大学物理实验竞赛引起的反思

何仁生，皮斌斌，翦知渐，陈小林，周艳明

(湖南大学 物理与微电子科学学院，湖南 长沙 410082)

作为理工科学生在本科阶段所接受的系统性较强的实验课程，大学物理实验旨在学生运用一般的物理实验方法[1]，驾驭基本物理量的测量步骤，挖掘物理理论和实验之间的联系[2]，对物理实验表现出的科学实验的共性有所感触，这对学生今后的科研学习具有难以替代的影响[3].而当大学物理实验由学习探索变为竞赛后，形式的改变又将激发学生的求知与探索实际操作实验的兴趣，而这正是被教师和学生忽略或不被重视的一部分[4].对其进行科学的研究和剖释[5]，是该课程教学进步的源头所在.

湖南省大学物理竞赛分理论和实验2部分，理论部分由省教育厅统一命题，实验部分由承办学校命题.2018年的竞赛在湖南大学举行，实验命题由我校教师完成，意在考查学生的综合素质和创新能力.按理说，参加竞赛的学生通过学校选拔、培训，代表本学校参赛，且有资格参加实验竞赛的学生是理论竞赛成绩前60名的学生，他们的理论水平和实验技能等大学物理知识方面的素养应该是“过硬”的.但从操作和答题思路分析，参赛学生的表现差强人意.在此，对竞赛题之一提供多种方案和方法解答，并就学生在竞赛中出现的问题进行分析和反思.

1 竞赛试题解答方案及分析

试题：实验室提供信号发生器、数字示波器各1台，信号线、导线若干，电阻1只(1 kΩ)，请利用以上仪器、配件，用尽可能多的方法估测未知电容大小.要求：

1)简述每种测量方法的原理，画出电路图并在图上标明所测物理量；

2)连接电路与仪器，正确测出需要的物理量；

3)每种方法至少测量3组数据，在记录每种方法的第1组数据时，请监考教师确认测量数据与仪器状态；

4)根据所测物理量的数值，计算电容的大小.

依据不同实验原理的设计，列出了以下4种方案共7种方法.每种方案都是对必修的基础性内容和选修等方面的综合能力的考查，学生只要基础打牢了，结合拓展的知识就可以构建模型并找到解决方案.

1.1 方案1：通过测量相位差得到电容值

按图1所示连接简单的RC电路，接入信号源，将A点和B点的信号接入示波器,输入正弦信号.

方法1：2路信号的触发方式选择“单触”，选择适当频率，示波器显示图2所示波形.调节上下位移使波形处于屏幕中心，调节左右位移便于读数，调节扫描频率使波形相差的显示更明显.从屏幕上读出A和B点的时间差Δt，即可得到A点和B点的相差为

Δφ=ωΔt，

(1)

RC电路中，A和B两点的相差满足

(2)

据此可以计算出电容值.

图1 RC电路1

图2 示波器波形

方法2：选择显示方式为“XY”，屏幕上将显示如图3所示的李萨如图形.调节2路信号的垂直旋钮，使得椭圆位于中心，从屏幕上测出a和b的大小(a和b分别是长轴、纵轴的截距)即可得到相差Δφ满足：

sin Δφ=a/b.

(3)

然后再按方法1得到电容值.

图3 李萨如图形

分析：有31人选择这一方案设计实验，其中，有6人没有正确接地，占19%；有14人不会设置“单触”，占45%，当然，这里不设置“单触”而停止示波器的扫描也是可以的；有7人不会选择合适频率，占23%；仅3人合格，占10%.总的说来，学生打不开思路.

1.2 方案2：通过测量信号幅度得到电容值

同样连接RC电路，通过测量信号幅度来计算电容值.

方法3：按图1接线，输入适当频率的正弦波.测出B点的信号幅度，得到UR；不改变信号源参量，按图4接线，测出B点的信号幅度，得到UC.信号幅度与阻抗成正比，所以

(4)

因此可以得到C值.

方法4：按图1(或图4)接线，分别测出A点的信号幅度Ui和B点的信号幅度UR(或UC)，信号幅度与有效阻抗成正比，所以

(5)

因此可以得到C值.

图4 RC电路2

方法5：基本同方法4的测量过程，在屏幕上同时显示Ui和UR.利用数字示波器的“波形运算”功能，在屏幕上显示Ui-UR(即CH1-CH2或CH2-CH1)，从而得到UC，在屏幕上读出UC的大小，再利用(4)式即可得到电容值.

