在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)素質(zhì)和能力*
——以變阻器的使用與電路控制為例

梁 瑩

(華東理工大學(xué)理學(xué)院 上海 200237)

(收稿日期：2016-05-20)

?

在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)素質(zhì)和能力*
——以變阻器的使用與電路控制為例

梁 瑩

(華東理工大學(xué)理學(xué)院 上海 200237)

(收稿日期：2016-05-20)

物理教學(xué)包括理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，重點(diǎn)闡述了在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)素質(zhì)和能力的重要性.以變阻器的使用與電路控制為例論述了如何啟發(fā)和指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、開(kāi)展實(shí)驗(yàn)實(shí)踐、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐進(jìn)行改進(jìn).通過(guò)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生深刻理解科學(xué)實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)素質(zhì)和能力，實(shí)現(xiàn)大學(xué)物理教學(xué)的最終目標(biāo).

科學(xué)實(shí)驗(yàn) 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn) 變阻器

科學(xué)實(shí)驗(yàn)是人類認(rèn)識(shí)自然的科學(xué)方法，是科學(xué)理論的源泉.辭海中對(duì)“科學(xué)實(shí)驗(yàn)”的定義為“根據(jù)一定目的，運(yùn)用一定的儀器、設(shè)備等物質(zhì)手段，在人工控制的條件下，觀察、研究自然現(xiàn)象及其規(guī)律性的社會(huì)實(shí)踐形式.是近代自然科學(xué)產(chǎn)生和發(fā)展的重要基礎(chǔ)之一.是獲取經(jīng)驗(yàn)事實(shí)和檢驗(yàn)科學(xué)假說(shuō)、理論真理性的重要途徑”[1]. 科學(xué)實(shí)驗(yàn)使人類從蒙昧無(wú)知到文明開(kāi)化，從對(duì)大自然的恐懼敬畏到合理利用和改善，推動(dòng)了人類的進(jìn)步和發(fā)展.物理實(shí)驗(yàn)是科學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的任務(wù)旨在使學(xué)生們掌握物理實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí)、基本方法和基本技能，加深對(duì)物理學(xué)原理的理解，學(xué)會(huì)在實(shí)踐中運(yùn)用和檢驗(yàn)理論知識(shí)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生從事科學(xué)實(shí)驗(yàn)的素質(zhì)和能力.作為大學(xué)物理教學(xué)的重要組成部分，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)意義重大、任重道遠(yuǎn).

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,我們發(fā)現(xiàn)有相當(dāng)一部分學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課很不重視,在實(shí)驗(yàn)中機(jī)械地按照既定步驟完成實(shí)驗(yàn)流程，不愿主動(dòng)思考、分析，他們對(duì)實(shí)驗(yàn)課的重視遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如理論課.究其根本原因，是學(xué)生沒(méi)有明白一個(gè)道理：物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最終目標(biāo)是要學(xué)生們具有科學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力和素質(zhì)，而科學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)理論原理具有指導(dǎo)和檢驗(yàn)的作用，能幫助我們更好地理解和應(yīng)用理論知識(shí)，沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐檢驗(yàn)的理論是不被信服的.那么，如何才能讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要性、具有科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰δ兀课覀冋J(rèn)為，在對(duì)學(xué)生進(jìn)行一定數(shù)量的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練后，具有科學(xué)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練性質(zhì)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)是十分必要的.事實(shí)上，許多高校的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)都是這樣安排的，而采取什么樣的教學(xué)方法和模式則需要不斷地摸索和改進(jìn).在這里，根據(jù)筆者個(gè)人的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)提出幾點(diǎn)體會(huì)和建議.

