不需要課后進(jìn)行繁瑣的數(shù)據(jù)處理[7]，學(xué)生根據(jù)所得結(jié)果了解了產(chǎn)生誤差的主要因素，分析實驗各個環(huán)節(jié)，根據(jù)具體情況采取相應(yīng)措施，相對于儀器智能化前，學(xué)生能力的培養(yǎng)得到進(jìn)一步加強.

3.2 教學(xué)效果

從儀器智能化后的教學(xué)效果上看：

(1)提高課堂教學(xué)效率.物理實驗課程目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實驗的能力和夯實物理理論基礎(chǔ).儀器智能化縮短了不必要的重復(fù)測量時間，用于分析影響實驗結(jié)果的因素，調(diào)整實驗儀器，提高實驗精度，改變實驗參數(shù)或者實驗方法，進(jìn)一步實驗，使學(xué)生對物理概念、物理規(guī)律有更深的理解，因而在課堂規(guī)定的時間內(nèi)，學(xué)生獲得更多的經(jīng)驗與體會.

(2)提高了實驗報告的質(zhì)量.智能化實驗系統(tǒng)可以算出各量的測量誤差和不確定度，這樣可以避免部分學(xué)生課后因?qū)W業(yè)緊張而對實驗數(shù)據(jù)處理敷衍了事，有了正確的實驗結(jié)果，學(xué)生對實驗的總結(jié)有根有據(jù)，不像以前對結(jié)果的討論分析空洞籠統(tǒng).教學(xué)效果有明顯的提高.

另外，采用智能化儀器后，學(xué)生了解了信息技術(shù)在實驗中的應(yīng)用，對某些物理實驗儀器產(chǎn)生一些想法，然后嘗試智能化改進(jìn)，學(xué)生采用不同的開發(fā)板和不同的軟件，如labview，python，MATLAB等采集和處理數(shù)據(jù)，盡管這些儀器現(xiàn)在還不能推廣到實驗教學(xué)，但可以不斷地改進(jìn)與完善，為后續(xù)遠(yuǎn)程實驗的開發(fā)打下良好的基礎(chǔ).學(xué)生在改進(jìn)儀器的過程中創(chuàng)新能力得到了鍛煉，近年來有10多項實驗儀器的改進(jìn)在浙江省大學(xué)生物理創(chuàng)新競賽上獲獎.

4 結(jié)束語

儀器智能化后的實驗不是學(xué)生打開儀器自動測量，然后拷貝或打印實驗結(jié)果就完成實驗了，它只是減少了一些操作重復(fù)的數(shù)據(jù)測量，著重于提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和研究的能力，是物理實驗教學(xué)的重要組成部分.實踐表明，采用部分開放式的智能化儀器進(jìn)行物理實驗教學(xué)，只要合理安排教學(xué)內(nèi)容，不僅不會降低教學(xué)質(zhì)量，而且還可以使實驗教學(xué)更加全面，從而提高實驗教學(xué)效果.