大學實驗物理教學中的課程思政探討
——以固體密度測定為例

曹京曉，唐苗苗，李秋澤，李新忠

（河南科技大學物理工程學院，河南 洛陽 471000）

0 引言

對理工科大中專院校來說，大學實驗物理課程是獨立設置的必修基礎課程。通過該課程的學習，大一、大二學生可以得到初步系統化的實驗方法和實驗技能的訓練，夯實科學實驗訓練的重要基礎。因此，大學物理實驗課程的教學改革和思政探討在課程建設和學科建設中愈發重要[1-5]。本文以大學實驗物理課程中固體密度測定實驗為例，從實驗目的、基本測量工具的介紹方面融入思政元素。進行局部分層次教學方案設計的改革嘗試，以期實現學生個性化的學習目標。學生選擇適合自身的數據分析方案，完成實驗任務，提高解決實際問題的能力，體驗創新性地戰勝困難的成就感和滿足感，增強專業學習的自信心。

1 實驗目的的介紹

固體密度測定實驗的設計主要考慮到密度是物質的基本屬性之一，與物質的純度有關，在工業上通過對物質密度的測定做成分分析和純度鑒定[6]。該實驗作為基礎物理實驗之一，其目的不單是測量物體的密度。我們還希望學生學會規范使用基本測量工具，養成嚴謹的態度。這是理工科學生應具有的“科學精神”和“工匠精神”[1]之一。數據處理是本實驗的重點和難點，希望學生通過數據分析加深對不確定度的理解，學會科學分析數據的方法,激發學生強烈的好奇心和創新性地解決問題的熱情[2-3]。

2 基本測量工具的介紹

2.1 關于物理天平

隨著技術的發展，人們發展了很多測量物體質量的工具，例如桿秤、磅秤、案秤、臺秤公斤稱、托盤天平、物理天平等。建議學生通過網絡查閱資料了解物體質量的測量工具的設計原理及使用方法，體會人類文明發展的獨特魅力。

大部分學生對物理天平的工作原理是比較熟悉的。通過對物理天平的最大稱量、感量和靈敏度等性能參數的介紹向學生說明物理天平的讀數規則。針對物理天平的使用，詳細介紹其非工作狀態和工作狀態及使用之前的調平操作方法。提醒學生在測試過程中物理天平要“常止動”。即取放物體、加減砝碼、撥動游碼、調節平衡螺母前及使用完畢后，必須轉動制動旋鈕，止動天平，使橫梁靜放在制動架上，避免刀口受沖擊而損壞，同時防止刀口離開刀口墊使橫梁掉下。只有在判斷物理天平是否平衡時才啟動天平。完成全部稱量后將物理天平的秤盤摘離刀口。即將物理天平恢復到非工作狀態[7]。

同時向學生明確提出：有更精密、操作更簡單的儀器測量物體的質量，例如電子秤等。為什么還要學習規范使用物理天平呢？因為我們希望通過物理天平的使用培養學生認真謹慎的科學態度和規范操作的習慣。這是合格的理工科學生應具備的優秀品質和素養。

2.2 關于游標卡尺和螺旋測微器

游標卡尺和螺旋測微器對學生來說是比較陌生的。通過向學生介紹游標卡尺的由來，使學生了解一般認為法國數學家維尼爾·皮爾在1631年發明的。但是1992年5月揚州市邗江區甘泉鎮出土的東漢原始銅卡尺早于歐洲的游標卡尺1600多年[6]。這一發現極大增強了中國人的民族自豪感，激勵學生勇攀科技高峰的信心。

針對游標卡尺和螺旋測微器的設計原理和讀數規則，提醒學生游標卡尺是利用主尺和游標上每一分格之差，使測量精度得到進一步提高。即對于10分游標卡尺，分度值是0.1mm；對于50分游標卡尺，分度值是0.02mm；對于100分游標卡尺，分度值是0.01mm……相比于游標卡尺，測微螺桿上的螺距為0.5mm，與測微螺桿連成一體的微分套筒圓周上均勻刻50分格，旋轉一分格對應0.01mm[7]，即分度值為0.01mm。啟發學生思考：如何進一步提高測量工具的精度？在主尺上加一個副尺便可提高測量精度，那么在第一級副尺上加第二級副尺且第二級副尺的最大量程對應于第一級副尺的分度值，則測量精度可以進一步提升。通過這樣的教學設計，學生對測量工具的原理和使用方法有很清晰的認識，體會到人類在研究未知上不斷探索的無畏精神。

尤其需要提醒學生注意：游標卡尺和螺旋測微器在使用之前要進行校準，否則會造成實驗中本可以避免的誤差。儀器校準的操作使學生領悟嚴格要求、精益求精的工匠精神。

3 分層次處理數據的方案設計

數據處理是本實驗訓練的重點和難點。關于不確定度的理解，建議學生類比誤差的概念，區分直接測量量（質量、與體積有關的線度）的不確定度與間接測量量（密度）的不確定度之間的聯系和區別。根據學生特點，提供以下四種方案：

（1）通過C語言或Python語言環境編程處理實驗數據。此方案對計算機編程能力要求很高，激發學生挑戰困難的勇氣和創新熱情，提高創新性地解決實際問題的能力。

（2）通過Matlab或Mathematic等數學軟件編寫命令完成數據處理。此方案對編程能力要求略微低一些，但仍需要學生有較高的學習熱情和好奇心。學生要有較強烈的意愿用全新的方法解決實際問題。

（3）通過Excel軟件處理相關數據，完成實驗數據的分析。此方案使學生能夠利用常用的辦公軟件處理數據，對其自學能力和使用軟件解決實際問題的能力要求較高。

（4）按傳統的方法處理數據。此方案所需時間較長，要求學生在處理數據的過程中認真、細心，培養堅韌、不向困難屈服的品質。

4 關鍵程序源代碼舉例

4.1 C語言代碼舉例

4.2 Python語言代碼舉例

5 總結

從學生提交的實驗報告來看，學生認可分層次數據處理教學方案的設計。學生根據自身的實際情況選擇適合自己的方式解決遇到的實際問題，學習積極性和熱情高漲。通過創新性地處理數據，他們獲得很強的成就感和專業自信感。大部分學生通過本次實驗學到了認真、嚴謹的科學實驗態度，創新性地解決實際問題的能力得到一定的提高。