基于信息化平台下创新型物理实验的开展

阮燕骐

（开封广播电视大学 现代教育技术中心，河南 开封 475000）

基于信息化平台下创新型物理实验的开展

阮燕骐

（开封广播电视大学 现代教育技术中心，河南 开封 475000）

如何有效激发学生对物理实验课程的学习兴趣，提高其学习主动性，培养其在物理实验中的创新性和科学探究能力，充分体现出物理实验教学的理念，是当前大学物理实验教学中一个亟待解决的难题.本文针对物理实验课，研究并探索了基于信息化平台下创新型物理实验的开展并进行了实验尝试(以基于信息化平台下，锂电池电动势和内阻的研究为实例)，希望借此能够有效激发学生对物理实验课学习的兴趣和主动性，并使我们在提高学生科学探究能力方面获得一些有益的模式及方法.

信息化平台；创新性；物理实验；实验报告

我们知道要在物理实验课中更有效地培养学生的学习兴趣、创新能力、科学探究能力并提高其动手和学习的主动性，就要求我们在实验的开放性和综合性方面进行研究拓展.那么要达到这样的目的势必会让学生花费更多的时间和精力，这与在学校教学计划中课程安排里分配给物理实验的有限学时是相矛盾的，因此这在很大程度上又会限制了创新性物理实验的有效开展.如何解决这一矛盾，我们可以尝试将信息化平台与创新性物理实验相结合，利用信息化平台的不可比拟的优越性来有效提高实验的效率，缩短实验周期，充分发挥实验的创新性教育功能，促进创新型高素质人才的培养.通过在实验教学实践中引入信息化综合实验平台，并对其进行适当的改造和应用，让它与我们老的实验设备相匹配，同时对其进行详细研究，在实验方法上找到一个与我们传统方法的契合点，充分发挥其优势，尽最大程度的抑制其劣势（如过多过滥盲目使用反而会削弱学生的动手能力）.这里再应引入一个名词：DIS实验室即数字信息系统实验室(Digital Information System laboratory).它是由“各种传感器＋数据采集器＋实验软件包（教材专用软件、通用扩展软件）＋PC机”构成的新型实验系统.那么就国内影响度、使用范围来讲当推由上海和山东联合开发的朗威数字化信息系统实验室(Digital Information System laboratory，简称DISLab)其组成和特点如下：朗威DISLab设计新颖，种类齐全，操作简便，既可以用来做各种物理定性实验，又可以用来做各种物理定量实验.其使用也是贴近人性化，具有很强的实用性和易操作性，只须将DISLab的各类传感器（针对具体实验情况来选择）通过数据采集器（具有很强的计算机兼容性）与计算机联接后，安装相应配套软件并适当设置软件的相关参数之后运行软件就可开始采集实验实时数据，得到的实验数据既可以用软件自带的一些函数来进行处理也可以以Excel表格的形式导出，软件绘制的图线可以方便的存为图片文件.当然对于一些更为复杂的实验数据处理我们还可以采用Origin软件，它是由美国Microcal公司推出的基于windows操作平台的数据分析和绘图软件，它具有更加强大的数据处理功能，处理物理实验数据时，只要输入相应测量数据，然后再选择相应的菜单命令，点击相应的工具按钮即可.

它是随着现代计算机软硬件技术的高速发展应运而生的针对于物理实验领域的高新技术.其基本思路是，先通过相应传感器测量所需物理量，将其递给数据采集器；再经由数据采集器把实验数据传递给PC机；最后通过PC机安装的各种数据分析处理软件对数据进行分析、计算、通过图表、曲线甚至二维和三维绘图模板等各种方式给出实验数据处理结果，并可根据实际教学要求对实验数据进行进一步分析与处理.

1 实验原理

图1

在图1所示的电路中，U为R两端的电压，设闭合电路电流为I，由欧姆定律得：

①，将(1/R)作为自变量1/U作为因变量，建立直角坐标系，则(1/R)为横坐标，1/U为纵坐标，可做出该式所代表的直线（由解析几何可知）那么即得到该直线的斜率k和截距b则由①式可算出锂电的电动势E及内电阻r.

2 涉及器材

主流Pc机并预装有数字化实验室软件一台，DIS数据采集器，电压传感器若干，常用锂电池(3.6v)l粒，QJ 23型直流单电桥1台，单刀单掷开关1只，导线若干.

3 基于信息化平台的实验步骤

（1）先将DIS数据采集器正确装配于PC机相关接口，（方法参见计算机外部设备连接法），按照图l所示连接电路，将电压传感器接入数据采集器.

（2）将P C机开机检测以上安装是否到位并打开数字化实验室软件，将单刀单执开关断开并将传感器归零位.

（3）调整单电桥首先按器材要求正确接入连线，检查无误后将单电桥调整平衡，注意不要将线接错.

（4）在软件界面中点击“计算”，再点击“变量”输入变量名称R，(R为单电桥输出阻值).

（5）通过分别调整单电桥R的输出阻值，经传感器测量得相应电压值U；本实验采集8组数据.见下表：

R M(1/U) N(1/R) 13.45200.28990.050023.43190.28150.052633.4218.30.29240.054643.417.10.29410.058553.38160.29590.062563.3715.30.29670.065473.36140.29760.071483.3512.20.29850.0820U

（6）在软件中增加变量M、N点击“公式”，分别输入自由表达式，作M-N图.

（7）软件中选择曲线猜想与线性拟合选项对M-N图进行拟合，便得一斜线，并解析得斜率k和截距b（斜线截图略）.

4 数据处理与结论

依据已获得的斜率k和截距b易得直线方程：

Y=0.0142857X+0.2857，

比对前文推导①式1/U=(r/E)×(1/R)+1/E，知斜率（k）为r/E，截距（b）为1/E；故得，E=1/b=1/0.2857=3.5V，（即电动势为3.5伏）r=k/b=0.0142857/0.2857=0.05Ω（即内阻为0.05欧）.

5 须知

（1）为保证实验效果，应选用新或较新锂电池.

（2）为不更多损伤锂电池实验时应采取瞬间通电读数的方式.

（3）因锂电池本身内阻极小，应注意该电路在的阻值过小时短路的风险，否则会严重损坏设备和锂电池本身，因此控制单电桥时不应使其阻值小于8Ω.

6 拓展研究

我们还可以利用信息化平台（朗威数字化信息系统实验室）继续加深该实验的难度，以下简要介绍对锂电池特性的更深一步探究，研究其电动势的逐步减小内阻的变化情况.

我们可以将电路略微改造，如在电路中串联一个适当容量的空电容器，通过控制开关的闭合频率和时间来达到放电的目的.据此，我们利用同一节锂电池进行适当放电，在该过程中分别测量出不同时期的电动势和内阻的30组数据（略）.在D I S软件计算表格中新建两个变量，分别为E和r（即锂电池的电动势和内阻），将测得的30组显示在表格中，选择曲线猜想与线性拟合选项得一直角坐标系下曲线图（注:此时r为横轴E为竖轴），实验结果显示在锂电池放电（使用）过程中，电池电动势会缓慢减少，内电阻则略微增大，大致相似于对数拟合，拟合曲线方程略（图略）.

7 结束语

当然以上实验是选择的较常用的一种锂电池，而锂电池是当代各种电气设备的标配能源，其优点是电容量大，内阻小，使用时间长，较好的放电平稳性、可多次充放电等；而为了不同的使用要求，同时不同厂家的质量标准不同其规格也是多种多样的，质量也是有优有劣，这就势必造成了其不同的参数和特性，但其宏观特性应该是差别不大的，这也是由局部看全貌的道理.该实验中由于电池对不同的温度的敏感性，他有一个正常工作的温度范围限制（一般情况下为60℃—-20℃），在该范围内它都能正常工作，但是随着温度的变化，它的放电特征会有所变化，如电动势、内阻、及使用时间都会不同，这也是造成同一个电池在不同的温度下实验会得到略有差异的结果的原因.另外，由于传感器的本身特性，比方说温度、湿度、和其他一些因素（如质量原因）等也是造成微小误差的原因.但无论如何这些误差总体会控制在一个较小的范围（同传统的实验方法相比）.该实验并不是一个较为复杂的实验，它是一个传统的经典实验，但在此赋予它了新的基于信息化平台下的研究方法，其目的也是抛砖引玉的作用.通过基于信息化平台下的D I S法来测电池的电动势和内阻，其优点是不言而喻的，首先其精度是高度准确的，而后大大简化了电路的复杂度，并提供了强大的数据处理能力，和友好的软件图形界面；通过软件曲线猜想与线性拟合功能，使我们直观的看到了数据的内在特性——本实验中数据的线性特征，借助于电子计算机（即pc机）高度灵活、强大、快捷的运算处理能力使我们对数据的认识更加深了一步，同时对数据的认识更加直观，进一步可知该方法在应用于更加复杂、需要大量冗杂数据处理的高难度实验中将发挥革命性的作用，这里我们看到了信息化平台在物理实验中的强大优势，大大提高了物理实验效率，也缩短了单个实验时间，有利于学生创新性物理能力的培养和发展.这也是我通过该实验想表达的初衷——希望对信息化平台引入到物理实验领域起到抛砖引玉的作用，从而能得到更加深入广泛的发展，以培养出大批高素质创新型人才，为我国教育事业的发展做出应有的贡献.

〔1〕杨述武.普通物理实验(电磁学部分)[M].北京：高等教育出版社，2002.

〔2〕李松岭，李明雪.物理创新性实验的六大设计原N[J].物理与工程.2007，17(6).

〔3〕上海市中小学数字化信息系统研发中心，山东省远大网络多媒体有限责任公司.朗威数字化信息系统实验室V5.0用户手册[M].2005(9).

〔4〕徐锐.DIS数字实验系统在物理教学中的作用[J].现代教育技术.2008，18(6).

〔5〕刘景世.开展设计性物理实验，培养创新型人才[J].中国成人教育，2005（12）.

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1673-260X（2010）08-0009-02