箱式电位差计实验模块化教学设计探讨

周 娴，潘华锦，张庆海，张 丽

(军械工程学院 基础部理化教研室，石家庄 050003)

箱式电位差计实验模块化教学设计探讨

周 娴，潘华锦，张庆海，张 丽

(军械工程学院 基础部理化教研室，石家庄 050003)

以培养学生的创新意识和实验设计能力为教学目标，探讨了箱式电位差计测电动势实验的模块化教学模式。针对如何在该实验中提炼实验思想和方法，以及培养和锻炼学生独立思考和自主设计能力，分析和阐述了教学内容和教学方法的设计方案。

实验思想；创新能力；模块化教学；教学设计

在实验物理学的发展史中，涌现出了许多有重要里程碑作用的著名实验，它们构思巧妙、方法独到、设计完善。这些实验带给我们的思想和方法远远超越了实验的具体内容。所谓授之以渔而非授之以鱼。在《大学物理实验》的教学中，作为教师应该深入研究教学内容和方法的设计，从具体实验中提炼出实验思想和方法，以达到培养具有创新意识人才的教学目标。

箱式电位差计测电动势实验是大学物理实验中一个非常重要的基础综合性实验，其电路设计和仪器操作在电学实验中具有很强的代表性。本实验的教学目的不单单是要求学生学会箱式电位差计的原理和使用，更重要的是通过本实验的学习，使学生掌握常用控制电路设计等方面的知识和方法，提高设计能力和创新能力。因此，在该实验的教学中，如果只限于课本上的教学内容，学生所学到的知识非常有限。而如果在教学中融入更多的电学知识，提炼出更巧妙的实验思想、方法和技巧，并将教学内容拓展到电位差计的各种应用以及控制电路的设计方面，教学内容就能得到提炼和升华，教学的深度和广度也能得到增加，也就能达到更好的教学效果。因此，完善的教学设计可以使本实验成为提高学生设计能力和创新能力的一个非常好的教学实例。基于以上思想，箱式电位差计测电动势实验在教学方法上可以采用模块式教学，如图1所示，将教学内容模块化并合理地组织起来，形成一个完整的教学单元。

1 基础知识模块

常用仪器和电路设计是电学实验的基本元素。该部分的教学目的是要学生掌握与本实验相关的电学仪器和电路设计方面的基础知识，并合理地进行知识面的扩展。通过常用仪器模块的教学，使学生了解并掌握与实验有关的仪器的结构、性能、使用方法及注意事项。只有在充分了解实验仪器的基础上，才能在实验操作中更好地进行选择和使用。

基于变阻器的控制电路是箱式电位差计原理设计中的一个重要环节，因此有必要先介绍两种常见的控制电路，即限流电路和分压电路，最后结合这两种电路对控制电路的一般设计方法和流程进行分析。控制电路的设计模块是培养和锻炼学生思维能力和设计能力的重要环节，也是基础知识模块教学的重点、难点。

图1 教学模块图

2 箱式电位差计模块

2.1 补偿法原理

箱式电位差计是基于补偿法的原理设计的。补偿法是物理实验中一种重要的测量方法，它通过对引起系统误差的非对称因素进行修正，提高测量精确度。补偿法测电动势的原理如图2所示，在这里作为一个模块进行教学。

图2 补偿法原理

2.2 箱式电位差计

箱式电位差计的原理主要分为校准工作电流和测量电动势两部分。教学中结合如图3所示的原理图，按照图4所示的思路进行讲授。采用提出问题—分析解决问题—引出新问题—分析解决问题的方法，引导学生思考，以倒叙讲解的方式，逐步理顺整个原理脉络。同时，将结构和使用方法介绍穿插到原理讲解中，把原理和实物结合起来，使讲解更形象和直观。

图3 箱式电位差计原理图

图4 原理讲解思路

首先，作为过渡和引题，提出问题1“在补偿法原理中，如何找到一个电动势大小已知且可调的电源E0”。分析得出，用可调电阻代替可调电源的方式来解决，这也是箱式电位差计设计中一个巧妙之处。根据补偿原理，调节Rχ，待测回路达到补偿状态时，Eχ=RχI0。继而引出问题2“Rχ和I0如何测量”。结合箱式电位差计的结构，Rχ转盘的刻度转化为了Eχ，但前提要求箱式电位差计的工作电流标准化。进一步引出问题3“如何校准箱式电位差计的工作电流”。