1 向?qū)W生灌輸科學(xué)實(shí)驗(yàn)的思想

基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)儀器、數(shù)據(jù)處理以及實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)都是設(shè)定好的，屬于繼承和接受前人的知識(shí)和技能，學(xué)生只要參照課本或講義，再通過(guò)教師的講解和指導(dǎo)進(jìn)行操作即可，這種模式是被學(xué)生熟悉并易于接受的.而科學(xué)實(shí)驗(yàn)往往是針對(duì)一個(gè)課題自行完成設(shè)計(jì)、實(shí)踐和分析一系列流程，考查學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ蛇M(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng).在教學(xué)中，首先要向?qū)W生介紹科學(xué)實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程.

如圖1所示[2]，科學(xué)實(shí)驗(yàn)的第一步是確立課題.可以根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)、前沿自擬課題，也可以是政府下達(dá)的既定課題，或是為解決企業(yè)難題而設(shè)立的課題.課題確立后，首先要查閱相關(guān)資料，對(duì)資料進(jìn)行整理、分析，取其精華，向?qū)I(yè)人士咨詢、探討，從而了解課題研究背景和現(xiàn)狀,明確課題的可行性和難點(diǎn).在對(duì)課題具有一定認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，然后再查閱資料判斷實(shí)驗(yàn)方案是否合理、可行，進(jìn)一步調(diào)整和優(yōu)化.根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,分析并處理遇到的問(wèn)題，根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的具體情況對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行改進(jìn)，甚至有可能需要重新制定實(shí)驗(yàn)方案.分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果，在分析的過(guò)程中需要查閱資料,與合作者或同行進(jìn)行討論交流.如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果不合理或誤差不滿足要求，則需要尋找原因、重新實(shí)驗(yàn).確定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)合理有效后撰寫(xiě)完整的論文報(bào)告.特別要向?qū)W生強(qiáng)調(diào)的是：在科學(xué)實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程中，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科研態(tài)度是必須的.

圖1 科學(xué)實(shí)驗(yàn)全過(guò)程示意圖

2 啟發(fā)學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)踐

中國(guó)的教育特色以接受型為主，學(xué)生往往缺乏主動(dòng)意識(shí).要學(xué)生學(xué)會(huì)自主行事，需要啟發(fā)、指導(dǎo)和訓(xùn)練.在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的后期，可多安排一些設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生們科學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力和素養(yǎng).以“變阻器的使用與電路控制”為例，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中學(xué)生可自學(xué)教材中的相關(guān)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)室提供不同規(guī)格的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，學(xué)生根據(jù)老師提出的實(shí)驗(yàn)要求自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、選擇實(shí)驗(yàn)儀器、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).雖然這個(gè)實(shí)驗(yàn)的原則和目的是讓學(xué)生發(fā)揮自主性，培養(yǎng)他們的科學(xué)實(shí)驗(yàn)精神，但是，由于課堂時(shí)間的限制以及傳統(tǒng)授課模式的影響，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有起到設(shè)想中的效果.在此，我們提出一些改進(jìn)的建議.

(1)在講課模式上采用提問(wèn)和提示的方式

在要求學(xué)生做好課前預(yù)習(xí)的前提下，教師在課上利用15分鐘的時(shí)間就實(shí)驗(yàn)原理、電路組成、實(shí)驗(yàn)儀器等向?qū)W生提問(wèn)，根據(jù)學(xué)生的回答進(jìn)行講解和提示.就教學(xué)方式而言，無(wú)論是理論課還是實(shí)驗(yàn)課，國(guó)內(nèi)的授課是相對(duì)固定的“內(nèi)容式教學(xué)”，導(dǎo)致了 “師生互動(dòng)”的局限性；國(guó)外的授課，則是一種引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,分析問(wèn)題，尋找解決問(wèn)題的科學(xué)途徑的動(dòng)態(tài)式“問(wèn)題式教學(xué)”， 具有“師生互動(dòng)”的開(kāi)放性.問(wèn)題式教學(xué)一方面可以檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)效果、接受程度，使講課內(nèi)容更有針對(duì)性；另一方面可以啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行思考,活躍課堂氣氛,提高課堂效率,激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣.

