大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中學(xué)生創(chuàng)新思維訓(xùn)練與提升

王新順，王本陽，張立彬

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）理學(xué)院，山東威海 264209）

0 引言

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是理工類學(xué)科學(xué)生必修課程之一，對于學(xué)生動(dòng)手能力的提高以及科研素質(zhì)的訓(xùn)練有重要的影響，在培養(yǎng)學(xué)生活躍的創(chuàng)新意識(shí)、理論聯(lián)系實(shí)際分析解決問題能力、成為適應(yīng)社會(huì)科技發(fā)展的智能型開拓型創(chuàng)新人才等方面具有其他實(shí)踐類課程不可替代的作用，利用大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力已經(jīng)受到越來越多的高校的重視［1-13］。而創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，首先應(yīng)該是學(xué)生創(chuàng)新思維的形成。然而，很多高校把對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)等同于科技創(chuàng)新項(xiàng)目訓(xùn)練、科技競賽或與科研項(xiàng)目相結(jié)合的科研訓(xùn)練，卻忽視了在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)教學(xué)中創(chuàng)新思維的訓(xùn)練。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)作為本科生第一門基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，教學(xué)中創(chuàng)新思維的訓(xùn)練對學(xué)生實(shí)驗(yàn)習(xí)慣的形成、實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)的提高至關(guān)重要。

現(xiàn)實(shí)中大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在很多問題，①大部分學(xué)生習(xí)慣于中小學(xué)應(yīng)試教育的思維模式，習(xí)慣于依賴教師，實(shí)驗(yàn)中很少獨(dú)立思考，思維方式單一；②長期以來，物理實(shí)驗(yàn)沿用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式固定，教學(xué)過程基本上都是4 個(gè)步驟：學(xué)生預(yù)習(xí)，教師講解實(shí)驗(yàn)原理、演示實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理等，僵化的教學(xué)模式使學(xué)生缺乏獨(dú)立思考和數(shù)據(jù)分析的鍛煉，很多學(xué)生只是為了拿學(xué)分而應(yīng)付實(shí)驗(yàn)，基本實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)得不到訓(xùn)練，更談不上創(chuàng)新思維的形成；③隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，教學(xué)儀器自動(dòng)化程度越來越高，操作步驟簡單，儀器物理結(jié)構(gòu)不明確，也限制了學(xué)生創(chuàng)新思維的形成。如何創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有意識(shí)地轉(zhuǎn)變學(xué)生思維方式已成為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)十分迫切的工作。

本文結(jié)合電表改裝實(shí)驗(yàn)，從以下幾個(gè)方面談?wù)勗诖髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中如何通過實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練有意識(shí)地訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維，轉(zhuǎn)變學(xué)生的思維方式。

1 樹立學(xué)生實(shí)驗(yàn)中遇到問題應(yīng)從理論分析入手來解決的意識(shí)

1.1 替代法測電表內(nèi)阻中的思維方式訓(xùn)練

替代法測電表內(nèi)阻的測量原理見圖1。當(dāng)被測電流計(jì)接在電路中時(shí)，用電阻箱R2替代它，當(dāng)電路中的電壓、可變電阻RW均不變時(shí)，調(diào)節(jié)電阻箱R2的阻值，使電路中的電流（即標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)）保持不變，則此時(shí)電阻箱的電阻值即為被測電流計(jì)內(nèi)阻。

圖1 替代法測電表內(nèi)阻電路圖

在實(shí)際測量中，有學(xué)生發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)R2在某個(gè)范圍內(nèi)變化時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)一直等于原來被測電流計(jì)接在電路中的讀數(shù)，并不隨R2的變化而發(fā)生變化。譬如，當(dāng)學(xué)生在150.0 Ω到159.9 Ω之間調(diào)節(jié)R2時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)保持不變，按替代法原理，電流計(jì)內(nèi)阻可以等于150.0～159.9 Ω之間的任意值，這顯然是不正確的。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象大部分學(xué)生都會(huì)遇到，但能分析出原因并正確處理的同學(xué)幾乎沒有，他們大都是不加思考，隨便選取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)等于原來被測電流計(jì)接在電路中的讀數(shù)時(shí)的R2值作為電流計(jì)的內(nèi)阻。這說明，大部分學(xué)生根本沒有在實(shí)驗(yàn)中根據(jù)現(xiàn)象分析問題解決問題的意識(shí)和習(xí)慣，很多學(xué)生遇到實(shí)際問題，總是有畏懼心理，覺得無從下手，自認(rèn)為可能很高深，自己解決不了。

