基于信息技术的大学物理创新性实验的研究与实践

丁益民

(湖北大学物理与电子科学学院 湖北 武汉 430062)

田文秀 朱 蓉

(湖北大学知行学院 湖北 武汉 430011)



基于信息技术的大学物理创新性实验的研究与实践

丁益民

(湖北大学物理与电子科学学院 湖北 武汉 430062)

田文秀 朱 蓉

(湖北大学知行学院 湖北 武汉 430011)

针对社会对人才培养的新要求和教学研究型大学的实际，提出了一种依托数字传感和数字仿真技术改进物理实验教学的创新性实验教学方式，并简要阐述了创新性实验教学方式、设计思路和教学实践.

大学物理教学 创新性实验 DIS传感器 数字仿真

1 引言

创新教育是以培养人的创新精神和创新能力为基本价值取向的教育.创新教育的方式有多种，其中，在物理教学实践中，以物理实验教学为载体的创新教育，是培养学生创新精神和创新能力的一条重要途径.近年来我国很多研究型大学就在大学物理实验教学中如何实施创新教育进行了研究[1～3].我们结合我校教学研究型大学的实际，开展了在大学物理实验教学中实施创新教育的教学改革，我们采取的方法是：将数字传感技术与数字计算技术引入到大学物理实验教学中，引导学生在实验教学中，发现问题，采用信息技术的手段对物理问题进行研究，对物理实验进行改进，这种教学方法既有利于改进实验设备，也有利于培养学生的创新能力.

2 创新性物理实验

创新性物理实验是以培养学生创新能力为目的的物理实验形式，它是大学物理实验课程的最高层次.创新性实验与其他层次的实验有一定区别，主要表现在以下几个方面.

2.1 实验内容的不确定性

创新性实验与基础性实验和综合性实验的不同之处在于实验的内容不确定.实验课题的选择既可

以由实验教师提出，也可以由学生在实验过程自己发现并提出.实验课题即使确定了，在实验的探究过程中，很多具体实验内容有可能会根据不同的情况，作适当调整，表现出明显的不确定性.

2.2 实验方式的开放性

创新性实验内容的不确定性使得其教学方式不能采用课表式的固定教学方式,而必须采取相对灵活的开放式教学方式.我校开展创新性实验教学主要采用以下两种形式:其一是开设“创新性实验”选修课,一般采用32学时左右的弹性学时.学生在创新性实验课中自主选择实验课题，进行探究式学习.其二是以“项目研究”的形式，学生用课外时间，在指导教师的指导下自主约定时间到实验室进行实验研究.学生在“项目研究”中取得一定的研究成果，可认定为选修了一定的学分.

2.3 实验方法的探究式

创新性实验采用“探究式”教学方法，其教学流程依次为提出问题、文献检索、设计实验、实验研究和撰写论文，如图1所示.

提出问题文献检索设计实验实验研究撰写论文

图1 探究式教学流程图

探究式教学法不仅提高了学生问题意识，还使学生在信息检索、文献阅读、实验设计以及论文写作等多方面的能力都得到了培养.

3 数字传感物理创新性实验

物理量的测量是物理实验中的重要内容.然而在传统的物理实验中，物理量的测量常常使用的是传统的测量工具，如长度用刻度尺或螺旋测微器来测量，时间用秒表或数字毫秒计来测量.这些测量工具一般是手动操作、人工读数，不仅容易产生偶然误差，还不便于将数据输入到计算机中进行数据处理，与当前信息化时代存在明显的不适应.将数字传感器引入到物理实验中，可以有效地解决这个问题.下面以我校物理学专业学生的论文研究为例,介绍DIS传感器在大学物理实验中的应用.

案例1：用DIS传感器研究气垫导轨上的阻尼振动[4]

设计思路：用DIS位移传感器代替传统实验的光电门和秒表,如图2所示.

图2 案例1设计思路

案例2:利用DIS温度传感器测金属的比热容[5]

设计思路：用DIS温度传感器代替传统实验的热电偶和秒表，如图3所示.

