基于习题讨论式学习的大学物理实验绪论课教学

ＰＨＹＳＩＣＡＬＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＯＦＣＯＬＬＥＧＥ

大学物理实验

Ｖｏｌ.３０Ｎｏ.５Ｏｃｔ.２０１７

文章编号:１００７￣２９３４(２０１７)０５￣０１３０￣０３

基于习题讨论式学习的大学物理

实验绪论课教学

张潞英ꎬ朱传云ꎬ周有平ꎬ黄义清ꎬ李　斌ꎬ伍贤栋

(佛山科学技术学院ꎬ广东佛山　５２８０００)

摘要:针对“大学物理实验”绪论课内容多ꎬ课时少ꎬ概念抽象枯燥等问题ꎬ我们从更新教学理念ꎬ

改进教学方法ꎬ提高教学效果入手ꎬ从学生实际出发ꎬ就如何上好实验绪论课进行了一些探讨ꎬ提出了一些具体的做法ꎮ关

键

词:大学物理实验ꎻ绪论课ꎻ习题讨论

文献标志码:Ａ

ＤＯＩ:１０.１４１３９/ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｎ２２－１２２８.２０１７.００５.０３５

中图分类号:Ｇ６４２

　　大学物理实验是工科各专业学生受到系统实验思想方法和技能训练的开端[１]ꎮ大学物理实验绪论课的教学效果影响整个大学物理实验的教学质量ꎮ而绪论课包含的内容多ꎬ所给学时相对较少ꎬ以往教师采取按教材上绪论课的内容逐条讲解ꎬ这种方式教师讲得累ꎬ学生听得累而且绝大多数学生由于没有参与学习ꎬ对绪论课所讲内容印象不深[２￣３]ꎮ为此ꎬ我们就如何上好大学物理实验绪论课ꎬ提高教学效果ꎬ针对学生在实验课中存在的具体问题以及数据处理方面的薄弱环节ꎬ提出了以下一些具体做法ꎮ

１　测量误差、不确定度、有效数字的

习题讨论式教学

　　大学物理实验绪论课所涉及的知识点有测量误差、不确定度、有效数字和数据处理等主要内容ꎮ由于有些概念比较抽象ꎬ学生难以理解ꎬ尤其

是相对误差、绝对误差、不确定度和有效数字这些容易混淆的概念ꎬ教师讲解后大部分学生也只是听个大概ꎬ没有真正理解ꎬ或是印象不深ꎮ

为了让每个学生真正参与学习ꎬ我们在讲授系统误差和随机误差的区别和各自特点时ꎬ结合具体实例ꎬ编出填空题和选择题ꎬ学生通过看书找答案ꎬ学生之间讨论ꎬ掌握知识点ꎬ教师通过检查学生的答案ꎬ及时纠正并对概念名词进行梳理ꎬ将重点内容加以强调ꎮ并以提问方式考查学生对系统误差和随机误差的理解ꎮ

我们在讲授不确定度的概念及公式时ꎬ通过结合具体实验ꎬ例如:测量铜(圆柱体)的密度ꎮ

列出所用量具:千分尺(允差Δ千＝０.００４ｍｍ)测量铜圆柱体直径６次ꎻ游标卡尺(允差Δ游＝

０.０２ｍｍ)测量铜圆柱体高度６次ꎻ物理天平测量铜圆柱体质量１次:圆柱质量:ｍ＝(２１３.０４±０.０３)ｇ(Ｐ＝６８.３％)ꎮ

测量数据记录如表１:

表１　铜圆柱体高度ｈ和直径Ｄ测量数据记录表(测前检验量具:零点示值均为零)

次数ｎ高度ｈ/ｍｍ直径Ｄ/ｍｍ

１８０.３８１９.４６５

２８０.３７１９.４６６

３８０.３６１９.４６５

４８０.３８１９.４６４

５８０.３６１９.４６７

６８０.３７１９.４６６

　　教师指导学生通过对以上具体实例的分析讨论ꎬ数据处理计算ꎬ使学生理解不确定度的概念及公式ꎬ以及实验结果的规范表达ꎮ

我们在讲授有效数字及其运算时ꎬ通过设计

收稿日期:２０１７￣０５￣２７

基金项目:广东省虚拟仿真实验教学示范中心的资助项目

看图读数ꎬ填空题和判断题等来调动学生的学习主动性ꎬ让全体学生参与学习ꎬ通过学生的回答ꎬ教师的纠错ꎬ评价等ꎬ加深学生对有效数字意义的理解ꎬ从而掌握有效数字的读数方法及运算ꎮ

