大学物理实验中学生创新思维训练与提升

王新顺，王本阳，张立彬

（哈尔滨工业大学（威海）理学院，山东威海 264209）

0 引言

大学物理实验是理工类学科学生必修课程之一，对于学生动手能力的提高以及科研素质的训练有重要的影响，在培养学生活跃的创新意识、理论联系实际分析解决问题能力、成为适应社会科技发展的智能型开拓型创新人才等方面具有其他实践类课程不可替代的作用，利用大学物理实验教学平台培养学生的创新能力已经受到越来越多的高校的重视［1-13］。而创新能力的培养，首先应该是学生创新思维的形成。然而，很多高校把对学生创新能力的培养等同于科技创新项目训练、科技竞赛或与科研项目相结合的科研训练，却忽视了在大学物理实验基础教学中创新思维的训练。大学物理实验作为本科生第一门基础实验课，教学中创新思维的训练对学生实验习惯的形成、实验素养的提高至关重要。

现实中大学物理实验教学存在很多问题，①大部分学生习惯于中小学应试教育的思维模式，习惯于依赖教师，实验中很少独立思考，思维方式单一；②长期以来，物理实验沿用传统的实验教学手段，实验教学模式固定，教学过程基本上都是4 个步骤：学生预习，教师讲解实验原理、演示实验过程，学生完成实验及数据处理等，僵化的教学模式使学生缺乏独立思考和数据分析的锻炼，很多学生只是为了拿学分而应付实验，基本实验素养得不到训练，更谈不上创新思维的形成；③随着科学技术的发展，教学仪器自动化程度越来越高，操作步骤简单，仪器物理结构不明确，也限制了学生创新思维的形成。如何创新实验教学，有意识地转变学生思维方式已成为大学物理实验教学十分迫切的工作。

本文结合电表改装实验，从以下几个方面谈谈在大学物理实验教学中如何通过实验训练有意识地训练学生的创新思维，转变学生的思维方式。

1 树立学生实验中遇到问题应从理论分析入手来解决的意识

1.1 替代法测电表内阻中的思维方式训练

替代法测电表内阻的测量原理见图1。当被测电流计接在电路中时，用电阻箱R2替代它，当电路中的电压、可变电阻RW均不变时，调节电阻箱R2的阻值，使电路中的电流（即标准表读数）保持不变，则此时电阻箱的电阻值即为被测电流计内阻。

图1 替代法测电表内阻电路图

在实际测量中，有学生发现，调节R2在某个范围内变化时，标准表读数一直等于原来被测电流计接在电路中的读数，并不随R2的变化而发生变化。譬如，当学生在150.0 Ω到159.9 Ω之间调节R2时，标准表读数保持不变，按替代法原理，电流计内阻可以等于150.0～159.9 Ω之间的任意值，这显然是不正确的。

这个实验现象大部分学生都会遇到，但能分析出原因并正确处理的同学几乎没有，他们大都是不加思考，随便选取一个标准表读数等于原来被测电流计接在电路中的读数时的R2值作为电流计的内阻。这说明，大部分学生根本没有在实验中根据现象分析问题解决问题的意识和习惯，很多学生遇到实际问题，总是有畏惧心理，觉得无从下手，自认为可能很高深，自己解决不了。

这个问题的关键是学生没有考虑到标准表的灵敏度。R2变化时，标准表读数之所以不变，是因为标准表的灵敏度太低，R2变化引起流过标准表电流的变化太小，不足以让标准表指针偏转。解决这个问题的办法有两个，①更换灵敏度更高的标准表，②在R2变化范围不变的情况下，让流过标准表的电流变化增大，从而引起标准表读数发生变化。本实验只能采用第2种方法。经过提醒，几乎所有同学都明白了为什么R2变化而电流计读数却不变的原因，也能从理论公式Im=E/（RW+R2）找到采取什么措施能使替代法测出的电流计内阻精确到10 分位的方法（式中Im为流过标准电流表的电流），即减小RW，或增大电源电压E，使原来被测电流计接在电路中的电流增大，从而让流过替换的标准表的电流变化也增大，使得R2在十分位数值发生变化时标准表的读数也能随之发生变化。这样的训练让学生体会到了实验中自己根据实验现象、从理论分析到实际解决问题的乐趣。实际上，如果他们在实验中有主动独立解决问题的意识，有遇到问题能从物理原理或理论来分析的习惯，大部分问题并不难解决。

