依托競賽平臺論培養學生創新精神和實踐能力的過程
——以物理實驗參賽項目“多功能單擺演示儀制作”為例

文/羅春梅

大學生物理實驗競賽是學生展示自己學習成果和實踐能力的重要平臺。本文以“多功能單擺演示儀的制作”參賽項目為例，闡述教師如何在參賽過程中，通過開展組織團隊、獨立思考、設計實驗方案以及展開實驗操作和數據處理等一系列科學研究活動，旨在培養學生的創新精神和實踐能力。

在當今社會，創新能力和實踐能力成為各行各業對人才的重要要求。大學生物理實驗競賽作為一個重要的平臺，為大學生提供了可以展示自己所學知識和實踐技能的機會。本文以“多功能單擺演示儀的制作”物理實驗參賽項目為例，分析了依托競賽平臺培養學生創新精神和實踐能力的具體過程。

開展大學生物理實驗競賽的目的在于，進一步激發我國大學生對物理學及其實驗課程的學習興趣和潛能，旨在讓學生通過參與實踐與競賽來提升自身的創新精神和實踐能力，強化團隊協作意識和綜合素質。這種“競賽搭臺，教學唱戲”的創新模式有助于不斷深化我國高校物理實驗教學改革，著力提高物理實驗的教學質量和高素質創新型人才的培養質量。大學生物理實驗競賽（創新）分為國賽和省賽兩個級別，在“多功能單擺演示儀制作”這一參賽項目上，遼寧省遼東學院物理專業的學生分別獲得過省賽一等獎、國賽三等獎的好成績。

本文主要以物理實驗參賽項目“多功能單擺演示儀的制作”為例，闡述如何通過組織團隊、獨立思考、設計實驗方案，以及展開實驗操作和數據處理等一系列科學研究活動，旨在培養學生的創新精神和實踐能力。

一、多功能單擺演示儀的制作過程

（一）多功能單擺演示儀制作方案的誕生

一方面，參賽隊成員一致認為參與大學生物理實驗競賽是一個很好展示自己的才華和實力的機會，可以激勵自己主動學習和探索，激發自身對物理學科的興趣和熱情。另一方面，因多功能單擺演示儀既可以測量重力加速度，又可以進行實驗演示，所以團隊成員經過反復討論后決定將“多功能單擺演示儀的制作”作為參賽項目。

課題目的：設計一種測量重力加速度的實驗方法和實驗裝置。

課題要求：設計實驗方案，突出設計涵蓋的物理思想、原理的科學性以及設計方法和技術方面的創新性。

（二）跨專業組建創作團隊

在競賽過程中，學生跨專業組成團隊，團隊成員有擅長機械制作的，有擅長電機操作的，有擅長編程的，均具備共同完成實驗的設計、搭建和數據分析、實驗任務的協調合作意識與能力。

（三）多功能單擺演示儀的設計思想

1.單擺的工作原理

把一個金屬小球拴在一根細長的線上（見圖1），如果細線的質量比小球的質量小很多，而球的直徑又比細線的長度小很多，則此裝置可看作是一根系住其中一個質點且不計質量的細線，此裝置就被稱為單擺。略去空氣的阻力和浮力以及線的伸長等因素，在擺角很小時，可以認為單擺在做簡諧振動，其振動周期T 的運算公式為：

式中，l是單擺的擺長，即從懸點O 到小球球心的距離；g是重力加速度。因而，單擺周期T只與擺長l和重力加速度g有關。因此，如果能精確地測量出單擺的l和T，也就能精確地測量出重力加速度g。

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實驗室現有的利用單擺測量重力加速度的實驗設備，優點是測驗結果比較準確，缺點是在測量擺長時使用的工具是卷尺，容易降低測量精度，不適用對研究周期的影響因素進行測量。

2.單擺實驗裝置所需條件

（1）測量精度要高。

讀取擺長：通過步進電機（旋轉角度電機）帶動傳動帶，總擺線長度減去步進電機帶動傳動帶移動的距離即為擺長。因此，通過調整步進電機帶動傳動帶移動的距離，就可以獲得不同的擺長，傳送精度可達到0.015mm。

