物理實驗教學(xué)策略的優(yōu)化

摘 要：“大學(xué)物理實驗”課程是高校理工科專業(yè)的基礎(chǔ)性必修課程，該課程要求學(xué)生了解物理學(xué)科的基本概念和方法，通過操作各類物理實驗儀器，獲得實驗數(shù)據(jù)，完成實驗項目，并對實驗數(shù)據(jù)進行計算和分析。該課程以理論結(jié)合實踐的方式，在培養(yǎng)大學(xué)生的實踐動手能力、科學(xué)探索精神方面起著重要作用。本文簡要分析了大學(xué)物理實驗教學(xué)目前的問題，并通過真實教學(xué)案例——波耳共振實驗，嘗試探索優(yōu)化大學(xué)物理實驗的教學(xué)策略，使學(xué)生可以更好地理解實驗、挖掘?qū)嶒灐Ｍㄟ^物理實驗教學(xué)策略的優(yōu)化，以期提高課程教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：物理實驗；教學(xué)策略；波耳共振

中圖分類號：G642

Abstract：The college physics experiment course is a fundamental and compulsory course for science and engineering majors in universities.This course requires students to understand the basic concepts and methods of physics，obtain experimental data by operating various physics experimental instruments，complete experimental projects，and calculate and analyze experimental data.This course plays an important role in cultivating college students' practical skills and scientific exploration spirit by combining theory with practice.This article briefly analyzes the current problems in college physics experiment teaching，and attempts to explore and optimize teaching strategies for college physics experiments through a real teaching casePohl resonance experiment，so that students can understand and explore experiments better.By optimizing the teaching strategy of physics experiments，we aim to improve the quality and effectiveness of course teaching.

Keywords：Physical experiments；Teaching strategies；Pohl resonance

“大學(xué)物理實驗”課程是理工類大學(xué)生的一門通識性課程，通過此課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可熟悉實驗操作的基本步驟和一般性的數(shù)據(jù)分析要求，對高年級的相關(guān)課程學(xué)習(xí)和科學(xué)思維的培養(yǎng)具有重要意義［1］。如何在課堂有限的時間內(nèi)，最大程度地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生對實驗課程的興趣，把學(xué)生領(lǐng)進實驗的大門，是高校教師面臨的一項難題。本文以波耳共振實驗課程教學(xué)為例，討論“大學(xué)物理實驗”課程教學(xué)的方法和策略。

1 大學(xué)物理課堂教學(xué)現(xiàn)狀

“大學(xué)物理實驗”是大多數(shù)理工科在讀期間接觸的第一門實驗課程，該課程能夠培養(yǎng)學(xué)生基本的實驗?zāi)芰Γ歉吣昙墝嶒炚n程的基礎(chǔ)。目前大學(xué)物理實驗的課堂教學(xué)存在著一些問題。

首先，教師的授課手段較為單一，傾向于單調(diào)的板書講解，偏重于理論灌輸，缺乏實踐教學(xué)，大量的理論公式推導(dǎo)，讓學(xué)生們覺得物理實驗枯燥無味，降低了學(xué)生們學(xué)習(xí)的興趣。

其次，學(xué)生受功利性的驅(qū)動，學(xué)習(xí)物理實驗課程僅以及格獲得學(xué)分為目的，實驗中被動地完成規(guī)定的動作，對于實驗不去做深入的思考和探究，實驗課程就是走過場，以至于期末結(jié)束后對做過的實驗也基本遺忘了。

如何上好物理實驗課，讓學(xué)生感興趣，愿意去動手操作，深入分析，讓學(xué)過的知識能在腦中留痕，是一線教師需解決的問題。

2 波耳共振實驗教學(xué)設(shè)計

本實驗的教學(xué)中，教師首先給學(xué)生安排預(yù)習(xí)任務(wù)，準(zhǔn)備好該實驗的相關(guān)知識，并提出一個小問題，引導(dǎo)學(xué)生去查找相關(guān)知識，引起學(xué)生的興趣；課堂教學(xué)過程中，教師逐步講解實驗儀器的構(gòu)成和工作原理，以及理論公式中各個部分與實際運動之間的聯(lián)系，以及儀器的具體操作步驟；實驗的基本操作完成后，仍有相關(guān)變量的變化，會引起數(shù)據(jù)結(jié)果的演變，因此繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生做進一步探究，完成深入測量，加深對實驗的理解。

