基于液体表面张力系数的大学生创新项目分析

王春香，张富强，陈丽梅，陈佰树



基于液体表面张力系数的大学生创新项目分析

王春香[1]，张富强，陈丽梅，陈佰树

（黑龙江八一农垦大学 理学院，黑龙江 大庆 163319）

以大学物理实验中液体表面张力系数的测定实验为基础，学生自主设计实验方案，自主进行实验操作．发挥团队协作精神，利用信息与计算科学专业特长，灵活运用计算机软件进行溶液配制和计算模拟等工作，分析影响液体表面张力系数的因素，得到了液体表面张力系数随质量浓度变化的拟合曲线和近似表达式．通过实验，提高了学生学习的自主性和探究性，锻炼了学生的动手实践能力，促进学生创新思维与创新意识的培养．

表面张力系数；计算机模拟；大学物理

在信息化高度发展的经济时代，为了适应高科技的社会发展，高等院校对大学生的培养不再墨守成规的照抄照搬传统的教学方法，而是不断寻求新的思路、新的方法和新的教学模式．大学生创新创业训练计划近几年在全国各大院校兴起[1-3]，旨在鼓励学生的创新精神，扩展学生的创新思维，提高其独立分析问题和解决问题的能力，以适应快速发展的社会节奏，毕业后以较强的生存本领在社会立足．

以大学物理实验中液体表面张力系数影响因素[4-5]为基础展开创新性实验，学生独立设计实验方案[6]，自主开展实验过程．在数据处理方法和分析上别具一格，不但使用传统的数值计算方法，也发挥了计算机方便快捷的功能．利用计算机进行数值模拟，取得了较好的实验效果，具有较强的创新性．

1 学生自主实验过程

1.1 实验方案设计

正式实验之前，项目组成员进行分工合作．10名学生分成5组，每组各２名学生，第１组负责查找资料，并进行资料整理；第２组负责研究硅压阻力敏传感器的使用方法，以及其他测量液体表面张力系数的方法；第３组负责学习计算机软件的使用；第４组制定实验方案并制作实验表格；第５组负责采购所需实验材料并配制溶液．经过大概１个月的时间最终确定实验方案：在室内温度、湿度、压强和实验其他条件不变的前提下，（1）以纯水为研究对象，利用硅压阻力敏传感器[7]测量不同温度下液体的表面张力系数；（2）以葡萄糖和盐水为研究对象，分别配置10个不同质量浓度的溶液，进行等精度测量不同质量浓度的溶液表面张力系数；（3）在纯水中分别加入不同质量浓度的表面活性物质，测量各种情况下纯水的表面张力系数；（4）利用计算软件进行数值模拟．分别得出不同温度、不同质量浓度和不同杂质下液体表面张力系数的曲线变化和关系式，予以分析和解释．

1.2 配制不同质量浓度溶液

在配置糖溶液和盐溶液质量浓度时，利用Java软件[8]编程，以1 000 g纯水作为溶剂，配制质量浓度为溶液时，只需将赋值即可得到所需溶质的质量．

import java.text.DecimalFormat；

import java.util.Scanner；

/**

*

* @author Administrator

*/

public class qiurongzhidezhiliang {

public static void main（String arg[]） {

Scanner sc = new Scanner（System.in）；

DecimalFormat df = new DecimalFormat（"0.00"）；

int n = sc.nextInt（）；

for （int i = 0； i <= n； i++） {

double y = sc.nextDouble（）；

String num = df.format（（float） （1000 * y / （1 - y）））；

System.out.println（num）；

}

}

}

1.3 自主实验过程

各组之间互相讨论，互帮互助，不断交流实验经验和体会，共享信息，培养了学生严谨的科学作风，增强了每个人的团队协作意识和合作能力．分别测量了质量浓度、温度和杂质对液体表面张力系数的影响情况．以糖溶液的质量浓度对液体表面张力系数的影响为例，进行实验和分析．

1.3.1 用逐差法测传感器灵敏度B 硅压阻力敏传感器将力的信号转化为数字电压表的仪器读数.学生实验前首先对仪器调零，将砝码盘挂在力敏传感器钩子上，每次赠加一个砝码（每个砝码质量=0.5 g），分别记录对应不同砝码质量的仪器度数值，数据见表1．

