自制物理实验仪器的探索与实践

李 斌，谭 鹏，陈国杰，谢嘉宁

（佛山科学技术学院 光电子与物理学系，广东 佛山 528000）

物理学是一门以实验为基础的学科，实验教学既是理论学习的外延，是对知识的探索过程，又是培养学生实践能力和创新能力的重要手段，而实验仪器又是实验教学的重要工具。市场上现有的实验教学仪器不仅价格昂贵，而且这些实验仪器不易改进，不能完全及时满足实验教学的需要。针对这种现状，我校鼓励教师根据实验教学情况进行实验仪器的自行研制。物理实验教学中心的教师根据实验教学需要自制了一批实验教学仪器，在实验教学中受到了一致好评，并成为省级实验教学示范中心的一大特色。本文结合本中心自制实验仪器的工作实践，谈谈自制物理实验仪器的看法和体会。

1 自制实验仪器的必要性与可行性

随着社会对高校人才培养质量要求的提高，实验教学体系与教学内容应该不断创新发展，实验教学仪器必须与实验教学体系、实验教学内容相配套［1］，而仪器厂家的成套设备不能满足创新发展的需要，因此需要自制实验仪器来加以补充。随着电子技术的发展，仪器厂家生产的实验教学仪器越来越智能化、集成化，同时也越来越封闭，导致生动的物理思想和实践环节被先进的仪器掩盖，这种高度智能化的仪器不利于锻炼学生的动手、动脑的能力，因此需要自制实验仪器来克服这种缺点。同时，随着科学技术的发展与产业的调整，一些原有的实验方法与手段已不再适用，学生对一些新科技、新知识有强烈的求知欲，而市场上的仪器设备不可能紧跟科技发展的需要，因此根据实验教学要求自制实验仪器显得尤为重要。

另外，高校拥有一大批理论知识过硬、技术水平较高的教师与实验技术人员，他们通过与学生交流，了解学生的要求和兴趣，了解学生在实验中遇到的问题和难点，他们知道仪器哪些部位容易损坏，以及哪些仪器有利于学生能力的提高等，这些有利条件为教师有针对性地自制符合实验教学需要的仪器设备提供了基础。

再有，各高校都在大力提倡自制实验仪器，每年都会有一定的资金投入，这就为自制仪器提供了资金保障。因此在高校自行研制实验仪器具有可行性。

2 自制物理实验仪器举例

2.1 改正传统仪器的缺陷，自制稳定可靠的实验仪器

有些传统的物理实验仪器设计本身存在一定的缺陷，严重地影响了实验教学。例如，传统的液体黏滞系数测量仪存在如下缺陷：钢球由人工释放，下落时很容易偏离黏滞液体量筒的中心轴线，测量精度低，甚至由于钢球偏离轴线不能挡光而使光电门计时失败；落入液体的钢球堆积在量筒内，需要拿出清洗后才能重复使用；学生做该实验时成功率低，误差较大，油污大，操作比较麻烦。为此，我们设计了一种用磁铁释放拾取钢球的液体黏滞系数测量仪（见图1）。在传统实验装置的基础上增设了钢球吸持磁铁、引导器、收集槽、搁板和钢球释拾器等部分。磁铁释放和拾取钢球保证了钢球沿量筒的中心轴线下落。钢球收集槽由量筒斜曲底部和量筒壁组成，钢球能自动滚落到量筒同一侧的内壁边缘，便于用磁铁拾取，而且钢球可免清洗，可重复使用［2］。我们自制的测量仪测量准确，实验重复性好，操作简单方便，无油污，稳定可靠，投入使用后受到了师生的一致好评。

图1 液体黏滞系数测量仪

2.2 克服自动化高的缺点，自制能揭示物理本质的实验仪器

现在国内外的教学仪器的自动化程度越来越高，也越来越封闭，计算机控制和数据处理也逐渐融入到实验仪器中。但是，这样的先进仪器掩盖了大部分物理本质，实验内容就只是测几个数据而已，导致学生的实践能力得不到提高。例如，铁磁材料的动态磁滞回线常用示波器或微机来测量。由于磁滞回线是一条连续的封闭曲线，从磁滞回线本身不能直接看出它的形成过程和绕行方向，也不能直接显示初始磁化曲线和磁滞回线，并且从示波器读取剩磁、矫顽力等数据误差较大，自动化程度高，不利于学生实践能力的培养。针对这种情况，我们研制了一种动态智能磁滞回线实验仪（见图2），用单片机采集和处理数据，用点阵液晶（LCD）显示曲线，除了像示波器一样能连续测量磁滞回线外，还能按设置步长、离散测量磁滞回线和初始磁化曲线，从而揭示磁滞回线的形成过程和特征。LCD显示的磁滞回线可通过按键放大或缩小，可移动光标逐点读取各点的磁场强度和磁感应强度，大大提高了测量精度［3］。在使用过程中，学生可以采用连续和离散两种方式测量动态磁滞回线和初始磁化曲线，物理过程非常清晰，这样大大增强了学生的实验兴趣，提高了实验教学质量。