預(yù)習(xí)階段，教師提前一周給學(xué)生布置預(yù)習(xí)任務(wù)：學(xué)生了解波耳共振儀的組成和運動原理，了解振動的運動特點，回顧微分方程的解法，并查找資料，回答問題：此“波耳”是那位量子力學(xué)的奠基人、諾貝爾物理學(xué)獎得主“玻爾”嗎？

圖1 波耳共振儀

實驗課程中，學(xué)生觀察實驗儀的結(jié)構(gòu)［2］，如圖1所示，教師逐個講解其組成部件及擺輪是如何運動的。銅制圓形擺輪安裝在轉(zhuǎn)軸上，與蝸卷彈簧相連，可做繞軸運動，此為自由擺動；擺輪的下方安裝有電磁鐵線圈，當(dāng)電磁鐵通電時，擺輪在磁場中運動，此為電磁阻尼運動；搖桿的右端連接至電機，電機轉(zhuǎn)動時，帶動搖桿擺動，通過蝸卷彈簧傳遞至擺輪，此為受迫運動。

根據(jù)儀器的組成，教師引導(dǎo)學(xué)生探究擺輪的受力情況：當(dāng)擺輪自由振動時，蝸卷彈簧發(fā)生形變，擺輪受到的彈性恢復(fù)力矩與振幅成正比，為-kθ，符號表示力矩的方向；阻尼運動時，電磁阻尼力矩與運動速度成正比，為-bdθ/dt，符號表示力矩的方向；受迫外力矩為電機所施加，與擺輪振幅無關(guān)，為M0cosωt。

根據(jù)以上的運動受力分析，由轉(zhuǎn)動狀態(tài)下的牛頓第二定律可列出擺輪的運動方程：

Jd2θdt2=-kθ-bdθdt+M0cosωt（1）

此時學(xué)生根據(jù)預(yù)習(xí)時回顧的二階微分方程的解法，完成知識的遷移，求解擺輪的運動方程。

其解為：

θ=θ1e-βtcos（ω1t+α）+θ2cos（ωt+φ）（2）

式（2）中，第一項表示阻尼振動，經(jīng)過一段時間后衰減消失；第二項為穩(wěn)態(tài)解，說明振動系統(tǒng)在強迫力作用下，經(jīng)過一段時間后即可達到穩(wěn)定的振動狀態(tài)。

將穩(wěn)態(tài)解θ=θ2cos（ωt+φ）代入式（1），解得穩(wěn)定受迫振動的幅頻特性及相頻特性表達式為：

θ2=m（ω20-ω2）2+4β2ω2（3）

φ=tan-1-2βωω20-ω2（4）

到此，學(xué)生可以理解，擺輪看似復(fù)雜的運動，仍為基礎(chǔ)定律——牛頓第二定律的應(yīng)用，按照微分方程求解，即可解出最終的運動方程。這一步很重要，大部分看到滿黑板公式就心生退卻的學(xué)生，他們內(nèi)心把物理公式想象得太復(fù)雜了，其實分解一下，只是基礎(chǔ)定律的應(yīng)用。明白了這一點，物理就不再那么復(fù)雜無趣了。

同時，教師結(jié)合科技史講解此實驗儀器的來歷，回答預(yù)習(xí)時留給學(xué)生的問題，增進學(xué)生對實驗的興趣，激發(fā)其科學(xué)文化觀。該裝置是由德國實驗物理學(xué)家羅伯特·維查德·波耳（Robert Wichard Pohl，1884—1976）發(fā)明，而非丹麥哥本哈根學(xué)派物理學(xué)家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr，1885—1962）。與丹麥玻爾同時代的德國波耳同樣是一位物理學(xué)大師，先后5次被提名諾貝爾物理學(xué)獎［3］。波耳在物理教學(xué)方面有著很深的造詣，獲得了物理教師界的最高榮譽——奧斯特獎?wù)拢∣ersted Medal）。他十分重視物理實驗儀器的研究，開發(fā)了許多物理演示實驗儀器，本實驗采用的裝置——波耳擺（Pohl’s Pendulum）正是他在教學(xué)儀器研究方面的精彩案例。