這個(gè)問題的關(guān)鍵是學(xué)生沒有考慮到標(biāo)準(zhǔn)表的靈敏度。R2變化時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)之所以不變，是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)表的靈敏度太低，R2變化引起流過標(biāo)準(zhǔn)表電流的變化太小，不足以讓標(biāo)準(zhǔn)表指針偏轉(zhuǎn)。解決這個(gè)問題的辦法有兩個(gè)，①更換靈敏度更高的標(biāo)準(zhǔn)表，②在R2變化范圍不變的情況下，讓流過標(biāo)準(zhǔn)表的電流變化增大，從而引起標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)發(fā)生變化。本實(shí)驗(yàn)只能采用第2種方法。經(jīng)過提醒，幾乎所有同學(xué)都明白了為什么R2變化而電流計(jì)讀數(shù)卻不變的原因，也能從理論公式Im=E/（RW+R2）找到采取什么措施能使替代法測出的電流計(jì)內(nèi)阻精確到10 分位的方法（式中Im為流過標(biāo)準(zhǔn)電流表的電流），即減小RW，或增大電源電壓E，使原來被測電流計(jì)接在電路中的電流增大，從而讓流過替換的標(biāo)準(zhǔn)表的電流變化也增大，使得R2在十分位數(shù)值發(fā)生變化時(shí)標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)也能隨之發(fā)生變化。這樣的訓(xùn)練讓學(xué)生體會(huì)到了實(shí)驗(yàn)中自己根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、從理論分析到實(shí)際解決問題的樂趣。實(shí)際上，如果他們在實(shí)驗(yàn)中有主動(dòng)獨(dú)立解決問題的意識(shí)，有遇到問題能從物理原理或理論來分析的習(xí)慣，大部分問題并不難解決。

1.2 半電流法測電流計(jì)內(nèi)阻中思維方式的訓(xùn)練

半電流法（也稱中值法或半偏法）測電流計(jì)內(nèi)阻的測量原理見圖2。當(dāng)被測電流計(jì)接在電路中時(shí)，使電流計(jì)滿偏，記下此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)；然后將電阻箱R2與電流計(jì)并聯(lián)作為分流電阻，改變R2電阻值、電源電壓或RW，使電流計(jì)指針指示到中間值時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)（總電流強(qiáng)度）仍保持原來讀數(shù)不變，這時(shí)分流電阻R2的值就等于電流計(jì)的內(nèi)阻。

圖2 半電流法測電流計(jì)內(nèi)阻電路圖

這個(gè)實(shí)驗(yàn)原理看似簡單，但實(shí)際調(diào)節(jié)并不簡單。當(dāng)調(diào)節(jié)電路使標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)（總電流強(qiáng)度）保持原來讀數(shù)時(shí)，電流計(jì)指針一般并不指向中值半偏；當(dāng)調(diào)節(jié)電路使電流計(jì)指針指向中值半偏時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)又發(fā)生了變化，不等于原來的讀數(shù)了。如何快速的調(diào)節(jié)才能使電路達(dá)到測量電流計(jì)的內(nèi)阻的要求呢？很多同學(xué)不知從何入手，胡亂調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)很長時(shí)間也達(dá)不到要求，他們沒有從理論分析入手來指導(dǎo)和解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)問題的意識(shí)和習(xí)慣。由圖2 可知，，式中Rg為待測電流計(jì)的內(nèi)阻，從理論上分析，如果不改變RW或E，當(dāng)把R2接入電路中時(shí)，電路總電阻肯定是減小的，流過標(biāo)準(zhǔn)表的電流肯定是變大的。減小E 或增大RW，使標(biāo)準(zhǔn)表恢復(fù)原來的值；此時(shí)若R2不等于電流計(jì)內(nèi)阻，則電流計(jì)讀數(shù)將不是中值半偏，調(diào)節(jié)R2大小使電流計(jì)中值半偏；調(diào)節(jié)以后，R2的變化使得電路總電阻發(fā)生了變化，從而使流過標(biāo)準(zhǔn)表的電流也不再等于原來的值，再調(diào)節(jié)E 或RW使標(biāo)準(zhǔn)表恢復(fù)到原來的值，注意此時(shí)不能通過調(diào)節(jié)R2來恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)；調(diào)節(jié)以后，標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)變化又使得流過待測電流計(jì)的分電流發(fā)生了變化，不會(huì)再是中值半偏，此時(shí)不能再調(diào)節(jié)E或RW，只能通過調(diào)節(jié)R2大小使電流計(jì)中值半偏；調(diào)節(jié)R2變化又使得電路總電阻發(fā)生了變化，從而使標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)又不再等于原來的值，如此周而復(fù)始，多次重復(fù)調(diào)節(jié)電路，最后才會(huì)無限接近所要求的電路狀態(tài)。通過啟發(fā)提示，同學(xué)們學(xué)會(huì)了從理論分析入手來指導(dǎo)和解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)問題的方法。有同學(xué)根據(jù)理論分析總結(jié)出了一個(gè)電路調(diào)節(jié)流程圖，如圖3 所示，按照這個(gè)流程，很快就能將電路調(diào)到半電流法測電流計(jì)內(nèi)阻所要求的電路狀態(tài)。