讀取周期：擺球起擺后，PLC系統可獲得經過光電開關的時間間隔，并精確到1ms。

（2）設計要有創新性。

單擺既可以作為測量裝置，亦可以作為演示儀使用。因此，液晶顯示屏需要顯示擺長、周期及重力加速度數值。另外，通過在屏幕上設置功能鍵，操作人員可以手動設置擺長數值，也便于系統隨著步進電機的轉動自動讀取擺長，然后通過程序運算在屏幕中顯示出重力加速度的數值。

（四）多功能單擺演示儀的制作流程

1.確定方案

團隊成員通過獨立思考和討論，結合物理原理和創新思想，設計出一種利用單擺裝置測量重力與加速度的實驗方案。考慮到實驗裝置需要具備穩定性、準確性和可操作性，團隊成員通過不斷的修改和改進，最終確定了最佳的實驗方案。多功能單擺演示儀由鋁型材外架、步進電機、滑臺模組3D 打印懸點夾緊裝置、量角器、擺球、擺線、光電對射開關、PLC、觸摸屏等組成。

2.分工協作進行制作

（1）搭建鋁型材外架、3D 打印懸點夾緊裝置。

（2）購置設備元件，進行組裝（正視圖和側視圖見圖2、圖3）。

（3）操作“向上”“向下”按鍵，使系統自動讀取擺長，然后再經程序運算，使屏幕顯示出周期、重力加速度數值（見圖4），并通過演示擺長對周期的影響，展示演示儀的演示功能。

（4）通過操作“GO”按鍵，操作人員可以手動輸入擺長，再經程序運算，使屏幕顯示出周期、重力加速度數值，展示演示儀的測量功能

擺長距離可以通過步進電機旋轉帶動滑臺的向下運動發生改變，步進電機的轉動精度需達0.015mm；擺球起擺后，經過光電開關的時間間隔可由PLC 系統自動獲得，可以精確到1ms，并能測量多次間隔時間。這種手動計時的流程對測量的精度要求較高。多功能單擺演示儀可以快速改變擺長，并且獲得精確數值，也可以使整個板塊的實驗操作更加方便。

二、創新點

（1）采用了滑臺模組（傳送帶、滑塊等）。總擺線長度確定后，步進電機（旋轉角度電機）帶動傳動帶，能夠改變3D 打印懸點夾緊裝置位置，從而獲得不同擺長。其中，滑臺模組由步進電機、傳送皮帶、無聲導軌組成，傳送精度可達0.015mm。

（2）懸點夾緊裝置采用工業級3D 打印技術，在不影響擺線張力的同時，能夠夾緊擺線，從而獲得擺長數據，并且可以實現無障礙上下移動，從而能夠精準測量出任意擺長的數據。

（3）液晶顯示屏可以顯示擺長、周期及重力加速度數值。在屏幕上設置功能鍵，既便于手動設置擺長數值，也便于系統隨著步進電機轉動自動讀取擺長。經系統程序對擺長數據展開運算，最后在屏幕中顯示出重力加速度數值，多功能單擺演示儀既可以作為測量裝置，亦可以作為演示裝置的雙重使用目的。

三、學生綜合素養的提升成果

通過參與多功能單擺演示儀的制作過程，學生綜合素養得到了顯著提升，具體如下。

1.創新思維能力

學生在制作過程中需要應用所學的知識，結合實際情況，尋找解決問題的新方法和新思路，設計出具有創新性的實驗方案和裝置，從而有效提升自身獨立思考和創新能力。

2.團隊合作能力

團隊成員通過合作完成實驗的設計、制作和數據處理等任務，使自身相互配合、協調工作的意識以及團隊合作能力得到強化。

3.實踐能力

通過多功能單擺演示儀的制作，團隊成員分析問題、解決問題與實踐操作的能力得到了良好鍛煉。

四、結語

多功能單擺演示儀的制作展示了學生如何開展組織團隊、獨立思考、設計實驗方案，以及展開實驗操作和數據處理等一系列科學研究活動的具體過程。由此可見，依托競賽平臺，學生能夠通過參賽項目的開展來顯著提升自身創新精神和實踐能力。