分析得出，校准工作电流要满足两个条件：(1)Es/Rs=I标，即通过调节Rs来补偿Es随温度的变化;(2)使校准工作电流回路补偿，即Es= RsI0，通过调节Rp实现。至此，所有问题得到解决。在讲解过程中，配合如图5所示的板书流程设计[1_5]。

图5 板书流程设计

2.3 实验思想与设计技巧

采用互动式教学，让学生自主思考箱式电位差计设计中所体现的实验思想和设计技巧，并由教师总结归纳和提炼。本实验中所体现的实验思想和技巧有以下六点：

1)E0的选择。巧妙利用补偿法原理，用可调电阻Rχ代替E0。

2)将Rχ转盘的刻度值转化为Eχ，使测量更加方便。

3)采用校准工作电流回路进行电流校准，既方便又准确。

经过一个月的治疗后,观察组的显效为17例(51.52%);有效人数为13例(39.39%);无效为3例(9.09%)。而对照组的显效为11例(33.33%);有效为14例(42.42%);无效为8例(24.24%)。由此可见,观察组的治疗有效率比对照组治疗的有效率高15.15%,经比较具有统计学意义(P<0.05),如表1所示:

4)E0随温度变化由Rs进行了补偿，避免了由此引起的实验误差，提高了测量精确度。

5)将所有问题转化为较易操作的电阻的调节，即RxRsRp。

6)结构设计上，为了保护检流计，开关K1巧妙地设计成“粗”“细”“短路”三个弹性按钮。

2.4 实验实施

在学生自主实施实验的过程中，教师要起到启发和指导的作用，对于自主完成实验较困难的学生要加强辅导。当学生在实验中遇到问题或实验出现故障时，要鼓励学生自己找答案或故障原因，在其无法解决时要以原理为依据，启发学生对实验中出现的问题和故障进行准确定位。经过引导分析，让学生自己找出解决办法。

3 拓展和设计模块

课堂教学旨在教授学生基础知识、基本实验思想、方法和技能。而作为课外教学活动的拓展，设计模块才是培养学生探索精神和创新能力的主要环节。教师要在课堂教学结束后，设定课外思考题，由学生自主设计实验方案，研究合理的测量实验程序和方法。必要时以科研论文或科技制作的形式进行评比。

课后思考题有以下四点[6_10]：

1)补偿法原理还有哪些应用？如测量干电池的内阻，思考如何设计电路图。

2)箱式电位差计应用广泛，思考如何用它校准电表，测量未知电阻。

3)思考本实验的原理和操作有没有可以改进的地方。

4)了解线式电位差计的原理、结构以及应用。

开放自由的课后拓展和设计模块可以活跃学生的创新思维，理论联系实际，培养其积极主动的探索精神、独立解决问题的能力，同时，又可以增强学生对物理学习的兴趣。

4 结束语

箱式电位差计实验模块化教学设计是学生系统地进行科学实验和能力训练的一个很好的实例。本文教授了相关的基础知识、基本方法、实验思想，进行了基本技能和能力的训练，培养了学生通过探索和研究自主思考、分析并解决问题的能力。

实验教学是一项比理论教学更加复杂、要求更高的教学工作。如何使学生能够在真正灵活运用基础知识的前提下进行科学实验，达到提高能力的目的，还需要实验教学工作者致力于研究实验教学自身独特的教学内容、教学方法，为教育事业贡献自己的力量。

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Discussion on M odular Teaching Design of EXperiment w ith BoX-type Potentiometer

ZHOU Xian，PAN Huajin，ZHANG Qinghai，ZHANG Li
(Physics and Chemistry Section of Basic Department，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China)

With the teaching goal of cultivating creative consciousness and ability of designing experiments of students，the modular teachingmode ofmeasuring electromotive force experimentwith box-type potentiometer has been discussed in this paper.The designing project of teaching content and method has been analyzed and expounded particularly to abstract experimental idea and method，cultivate and exercise the students'ability of considering and designing independently of students in the experiment.

experimental idea;creative ability;modular teaching;teaching design

TM93；G643.423

A

10.3969/j.issn.1672_4550.2014.01.004

2012_12_16

军械工程学院教学研究基金。

周 娴（1981_），女，硕士，讲师，主要从事实验教学研究工作。