圖3 半電流法測電表內(nèi)阻電路調(diào)節(jié)流程圖

2 樹立學(xué)生逆向思維的意識(shí)

逆向思維與正向思維相反，是從原問題的相反方向著手的一種思維，是執(zhí)果索因、知本求源的發(fā)散性思維，是一種創(chuàng)造性的求異思維。在教學(xué)實(shí)踐中巧妙設(shè)置實(shí)驗(yàn)情境，激發(fā)學(xué)生逆向思維，能讓學(xué)生克服思維定勢，轉(zhuǎn)變思維方式，有利于培養(yǎng)學(xué)生的開拓創(chuàng)新意識(shí)［14-17］。

在電表改裝與校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中，很多教材中沒有要求學(xué)生在擴(kuò)程電流表或電壓表以后要進(jìn)行滿偏校準(zhǔn)。沒有滿偏校準(zhǔn)實(shí)際上訓(xùn)練學(xué)生的是正常思維，測出表頭內(nèi)阻后，按照理論公式R=Rg/（n -1）或R=（n -1）Rg計(jì)算出要并聯(lián)或串聯(lián)的電阻（式中n為電表量程擴(kuò)大的倍數(shù)），再連接電路測出校準(zhǔn)曲線即可。而滿偏校準(zhǔn)則體現(xiàn)了逆向思維的訓(xùn)練，圖4 為擴(kuò)程后電流表的滿偏校準(zhǔn)電路圖。如將Ig=1 mA 的表頭擴(kuò)程至5 mA，滿偏校準(zhǔn)時(shí)要求改裝表滿偏時(shí)標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)達(dá)到滿量程5 mA。

圖4 擴(kuò)程后電流表的滿偏校準(zhǔn)電路圖

當(dāng)調(diào)節(jié)RW使改裝表滿偏時(shí)，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)不是5 mA（大部分情況是這樣），譬如是大于5 mA，按理論設(shè)計(jì)計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)應(yīng)該是5 mA，實(shí)際上為什么不是呢？怎么才能校準(zhǔn)到5 mA？這種不遵從理論計(jì)算結(jié)果、執(zhí)果索因、知本求源的思維即是逆向思維。

為什么標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)會(huì)大于5 mA？這就促使學(xué)生思考，實(shí)際的測量和理論計(jì)算還是有差別的，出現(xiàn)差別的原因在于Rg的測量誤差，由于Rg的測量誤差，必然導(dǎo)致R2=Rg/（n-1）的理論設(shè)計(jì)值和要使改裝表滿偏電流為5 mA所要求的電阻值有不小偏差。R2理論設(shè)計(jì)值比實(shí)際要求的值小，標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)就會(huì)過大；反之，標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)就會(huì)過小。找到原因后學(xué)生就可以根據(jù)理論分析來指導(dǎo)調(diào)節(jié)電路了，如果標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)大于5 mA，就增大R2，反之，就減小R2。但改變了R2使標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)到5 mA后，表頭電流又變得不是滿偏了，這又是什么原因？又該如何調(diào)節(jié)？學(xué)生有了前面的思維訓(xùn)練，這一步也就知道從理論上來分析了。經(jīng)過分析調(diào)試，同學(xué)們發(fā)現(xiàn)這個(gè)擴(kuò)程電流表以后的滿偏校準(zhǔn)也需要按一定規(guī)律多次調(diào)節(jié)電路，才能無限接近改裝表和標(biāo)準(zhǔn)表都同時(shí)達(dá)到滿偏的電路狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)下，R2的大小最接近改裝表實(shí)際內(nèi)阻大小的1/（n -1）。如果不進(jìn)行逆向思維和理論分析，盲目調(diào)節(jié)，就會(huì)費(fèi)時(shí)費(fèi)工，很難達(dá)到改裝表和標(biāo)準(zhǔn)表都同時(shí)達(dá)到滿偏的要求。有同學(xué)總結(jié)出了電流表滿偏校準(zhǔn)的流程圖，如圖5 所示。按照這個(gè)流程，同學(xué)們很快就能將電表調(diào)到滿偏校準(zhǔn)所要求的狀態(tài)。

