工科专业大学物理实验的背景教学研究

汪超 雷振宙 杜伟伟

摘 要：大学物理实验开展对工科各专业人才的培养具有极其重要的作用，是顶级工科人才教育上的非常重要的一环。国内各个工科院校对该门课程的开展都非常重视，一般都在大学一年级开设若干个实验进行教学。但目前的大学物理实验教学有一些弊端，主要体现在纯物理背景教学，无法结合学生所学的专业进行背景教学，该文针对若干个物理实验，探究一种新的物理实验教学方法，设计了针对不同工科专业背景的大学物理实验教学研究，此举可以提高学生学以致用的兴趣，提高实验教学效率。

关键词：物理实验；背景教学；兴趣

中图分类号：G642.0文献标志码：A文章编号：2095-9214（2016）09-0094-02

一、引言

实验物理是相对于理论物理而言，理论物理是从理论上探索自然界未知的物质结构，相互作用和物质运动的基本规律的学科，实验物理主要是从实验上来探索物质世界和自然规律并对物理理论课中的一些公式定律加以验证。大学物理实验涵盖了大量高等数学知识和专业理论知识，而此时学生的知识层面还停留在高中纯物理知识的掌握上，物理知识不丰富，又很少有动手的机会。如何衔接，过渡，引导学生在掌握基础物理理论的同时又能对所学专业知识有一些浅显的认知，物理实验教师如何上好实验课，使物理实验教学达到预期的教学效果，刚踏入校门的工科学生对自己将要学习的专业课有着无限的期待和憧憬。目前高校普遍采取一般式物理实验教学方法，实验教师只是照实验书本讲授实验。实验教师大都是理科背景老师，无相关工科专业背景知识，采用纯物理实验教学模式，无法结合相关的工科专业背景知识进行物理实验教学，这种方法学生学习的是纯物理知识，只能起到对书本上一些物理定理公式的证明和验证的作用和效果，比较晦涩难懂，有点纸上谈兵的味道，无法和相关工科背景联系起来。激发不了学生的兴趣，学生做实验像完成一次大作业，达不到预期的实验教学效果。大学物理实验课覆盖面广，涉及许多专业领域。这就要求实验教师在教授实验课的同时，能联系一些专业知识，一起教授给学生。这样在很大程度上能满足学生的实验兴趣，更能体现综合性很强的物理实验技能训练，提高学生的动手能力，培养了学生的理论联系时际的实事求是的科学作风，积极主动的探索精神，使学生的实验效果事半功倍。

那么如何养成学生良好的实验习惯，为他们今后的专业实验课打好基础，同时又能解决学生对专业的憧憬和提高学生的实验兴趣呢？本门我们总结了一些实验教学经验，探索了一种新型的物理实验教学方式。本院物理实验室开设了力热光电三十多个实验。经历了三十多年的物理实验教学的探索和研究，一直致力于探究物理理论和物理实验教学与我院各专业理论之间千丝万缕的联系，以小博大，对同一个实验的教学，结合不同系部专业的专业背景知识，设计不同的实验教学方法进行教学，教师在教授实验的同时，即让学生认识和理解了该堂物理概念知识，又从不同的专业角度进一步给学生阐释了物理概念和实验方法，使物理理论知识承上启下，有繁化简，和各专业之间巧妙地链接起来，实验教学形象生动，能充分调动学生做实验的兴趣，学生做实验由被动转变成主动，学习兴趣高涨，和其他专业实验承上启下，起衔接的作用。该课程在培养工科人才的培养上重要的一环。对工科学生的动手能力和创新能力的提高起着重要的促进作用。如何培养工科学生的创新能力以及实验动手能力，如何针对不同的工科背景学生设计大学物理实验，激发学生学习物理的兴趣，适应新时代对人才发展的要求，这是一个严肃的课题，摆在了我们面前。

目前高校普遍采取一般式物理实验教学方法，高校实验教师都是理科背景老师，无相关工科专业背景知识，采用纯物理教学模式，无法结合相关的工科专业背景知识进行物理实验教学，这种方法学生学习的是纯物理知识，比较晦涩难懂，有点纸上谈兵的味道，无法和相关工科背景联系起来。激发不了学生的兴趣。物理实验课覆盖面广，这就要要求实验教师在教授实验课的同时，能联系一些专业知识，一起教授给学生，能大大提高学生的实验兴趣。

下面我们举若干个例子。

实验一 用惠斯顿电桥测电阻

目的：（1）掌握惠斯顿电桥测电阻的原理

（2）学会自己组合惠斯顿电桥测电阻

原理：

惠斯顿电桥是直流单臂电桥，其原理图如图所示。

四个箱式电阻组成桥臂，检流计所在的支路为电桥，电源在另一支路上。当检流计中无电流通过时，电桥达到平衡。求待测电阻公式为

R=R2R1R0

为消除比例臂电阻误差，交换比例臂电阻，电桥二次平衡，待测电阻公式为

R=（R1/R2）R

两式相乘，有

R=R0R0

传统的实验教学方法：

通常，实验教师给学生按传统的实验教学方法讲授实验时，只讲清实验目的，实验原理和實验做法。学生做实验主观意愿不努力，“看”实验的人多，做实验的人少，小组里通常是一个人做实验，其他人抄数据，学生像完成一次物理大作业。即使实验教师多讲授惠斯顿电桥测电阻的重要性和方法，如箱式电桥的使用，要求测量精度的准确性等，学生的思维模式也只是建立在物理理论知识的联系上，只按物理理论的思维来认知该实验，认为这种测电阻的方法只是配合物理理论教学，与自己所学专业没有多少联系。学生动手做实验就表现得比较消极。这种实验教学方法的确存在着实验思想单一，实验方法机械，激发不了学生对实验的兴趣，达不到创新思维，提高学生动手能力的作用，实验教学效果较差。