分析：有22人选择这一方案设计实验，其中有5人还设计了方案1.有4人接地有错误，占18%;有14人不能正确测出UC和UR，占64%，这里包括测信号幅度不知道从屏幕上数格子，或是不知道利用数字示波器的多种测量功能的实现方法,如示波器的“波形运算”功能.

1.3 方案3：通过暂态过程测量电容值

方法6：按图4接好RC电路，输入信号选择方波.将B点信号接入示波器，选择适当的频率，示波器上将显示RC电路的暂态过程.

从充电过程或放电过程中得到t1/2，即图5中的t2-t1(可从屏幕上读出).

对于放电过程

(6)

所以

(7)

从中即可得到电容值.

图5 电容充放电过程

或测量UR亦可，但波形不同，如图6所示.

图6 电压随时间变化

分析：有12人选择此方案，其中有3人不会设置合适频率，占25%，不能呈现完整的充放电过程；为便于在屏幕上读数，需调节示波器的水平旋钮，有1人没做好这一步，占8%.

1.4 方案4：测量“电容两端电压的最大变化率”与“流经电容的最大电流”得到电容值

方法7：因为有

(8)

所以当电流达到极大时，UC的变化率也达到极大.分别测出这2个极大值，即可得到电容值.电流的极大值在UR的峰值处，UC变化率的极大值在UC为0(正弦波)的位置，即

(9)

按照方法3，分别显示UR与UC(注意接地线)的波形.测出URpp(峰峰值)；调节扫描频率，尽量使得UC的波形水平方向拉长(斜率极大值附近波形呈直线)，调节垂直旋钮让波形位于中心，在图7中A点处测出ΔU和Δt，即可算出电容值.

图7 电压UC随时间t变化曲线

分析：没有参赛学生选择这一设计方案.这里涉及到接线是否正确，频率选择是否适当，显示的波形是否便于测量，还涉及到变化率极大值的问题.

2 反 思

2.1 在物理课程的教学过程中加强物理科学方法的指导

无论是大学物理理论课还是实验课，教师在讲授的过程中，都应注重物理科学方法教育.物理科学方法是众多取得成功的科学家们在科学探索的道路上所采用的行之有效的法则.在物理教学过程中，物理现象、物理过程和物理规律是主干线，这些因素一旦发生联系时，都蕴含着物理科学方法[6]：

1)在看待相同的自然现象时，无论是同学科的深入探讨还是跨学科的知识迁移，都有着方法互相联系；

2)不同物理现象之间(包括物理过程与物理现象之间)建立联系或发生关系时，一定存在方法；

3)物理法则用于物理过程和解答本质问题时，其本身就具有了方法的意义.

在本题中，如果知道电容和电阻在电路中的不同作用和二者的联系，当接通交流信号时，二者存在相位差.即可选择方案1.

2.2 在物理课程的讲授中注重基础和变式教学

教师在讲授物理课时，一方面要注重基础教学，学生的物理基础知识掌握好，其构建“物理大厦”的地基就稳固；另一方面还要注重变式教学，在物理教学过程中对物理定律、方程等在原有表达式的基础上加以变化，进行变式训练，学生掌握由此及彼的多种思维方式或多种解决问题的方案[7].基础知识是进行变式教学的敲门砖，着眼基础进行变式教学.变式反作用基础知识，使学生对基础知识的掌握更加透彻，变式可引导学生举一反三，融类旁通.因而变式教育有利于加强学生的思维学习能力，培育学生的创新意识.

在物理教学中，教师可以通过多种方法来实施变式教学：

1)可以有针对性地改变条件，引导学生思考产生的不同结果；

2)对于某一现象，可以鼓励学生从多个角度分析其原因[8]；

3)可以改变问题的表现形式，引导学生掌握隐藏在问题中的本质等，鼓励学生从多个方面、多种思路来剖析问题，解答问题.

本题如果知道通过测量信号幅度可以计算得到电容值，当连接好RC电路时，测量电容、电阻或电容和电阻的信号幅度，甚至使用示波器的“运算功能”，利用信号幅度与阻抗的关系式，则可变通思维、灵活选择方法3、方法4或者方法5来完成此实验.