2 实验数据处理和分析过程

2.1 理论计算结果

利用公式对实验数据进行处理，结果见表3．

表3 数据处理结果

2.2 计算机模拟处理方法

项目组成员是信息技术专业学生，平时学习中已经熟练掌握了多种数值计算和模拟的软件，学生在处理数据时分别运用了Spss，Lingo，Matlab，Eexcel，Java，C++等软件进行数据分析．

2.2.1 利用方差分析数据 通过方差分析表（见表4）可以得出，给出的7组数据的显著性为0.001<0.05，说明质量浓度对表面张力系数有显著的影响．

2.2.2 对实验数据进行拟合 对数据进行线性、二次、三次、指数和增长等模型拟合，得出的曲线见图1．

图1 多个模型的线性拟合

2.2.3 实验数据拟合结果 通过SPSS分析，三次拟合决定系数最大，调整后的决定系数为：=0.986，趋近于1，所以说三次拟合的效果最好．将三次曲线提取出来（见图2），横坐标为质量浓度，纵坐标为表面张力系数，可以得到拟合的三次方程为.

图2 表面张力系数随温度变化的拟合曲线

3 结果与讨论

学生利用多种计算软件分别模拟了温度、质量浓度和杂质对液体表面张力系数的影响情况，并且得到了相应的拟合曲线和近似表达式．理论计算中相对误差不超过3%，而拟合系数为=0.986，与理论值非常接近．在实验过程中，学生从多角度思考问题，勤动脑、动手、动口，体现了其认真、严谨的科学态度，同时扩展了学生的思维，提高了创新意识．在今后的学习过程中应该给学生提供更多的机会参与创新创业训练项目，充分展现学生独立思考和团结创新的一面．尤其是在当今机遇与挑战并存的知识经济时代，提高学生的实践能力和创新能力至关重要．大学生创新项目的开展为学生今后的学习和科研奠定了坚实的基础．

[1] 陆珉，黄春琳，唐涛．大学生实践创新训练若干问题的探讨[J]．科教文汇，2015（15）：41-42

[2] 李姝，吴懿．大学生创新训练计划项目的时间与指导[J]．营销教学，2015（19）：233-234

[3] 韩京昌，冯研，李莹．大学生创新创业平台[J]．渠道建设，2015（14）：65-66

[4] 关晓燕，张秀燕．大学物理[M]．北京：中国农业出版社，2013：27-30

[5] 王乐新．大学物理实验[M]．北京：中国农业出版社，2012：53-58

[6] 王春香，陈丽梅，陈佰树，等．自主设计电表改装实验的研究[J]．高师理科学刊，2011，31（2）：99-101

[7] 陈佰树，王畅，张平，等．基于力敏传感器的牛奶掺水量的检测研究[J]．高师理科学刊，2013，33（1）：34-36

[8] 张剑飞．Java 教学中提高学生应用能力的策略研究[J]．高师理科学刊，2009，29（6）：98-100

Analysis of college students' innovative projects about the coefficient of liquid surface tension

WANG Chun-xiang，ZHANG Fu-qiang，CHEN Li-mei，CHEN Bai-shu

（School of Science，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319，China）

Based on the experiment about measuring coefficient of liquid surface tension in college physics experiment，students design the experiment scheme and do experiments independently. With the spirit of team cooperation， by using the professional knowledge on information and computing science and using computer software flexibly for solution preparation and computational simulation，students analyze the influencing factors about coefficient of liquid surface tension and get the fitting curve and the approximate expression about the coefficient of liquid surface tension changing with the concentration. Through the experiment，the students' autonomy and exploratory learning ability are improved，the students' practical ability is enhanced and their innovative thinking and innovative consciousness are promoted.

cofficient of surface tension；computer simulation；college physics

O411.3∶G642.423

A doi：10.3969/j.issn.1007-9831.2016.01.022

2015-11-15

黑龙江省教改工程项目；黑龙江八一农垦大学教改课题；黑龙江八一农垦大学大学生创新创业训练计划项目

王春香（1980-），女，黑龙江大庆人，讲师，硕士，从事物理教学研究．E-mail：chunxiang20062006@163.com