改进后的实验教学方法：

根据我院各系专业的不同，结合专业理论知识，找到物理理论知识和其他专业知识之间的联系来讲授物理实验，就能提高学生做物理实验的兴趣，激发学生的思维，学生才能从根本上认识到物理是一切专业课的基础，是与他们所学的专业有着密不可分的关联。同是一个实验，学生做实验的主观意愿增强，“看”实验的人少了，做实验的人多了，通常是一个学生做完，另一个学生自己再重做一遍，掌握实验的结构和原理，力求记忆深刻，真真实实地学到自己的心里去。学生做实验的主观意愿增强，实验教学效果良好。

例如：

（1）在给电气系学生讲授该实验时，在讲清该实验的目的，实验原理后，再结合一些无线电的知识，讲授电桥的作用，能激发学生的课堂兴趣。如果将电桥桥臂电阻换成二极管，电桥的电源支路接交流电端，电桥的桥支路改成输出端，外加电感线圈滤直。由于二极管的单向导电性，理论上就能将交流电变成直流电。

直流电桥的桥臂电线不能过长。导线之间不可避免地存在分布电容，这就相当于各桥臂上并联了电容，不再是纯电阻电桥。因此，除了电阻平衡外，还需要电容能平衡。

（2）在给计算机专业的学生讲授该实验时，在讲清该实验的目的，实验原理后，再结合微机接口原理的知识，讲授电桥的作用，能激发学生的课堂兴趣。因为计算机系统要把外设与微机连接起来，只能通过接口电路。如果信号随交流电的正半周输入，负半周截止来传输的话，计算机的频幕上就会出现“黑屏”现象。如果将电桥桥臂电阻换成场效应管，电桥的电源支路接信号的输入端，电桥的桥支路改成信号输出端，使信号随交流电正负半周都有输出，计算机就不会出现“黑屏”现象了。

（3）在给工程类的学生讲授该实验时，在讲清该实验的目的，实验原理后，再结合工程机械的专业知识，讲授电桥的作用，能激发学生的课堂兴趣。如果将平衡电桥的桥臂一端换成电阻应变片贴在大桥受应力最大处，电桥的桥支路中的检流计换成警示元件（如灯具，闹铃等）。应用电阻应变效应，在载荷或外界因素作用下，即当桥上的车增多时，桥梁受到的应力增大从而改变电阻应变片的阻值，就破坏了电桥的平衡，警示元件会发出相应报警警示，提示大桥管理者及时做好交通疏导工作，以减轻他们的劳动强度。

种种与生活和生产相关的案例，阐明了物理与各专业之间的联系，在学生还没有上专业课之前教授给学生，能加深他们对物理知识的理解，也启迪了他们对自己各自专业的认识，学生做实验热情高涨，主动性增强，物理实验教学效果良好。

实验二 用拉伸法测金属丝的杨氏弹性模量

目的：（1）掌握用光杠杆法测量微小长度的原理和方法

（2）学会用拉伸法测定金属丝的杨氏弹性模量

原理：

在弹性限度内，金属丝的正应力F/S和产生的线应变0L/L成正比，即

F/S=E（0L/L）

或E=FL/S0L

式中比例系数E称为弹性模量。

实验证明，弹性模量与外力F，物体的长度L和截面积S的大小无关，它只决定于材料的性质，它是表征固体材料性质的一个物理量，在公式中F，L和S可用一般的仪器和方法测得，唯有oL是一个很小的量，要用光杠杆法测量。

光杠杆就是一固定在T形架上的平面镜，支架下部的三个尖角构成一个光杠杆，它和带叉丝的望远镜配合使用。当金属丝受外力而伸长后，光杠杆的主尖角随金属丝下降0L，平面镜转动一角度@，根据光反射定律，在望远镜中观察到叉丝变化0n，由数学公式推導，得

0L=bl/2D

代入上式公式，得

E=8FLD/^d2bl

由上式可见，只要测得F、L、D、d、b和l，就可算出待测金属丝的杨氏弹性模量。

传统的实验教学方法：

通常，实验教师给学生按传统的实验教学方法讲授实验时，只讲清实验目的，实验原理和实验做法。学生难理解杨氏弹性模量这个物理量，对光杠杆测量微小长度原理也不重视。“看”实验的人多，做实验的人少，甚至有个别学生做一些不该在本实验上该做的事情。实验测量误差大，做完实验学生也不能理解杨氏弹性模量这个物理量的意义。

改进后的实验教学方法：

强调杨氏弹性模量这个物理量的名词解释，再根据我院各系专业的不同，结合专业理论知识，教授学生杨氏弹性模量这个物理量的用途。

在给电气系和机械系的学生讲授该实验时，在讲清该实验的目的，实验原理后，首先重点解释杨氏弹性模量这个物理量的概念，然后阐述测量杨氏弹性模量这个物理量的意义，和它的用途。它用在结构选型当中，设计机床的主传动轴时，不能随便拿种材料做主传动轴。这就要选型。根据这根轴在运转的过程中，受到的应力计算出应该选用什么型材的钢来做主传动轴。

二、结论

大学物理实验在工科人才的创新能力和科学素质的培养上有着重要的举足轻重的作用，本文针对工科若干个专业不同的特点设计了大学物理实验的教学研究，旨在更好的激发学生的物理学习兴趣，让学生感受物理知识在自己专业的应用，达到学以致用的目的，更好的激发学生学习物理知识，为以后自己专业知识的学习打下铺垫。

（作者单位：新疆工程学院基础部）