2.3 在物理课程教学中注重物理前沿的介绍

教师应该注重物理前沿知识的介绍，物理发展前沿以及目前物理与其他诸多学科交叉产生的很多新的科技领域，与社会和生活有着十分紧密的联系，是当前相关领域的研究者们正关注或者正深入研究的现象和规律[9].从社会层面来看，在物理教学中，教师将基础与前沿科学结合起来教学，适度地、选择性地带领学生了解前沿物理，让学生知道国内外科技和社会的发展与物理的关系，了解知识在当代科技和社会中所发挥的重要作用.如本实验的示波器由模拟向数字的发展以及数字示波器测量功能的升级，形成自觉关注物理前沿动态的意识.从学生层面来看，教师将物理前沿知识融入到课程的讲授中：

1)可以增加学生学习物理的兴趣，帮助学生明确学习物理的目标，增强学生学习物理的动力和热情；

2)可以开阔学生的眼界，提高对物理和科学的认识高度；

3)有助于培养学生的科学素养，促进学生的全面发展.

在物理课程教学中渗透物理前沿知识的形式可以多种多样：可以由教师在课堂上用课件向学生展示，并鼓励学生提出各自新颖的想法；可以推荐学生在课外阅览科普视频、杂志等，然后开座谈会来讨论和交流；可以给学生分配收集与物理相关的前沿动态的任务，再利用如今发达的信息技术平台，通过雨课堂手机端或者直接利用微信群和QQ群等分享给其他同学，并相互交流思想、共同学习；还可以鼓励学生积极组织和参加创新创业活动，支持学生多动手实验.例如，在课程中除了让学生调出和欣赏不同频率比的李萨如图形，或许给学生介绍一些李萨如图形的前言应用，甚至鼓励学生思考讨论不同频率比以及初始相位差等所产生的李萨如图形的变化之间的规律，这将更有利于学生加深对李萨如图形的认识.那么在本题中使用方法2来解题就轻而易举了.

2.4 在课堂教学中要注重营造多元学习氛围

教师在课堂教学中不仅要善于引导学生在学科领域进行深入学习、深层思考，还应营造多元学习氛围使学生能自主学习、思考.

1)以随和、亲切的姿态营造轻松、愉快的课堂气氛，激励学生勇于提问，乐于提问，积极与教师互动.

2)给学生以“心理自由”，使学生对所学的知识，敢于联想，遇到疑难问题进行深层次思考.

3)平等对待学生.教师和学生在人格上是对等的，善于激励学生进行“思想碰撞”，问题越争越明，问题越争越深入，学科的知识体系就会在学生的脑海里逐渐明晰.

思考和动手能力的培养需要过程，利用课堂营造多元学习氛围十分有必要.就这次竞赛题来说，如果学生在学习电容器的充放电过程以及微积分电路进行了充分的讨论、交流，学生在竞赛时也能打开思路，得心应手地大胆操作，也不至于出现忘了接地、没有选择合适频率此类基本问题，有可能设计出方案3和方案4的几种方法.

2.5 教师自己的科研、教学能力要拿得出手

如果教学只局限于低阶知识和能力的学习，忽视高阶知识和能力(尤其是高阶思维能力)的学习，忽视学习者的思维拓展、人格培育、创新与实践能力的不断进步，就难以促进学习者的全面发展[10].因此，教师要先保证自己足够优秀，才能育出优秀学子.这虽然是老调重弹，但确是作为优秀教师的基本要求.如果在课堂上教师对教材钻研不深，对所讲知识概念模糊，学生就无所适从，势必会导致学生对知识的理解不够深入.另外，如果教师的科研能力有限，不仅间接限制教学的效果，也影响学生对物理学习的积极性.例如，学生在生活中遇到与科技有关的课外问题时，考虑到教师能力有限，也会选择忽略.教师是学生的榜样和引路人，无声无息地对学生产生着潜移默化的影响，教师所处的高度在某种程度上也影响着学生追求的高度，同时只有教师自身的科研和教学能力足够强，才能用更为广阔的视野把握学科领域的知识体系和框架，才能更好地启发学生高屋建瓴，构建知识体系和框架.当学生遇到疑难问题时，以有条不紊的心态面对，并且有信心尝试用多重思维解决问题.

相信有着对课程知识驾驭自如、分析问题的层次、深度、逻辑关系等能纵横捭阖的教师，绝不仅是具有人格魅力的教师.对课程能够深层次、全方位把握的教师，其学生对于不论是课内基础知识，还是涉及相关前沿科学的课外拓展的问题，就都能应对自如.本竞赛题给出的几种解答方法，在相关的知识体系构建下，也定能在规定的时间内完成.

3 结束语

通过对此次大学物理实验竞赛进行分析和反思，在物理课程的教学中，教师要注重物理科学方法教育、基础和变式教育、物理前沿知识的介绍、注重营造多元学习氛围以及自身的科研和教学能力的厚实，相信学生的创新能力和解决问题的能力就会不断得到提升.