图2 智能磁滞回线实验仪

2.3 结合地方产业特色，自制先进的实验仪器

图3 大功率LED特性测量仪

我校地处经济发达的珠三角地区，佛山市的LED电光源企业发达，拥有国家级光伏产业基地和广东省首个太阳能产业基地。我们结合地方的产业特色，开发了“大功率白光LED特性测量”实验，市面上还没有符合该实验项目要求的实验仪器。我们根据实验需求，研制了大功率LED温度特性测量仪（包括LED数控恒流、恒压电源）见图3。它采用半导体元件加热或制冷，用贴片式pt100测量温度，用亮度传感器测量光强，它具有恒温和测温快、测量准确、效率高、操作便捷等优点［4］，填补了国内空白。实验时学生可以实时地测量大功率白光LED在恒流驱动与恒压驱动下，温度对光强、发光效率、电压、电流等光电特性的影响，通过比较恒流驱动与恒压驱动时温度特性的异同，揭示LED的物理特性。通过自制该仪器，在物理实验中引入有当代“绿色照明光源”之称的大功率LED的实验，也开拓了学生的视野，激发了学生的学习兴趣。

2.4 与实际应用相结合，自制应用型实验仪器

随着实验教学改革的推进，要求实验教学内容应该与科研、工程等实际应用相结合，而且学生对应用性实验非常感兴趣。例如，根据“绿色照明”的发展要求，我们开发自制了基于DALI和RS485总线的节能照明控制系统（见图4），该系统既能满足人们日常生活中对于室内照度的需求，又能最大限度地利用室外的自然光照，达到节约能源的目的。自制的节能照明控制系统由LED输出模块、调光输出模块、开关输出模块、无线发射与接收模块、电源输出模块、通信模块、LED面板、灯光展示板（常用的光源，如白光LED灯炮、LED灯管、小型无极灯、0～10V整流器一拖二2个、节能灯1个）、主控制箱和配件、面板控制箱和配件、PC软件及相关通信协议等组成。利用该自制仪器能让学生学习常见光源驱动电源的工作原理，学习基于DALI协议的数码调光和0～10V模拟调光，根据环境光的变化进行自适应调光等。该仪器可以开设设计性实验，学生可以通过软件编程来改变设备的设计参数，实现在线动态调光和照明预设场景等功能。该仪器制作成开放式的系统，而不是黑匣子，有助于学生更充分地了解系统的工作原理和掌握相关技术。

图4 节能照明控制系统

3 自制实验仪器的作用

3.1 自制实验仪器，促进了实验教学改革

仪器设备是实验教学的硬件，实验教学改革除了教学体系、教学内容、教学方法与手段等更新外，还依赖于实验仪器设备的更新换代［5］。自制实验仪器是按照实验教学体系、实验教学内容的需要而量身定做的，更能满足实验教学的实际需要，丰富了实验教学内容，它有助于改进实验教学方法和解决教学中的难点、重点。另外，利用自制仪器可以开设综合性、设计性或研究性实验项目。

3.2 自制实验仪器，提高了实验教学质量

教师自制实验仪器的出发点和设计构思是为了学生更好地学习和更好地培养学生的实践能力。自制仪器改正了原有仪器的缺点或缺憾，性能相对稳定，教师在授课时就可以把主要精力放在实验教学上，而无需应付频出的问题。自制的部分仪器能做到与时俱进，实用性强，这对提高学生的学习兴趣、提高实验教学质量都有很大的作用。

3.3 自制实验仪器，培养了学生创新能力

教师在仪器设备的研制过程中，带领学生共同参与。学生参与仪器的研制，使学生在感性上充分理解仪器的构造与功能，在制作过程中通过查找相关材料、寻找解决途径的过程中，培养了学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，也充分发挥了学生的积极性与创造性，培养了学生的创新能力。

