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關(guān)于工科大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討
大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是學(xué)生進(jìn)入大學(xué)學(xué)習(xí)所碰到的第一門實(shí)驗(yàn)課,是作為實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開(kāi)端和后續(xù)實(shí)驗(yàn)課和理論課的基礎(chǔ)。如何提高工科大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量,是一個(gè)很值得探索的問(wèn)題。近年來(lái),不少院校在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方面做了許多改進(jìn)工作,如開(kāi)設(shè)設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn);改革實(shí)驗(yàn)考核方式;有些院校還開(kāi)放了實(shí)驗(yàn)室等等,這些改革無(wú)疑對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提高,培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?做出了自己的貢獻(xiàn)。那么,物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)本身是否還有潛力可挖?現(xiàn)就個(gè)人幾年來(lái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體會(huì),提出如下見(jiàn)解。
1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)體現(xiàn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)技能的特色
大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容十分豐富,涉及面廣:力、熱、電、磁、光學(xué)、近代物理知識(shí)都有,且各實(shí)驗(yàn)技術(shù)有其自己的一套特色。比如,對(duì)某物理量可直接測(cè)量,若不能直接測(cè)量的可通過(guò)“比較”、“轉(zhuǎn)換”、“放大”、“模擬”、“補(bǔ)償”等技術(shù)達(dá)到測(cè)量的目的,而這些技術(shù)在其它后續(xù)的實(shí)驗(yàn)或高級(jí)實(shí)驗(yàn)技術(shù)中都要用到。過(guò)去實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對(duì)這些實(shí)驗(yàn)技術(shù)的講授尤如蜻蜓點(diǎn)水,致使學(xué)生也只能得到零星知識(shí),印象并不深刻。如果我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)中注意系統(tǒng)歸納講授實(shí)驗(yàn)技術(shù),或在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中是否能圍繞某一種技術(shù)去安排相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練,學(xué)生對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)的特色就會(huì)有較深刻的了解和掌握。一般說(shuō)來(lái),物理測(cè)量的方法很多,如以測(cè)量來(lái)分,可分為電測(cè)量和非電測(cè)量?jī)纱箢?以測(cè)量性質(zhì)來(lái)分,可分為直接測(cè)量、間接測(cè)量和綜合測(cè)量;以測(cè)量過(guò)程中被測(cè)量是否隨時(shí)間變化來(lái)分,可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量等等。實(shí)驗(yàn)中,無(wú)論涉及到哪種測(cè)量方法,都應(yīng)注意體現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)技能的特色,豐富學(xué)生的測(cè)量知識(shí),注重培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)格的工作態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)及良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣。
2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)提供給學(xué)生有自由選擇的余地
在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,從大綱、教材以及實(shí)驗(yàn)教學(xué),對(duì)學(xué)生的約束力太大,傳統(tǒng)的教學(xué)模式把學(xué)生統(tǒng)得太死。這樣不利于學(xué)生發(fā)揮做實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性和積極性。如何調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)好實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性和積極性?我認(rèn)為在實(shí)驗(yàn)條件的允許下,可在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中為學(xué)生提供一些較有自由選擇的實(shí)驗(yàn)余地,讓學(xué)生去發(fā)揮他們的創(chuàng)造性能力。如以某物理量或某常數(shù)的測(cè)定為題,提供幾種可行的測(cè)量方法,讓學(xué)生根據(jù)自己的愛(ài)好去選擇,當(dāng)然教學(xué)中要有基本的要求,只要學(xué)生做到了基本要求就算通過(guò)了,而對(duì)那些心有余力的學(xué)生,通過(guò)課題不同的實(shí)驗(yàn)比較,提出自己的見(jiàn)解去發(fā)揮他們的聰明才智。例如,重力加速度的測(cè)量,可提供單擺法、自由落體或凱特?cái)[法測(cè)定;磁場(chǎng)的描繪,可提供沖擊電流計(jì)測(cè)繪、模擬法、霍爾元件或高斯計(jì)等方法測(cè)繪;或以某種測(cè)量技術(shù)為題,研究它的應(yīng)用;或以某種儀器為題,研究它的應(yīng)用等等。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn),會(huì)使他們發(fā)現(xiàn)一個(gè)物理量的測(cè)量或者一種儀器或者一種實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用,并不是唯一的,哪一種測(cè)量方法更為實(shí)用可靠?這就會(huì)促使他們帶著瓿去研究和探索,如果實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,我們能做到有計(jì)劃且合理地安排,相信對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)造性能力的培養(yǎng)是有益的。當(dāng)然,根據(jù)課題,一次可能要排出若干個(gè)實(shí)驗(yàn),這將給實(shí)驗(yàn)室的工作人員及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師增加很多的工作量,同時(shí)教師的素質(zhì)要求會(huì)更高,然而,只要各方面予以重視,這個(gè)問(wèn)題是不難解決的。
3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)注重?cái)?shù)據(jù)處理方法的訓(xùn)練
實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練以及實(shí)驗(yàn)誤差理論與誤差計(jì)算固然是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本要求,然而,數(shù)據(jù)處理方法也應(yīng)該是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本要求之一。以往在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,注意力是否常常放在前者而忽視了后者。本人認(rèn)為,如果我們?cè)谖锢韺?shí)驗(yàn)教學(xué)中,有意識(shí)地反復(fù)注意對(duì)學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)處理方法的訓(xùn)練,相信對(duì)提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量是有益的。學(xué)生一旦掌握了數(shù)據(jù)處理方法,他們的智能,獨(dú)立工作的能力等都會(huì)得到提高。
數(shù)據(jù)處理的方法很多,然而,作圖法、平均法、逐差法和最小二乘法等等依然是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中最常用的幾種數(shù)據(jù)處理方法。例如,實(shí)驗(yàn)測(cè)得一組數(shù)據(jù)為xi,yi(i =1,2,…,n),證公式或求解經(jīng)驗(yàn)公式。
3·1 用作圖法處理數(shù)據(jù)
將該組測(cè)得的數(shù)據(jù)在直角坐標(biāo)紙(或在單對(duì)數(shù)紙或雙對(duì)數(shù)紙)上標(biāo)點(diǎn),看其變化趨勢(shì),比如,用直線去擬合,可行,說(shuō)明x與y的關(guān)系是線性關(guān)系,滿足
y = a0+ a1x
待定系數(shù)可以用
計(jì)算。若函數(shù)關(guān)系已知,如I= U/R,顯然R =1/a1,a0經(jīng)計(jì)算值很小,可近似為零(這很小值因測(cè)量誤差帶來(lái)的),驗(yàn)證了I與U的線性關(guān)系,還可求得R值。不能用直線擬合的,可試探某種類型的曲線擬合,求解經(jīng)驗(yàn)公式,解決方程的回歸問(wèn)題。
3·2 用逐差法處理數(shù)據(jù)
將數(shù)據(jù)列表,設(shè)自變量是等間隔變化(普物實(shí)驗(yàn)的一般取值),將對(duì)應(yīng)變量數(shù)據(jù)逐項(xiàng)逐差,若為恒量,如
δyi= yi-yi-1= a1x (i =1,2,…,n)
則函數(shù)為線性關(guān)系
y = a0+ a1x
如果一次逐差不是恒量,可再次逐項(xiàng)逐差,若二次逐差為恒量
則函數(shù)具有
y = a0+ a1x+ a2x2
形式。如果二次逐差仍不是恒量,可繼續(xù)再次逐項(xiàng)逐差,看其是否是恒量,直至逐差為恒量,可確定其多項(xiàng)式形式。
此外,將測(cè)量數(shù)據(jù)分成對(duì)半兩組,用隔1項(xiàng)逐差,可求解物理量的常數(shù)據(jù)。
3·3 用最小二乘法處理數(shù)據(jù)
最小二乘法是從誤差的角度來(lái)討論方程的回歸問(wèn)題,它從數(shù)學(xué)上和幾何意義上說(shuō)都比較嚴(yán)格。假定上述測(cè)量數(shù)據(jù)中,xi的測(cè)量誤差都?xì)w結(jié)到y(tǒng)i誤差,且x與y關(guān)系為線性關(guān)系:
y = a0+ a1x
則 yi- a0- a1xi=ζix
根據(jù)最小二乘法原理
取一級(jí)微商,并令一級(jí)微商為零,整理后,得
其中
為了判斷函數(shù)形式選取是否合理,在a1與a0解定之后,還需要計(jì)算相關(guān)系數(shù)r,對(duì)一元線性回歸,r計(jì)算式為
根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)理論證明,r值在0與1之間,若r =0,說(shuō)明x與y完全無(wú)關(guān),數(shù)據(jù)點(diǎn)遠(yuǎn)離求得的直線,顯然用一元線性回歸是不妥的;若r =1,說(shuō)明x與y線性相關(guān)得很好,數(shù)據(jù)密集分布于求得的直線附近,直線回歸處理方法是正確的。
此外,還可以進(jìn)一步討論求得的直線是否通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)以及待定系數(shù)a1的誤差問(wèn)題,用不確定度來(lái)表述測(cè)量結(jié)果。
用平均法處理數(shù)據(jù)在方法上比上述方法簡(jiǎn)單,一般在精度要求不太高的測(cè)量中,用平均法處理數(shù)據(jù)比較方便。另外,在大學(xué)物理的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)中,物理量之間函數(shù)關(guān)系多為線性關(guān)系,許多非線性關(guān)系也可以通過(guò)轉(zhuǎn)換,變非線性關(guān)系為線性關(guān)系去處理。總之,大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法很多,有一定的靈活性,也有一定的數(shù)學(xué)工具可循,教學(xué)中應(yīng)適當(dāng)安排一些時(shí)間,向?qū)W生系統(tǒng)講授數(shù)據(jù)處理方法,并在有關(guān)實(shí)驗(yàn)中給予必要的訓(xùn)練,學(xué)生通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)作出正確處理,使之找出事物的內(nèi)在規(guī)律性,或檢驗(yàn)?zāi)撤N理論的正確性,或準(zhǔn)備作為以后實(shí)踐工作的一個(gè)依據(jù)。
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