3 實驗的進一步探究

在此實驗中，大部分教材一般規(guī)定完成自由振動、某個固定電磁阻尼系數(shù)和受迫振動的測量，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制某個固定電磁阻尼系數(shù)下的幅頻特性和相頻特性曲線。該實驗儀有多個不同的電磁阻尼擋位，當(dāng)阻尼的大小變化時，幅頻特性和相頻特性曲線又會怎樣演化呢？教師可引導(dǎo)學(xué)生做進一步的探究。

三種不同的阻尼系數(shù)記為β1、β2、β3。調(diào)整實驗儀的三個不同阻尼擋位，先測定阻尼系數(shù)的大小。在阻尼狀態(tài)下，擺輪的振幅迅速降低，記錄10個連續(xù)的擺輪幅值，采用式（5）計算阻尼的大小。

lnθ1θn+1=lnθ0e-βtθ0e-β（t+nT）=nβT（5）

具體計算，取n=5，（θ1，θ6）、（θ2，θ7）、（θ3，θ8）、（θ4，θ9）、（θ5，θ10）為計算分組，取對數(shù)分別計算后再以其平均值計算β。周期T取10次振動的平均值。

每種阻尼狀態(tài)下測量3次，計算每次的阻尼系數(shù)，取平均值，由表1～表3，可得到β1=0.0590/s、β2=0.0637/s、β3=0.0688/s。可見β1、β2、β3基本為線性增加的關(guān)系。

在每種阻尼狀態(tài)下，改變驅(qū)動電機的速率，測量擺輪振幅θ，并計算相位差φ。在還未達到共振時，電機調(diào)速旋鈕每增加1/2圈或者1圈，測量記錄一次；在共振點附近時，因曲線較為陡峭，為保證精度，增加測量密度，電機調(diào)速旋鈕每增加1/4圈，測量記錄一次。

由表4～表6得到幅頻特性和相頻特性曲線，見圖2～圖3。不同阻尼系數(shù)下的幅頻特性曲線，共振時的頻率點基本保持一致，隨著阻尼系數(shù)的減小，曲線峰值點的高度增加，說明阻尼系數(shù)對共振幅度的影響越來越小。不同阻尼系數(shù)下的相頻特性曲線，當(dāng)發(fā)生共振時，擺輪落后于電機的相位都表現(xiàn)為π/2，但三條曲線之間的區(qū)分度并不是很大。學(xué)生完成此繪圖后，進一步加深了對共振現(xiàn)象的理解，并可以發(fā)現(xiàn)部分教材和文章中的圖示并不完全準(zhǔn)確，這些教材中的手繪曲線，與實際情況有一定差距［45］。

結(jié)語

作為理工科的基礎(chǔ)課程，大學(xué)物理實驗對后續(xù)的實驗學(xué)習(xí)起到領(lǐng)路人的作用，如何上好這門課，培養(yǎng)好學(xué)生的興趣，提高他們的科學(xué)素養(yǎng)，是一線教師面臨的挑戰(zhàn)。本文簡要指出了該課程教學(xué)過程中的一些問題，并以波耳共振實驗教學(xué)為例，對如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生思考，做到理論與實踐相結(jié)合，如何對實驗項目做深入探究，進行了討論。本文希望能夠為教師提供參考，提升教學(xué)的有效性，激發(fā)學(xué)生對物理學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生對知識的探索能力。

參考文獻：

［1］孫琳，王錦仁，郭俊梅，等.應(yīng)用型本科院校大學(xué)物理實驗課程教學(xué)改革策略研究［J］.教師，2024（04）：105107.

［2］趙慧華，李明達，羅鍛斌.利用玻爾共振儀研究受迫振動實驗中的若干問題討論［J］.大學(xué)物理實驗，2020，33（02）：1821.

［3］劉超卓.固體研究先驅(qū)，物理教學(xué)典范：記德國科學(xué)家波耳［J］.物理，2023，52（01）：6568.

［4］徐永祥.大學(xué)物理實驗［M］.北京：科學(xué)出版社，2021：6271.

［5］張倫，張雷.大學(xué)物理實驗［M］.合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2021：4155.

基金項目：北京交通大學(xué)教學(xué)改革項目（911011522）

作者簡介：玄大悅（1983— ），男，漢族，山東威海人，碩士研究生，實驗師，主要從事大學(xué)物理實驗教學(xué)和實驗室管理工作。