3.4 自制实验仪器，提高了实验教师队伍的业务水平

教师在理论上有优势，实验技术人员在加工工艺、结构设计等方面有优势，在每一项自制仪器的研制过程中，教师与实验技术人员通力合作，从前期的调查论证、写出可行性方案，到后期实施期间的采购、制作、安装调试等过程，他们相辅相成、团结协作，从而提高了教师与实验技术人员的业务水平，增长了新的技能，增强了合作能力和凝聚力，使实验教师队伍成为和谐、创新的团队。在自行研制仪器的过程中，教师和实验技术人员不但提高了业务水平，而且积累了成果，如教师和实验技术人员根据研制成果撰写论文、申请专利等，这在晋升和岗位评定中起到重要作用。

3.5 自制实验仪器，推进了实验教学示范中心的建设

通过自制实验仪器，实验室增加了一大批性能可靠、针对性与适用性强的实验教学仪器，满足了综合性、设计性、创新性实验的需要，丰富了实验教学内容，促进了实验教学改革。在研制过程中，使教师的专业水平与科研能力得到提升，使学生的创新能力得到培养。自制实验仪器在持续健康发展中必须有政策、制度、经费等各方面的支持，因而推进了实验教学示范中心的建设。本中心于2004年被评为我校首批实验教学示范中心，2010年被评为广东省高等学校实验教学示范中心。自制的实验仪器成为示范中心的一大特色与亮点。

4 结束语

通过多年的自行研制和开发实验仪器，我们取得了一些成果，研制了智能单摆测量仪［6］、智能夫兰克－赫兹实验仪［7］、光指针式微小位移测量仪［8］、温度传感技术实验仪、多普勒效应实验仪、基于电流天平的微质量测量仪［9］、智能液体黏滞系数测定仪、磁滞回线测量仪、大功率LED温度特性测量仪、LED数控恒流恒流电源［10］、节能照明控制系统、基于LabVIEW平台的重力加速度测量系统［11］等仪器共15项，有的申请了专利，有的填补了同类教学仪器的空白，有的已经被推广到其他高校。这些自制仪器已经全部投入到我校的实验教学中，自制仪器它对促进实验教学改革、提高实验教学质量、丰富实验教学方法与手段、培养学生实践能力和创新能力、提高实验队伍的业务水平、加强实验室建设、促进实验室发展等具有重要意义［12］，也为本中心成为高等学校省级实验教学示范中心起到推进作用。因此，各高校应该建立激励机制，大力提倡和鼓励教师自制实验仪器。

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［1］廖庆敏，秦钢年，蒙艳玫.把自制设备作为实验教学示范中心的特色来建设［J］.实验技术与管理，2010，27（7）：121－123.

［2］陈国杰，张潞英，李斌，等.用磁铁释放拾取钢球的液体黏度测量仪［J］.大学物理，2011，30（1）：42－44.

［3］陈国杰，周有平，李斌，等.基于单片机动态磁滞回线的测量［J］.实验室科学，2010，13（5）：153－155.

［4］陈国杰，周有平，张潞英，等.大功率LED温度特性测量仪［J］.大学物理，2012，31（2）：33－35.

［5］王长远，霍晓奎，刘琦，等.自制仪器对促进教学改革的作用［J］.实验室研究与探索，2012，31（1）：118.

［6］陈国杰.智能单摆测量仪的研制［J］.佛山科学技术学院学报，2001，19（1）：28－30.

［7］陈国杰，徐志民，朱星.智能弗兰克－赫兹实验测量仪的研制［J］.大学物理，2002，21（6）：36－38.

［8］谢嘉宁，黄义清，陈东平，等.光指针式微小位移测量仪［J］.物理实验，2007，27（8）：16－18.

［9］张潞英，曹辉，杜伟港.基于电流天平的微质量测量仪的研究与实现［J］.大庆师范学学报，2007，27（5）：79－81.

［10］陈国杰，余汉铭，李斌，等.大功率白光LED恒压驱动与恒流驱动下温度特性的实时测量［J］.大学物理，2011，30（8）：40－42.

［11］韩定安，曾亚光，陈晓龙，等.基于LabVIEW平台的重力加速度测量系统［J］.实验室研究与探索，2007，26（11）：34－35.

［12］陈发堂，熊慧萍，陈东生.加强自制仪器的研发 实验创新能力的培养［J］.实验室研究与探索，2009，28（2）：41－42.