基于PASCO平台的设计性物理实验教学

汪连城 吴庆春 金远伟 赵 斌 唐春红

（南京工程学院数理部，江苏 南京 211167）

0 引言

大学物理实验是大多数工科大学学生接触到的第一门实验性课程，对培养大学生的创新能力和工程实践能力起到重要的初期引导作用。因此，不断优化、更新物理实验教学内容、方法和手段，对推进大学课程改革和教学变革，培养一流教师，建设一流课程，实现一流教学，对进一步推动创新性应用型人才培养质量的提升有重要意义。

1 P AS CO实验平台

PASCO实验平台由三个必要的部分组成：（1）测量各种物理量并将其转换成电信号的传感器及其连接组件；（2）将传感器信号转换为电脑接收信号的通用接口模块（Universal Interface）；（3）将测量数据在计算机上进行分析处理和可视化的软件（Capstone）。相对于传统实验教学仪器，PASCO实验系统具有广泛的适用性、功能的多样性和对实践操作能力培养的有效性，可以最大程度地发挥学生在实验课程中的主观能动作用，起到更好的教学效果。此外，由于对实验数据的测量、收集到处理全部数字化，在有效提高实验数据采集效率的同时，也大大提高了实验的精度，有效降低了人为误操作所带来的实验误差。最后，由于组件的通用性，可以利用数量有限的传感器配合不同的设计思路，组合出大量的实验仪器，在达到教学效果的同时，也节约了成本。总之，基于PASCO实验平台的物理实验系统对锻炼大学生综合动手能力和创新能力的作用是传统整合式实验仪所无法替代的[1]。

2 基于P AS CO平台的设计性实验教学要点

学生在完成基于PASCO平台的设计性实验时，需要根据给定实验目的，自主选择组件，自由搭建符合要求的实验仪器。同时，还要对实验数据的采集和处理自主设计出合理的方案。这对学生提出了较高的要求。因此，人们提出了适合PASCO实验教学的三个教学要点。

2.1 分阶段教学

即在实验教学过程中应当对学生进行分阶段的培养[2-3]。首先，应该让学生完成基于整合式实验仪的基本实验，使学生对基本的物理原理和实验操作达到一定的熟练度。其次，通过教师讲解和演示性实验，让学生对组成PASCO系统的传感器、数据接口和平台软件的原理、操作方法、连接方式和数据分析与计算等有充分的认识。然后，让学生以分组的方式，每组2～3人为宜，自主完成一些相对简单的设计性实验。例如，一些基于简单物理原理和单一运动模式的验证性实验。在这些实验中，需要的传感器和待测的物理量较少，仪器搭建简单，数据处理以单变量函数图像和数据表格为主。接着可以让学生完成一些固定模式的设计性实验。在这些实验中，虽然需要的传感器较多，仪器搭建较复杂，但学生可以遵循固定的步骤完成。最后，是开放式的设计性实验。这些实验是以问题解决为向导，强调实验仪器整体的功能性。实验本身没有固定模式，可以让学生最大程度地发挥自由创造精神，自主选择所需传感器和搭建方式，并对测量数据进行深度处理。相对于传统的实验报告方式，开放性的设计性实验应当结合完整的研究报告甚至是研究论文来完成。

2.2 小班化教学

PASCO实验系统的特点决定了它比较适合少量学生进行探究式的自主式学习，而不是全体学生的分组实验。因此可将其定位为选修式的开放式课程。对物理有浓厚兴趣的，在基础的大学物理理论课和实验课程中表现优异的学生可选修此课程。对于这一部分学生，可以给予一定的奖励，例如学分和证书。

2.3 学科竞赛

对于选修基于PASCO平台设计性物理实验课程的学生，应鼓励他们参加相关学科竞赛，以达到对教学效果的检验，同时进一步提升学生的自主创新能力和实践动手能力。物理实验作品竞赛特别适合大学本科低年级学生，它强调学生在实验作品制作中应用物理原理，对作品的电子集成度和实际用途要求不高。学生在制作出基础的物理实验作品后，后期可继续加工并参加更高级别的比赛。

3 基于P AS CO平台的实验举例

3.1 验证性实验：布儒斯特角

布儒斯特角实验的物理原理较为简单，但学生需要自己动手搭建光路，包括光学导轨、激光光源、偏正光具、转动传感器、高灵敏光传感器等。在该实验中，学生不但可以验证布瑞斯特定律，还可以测量待测透明物质折射率。布儒斯特角实验装置连接图如图1所示。该实验有固定的实验步骤，学生可按说明书一步步搭建实验装置，并按要求完成一系列测量并回答预先设计好的问题[1]。

图1 布儒斯特角实验装置连接图

3.2 探索性实验：乐器发声

乐器的发声是一个迷人的话题。不同的乐器可以发出频率相同的声音，但却能被人耳清晰的区分。其物理本质是什么？这样的开放性问题于PASCO系统实现起来很简单。只需一支声强传感器，将不同乐器的发声转化成电信号，通过数据接口，显示在CAPSTON软件上。如图2所示是不同乐器发出相同频率声音时的声强随时间变化谱线，可以看出两种乐器发出的都是由多种频率叠加在一起的混合波。两种波的最小频率相同，对应周期约为3毫秒，频率为333赫兹。但是两种波的高频部分完全不同，可以明显看出第一种声波具有更多的高频组分。同时可以看出，两种波的低频部分的振幅较高，高频部分的振幅较小。最终被人耳感知的时候就表现为声调相同，但音色不同。

图2 不同乐器发声图

4 结语

与传统实验仪器相比，基于PASCO实验平台的物理实验在仪器的选择、实验的搭建、测量的多样化和自动化以及数据处理的数字化等方面具有明显的优势，它让物理实验仪不受单一的实验目的所限制，而是尽可能地让各种传感器在不同物理实验中通用，配合统一的数据接口和处理软件，从而在成本和功能上达到效益最大化。更为重要的是，PASCO物理实验有利于培养学生探索精神，有利于提升学生的实践动手能力，并为培养新型应用型人才发挥重要的作用。