大学物理实验绪论课的教学研究

李久会，袁 泉，李 义，王文新，张云竹，邱忠媛, 敬晓丹

(辽宁工业大学 理学院，辽宁 锦州 121001)

大学物理实验绪论课的教学研究

李久会，袁 泉，李 义，王文新，张云竹，邱忠媛, 敬晓丹

(辽宁工业大学 理学院，辽宁 锦州 121001)

以大学物理实验精品课程建设为目标，在大学物理实验绪论教学中，充分发挥大学物理实验绪论课的导向作用、改进教学手段、优化绪论课内容、突出使用有效数字修约的不确定度和数据处理内容，采取讲练结合，学以致用的方法，训练学生形成良好的物理实验习惯，提高学生的物理实验素质、实验技能和创新能力。

大学物理实验绪论；不确定度；实验教学改革

大学物理实验是工科院校的学生进入大学后第一次科学、系统地学习的一门基础实验课程。大学物理实验教学在营造自主学习环境，引入竞争机制，拓展学生视野，培养学生的责任感、创新思维、实验素质、团队精神，利用实验室现有的实验技术、方法，解决问题的科学实验能力和创新能力等方面起着积极的推动作用。在应用本科专业培养的新形势下，作为大学物理实验开篇内容的绪论教学，对学生学习大学物理实验课程，了解大学物理实验的要求、实验兴趣的培养、实验方法的学习、操作技能的训练、科学作风的形成等有着不可替代的作用。我们针对原来大学物理实验绪论课教学中存在的一些薄弱环节进行了教学总结和改革尝试，在传授绪论课的基本理论、知识的同时，更加重视培养学生应用绪论的基本理论和知识，解决大学物理实验中实际问题的能力。

一、重视绪论作用

开好大学物理实验绪论第一课，充分发挥绪论课程在实验中的导向作用。强化安全意识。为了防患于未然，实验教学过程中必须强化安全教育。提高实验室使用电、腐蚀性用品、放射性用品、易燃易爆品等的安全。我们也利用网上视频，使教师和学生都了解正确使用室内灭火器等消防器材的方法，了解逃生的基本常识，为在紧急情况下的逃生获得宝贵的时间。要求规范操作。进入实验室要保持室内安静和整洁；操作仪器时必须严守仪器的操作规程；连接的电路在确认无误，经教师检查允许后方可接通电源；完成实验后请教师检查并在实验记录上签字后方可离开，培养学生养成科学严谨的实验作风。

培养求实精神。实验现象的观测，测量数据的记录、整理和实验报告等环节，要求学生能够描述观察到的、具有可重复性的客观实验现象，并进行记录；测量过程中获得数据要养成随时记录的好习惯，要具有数据即为信息的理念；在课上对测量的数据，剔除“坏”数据后要进行及时的整理并尽快地进行分析，计算出结果后再整理实验仪器；完整的实验报告包括题目、目的、原理摘要、仪器及编号、简图、实验步骤等，实际测量的数据记录，数据整理及结论等。

培养团队精神。对于大学物理实验中的新实验，只依靠一个人的力量很难较好地完成，要求学生间有分工和协作。利用引力波实验中获得荣誉的实验团队作为案例教学，提倡培养团队精神，鼓励每个成员发挥自己的积极性和主动性，利用自己的特长进行分工协作，为团队做出自己的贡献，形成有自己特色的团队精神。

二、改善教学手段

大学物理实验的绪论内容一般安排4学时，绪论内容丰富、术语较多且理论性较强；有效数字的修约规则和间接测量的误差传递、数据处理等内容短时间内不易理解；计算机编程的作图、最小二乘法等内容理论陌生、技术不熟。考虑到学生第一次系统、科学地学习大学物理实验课程，在充分考虑教学的内容和学生的实际基础上，充分利用PPT、图片、动画、视频、微课等直观、形象的方式增加绪论课的信息量，改进教学手段，提高了学习绪论的效果[1,2]。我们提供了游标卡尺、螺旋测微器、电流表、电压表等级、量程与读数，正态分布中的概率密度函数，期望值与均差等参数对曲线的影响等教学资源和仪器，供学生在课前或课上进行预习、学习或测量。