(2)在講課內(nèi)容上只介紹關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)

將電路各部分按邏輯進(jìn)行歸納，讓學(xué)生明確一點(diǎn)：無(wú)論一個(gè)電路多么復(fù)雜，它都是由3部分組成的，即電源、控制電路和負(fù)載.本實(shí)驗(yàn)主要考察的是學(xué)生對(duì)控制電路的理解，因此重點(diǎn)講解控制電路.控制電路最主要的組成元件是滑線變阻器，滑線變阻器有3個(gè)端點(diǎn)，通過(guò)滑動(dòng)“滑動(dòng)端”改變變阻器在電路中的電阻，從而控制電路中的電壓和電流連續(xù)地變化，所以滑線變阻器對(duì)電路起到控制的作用.控制電路又分為制流[圖2(a)]和分壓[圖2(b)]兩種最基本的連接方法.這里，特別要向?qū)W生介紹兩個(gè)參數(shù)：電路特征系數(shù)(k)和滑線變阻器滑動(dòng)端(C端)相對(duì)位置(x),其中

圖2 制流和分壓電路

(3)在實(shí)驗(yàn)操作上，提出實(shí)驗(yàn)要求，啟發(fā)學(xué)生自行完成

實(shí)驗(yàn)室提供連續(xù)可調(diào)的電源；電阻箱；具有不同量程的電流表和電壓表；不同規(guī)格的滑線變阻器(10 Ω,56 Ω,100 Ω,420 Ω,1000 Ω,3 000 Ω)，供學(xué)生自行選擇.

在電路的設(shè)計(jì)和儀器的選擇上可對(duì)學(xué)生做一些提示.在電路設(shè)計(jì)上，提示兩種電路的特點(diǎn)，制流電路中負(fù)載通過(guò)的電流不可能為零，所以電流變化不是從零開(kāi)始；而分壓電路中負(fù)載兩端的電壓變化是從零開(kāi)始的.在儀器的選擇上，制流電路中使用的測(cè)量?jī)x表為電流表，電流表串聯(lián)接入電路中，由于電流表電阻較小，因此特別要注意流入電流表的最大電流不可超過(guò)量程，同時(shí)量程也不可選得過(guò)大，以免加大測(cè)量誤差；在分壓電路中使用的測(cè)量?jī)x表為電壓表，同時(shí)電壓表也是負(fù)載電阻的一部分.電壓表內(nèi)阻與選用量程有關(guān)，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)通過(guò)儀器儀表上的說(shuō)明了解儀器的特性和重要參數(shù).

具體操作過(guò)程中，可將學(xué)生分成A,B班，A班學(xué)生做第一個(gè)實(shí)驗(yàn)，B班學(xué)生做第二個(gè)實(shí)驗(yàn)，每位學(xué)生需單獨(dú)完成實(shí)驗(yàn).要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求自行選擇實(shí)驗(yàn)儀器，連接電路.

第一個(gè)實(shí)驗(yàn)：已知負(fù)載電阻R = 42 Ω，要求電流控制范圍 I = 0.01～0.1 A.根據(jù)要求選擇合適的電路，計(jì)算各元件參數(shù)，構(gòu)造實(shí)驗(yàn)裝置；測(cè)量和記錄變阻器各位置點(diǎn)的電流值.

第二個(gè)實(shí)驗(yàn)：已知總負(fù)載R總= 1 000 Ω，要求電壓控制范圍 U = 0～3 V且k > 10.根據(jù)工藝要求，選擇合適的電路，計(jì)算各元件參數(shù)，構(gòu)造實(shí)驗(yàn)裝置；測(cè)量和記錄變阻器各位置點(diǎn)負(fù)載的電壓值.