1.2 半电流法测电流计内阻中思维方式的训练

半电流法（也称中值法或半偏法）测电流计内阻的测量原理见图2。当被测电流计接在电路中时，使电流计满偏，记下此时标准表读数；然后将电阻箱R2与电流计并联作为分流电阻，改变R2电阻值、电源电压或RW，使电流计指针指示到中间值时，标准表读数（总电流强度）仍保持原来读数不变，这时分流电阻R2的值就等于电流计的内阻。

图2 半电流法测电流计内阻电路图

这个实验原理看似简单，但实际调节并不简单。当调节电路使标准表读数（总电流强度）保持原来读数时，电流计指针一般并不指向中值半偏；当调节电路使电流计指针指向中值半偏时，标准表读数又发生了变化，不等于原来的读数了。如何快速的调节才能使电路达到测量电流计的内阻的要求呢？很多同学不知从何入手，胡乱调节，调节很长时间也达不到要求，他们没有从理论分析入手来指导和解决实验中出现问题的意识和习惯。由图2 可知，，式中Rg为待测电流计的内阻，从理论上分析，如果不改变RW或E，当把R2接入电路中时，电路总电阻肯定是减小的，流过标准表的电流肯定是变大的。减小E 或增大RW，使标准表恢复原来的值；此时若R2不等于电流计内阻，则电流计读数将不是中值半偏，调节R2大小使电流计中值半偏；调节以后，R2的变化使得电路总电阻发生了变化，从而使流过标准表的电流也不再等于原来的值，再调节E 或RW使标准表恢复到原来的值，注意此时不能通过调节R2来恢复标准表的读数；调节以后，标准表的读数变化又使得流过待测电流计的分电流发生了变化，不会再是中值半偏，此时不能再调节E或RW，只能通过调节R2大小使电流计中值半偏；调节R2变化又使得电路总电阻发生了变化，从而使标准表读数又不再等于原来的值，如此周而复始，多次重复调节电路，最后才会无限接近所要求的电路状态。通过启发提示，同学们学会了从理论分析入手来指导和解决实验中出现问题的方法。有同学根据理论分析总结出了一个电路调节流程图，如图3 所示，按照这个流程，很快就能将电路调到半电流法测电流计内阻所要求的电路状态。

图3 半电流法测电表内阻电路调节流程图

2 树立学生逆向思维的意识

逆向思维与正向思维相反，是从原问题的相反方向着手的一种思维，是执果索因、知本求源的发散性思维，是一种创造性的求异思维。在教学实践中巧妙设置实验情境，激发学生逆向思维，能让学生克服思维定势，转变思维方式，有利于培养学生的开拓创新意识［14-17］。

在电表改装与校准实验中，很多教材中没有要求学生在扩程电流表或电压表以后要进行满偏校准。没有满偏校准实际上训练学生的是正常思维，测出表头内阻后，按照理论公式R=Rg/（n -1）或R=（n -1）Rg计算出要并联或串联的电阻（式中n为电表量程扩大的倍数），再连接电路测出校准曲线即可。而满偏校准则体现了逆向思维的训练，图4 为扩程后电流表的满偏校准电路图。如将Ig=1 mA 的表头扩程至5 mA，满偏校准时要求改装表满偏时标准表读数达到满量程5 mA。

图4 扩程后电流表的满偏校准电路图

当调节RW使改装表满偏时，发现标准表读数不是5 mA（大部分情况是这样），譬如是大于5 mA，按理论设计计算，标准表读数应该是5 mA，实际上为什么不是呢？怎么才能校准到5 mA？这种不遵从理论计算结果、执果索因、知本求源的思维即是逆向思维。