三、优化绪论内容

绪论课的内容可分为实验报告基本要求、有效数字的读取、有效数字的运算规则及修约规则，不确定度的理论基础，不确定度的A、B类分量，合成不确定度的分析与计算，直接、间接测量量的数据处理、实验操作等模块。应用案例讲授实验。利用以前保存的实验报告的手写范本作为案例进行说明，这些实验报告具有姓名、学号、专业、班级等信息。完整的实验报告要求有预习（题目、目的、原理摘要、仪器、简图、实验步骤等）、实际测量（使用的仪器编号、数据记录）、数据整理及结论等，提交的实验报告要求原理简洁、数据记录清晰、评价结果客观、真实，语言确切。由于实验报告的范本来自学生们身边和熟悉的学长，倍感熟悉亲切，很容易拉近师生间的距离[3]。优化内容突出重点。利用具体任务驱动，问题导向，重点优化有效数字修约、不确定度、数据处理等内容。在大学物理实验绪论中，尽可能地给学生提供一个自主参与、亲历测量、积极探讨的实验环境，培养学生形成良好的实验作风。学生理解有效数字的修约规则以及不确定度A、B分量确定方法，根据使用的实验仪器设备的最大允差，对测量的多个直接测量进行不确定度分量的计算，合成间接测量量的不确定度。培养和训练学生正确操作力学、电学等基本仪器进行测量的基本技能和数据处理的能力。结合软件讲授作图。充分利用MATLAB软件和Origin绘图软件，简要讲授数据处理中的计算机作图、最小二乘法等编程数据拟合方法。鼓励学生使用所学的C语言或VB语言编程。表1为直接测量量x和y的测量值，利用Origin 对测量数据进行的线性拟合如图1所示。相关系数r=0.9978, 说明y与x之间满足线性关系，拟合后的函数关系式为y=0.04292x -0.1922。实验操作方法可以不讲或少讲，可在绪论完成后，针对具体的实验项目，指导教师详细讲授实验的操作及注意事项。

表1 直接测量量x和y的测量值

图 1 测量数据的线性拟合

四、讲练结合学以致用

前几轮集中讲授绪论课后，再对绪论课中的有效数字修约、不确定度的确定、数据处理与分析等内容测验，教学效果不够理想。学生不按规则确定有效数字，随意确定不确定度及合成，处理数据不规范，甚至是错误的数据处理等。分析其中的原因有绪论课程较难的问题，也有学生接触绪论的时间较短难于消化和吸收，讲练脱节、缺少测量的亲身经历、独立思考、交流讨论等。学生出现这些不足是教学过程的客观真实的反映。

在实验过程中，应“培育”学生利用绪论讲授的规则及理论、结果分析与评价的能力。近两个学期，我们选取力学的空心圆柱体体积测量和电学的伏安法测电阻两个实验项目，利用任务驱动，教师讲授与学生练习紧密结合。学生课前了解游标卡尺的允差，主动参与利用游标卡尺多次测量空心圆柱体的内、外直径，高度，以及测量的伏安法实验中的电压与电流的两组测量值，课上学生亲自利用规则评价直接测量量的有效数字的保留，计算内、外直径的平均值、标准差、A类不确定度、B类不确定度，合成的不确定度[4,5]；利用间接测量量体积的不确定传递公式，计算体积的不确定度、平均值以及体积的有效数字，最后写成标准形式。学生亲自参与测量并进行数据处理的整个训练过程，学生在训练的过程出现理解和应用上的偏差，通过纠正学生出现的偏差，引导学生逐渐走向正确的数据处理方向。发现不足，面对面地探讨和交流后进行纠正。实验过程可引导学生在浓郁的主动交流、探讨、自我批判的学习氛围中，将待测的物理量测量出来并用数字表达出来，说明学生对这个物理量已有进一步的认识。利用伏安法的实验数据作为案例教学，继续训练有效数字、不确定度、数据处理与分析的能力。当学生遇到电学仪表的B类不确定度时，重点讲授电学仪表不确定B类分量确定的方法，学生能正确表示待测电阻的结果，并进行正确的结果评价。利用两个典型的数据处理与分析的案例，讲授紧密结合实际应用中出现的问题，突出重点，学生积极参与、亲身经历、独立思考，提高学习效率和绪论的教学效果。

五、结 论

大学物理实验绪论的教学学时少、内容多，经过优化大学物理实验绪论的教学内容，改进教学手段、突出有效数字修约、不确定度、数据处理与分析，同时兼顾了最小二乘法数据拟合等数据处理的方法和软件作图。在大学物理实验绪论中，尽可能地给学生提供一个自主参与、亲历测量、积极探讨的实验环境，培养学生形成良好的实验作风。训练学生正确使用力学、电学等基本仪器的技能，利用任务驱动和问题导向，学生能够参阅有效数字规则，针对具体的实验测量数据，进行不确定度的计算和数据处理。在传授绪论课的基本理论、知识的同时，更加重视培养学生应用绪论的基本理论和知识，有助于提高学生的物理实验素质、实验技能，解决大学物理实验中实际问题的能力。

[1] 仇亮, 段益峰, 石礼伟.大学物理实验绪论课的教学思考[J].教育教学论坛, 2014(23): 88-89.

[2] 王喜雪.大学物理实验绪论教学方法探讨[J].亚太教育, 2015(31): 111.

[3] 陈峻, 吴福根, 周誉昌.浅谈大学物理实验绪论课的教学[J].中国现代教育装备, 2009(1): 104-105.

[4] 陈均钧, 丁晓红, 刘青.浅谈大学物理实验绪论课的规范性导教[J].浙江万里学院学报, 2007(5): 137-141.

[5] 兰燕娜.大学物理实验绪论课改革探讨[J].廊坊师范学院学报(自然科学版), 2012(3): 110-111+114.

(责任编校：付春玲)

G624

：A

：1674-327X (2017)01-0123-03

10.15916/j.issn1674-327x.2017.01.037

2016-04-13

辽宁省教育厅教改项目(UPRP20160289,UPRP20140725)；辽宁工业大学教学改革项目(2014081)

李久会(1964-)，男，辽宁朝阳人，教授。