现代科学技术在大学物理实验教学中的应用

魏民云 侯双印 周惟公 左武魁

(中国地质大学长城学院 河北 保定 071000)

大学物理实验包括3个环节，实验预习、实验操作和数据处理.在预习环节学生只是简单写出预习报告，而对实验原理、实验步骤、仪器使用不求甚解，学习效率低.针对这种情况，使用雨课堂把预习内容做成PPT和视频推送给学生，促使学生更好完成预习环节，激发兴趣，提高学习效率.在数据处理环节，数据处理一般都比较繁琐，学生面对大量的数据会容易感到枯燥；而且数据处理常会涉及到作图，有些实验要求通过图解法求直线斜率，传统的手工计算和画图往往存在不足之处：一是作图误差大；二是手工作图看上去欠缺美观和科学性.针对这些不足，用计算机处理数据，实验数据误差小，使用方便快捷，能激发学生对实验的兴趣，实验报告看起来简洁、明了、具有科学性.

本文以“惠斯通电桥测电阻温度系数”为例，借此来说明“雨课堂”和MATLAB在实验教学中的应用[1～4].

1 用惠斯通电桥测电阻温度系数实验简介

1.1 惠斯通电桥

如图1所示,惠斯通电桥是由4个“桥臂”电阻(R2，R3，R4和Rx)、一个“桥”(B，D间所接的灵敏电流计)和一个电源E组成.B，D间接有灵敏电流计G.当B，D两点电位相等时，灵敏电流计G中无电流流过，指针不偏转，此时电桥平衡.所以，电桥平衡条件是：B，D两点电位相等.此时有UAB=UAD，UBC=UDC，由于平衡时IG=0，所以B，D间相当于断路，故有

I3=I4Ix=I2

所以

IxRx=I4R4I3R3=I2R2

可得

R4R2=R3Rx

或

(1)

图1 电桥原理图

Rx=KR4

1.2 金属的电阻和温度的关系

金属的电阻R随温度t上升而增加，电阻和温度的关系[5]

Rt=R0(1+αt)

(2)

2 “雨课堂”课程教学模式

雨课堂由学堂在线与清华大学在线教育办公室共同研发，旨在连接师生的智能终端，将课前—课上—课后的每一个环节都赋予全新的体验，最大限度地释放教与学的能量，推动教学改革.与传统教学相比，通过雨课堂，教师可以在课前推送视频、录音、课件，布置预习任务，了解学生学习情况，进行针对性授课.在课堂上学生在手机端接收PPT和测试题，可以通过“不懂”向老师反馈不理解知识，由此，教师可以及时了解学生学习状态，调整教学进度.

2.1 微信创设雨课堂

首先开设自己的“雨课堂”班级,邀请学生加入,学生参与，如图2所示.

图2 微信创建雨课堂

2.2 发布预习课件

在着手制作的“雨课堂”里发布的预习课件并向学生手机端推送，并在该课件中添加视频、语音等内容[6].预习课件发送给学生后，教师手机端收到【已将PPT发送至班级】的提醒.教师可随时查看学生预习情况、学生留言反馈等信息.

2.3 监控学生学习的情况

师生面对面班级授课,通过雨课堂查看学生对前置预习内容的反馈情况或根据习题完成情况, 掌握预习效果, 对已经达成的目标进行点评和总结, 根据预习阶段收集到的“不懂”数据对教学内容的重点、难点部分进行集中讲解.在讲授过程中教师根据需要开启“弹幕”功能进行师生互动.讲授完成后, 可及时进行课堂在线测验, 检验学生对知识的掌握情况并有针对性地进行个性化教学或答疑.如图3所示

图3 雨课堂监控学生学习情况

3 实验测量结果

实验过程中以金属铜为研究对象，利用温度传感器实验装置，测量铜的阻-温关系.实验过程中，每隔5 ℃测量一次相应的电阻值，采集的实验数据如表1所示.

表1 实验采集数据

4 用MATLAB处理实验数据

R值随t的变化呈线性关系R=a+bt，现在利用MATLAB编程求出系数a和b，拟合出曲线.

具体程序如下：

t=40:5:100;

R= [58.62 59.71 60.80 61.73 62.69 63.81 64.92 65.93 67.12 68.31 69.43 70.45 71.51];

n=13;

P=polyfit (t,R, 1)

a=P (2) %计算截距a

b=P (1) %计算斜率b

r=corrcoef (t,R) %计算相关系数

plot (t,R,′o′) %在t-R图上标记试验数据点

hold on;

tbest =40:5:100;

Rbest=a+b*tbest; %输入要进行拟合的试验数据对

plot(tbest,Rbest,′-′) %在t-R图上描绘拟合曲线

xlabel (′t/℃′) %对x坐标轴加标注

ylabel (′R/Ω′) %对y坐标轴加标注

保存之后再运行可以得到如下结果：

P=0.2157 49.9038

a=49.9038

b=0.2157

MATLAB所作的R-t拟合直线如图4所示.

图4 MATLAB拟合直线

即拟合直线为

R=49.903 8+ 0.215 7t

5 结束语

雨课堂是一种全新的教学方式，它利用我们使用最频繁的微信来进行预习、学习，无缝连接了我们的学习和生活，利用MATLAB 语言强大的数值计算和图形处理功能，避免了采用最小二乘法处理数据时繁琐的计算和作图，同时将计算机应用与物理实验结合起来，使两学科的知识相互交叉，拓宽了学生的视野，激发了学生学习的兴趣，也培养了学生应用计算机知识解决实际问题的能力.在大学物理实验教学中取得了良好的教学效果.