基于PASCO平臺的設計性物理實驗教學

汪連城 吳慶春 金遠偉 趙 斌 唐春紅

（南京工程學院數(shù)理部，江蘇 南京 211167）

0 引言

大學物理實驗是大多數(shù)工科大學學生接觸到的第一門實驗性課程，對培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力起到重要的初期引導作用。因此，不斷優(yōu)化、更新物理實驗教學內容、方法和手段，對推進大學課程改革和教學變革，培養(yǎng)一流教師，建設一流課程，實現(xiàn)一流教學，對進一步推動創(chuàng)新性應用型人才培養(yǎng)質量的提升有重要意義。

1 P AS CO實驗平臺

PASCO實驗平臺由三個必要的部分組成：（1）測量各種物理量并將其轉換成電信號的傳感器及其連接組件；（2）將傳感器信號轉換為電腦接收信號的通用接口模塊（Universal Interface）；（3）將測量數(shù)據(jù)在計算機上進行分析處理和可視化的軟件（Capstone）。相對于傳統(tǒng)實驗教學儀器，PASCO實驗系統(tǒng)具有廣泛的適用性、功能的多樣性和對實踐操作能力培養(yǎng)的有效性，可以最大程度地發(fā)揮學生在實驗課程中的主觀能動作用，起到更好的教學效果。此外，由于對實驗數(shù)據(jù)的測量、收集到處理全部數(shù)字化，在有效提高實驗數(shù)據(jù)采集效率的同時，也大大提高了實驗的精度，有效降低了人為誤操作所帶來的實驗誤差。最后，由于組件的通用性，可以利用數(shù)量有限的傳感器配合不同的設計思路，組合出大量的實驗儀器，在達到教學效果的同時，也節(jié)約了成本。總之，基于PASCO實驗平臺的物理實驗系統(tǒng)對鍛煉大學生綜合動手能力和創(chuàng)新能力的作用是傳統(tǒng)整合式實驗儀所無法替代的[1]。

2 基于P AS CO平臺的設計性實驗教學要點

學生在完成基于PASCO平臺的設計性實驗時，需要根據(jù)給定實驗目的，自主選擇組件，自由搭建符合要求的實驗儀器。同時，還要對實驗數(shù)據(jù)的采集和處理自主設計出合理的方案。這對學生提出了較高的要求。因此，人們提出了適合PASCO實驗教學的三個教學要點。

2.1 分階段教學

即在實驗教學過程中應當對學生進行分階段的培養(yǎng)[2-3]。首先，應該讓學生完成基于整合式實驗儀的基本實驗，使學生對基本的物理原理和實驗操作達到一定的熟練度。其次，通過教師講解和演示性實驗，讓學生對組成PASCO系統(tǒng)的傳感器、數(shù)據(jù)接口和平臺軟件的原理、操作方法、連接方式和數(shù)據(jù)分析與計算等有充分的認識。然后，讓學生以分組的方式，每組2～3人為宜，自主完成一些相對簡單的設計性實驗。例如，一些基于簡單物理原理和單一運動模式的驗證性實驗。在這些實驗中，需要的傳感器和待測的物理量較少，儀器搭建簡單，數(shù)據(jù)處理以單變量函數(shù)圖像和數(shù)據(jù)表格為主。接著可以讓學生完成一些固定模式的設計性實驗。在這些實驗中，雖然需要的傳感器較多，儀器搭建較復雜，但學生可以遵循固定的步驟完成。最后，是開放式的設計性實驗。這些實驗是以問題解決為向導，強調實驗儀器整體的功能性。實驗本身沒有固定模式，可以讓學生最大程度地發(fā)揮自由創(chuàng)造精神，自主選擇所需傳感器和搭建方式，并對測量數(shù)據(jù)進行深度處理。相對于傳統(tǒng)的實驗報告方式，開放性的設計性實驗應當結合完整的研究報告甚至是研究論文來完成。

2.2 小班化教學

PASCO實驗系統(tǒng)的特點決定了它比較適合少量學生進行探究式的自主式學習，而不是全體學生的分組實驗。因此可將其定位為選修式的開放式課程。對物理有濃厚興趣的，在基礎的大學物理理論課和實驗課程中表現(xiàn)優(yōu)異的學生可選修此課程。對于這一部分學生，可以給予一定的獎勵，例如學分和證書。

2.3 學科競賽

對于選修基于PASCO平臺設計性物理實驗課程的學生，應鼓勵他們參加相關學科競賽，以達到對教學效果的檢驗，同時進一步提升學生的自主創(chuàng)新能力和實踐動手能力。物理實驗作品競賽特別適合大學本科低年級學生，它強調學生在實驗作品制作中應用物理原理，對作品的電子集成度和實際用途要求不高。學生在制作出基礎的物理實驗作品后，后期可繼續(xù)加工并參加更高級別的比賽。

3 基于P AS CO平臺的實驗舉例

3.1 驗證性實驗：布儒斯特角

布儒斯特角實驗的物理原理較為簡單，但學生需要自己動手搭建光路，包括光學導軌、激光光源、偏正光具、轉動傳感器、高靈敏光傳感器等。在該實驗中，學生不但可以驗證布瑞斯特定律，還可以測量待測透明物質折射率。布儒斯特角實驗裝置連接圖如圖1所示。該實驗有固定的實驗步驟，學生可按說明書一步步搭建實驗裝置，并按要求完成一系列測量并回答預先設計好的問題[1]。

圖1 布儒斯特角實驗裝置連接圖

3.2 探索性實驗：樂器發(fā)聲

樂器的發(fā)聲是一個迷人的話題。不同的樂器可以發(fā)出頻率相同的聲音，但卻能被人耳清晰的區(qū)分。其物理本質是什么？這樣的開放性問題于PASCO系統(tǒng)實現(xiàn)起來很簡單。只需一支聲強傳感器，將不同樂器的發(fā)聲轉化成電信號，通過數(shù)據(jù)接口，顯示在CAPSTON軟件上。如圖2所示是不同樂器發(fā)出相同頻率聲音時的聲強隨時間變化譜線，可以看出兩種樂器發(fā)出的都是由多種頻率疊加在一起的混合波。兩種波的最小頻率相同，對應周期約為3毫秒，頻率為333赫茲。但是兩種波的高頻部分完全不同，可以明顯看出第一種聲波具有更多的高頻組分。同時可以看出，兩種波的低頻部分的振幅較高，高頻部分的振幅較小。最終被人耳感知的時候就表現(xiàn)為聲調相同，但音色不同。

圖2 不同樂器發(fā)聲圖

4 結語

與傳統(tǒng)實驗儀器相比，基于PASCO實驗平臺的物理實驗在儀器的選擇、實驗的搭建、測量的多樣化和自動化以及數(shù)據(jù)處理的數(shù)字化等方面具有明顯的優(yōu)勢，它讓物理實驗儀不受單一的實驗目的所限制，而是盡可能地讓各種傳感器在不同物理實驗中通用，配合統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口和處理軟件，從而在成本和功能上達到效益最大化。更為重要的是，PASCO物理實驗有利于培養(yǎng)學生探索精神，有利于提升學生的實踐動手能力，并為培養(yǎng)新型應用型人才發(fā)揮重要的作用。