为什么标准表读数会大于5 mA？这就促使学生思考，实际的测量和理论计算还是有差别的，出现差别的原因在于Rg的测量误差，由于Rg的测量误差，必然导致R2=Rg/（n-1）的理论设计值和要使改装表满偏电流为5 mA所要求的电阻值有不小偏差。R2理论设计值比实际要求的值小，标准表的读数就会过大；反之，标准表的读数就会过小。找到原因后学生就可以根据理论分析来指导调节电路了，如果标准表读数大于5 mA，就增大R2，反之，就减小R2。但改变了R2使标准表达到5 mA后，表头电流又变得不是满偏了，这又是什么原因？又该如何调节？学生有了前面的思维训练，这一步也就知道从理论上来分析了。经过分析调试，同学们发现这个扩程电流表以后的满偏校准也需要按一定规律多次调节电路，才能无限接近改装表和标准表都同时达到满偏的电路状态，在这个状态下，R2的大小最接近改装表实际内阻大小的1/（n -1）。如果不进行逆向思维和理论分析，盲目调节，就会费时费工，很难达到改装表和标准表都同时达到满偏的要求。有同学总结出了电流表满偏校准的流程图，如图5 所示。按照这个流程，同学们很快就能将电表调到满偏校准所要求的状态。

图5 扩程后电流表的满偏校准流程框图

3 树立学生工程思维的意识

工程思维是价值定向的思维，是与具体的“个别对象”联系在一起的“殊相”思维，其核心是解决工程问题，具有“特定性”。这些特性意味着问题的解决方案并不唯一，存在着多个不同的完成该任务的设计方案；意味着面对工程问题，解决方案可能只有合适的，不存在最好的；意味着工程师要从影响工程问题的众多因素中，突出主要矛盾，忽略次要矛盾，工程中是允许误差存在的；意味着并不需要面面俱到，某些性能的改善很可能需要牺牲另一些性能。由此可知，工程思维就是面对复杂的实际工程问题，在一定的条件下用最简单的方法来解决实际问题的思维［18-20］。

在电表改装实验中，要求学生将0.1 级量程1 mA的电流表改装成0.5 级的量程5 mA的电流表和量程1.5 V的电压表，标准电流表是0.2 级的量程5 mA的电流表，标准电压表是0.2 级的量程1.5 V的电压表。在给定要求和给定条件下完成电表的改装实际上就是要解决一个工程问题。让学生认识到电表改装实验等同于仪表厂电表的设计与制作，让学生树立工程思维的意识，实验结果等同于新产品，新产品必须达到工厂要求的质量标准，达不到要求就需要找原因，改进设计方案。

在实验中，要求学生按照测量的表头内阻，设计出量程5 mA的电流表和量程1.5 V的电压表，先在没有进行满偏校准的情况下，做出校准曲线，分析改装电表的不确定度，确定电表的等级。通过计算分析，大部分同学改装的电表等级都比要求的0.5 级低，有的甚至达到5.0 级。达不到要求就要找原因，提出改进措施。很多同学都能想到根据不确定度公式来找原因，式中ΔU′为表头带来的误差，ΔU″为标准电表的误差，ΔUmax为表头内阻的测量带来的校准误差，也叫最大校验误差，取校验曲线中ΔU 的最大值。在标准电表、表头给定的情况下，表头内阻的测量带来的误差是主要的。如何减小由于这个测量误差而带来的改装电表的误差呢？有同学提出用标准表进行满偏校准是个很好的方法，也有同学重新用替代法和半电流法再测电流表内阻的。不管采用哪种改进措施，只要使改装的电表达到了0.5 级的要求即可。没有最好，只有更好。

通过这样的训练，同学们既有成就感，提高了他们对实验的兴趣，又树立了工程思维的意识，提高了他们解决实际工程问题的能力。

4 结语

在电表改装与校准实验中，若仅仅让学生通过实验掌握改装电流表及电压表的原理，对于大学物理实验来说就显得有些简单。但简单之中若有新意，若能让学生通过简单实验转变思维方式，学会在实验中解决实际问题的方法，养成从实验现象思考背后物理原理、从理论分析入手来指导和解决实验中出现问题的思维习惯，树立逆向思维和工程思维的意识，实验的意义将大不相同，学生也会感觉收获满满，兴趣盎然。