3 引導(dǎo)學(xué)生分組討論 交流實(shí)驗(yàn)心得

要求A班和B班學(xué)生根據(jù)自己的數(shù)據(jù)分別對(duì)制流特性曲線和分壓特性曲線特點(diǎn)做出說(shuō)明；討論在選擇電路、計(jì)算元件參數(shù)時(shí)有哪些困惑；實(shí)驗(yàn)中遇到過(guò)什么問(wèn)題，如何解決這些問(wèn)題；自己總結(jié)實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng).這種討論交流的方式可以讓學(xué)生加深對(duì)知識(shí)的理解，提高他們的實(shí)驗(yàn)興趣和能力，提高實(shí)驗(yàn)自信心.通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生初步體會(huì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程.

則

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室提供的滑線變阻器，可選擇R0= 420 Ω.在這里，也可以這樣計(jì)算，我們選擇好了電源E = 4.2 V,當(dāng)電流最小時(shí)，滑線變阻器全部連入電路中，因此

則

電路元件選擇好后，根據(jù)圖2(a)連接電路，電路連接好并檢查無(wú)誤后，關(guān)閉開(kāi)關(guān).學(xué)生根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)利用計(jì)算機(jī)畫(huà)制流特性曲線，如圖3中的a曲線，從圖中可以明顯看到曲線線性較差，特別是當(dāng)x接近1時(shí)，電流變化很大，由此判斷電路的細(xì)調(diào)不夠，這與講義中介紹的制流特性曲線k < 1的情況相同，因此，可以在主控電路基礎(chǔ)上再加上一個(gè)起細(xì)調(diào)作用的變阻器.這里體現(xiàn)了科學(xué)實(shí)驗(yàn)中查閱資料、確定方案、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐和數(shù)據(jù)分析四者之間的相互關(guān)系，學(xué)生對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)有了切身體會(huì).

a為未加細(xì)調(diào)變阻器的制流特性曲線 b為加入細(xì)調(diào)變阻器后x在0.8～0.9范圍內(nèi)的制流特性曲線

圖4 加入細(xì)調(diào)滑線變阻器的制流電路

第二個(gè)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)題設(shè)，負(fù)載兩端電壓從零開(kāi)始變化，因此應(yīng)選擇分壓電路，電路圖如圖2(b)所示；最大電壓為3 V，因此電源調(diào)節(jié)到3 V，電壓表量程選擇3 V；由于電壓表內(nèi)阻不可忽略，它應(yīng)作為總負(fù)載的一部分，根據(jù)電壓表規(guī)格，3 V擋時(shí)內(nèi)阻為500 Ω/V，所以電壓表內(nèi)阻RV= 500 Ω/V×3 V= 1 500 Ω.根據(jù)并聯(lián)電路

即

圖5 分壓特性曲線

4 啟發(fā)學(xué)生總結(jié)實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題和解決辦法

(1)如何判斷應(yīng)選擇哪種控制電路

在討論時(shí)可適時(shí)地提問(wèn)，看學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握和理解.比如，在電路的選擇上可請(qǐng)學(xué)生談?wù)勅绾闻袛噙x擇哪種連接電路.有些學(xué)生講“因?yàn)轭}目要求測(cè)負(fù)載電流所以選擇制流電路，要求測(cè)電壓就選擇分壓電路.”這樣判斷當(dāng)然是不正確的，應(yīng)該根據(jù)題目要求和兩種電路的特點(diǎn)來(lái)選擇電路.在講義中對(duì)兩種電路進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，同時(shí)教師也做過(guò)相關(guān)的提示.從學(xué)生的回答中我們可以得到這樣的反饋，他們沒(méi)有理解講義中以及教師的提示中對(duì)兩種電路特點(diǎn)的講解.正確的思路應(yīng)該是：首先，制流電路中負(fù)載流過(guò)的電流不可能為零，而分壓電路中負(fù)載電壓從零開(kāi)始變化.如要求負(fù)載電流或電壓變化從零開(kāi)始，則不能選制流電路；如沒(méi)有要求電流或電壓變化從零開(kāi)始，則考慮功率損耗后應(yīng)選擇制流電路.其次，不管是制流電路還是分壓電路，當(dāng)k < 1時(shí)，特性曲線線性程度差，特別是在x接近1時(shí)，細(xì)調(diào)程度不夠，應(yīng)該加入細(xì)調(diào)變阻器.如果認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，對(duì)于第一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)電路時(shí)就應(yīng)該想到加入細(xì)調(diào)滑線變阻器.學(xué)生們通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐深刻體會(huì)了科學(xué)實(shí)驗(yàn)中“查閱資料”這項(xiàng)工作的重要性和意義.查閱資料并不是簡(jiǎn)單地看過(guò)即可，而是要深刻理解其中精華.

