力学基本量测量实验中育人和育才双效结合教育的探索

刘仁臣 陆静

摘  要：大学物理实验课程是当前各普通高校非物理类专业普遍开设的一门公共必修课程，对塑造学生的人格和品质具有重要作用。文章以大学物理实验中一堂普通的力学基本量测量实验为例，结合在游标卡尺和螺旋测微器读数中，以及Mathstudio 软件的应用（均值、标准偏差、逐差和线性回归）中高频错误，探讨大学物理实验课程对学生人格塑造的切入点。

关键词：大学物理实验;mathstudio;课程思政;实验素养

中图分类号：G640         文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2019）25-0051-04

Abstract： The College Physics Experiment course is a public compulsory course for non-physics majors in colleges and universities， which plays an important role in shaping students' personality and quality. Taking a common experiment of measuring the basic quantity of mechanics in college physics experiment as an example， combined with frequently occurring errors in reading of Vernier caliper and spiral micrometer， as well as in the application of Mathstudio software （mean， standard deviation， successive deviation and linear regression）， this paper probes into the cut-in point of shaping students' personality in the course of College Physics Experiment.

Keywords： College Physics Experiment; mathstudio; ideological and political education in other courses; experimental accomplishment

引言

习总书记多次在全国高校思想政治工作会议上强调：思政教育不单单是政治课教师和高校辅导员的职责，更是全体教师的神圣职责[1]。课堂是高校教书育人的最重要平台，每门课程和全体教师都要用好这一渠道，与政治课相得益彰，形成协同效应[2]。

大学物理实验是各高校本科生迈入大学校门较早接触到的一门重要的基础必修课。我校作为一所有三万多名在校本科和硕士生的应用型本科高校，每学期都有2000多名理工科专业同学修读该门课程。通过这门课程的培养不仅要使学生掌握必备的实验理论和动手技能，促进对大学物理理论课上物理学原理和物理定律的理解，更重要的是提升学生的综合素养，例如学生的细致耐心、实事求是和锲而不舍等宝贵品质，实现知识、能力和素养三方面的协调发展。实验教师要潜心研究，充分挖掘育人素材，在实验课堂教学中恰如其分的渗透社会主义核心价值观和辩证唯物主义世界观等，培养学生的高尚情操、正确的价值观和道德观，为伟大祖国培养建设者和接班人。

当前有很多教师和同学对实验课思想上不重视，觉得它是一门公共课，重要性不如专业课，更别提在每堂实验课中融入育人元素。作者在讲授大学物理实验课之前，也有过类似的想法。但是，自从亲自带过几轮后，对这门课程有了新的认识。该课程看上去好像都是一些简单的验证性或者设计性实验，用到的仪器也都是平常生活中很常见到，如万用表、天平、秒表和电流表等，很少涉及到一些高端的精密仪器。但是，就这样一些看似简单平常的实验，却能有效培养学生的探索精神和创新意识，是全面培养学生思想道德觉悟的非常有效的课程。本文以大学物理实验中的非常普通的一节力学基本量测量实验为例，谈谈在实验中培养学生综合素养的具体措施。

一、力学基本量测量实驗课的具体措施

我校每学期约12位教师同时讲授大学物理实验课，开学第一周为绪论课，第二周统一讲授力学基本量测量，这为后续实现打下基础。很多教师在讲力学量测量这个实验时，经常回办公室聊天、喝水或者做其他的事，他们认为这个实验非常简单、几乎不需要教师指导，学生自己能很好的完成。但是，当我接触这个实验的时候，发现这个实验对学生而言并非那么简单。学生在仪器的使用、操作、读数和数据处理等方面会犯各种各样的错误，需要教师的耐心指导。学生所犯的各类错误正是培育学生思想道德的极好素材。

本节课实验教学目标有：（1）知识目标是掌握游标卡尺和螺旋测微器的使用;巩固误差和不确定度理论;学会用mathstudio 计算平均值、不确定度和线性拟合;（2）能力目标是培养学生正确使用基本测量仪器的基本技能;（3）素养目标是培养学生良好的实验习惯和综合素养。这三方面目标是通过游标卡尺测量圆桶内径和外径，以及螺旋测微器和电子秤测量钢球密度来实现。

（一） 游标卡尺读数问题

第一组实验是用50分度的游标卡尺测量直径为34.00 mm铝铜的外径6次，求出平均值和不确定度。实验室提供的是没有自带放大镜的50分度的游标卡尺，测量是有好几格看上去都是对齐的，因此很多学生不能准确判断游标的第几格与主尺对齐。导致这一现象的原因是部分教师在课堂上没有剖析游标卡尺的原理，只是告诉学生读数的规则。读数还常见的一个错误就是读游标卡尺的最左边沿而不是读游标的0刻度。在让学生测量前，作者在课件上展示了采用游标卡尺测量物体的示意图（图1）。请同学读数，20%同学读作21.20mm。这些同学就是读了游标最左侧边沿，如果从游标0刻度开始读数，就应该是22.20mm。关于游标第几格恰好与主尺刻度对齐的问题，作者在剖析游标卡尺的基本原理后，请同学观察正好对齐的那一格，左右刻度错开的方位正好相反，利用这一规律，在后续测量过程中出错概率显著降低。