圖5 擴(kuò)程后電流表的滿偏校準(zhǔn)流程框圖

3 樹立學(xué)生工程思維的意識(shí)

工程思維是價(jià)值定向的思維，是與具體的“個(gè)別對象”聯(lián)系在一起的“殊相”思維，其核心是解決工程問題，具有“特定性”。這些特性意味著問題的解決方案并不唯一，存在著多個(gè)不同的完成該任務(wù)的設(shè)計(jì)方案；意味著面對工程問題，解決方案可能只有合適的，不存在最好的；意味著工程師要從影響工程問題的眾多因素中，突出主要矛盾，忽略次要矛盾，工程中是允許誤差存在的；意味著并不需要面面俱到，某些性能的改善很可能需要犧牲另一些性能。由此可知，工程思維就是面對復(fù)雜的實(shí)際工程問題，在一定的條件下用最簡單的方法來解決實(shí)際問題的思維［18-20］。

在電表改裝實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生將0.1 級量程1 mA的電流表改裝成0.5 級的量程5 mA的電流表和量程1.5 V的電壓表，標(biāo)準(zhǔn)電流表是0.2 級的量程5 mA的電流表，標(biāo)準(zhǔn)電壓表是0.2 級的量程1.5 V的電壓表。在給定要求和給定條件下完成電表的改裝實(shí)際上就是要解決一個(gè)工程問題。讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到電表改裝實(shí)驗(yàn)等同于儀表廠電表的設(shè)計(jì)與制作，讓學(xué)生樹立工程思維的意識(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果等同于新產(chǎn)品，新產(chǎn)品必須達(dá)到工廠要求的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)不到要求就需要找原因，改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。

在實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生按照測量的表頭內(nèi)阻，設(shè)計(jì)出量程5 mA的電流表和量程1.5 V的電壓表，先在沒有進(jìn)行滿偏校準(zhǔn)的情況下，做出校準(zhǔn)曲線，分析改裝電表的不確定度，確定電表的等級。通過計(jì)算分析，大部分同學(xué)改裝的電表等級都比要求的0.5 級低，有的甚至達(dá)到5.0 級。達(dá)不到要求就要找原因，提出改進(jìn)措施。很多同學(xué)都能想到根據(jù)不確定度公式來找原因，式中ΔU′為表頭帶來的誤差，ΔU″為標(biāo)準(zhǔn)電表的誤差，ΔUmax為表頭內(nèi)阻的測量帶來的校準(zhǔn)誤差，也叫最大校驗(yàn)誤差，取校驗(yàn)曲線中ΔU 的最大值。在標(biāo)準(zhǔn)電表、表頭給定的情況下，表頭內(nèi)阻的測量帶來的誤差是主要的。如何減小由于這個(gè)測量誤差而帶來的改裝電表的誤差呢？有同學(xué)提出用標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行滿偏校準(zhǔn)是個(gè)很好的方法，也有同學(xué)重新用替代法和半電流法再測電流表內(nèi)阻的。不管采用哪種改進(jìn)措施，只要使改裝的電表達(dá)到了0.5 級的要求即可。沒有最好，只有更好。

通過這樣的訓(xùn)練，同學(xué)們既有成就感，提高了他們對實(shí)驗(yàn)的興趣，又樹立了工程思維的意識(shí)，提高了他們解決實(shí)際工程問題的能力。

4 結(jié)語

在電表改裝與校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中，若僅僅讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)掌握改裝電流表及電壓表的原理，對于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)來說就顯得有些簡單。但簡單之中若有新意，若能讓學(xué)生通過簡單實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變思維方式，學(xué)會(huì)在實(shí)驗(yàn)中解決實(shí)際問題的方法，養(yǎng)成從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象思考背后物理原理、從理論分析入手來指導(dǎo)和解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)問題的思維習(xí)慣，樹立逆向思維和工程思維的意識(shí)，實(shí)驗(yàn)的意義將大不相同，學(xué)生也會(huì)感覺收獲滿滿，興趣盎然。