(2)滑線變阻器不靈敏

有些學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中向老師提出“滑線變阻器接觸不良”，要換一臺(tái)變阻器.其實(shí)這個(gè)問(wèn)題很好解決，主要是因?yàn)榻佑|不好，把滑線變阻器來(lái)回滑動(dòng)幾次就行了.這反映了學(xué)生們實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)少，缺乏解決問(wèn)題的主動(dòng)性，仍然過(guò)分依賴教師.這時(shí)候，可以告訴學(xué)生一邊來(lái)回滑動(dòng)變阻器，一邊觀察儀表，注意滑動(dòng)幾次之后，儀表變化是否就正常了.

(3)分壓電路中滑動(dòng)滑線變阻器，電壓表變化與預(yù)計(jì)情況不符

有些學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中抱怨電壓表“壞了”，因?yàn)樽冏杵鞯倪x擇、電源、負(fù)載都沒(méi)有問(wèn)題，可是滑動(dòng)變阻器時(shí)電壓表不是從零開(kāi)始變化.出現(xiàn)這種問(wèn)題時(shí)，絕大多數(shù)原因并不是電壓表壞了，而是滑線變阻器的B端根本沒(méi)有連入電路，這說(shuō)明學(xué)生們沒(méi)有認(rèn)真閱讀講義，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)在制流電路和分壓電路中變阻器連接方式的不同：在制流電路中，滑線變阻器的A端和C端連入電路，而B(niǎo)端沒(méi)有連入；在分壓電路中，滑線變阻器的3個(gè)端點(diǎn)均連入電路中.

(4)分壓電路中電阻箱設(shè)置錯(cuò)誤

有些學(xué)生在做第二個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)將電阻箱錯(cuò)誤地調(diào)節(jié)到1 000 Ω，出錯(cuò)原因是他們忽略了電壓表的內(nèi)阻，忘記分壓電路中的負(fù)載電阻包括電阻箱和電壓表兩個(gè)部分.盡管在實(shí)驗(yàn)操作之前教師做過(guò)提示，但是沒(méi)有實(shí)踐來(lái)得真實(shí)和印象深刻.

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要大膽改變常規(guī)授課方式，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課的互動(dòng)性和活潑性，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)揮自主性，培養(yǎng)他們科學(xué)實(shí)驗(yàn)的素質(zhì)和能力.

1 夏征農(nóng)，陳至立.辭海(第6版).上海：上海辭書(shū)出版社，2009

2 張兆奎，繆連元，張立.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)(第3版).北京：高等教育出版社，2008

Training Students′ Scientific Experiment Quality and Ability in Physics Experiment Teaching ——Taking the Rheostat Use and Circuit Control as Example

Liang Ying

(School of Science, East China University of Science and Technology,Shanghai 200237)

Physics teaching includes theoretical teaching and experimental teaching. This paper focuses on the importance of cultivating students′ scientific experiment quality and ability in college physics experiment teaching. By use of rheostat and circuit control as an example, the article discusses how to inspire and guide the students design experimental scheme, carry out experiment, analysis the experimental data, and in further improve the experimental scheme and practice according to the results. Through the designed experiments, so that students can understand the whole process of scientific experiment, and then to cultivate the students′ scientific experiment quality and ability to achieve the ultimate goal of college physics teaching.

scientific experiment; designed experiment; rheostat

*上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：14ZZ057

梁瑩(1980- )，女，博士，副教授，主要研究方向?yàn)樾滦湍茉床牧?