基于习题讨论式学习的大学物理实验绪论课教学

１３１

２　数据处理方法的习题讨论式教学

数据处理是大学物理实验绪论课教学中的重要环节[４]ꎮ以往教师讲授作图图解法、逐差法和最小二乘法等常用数据处理方法时都是通过语言叙述ꎬ公式介绍ꎬ适用条件的讲解来完成ꎬ没有顾及到学生的理解程度和接受程度ꎬ教学效果往往不尽人意ꎮ现在我们通过同一例题ꎬ不同数据处理方法的比较来讲解ꎬ取得了较好的教学效果ꎮ

　　举例如下:

实验:弹簧倔强系数Ｋ的测量实验ꎬ具体数据如表２ꎬ分别用作图图解法、逐差法和最小二乘法计算出测量结果ꎮ

表２　弹簧倔强系数Ｋ测量的数据记录表

砝码质量/ｍｇ２００４００６００１０００８０００

增重位置Ｌｉ/ｍｍ５８.２７２.８１０１.０１１５.７１２９.４８７.２

减重位置Ｌ′ｉ/(ｍｍ)６１.２７５.２１０３.８１１７.１１２９.４８９.４

平均位置

Ｌｉ＝(Ｌｉ＋Ｌ′ｉ)/２(ｍｍ)

５９.７７４.０１０２.４１１６.４１２９.４８８.３

图１　Ｋ的测量实验

２.１　用作图图解法处理数据求倔强系数

以横轴表示所加砝码质量ꎬ变化范围为０~１０００ｍｇꎬ取分度２０ｍｇ/１小格ꎻ以纵轴表示弹簧伸长后读数值ꎬ变化范围为６０~１３０ｍｍꎬ取分度１ｍｍ/１小格ꎮ

根据测量数据作出Ｌｉ~ｍ图线如图２

从图线上任取Ａ、Ｂ两点(不能取测量值)ꎬ计算斜率得:

ＬＢ－ＬＡ１２３.０－６７.０

＝７０.０(ｍ/ｋｇ)ａ＝

ｍＢ－ｍＡ９００－１００

图２　实验曲线

　　再由斜率计算倔强系数得:

ｇ９.８１＝＝０.１４０(Ｎ/ｍ)Ｋ＝

ａ７０.０

２.２　用逐差法处理数据求倔强系数

本实例符合逐差法要求ꎬ可用逐差法处理数据ꎬ具体做法如下:

把测量数据从中间分为两组(Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３)和(Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６)ꎬ然后两组对应项逐差ꎬ求差值ΔＬｉ＝

(Ｌ３＋ｉ－Ｌｉ)记于表中ꎬ每一差值对应于加上６００ｍｇ砝码重量的弹簧伸长量ꎮ

表３　弹簧倔强系数Ｋ测量的数据表

砝码质量/ｍｇ２０００

增重位置Ｌｉ/ｍｍ５８.２７２.８

减重位置Ｌ′ｉ/ｍｍ６１.２７５.２

平均位置Ｌｉ＝(Ｌｉ＋Ｌ′ｉ)/２

/ｍｍ

５９.７７４.０

逐差相减ΔＬ＝Ｌｉ＋３－Ｌｉ

/ｍｍ

４２.７

１３２

续表

砝码质量/ｍｇ４００６００１０００８００

增重位置Ｌｉ/ｍｍ１０１.０１１５.７１２９.４８７.２

减重位置Ｌ′ｉ/ｍｍ１０３.８１１７.１１２９.４８９.４

基于习题讨论式学习的大学物理实验绪论课教学

算各因子填入表４

逐差相减ΔＬ＝Ｌｉ＋３－Ｌｉ

/ｍｍ

４２.４４１.１

表４　弹簧倔强系数Ｋ测量的数据表ｘｉ

１２３４５平均６

２００４００６００１０００５００８０００

ｘ２ｉ４０００００

ｙｉ５９.７７４.０１０２.４１１６.４９５.０３３３３１２９.４８８.３

ｙ２ｉ３５６４.０９５４７６.００１０４８５.７６１３５４８.９６１６７４４.３６９６０２.６７７７７９６.８９

ｘｉｙｉ１４８００３５３２０６１４４０１２９４００５５６８０９３１２００

平均位置

Ｌｉ＝(Ｌｉ＋Ｌ′ｉ)/２

/ｍｍ

１０２.４１１６.４１２９.４８８.３

１６００００３６００００１００００００６４００００

２.３　用最小二乘法处理数据求倔强系数

本实例符合最小二乘法的要求ꎬ可用最小二乘法处理数据ꎬ具体做法如下:

令ｘ＝ｍꎬｙ＝Ｌꎬ按最小二乘法的计算公式ꎬ计　　

ｒ＝

ｘｙ－ｘ􀅰ｙ

＝

２

把三个伸长值ΔＬｉ求平均:

４２.７＋４２.４＋４１.１

＝４２.１(ｍｍ)ΔＬ＝

３

所以弹簧的倔强系数为:

ｍｇ６００×９.８１×１０－６

＝＝０.１４０(Ｎ/ｍ)Ｋ＝－３

×４２.１１０ΔＬ３６６６６６.７

应用最小二乘法计算式可算出Ｌ~ｍ最佳线

性关系式的斜率为

ｘ２－ｘ２

６９.９７１(ｍ/ｋｇ)

Ｌ、ｍ线性关系的相关系数为

ａ＝

ｘｙ－ｘ􀅰ｙ

＝

５５６８０－５００×９５.０３３３３

＝２

３６６６６６.７－５００

(３６６６６６.７－５００)(９６０２.６７７－９５.０３３３３)(ｘ２－ｘ２)(ｙ２－ｙ２)

　　所以弹簧的倔强系数为学习的绪论课教学在教学中取得了良好的教学

ｇ９.８１效果ꎮ＝＝０.１４０(Ｎ/ｍ)Ｋ＝

ａ６９.９７

参考文献:

２

５５６８０－５００÷９５.０３３３３

＝０.９９９８７

３　结束语

根据现在学生的学习习惯ꎬ通过以上习题讨论式教学ꎬ在绪论课上充分调动了学生的学习主动性ꎬ使学生积极参与学习ꎬ用以上三种不同方法处理同一实验数据ꎬ使学生通过对比计算ꎬ轻松掌握数据处理的方法ꎮ实践证明ꎬ基于习题讨论式

[１]　黄义清等.大学物理实验教程[Ｍ].电子工业出版[２]　樊娟娟ꎬ等.大学物理实验绪论课教学改革探讨[Ｊ].[３]　郑玉.浅谈如何上好大学物理实验绪论课[Ｊ].甘肃[４]　冯秀琴.微机在物理实验绪论课中的应用[Ｊ].大学

物理实验ꎬ１９９６(４):５８￣５９.

科技纵横理论与探讨ꎬ２０１３ꎬ４２(６)):１０９￣１１０.吉林省教育学院学报ꎬ２０１３ꎬ２９(２):７７￣７８.社ꎬ２０１２(６):１￣２３.

ＣｏｌｌｅｇｅＰｈｙｓｉｃｓＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＣｌａｓｓＴｅａｃｈｉｎｇ

ＢａｓｅｄｏｎＥｘｅｒｃｉｓｅｓＤｉｓｃｕｓｓｉｏｎＳｔｕｄｙ

ＺＨＡＮＧＬｕ￣ｙｉｎｇꎬＺＨＵＣｈｕａｎ￣ｙｕｎꎬＺＨＯＵＹｏｕ￣ｐｉｎｇꎬＨＵＡＮＧＹｉ￣ｑｉｎｇＬＩＢｉｎꎬＷＵＸｉａｎ￣ｄｏｎｇ

(ＦｏｓｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＧｕａｎｇｄｏｎｇＦｏｓｈａｎ５２８０００)

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｐｈｙｓｉｃｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｃｌａｓｓｈａｓｍａｎｙｃｏｎｔｅｎｔｓｂｕｔｆｅｗｃｌａｓｓｐｅｒｉｏｄｓ.Ｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｓａｒｅｕｎ￣ｅｆｆｅｃｔ.Ｓｏｍｅｍｅｔｈｏｄｓｗｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｔｏｍａｋｅｔｈｅｐｈｙｓｉｃｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｃｌａｓｓｂｅｔｔｅｒ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｃｏｌｌｅｇｅｐｈｙｓｉｃｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔꎻｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｃｌａｓｓꎻｅｘｅｒｃｉｓｅｓｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ

ｉｎｔｅｒｅｓｔｉｎｇａｎｄａｂｓｔｒａｃｔ.Ｓｏｗｅｔｒｙｔｏｕｐｄａｔｅｔｅａｃｈｉｎｇｉｄｅａｓꎬｉｍｐｒｏｖｅｔｅａｃｈｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｅａｃｈｉｎｇ