物理综合性实验研究

任俊仙

（太原师范学院，山西 太原 030031）

物理综合性实验研究

任俊仙

（太原师范学院，山西 太原 030031）

通过对综合性实验的定义、特点、开设范围、运行、保证措施，教学案例的论述，说明开展综合性实验，不仅提高了教学质量，提高了教学效率，优化了教学过程，而且在学生毕业分配及工作后完成教学、科研任务有着一定的实用价值。

综合性实验；实用价值；研究

物理综合性实验（以下简称综合性实验）是随着教育改革形势的发展和高校本科评估工作的推进出现的一种新的实验类型。根据国家教育部的要求，目前许多高校陆续开设了综合性实验课程。我们学校一惯重视本科教学工作，重视实验教学工作，重视综合性实验工作，在全校理科院系中都开设了综合性实验，并且制定了相应的管理办法和保证措施，在教育部本科教学质量评估中被评为优秀等级。综合性实验是优化和整合实验教学内容的重要途径，是培养学生综合分析能力、实验动手能力、查阅资料能力、探索创新能力、科学思维能力的重要手段。学生通过广泛深入地开展综合性实验，可以多方面提高实验技能和教学水平，为参加工作后适应社会、适应不同条件的工作环境而完成教学科研任务提供了新思路。

1 综合性实验的定义及其特点

综合性实验是指实验内容涉及本课程的综合知识或与本课程相关课程知识的实验。是在学生经过一段时间的学习后，在具备一定的知识和技能基础上，运用某一门课程或多门课程的知识对学生实验技能和方法进行综合训练的一种复合性实验，具有以下特点:

（1）实验内容的复合性，即一门课程中二个以上的知识点有机结合，或二门以上课程知识点有机结合。

（2）实验方法的多元性，即综合运用两种或两种以上的基本实验方法，完成同一个实验。

（3）实验手段的多样性，即综合运用两种或两种以上的实验手段完成同一个实验。

具备以上条件之一者即可认定为综合性实验。

2 综合性实验的开设范围

所有主干实验课程应根据课程特点开设综合性实验，非主干实验课程应逐步创造条件开设综合性实验。

各专业有综合性实验的课程应占有实验课程的80%以上，一门课程所开设综合性实验不少于一项。

3 综合性实验的运行

3.1 实验准备

综合性实验应提前向学生布置任务，学生应根据实验任务，查阅资料，进行理论分析和研究，确定实验方案，或根据规定的实验方案确定实验步骤。

学生拟定的实验方案或实验步骤，写成书面方案，其内容包括文献查阅、理论分析或研究、实验方案（目的、仪器设备、方法、步骤等）。书面方案应经过指导教师审查同意。

3.2 实验指导

在实验过程中指导教师应让学生自己独立思考、独立操作，指导教师应密切关注学生的实验过程，对于思路太偏的学生可以适当点拨，着重引导学生如何将所学的知识和技能用来解决实验中遇到的各种问题。要启发学生，点拨学生，不要对学生的操作过多干涉，注重最后的实验结果及对实验结果的讨论。

3.3 实验报告

指导学生写出高质量的实验报告是综合性实验重要的环节。要求学生从实验方法的建立、实验步骤的设计、实验仪器设备的选择、实验数据的处理、实验结果的分析讨论等方面写出报告。对理论上有创新或技术上有实用价值的成果，指导教师要鼓励和指导学生写出学术论文和研究报告。

3.4 实验总结

指导教师在指导学生完成综合性实验后应进行总结实验情况与效果分析，说明学生的参与情况、实验中遇到的问题、学生对实验的兴趣与积极性、学时数、实验创新点以及今后的改进。收集优秀实验报告和实验成果。

4 综合性实验开设的教学质量保证措施

（1）综合性实验必须有相应的实验教学大纲。综合性实验教学大纲除了一般实验教学大纲规定的内容外，还应说明综合性实验的特性、要求、时间安排（包括课外时间）等内容。

（2）综合性实验应有指导书。指导书应注意知识点之间的关联比较，体现实验步骤、实验结果、数据处理及结果讨论等方面的综合性特点，并提出相应要求。

（3）凡有实验课程教学任务的教师均应指导综合性实验。助教应在高级职称的教师指导下指导综合性实验。

（4）每一位指导教师指导的学生一般不得超过20人，以确保实验教学质量。

（5）综合性实验项目要实行论证制度。

（6）任何实验室任何部门都应当为综合性实验的开设创造良好条件和环境，不得设置任何人为的障碍。

5 物理综合性实验教学案例

5.1 用三种实验方法、两种教学手段做验证动量守恒定律实验

（1）五联球碰撞法演示动量守恒定律:

演示五个等质量球的弹性碰撞过程。即拉动一个球，另一边有一个球偏离且偏离幅度一致，其它球不动；若拉动两个球，另一边有两个球偏离幅度一致，其它球不动。可以明显的观察到动量守恒现象。这种方法仪器价格低廉、取材方便，见图1。

图1 五联球碰撞演示实验

（2）碰撞实验器法验证动量守恒定律:

通过两球作对心碰撞后做平抛运动来验证动量守恒定律。它是常用的实验方法，见图2。

图2 平抛运动实验

它综合运用平抛和碰撞两个知识点来完成物理量的测量，观察物理现象，探索物理规律。通过它可定量地验证出动量守恒。实验数据见表1:

表1 实验数据

实验结果:

碰撞前后的改变量=7.862-7.818=0.044

实验分析:在实验过程中，由于空气阻力，运动过程不可避免的摩擦和读数等会引起差。在误差允许范围内动量守恒。

该实验虽定量地研究了动量守衡，但精确度不够高

（3）利用DIS法证动量守恒定律:

此方法是用由计算机、物理数据采集仪、光电门传感器、应用软件组成的数字化信息系统（DIS）与传统仪器气垫导轨、小型气源整合而完成验证动量守恒定律。DIS法与碰撞法相比，精确度可提高一个数量级，即由0.044提高到0.0038。而且用计算机处理数据，大大提高了实验效率。综述以上验证动量守恒定律，在实验内容上综合了碰撞和平抛两个知识点，在实验方法上综合运用了五连球碰撞演示法、碰撞实验仪器法、DIS法三种方法，在实验手段上综合运用了常规实验手段和现代教育技术手段。

5.2 用六种实验方法、两种教学手段测定重力加速度g：

（1）称重法:利用重力和质量的关系G=mg，测g.

（3）打点计时器法测g:利用“验证机械能守衡定律”的实验装置即重物自由下落中打点计时器打出的纸带测得g=v2/2h。

（4）用物体在光滑的斜面上从静止开始下滑的运动由s=gt2sinθ/2得g。（s、t、θ、分别是物体运动的位移、时间、斜面的倾角）。

（5）传统的落体法测g:让小球自由下落测出球下落的高度h和时间t，由g=2h/t2得g.

（主要实验仪器有:光电门、数字毫秒计等。）

（6）DIS自由落体法测g:利用计算机、光电门传感器、物理数据采集仪、自由落体实验仪等配套测g.

第1、2、3、4种方法仪器价格低廉，操作方便，但实验结果误差大，实验速度慢，数据处理烦琐。第5种方法精确度有所提高，但光电门仅与数字毫秒计等计时装置配套，数据读取、记录全由人工完成，再加上代入公式计算，实验操作颇为繁琐，实验速度也相当缓慢。第6种方法不仅测量精度提高，实时性好，而且可借助计算机采集、分析、计算和处理，实验效率大大提高。但仪器比较昂贵。

综述以上测定重力加速度，运用了6种实验方法、常规和现代教育技术两种实验手段。

同理，可以触类旁通，对其它力、热、电、光实验用综合性实验方法来研究。

总之，开展综合性实验，使学生认真研究每一种实验方法及手段的优缺点，以及它们在教学过程中的适用条件，可以解决目前各地教学条件不同的情况而达到教学目的。有利于学生提高适应各种环境而解决问题的能力。比如学生毕业后不管分配到条件好的、差的学校都可以适应环境而完成教学任务，在条件好的学校用DIS实验，在条件差的学校用低成本实验。所以开发综合性实验研究具有较大的实用价值，为学生今后参加工作后适应不同条件的教学环境而完成教学任务奠定一定的基础。同时，通过综合性实验，众多实验方法的选择和比较，能很好地开阔学生的视野，拓展实验教学的研究空间，提高学生学习实验课的兴趣，提升学生的科学探究能力和创新思维能力。进而提高了实验课的教学效率和教学质量，优化了教学过程。可见，综合性实验是一种较好的、科学的实验方法。因此，大力开展综合性实验是物理实验教学改革的方向。

［1］ 丁红胜.综合性设计性实验的教学思路探讨［J］.大学物理，2007（5）:44-47.

［2］ 赵志敏.综合性物理实验——用动栅光纤传感器测位移，工科物理.1998（8）:43-45.

［3］ 沈元华.设计性研究性物理实验介绍［J］.物理实验2004，24（2）:33-37.

［4］ 龚华平，曹丛，屠于梦，等.光纤光栅应变传感的综合性实验设计［J］.2012，25（3）.

Physical Comprehensive Nature Experimental Study

REN Jun-xian
（Taiyuan Normal Institute，Shanxi Tianyuan 030031）

Through the discussion of the definition，characteristics，scope，operation，guarantee measures and teaching cases of the comprehensive experiments，it suggests that comprehensive experiments not only enhance education quality，education efficiency，and optimize teaching process，but also show practical value on the distribution and job of students graduate and the complement of teaching scientific research.

comprehensive experiments；practical value；research

G642.0

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.01.034

1007-2934（2015）01-0104-03

2014-10-10

全国教育科学“十一五”规划教育部重点课题（DCA070186）