（二） 螺旋测微器读数问题

零点读数带来的系统误差是减还是加的问题，很多同学一直很模糊。图2（a）为螺旋测微器结构，当测微螺杆F与测砧A接触时，可动刻度的零刻度线和固定刻度的零点不重合，此时的读数为零点读数。如果直接告诉学生当可动刻度的零刻度线在固定刻度横线下方时用减，在上方时用加，那么在具体实验过程中，出错的概率非常大。因此，需要让学生亲身体验感受。由于测量物体时活动刻度是逆时针旋转，如图2（b），零点刻度为0.050 mm，如果测量一个直径为0.150mm的物体，物体置于砧片A与测微螺杆F之间时，此时可动刻度上读出来的结果应该为0.200mm，因此实际值等于读数值减去零点读数。通过亲身体验学生很容易理解零点读数到底是减还是加。教学中关于零点读数的问题，还有一部分同学在读数时常犯另一个错误，如图2（c）中很多同学把零点读数读为0.480mm，而不是0.020mm。因为在后续的读数过程，都是以游标上的0为起点，而不是任何时候都是顺时针读数，所以正确读数应该是0.020mm。这个错误看似粗心，实际存在理解偏差，它会在后续分光计测波长或三棱镜顶角实验中再度出现。如图2（d）所示，当转动分光计游标读数时，越过刻度盘的0刻度线的偏转角度应加上或减去360°，其原理与螺旋测微器的零点读数相似。

（三）mathstudio软件数据处理问题

在大学物理实验教学中，之前同学们处理实验数据都是借助手机自带计算器，绘图用手，结果误差普遍较大。有两方面原因：一是对物理实验采用列表法、作图法和逐差法等手工处理，本身容易出错;二是有些学生为了使实验结果好看随意改动数据，从而无法对数据进行客观的分析和处理，失去了实验的意义。如果在实验数据处理中使用一些专业软件，如ORIGIN和MATLAB等，虽然可以减少计算工作量和得到准确的拟合曲线，但对正值大一下学期的同学，很多同学不会用或不熟练，而大学物理实驗课时又不足以对学生进行软件培训。Mathstudio 作为一款便捷的手机APP软件，自带求平均值、标准偏差和线性回归绘图功能等。该软件所占内存空间较小只有1.0M，学生很容易掌握和使用，是非常适合大学物理实验数据处理的工具[3]。但是，实验初期学生在使用mathstudio的过程中也会遇到各种具体细节问题，需要教师的耐心指导。

首先是软件的安装，安卓手机可以直接打开微信扫描左图3（a）的二维码即可安装成功，而苹果手机需要在淘宝上付费购买图3（b）二维码才能安装。两款手机中mathstudio的界面也完全不同。其次是计算的问题。在力学基本量测量实验中，为了巩固绪论中所学的误差和不确定理论，采用50分度游标卡尺测量铝铜外径6次，求平均值和标准偏差。

学生测得的数据如表1。

求上述6组数据的平均值和标准偏差中，学生遇到的具体问题很多。正确的操作是在mathstudio主界面中输入x=[33.98，34.00，34.02，33.98，33.98，34.02]（图4（a）），而很多同学总将数据之间的逗号“，”输成加号“+”或者是点“.”。另外，标准差偏差函数符号系统中没有自带，需要学生自己输入StandardDeviation（x），这个英文单词很多同学输了很多次后还会经常输错，绝大多数同学都会少输一个“d”。由于输错一个字母或者符号，软件也会显示一些数据（图4（b）），因此，给同学的判断造成困难。

（四）钢球密度不确定度的计算问题

力学基本量测量实验中，钢球的密度公式为？籽 ，根据该公式推导出间接不确定度U（？籽） U（d）。小球的质量为8.95g，用螺旋测微器测出小球直径d的6组数据，得到的平均值为12.649mm。然而，在接下来直径d不确定度U（d）和密度？籽的计算中，出现了各类错误，尤其是单位的换算和有效位数的保留等，最后能得到钢球的密度正确结果的同学在整个年级2000名同学的比例不到30%。由此可见，看似简单的一堂实验课，对培养同学的基本素养而言也是有很多非常有价值的题材。

二、结束语

21世纪中国高等教育由精英教育走向了大众教育，作为应用型本科高校，近年来正在积极探索应用型人才培养的规律。以人为本，强调在提高学生科学文化素养的基础上，重点培养其实践能力和创新能力。通过课堂教学逐步调动学生的思维，培育良好的行为习惯和高贵的品质[4-5]。

长期以来，受传统“重理论、轻实践”观念及经费不足等的影响，大学物理实验课程未受到应有的重视。很多实验教师面对传统的基础性和验证性的实验内容，从预习、原理讲授、学生操作和写实验报告这样固定的教学模式和方法、简单的考核方式等，已使大学物理实验不能适应当前知识经济时代对应用型人才培养的需求。因此，探讨和深化大学物理实验教学课堂中育人和育才双效结合机制，切实提高大学物理实验教学质量，对全校理工科应用型人才培养目标的实现有着重要的意义。

参考文献：

[1]习近平.把思想政治工作贯穿教育教学全过程开创我国高等教育事业发展新局面[N].人民日报，2016-12-09（01）.

[2]王平.习近平新时代中国特色社会主义思想视阈下高校思想政治教育工作探析[J].无锡职业技术学院学报，2018（3）：93-96.

[3]魏凤成.Mathstudio 在大学物理实验数据处理中的运用[J].天津农学院学报，2016，23（3）：66-68.

[4]次仁尼玛，宁长春，陈天禄，等.构建大学物理教学团队，促进大学物理教学[J].大学物理，2017（6）：61-65.

[5]卢树华，田方，王丽辉.大学物理教学信息化探讨与实践[J].大学物理，2017（6）：61-65.