图3 案例2设计思路

4 数字仿真物理创新性实验

在大学物理教学中，由于实验器材成本高、耗材大，实验现象可重复性差、实效性低等特点，真实物理实验往往在课堂教学中难以实现.随着计算机技术的发展，不仅许多真实物理实验都可以用计算机仿真技术来实现，而且许多在真实环境中无法实现或难以观察的物理实验也可以用计算机来模拟.下面，我们介绍了以计算机语言C+ +和Matlab为仿真的工具平台进行的物理实验模拟.

案例3：基于Visual C+ +的非线性电路实验模拟[6]

实验问题：本实验的目的是观察非线性电路的混沌现象.传统的方法是示波器法，即在实物性的非线性电路实验中用示波器来观察混沌现象.这种方法的最大弊端就是实验仪器较贵，仪器调节比较麻烦，用示波器观察时图像不够稳定.

设计思路：采用计算机软件方法用电脑显示器代替传统实验的示波器,如图4所示.

图4 案例3设计思路

案例4：基于Matlab的光的单缝衍射实验模拟研究[7]

实验问题：本实验的目的是观察单缝的衍射现象.传统的方法是实物性实验法，即在实物性的实验中通过目镜来观察衍射现象.这种方法的最大弊端就是实验稳定性不好，仪器调节比较麻烦，眼睛观察时容易疲劳.

设计思路：采用计算机软件方法用电脑显示器代替传统实验的毛玻璃屏.

图5 案例4设计思路

5 结束语

通过以上案例分析，可以看出，利用数字传感器

与数字仿真技术改进传统实验可以极大地提高大学物理实验的教学效果.我们在湖北大学物理系进行了5年多的教学实践，学生对实验探究产生了浓厚兴趣，并且还取得了一系列的研究成果：近5年本科生撰写的实验研究论文有10余篇已在《物理实验》、《大学物理实验》和《物理与工程》等期刊上发表，如表1所示.创新性实验的开展不仅增强了学生的科研意识，培养了学生创新思维，还促进了物理实验仪器与方法的改进.

表1 本科生发表的研究论文

1 张增明,孙腊珍，霍剑青，等.创新研究型物理实验教学平台的建设与实践.物理实验，2009,29(7)：14～17

2 陈水桥,陈洪山.物理实验研究性课题式教学方法的实现与探讨.物理实验，2008,28(6)：18～21

3 任峰，李美亚，蔡光旭，等.离子注入技术在大学研究型实验教学中的开展.物理实验，2014,34(3)：23～25

4 钟莉,丁益民，黄娇，等.用DIS位移传感器研究气垫导轨上的阻尼振动.物理实验，2011,31(10)：26～28

5 翟林萍,丁益民，姚亮，等.利用DISlab温度传感器测金属的比热容.大学物理实验，2011，34(3)：23～25

6 张毅，丁益民.基于Visual C+ +的非线性电路实验的模拟.大学物理实验，2010,33(3)：23～25

7 夏漫，陈生，徐扬子，等.基于Matlab的光的单缝衍射实验模拟研究.大学物理实验，2015,36(2)：23～25

Research and Practice on the University Physics Innovative Experiment Basing on IT

Ding Yimin

(Faculty of Physics and Electronic Technology, Hubei University, Wuhan, Hubei 430062)

Tian Wenxiu Zhu Rong

(Zhixing College of Hubei University,Wuhan, Hubei 430011)

In allusion to the new requirements of talents training for society, and the practice of teaching research university, this paper proposes a teaching mode of innovative physics experiment using DIS sensor and computer simulation， using the specific experimental case to expound the experimental methods, teaching methods and teaching effects.

college physics teaching; innovative experiment; DIS sensor；computer simulation

*湖北大学《大学物理实验》精品资源共享课建设项目，项目编号：C201407

丁益民(1965- )，男，教授，主要从事物理课程与教学论、统计物理与复杂网络的研究.

2016-07-06)