独立学院大学物理实验预习系统开发与研究

张 礼,左玉生，陈 杰,吴 弘

(1.东南大学成贤学院 基础部物理实验中心， 南京 210088； 2.东南大学 实验室与设备管理处， 南京 210096)

独立学院大学物理实验预习系统开发与研究

张 礼1,左玉生2，陈 杰1,吴 弘1

(1.东南大学成贤学院 基础部物理实验中心， 南京 210088； 2.东南大学 实验室与设备管理处， 南京 210096)

为提高独立学院学生物理实验的效率，培养高质量应用型人才，提出一套大学物理实验预习系统的设计，其包含引导类A系统和提高类B系统。该系统主要通过Matlab的GUI界面演示预习过程、展示实现现象及进行数据处理，并通过单片机及外围芯片实时测量和传输数据，展现实验过程及数据变化趋势。应用该系统引导学生准确理解预习规范，提升学生对操作过程的预判能力。实际教学证明，该系统对学生实验起到了很好的辅助指导作用，明显减少了学生实验的误操作，实验效率显著提升，重复实验率大大降低；学生实验报告中，因实验数据测量错误导致的结果错误大幅减少，且实验分析内容有所增加，实验分析质量有明显的深化和提升。

独立学院； 大学物理实验； 预习系统； Matlab； 图形用户界面

0 引 言

大学物理实验是学生进入大学后接触的第一门实验课程，其学习过程包含课前、课堂和课后三部分组成，目前课前预习部分对学生的要求是通过充分的教材预习并写好预习报告[1]。对于独立学院的大部分学生，仅通过教材做书面预习，无法使学生比较清晰地了解实验的具体内容，且由于部分学生学习习惯较差，预习报告也经常会出现应付教师检查的现象，从而使预习流于形式，成为变相的“抄书”，导致课堂教学效率低，课堂实验错误多，一些学生做完实验都无法全面了解所做实验，实验报告问题较多，甚至出现因不了解而损坏设备的现象[2-3]。有些学生到毕业的时候大学物理实验课程都无法拿到学分[4]。为了彻底改变这一存在已久的问题，开发了大学物理实验预习系统，切合学校应用型人才培养的模式[5]。为切合独立学院大学物理实验教学工作的安排，本系统拟从A类和B类系统进行预习系统的开发与研究。其中A类系统为引导类系统，开设在大学物理实验的第一学期，对应学生时间为大一下学期；B类系统为促进类系统，开设于大学物理实验的第二学期，对应学生时间为大二上学期。

1 实验预习系统总体设计

实验预习系统的设计旨在引导学生从单纯的教材预习转变为实验室和教材预习相结合的形式。

此前，学生的预习基本是通过对教材的阅读来完成，此过程存在几点不足：① 预习内容太抽象；② 预习报告流于形式；③ 预习效果不理想[6]。

本设计拟从以下几个方面进行实验课程中预习部分的改革，并从教学大纲、教学内容、成绩给定等几个部分进行保障。

(1) 引导学生进入实验室预习。 较多的高校现在都推行网络教学，从实验的角度出发，网络预习有比较好的效果，能够引导学生利用实物的图片及动画和视频初步了解实验内容及实验目的。然而，对于我校学生的具体情况而言，应尽量引导学生进入实验室进行预习，这样不仅能对仪器从三维的角度来进行观察，而且通过真实仪器与预习系统的配合能够让学生更加有直观上的感受，更有利于实验课程的开展[7]。

(2) 引导学生了解实验原理。 学生在预习时，对实验原理部分的掌握是最容易流于形式的抄写，通过与学生的交流，很多学生虽然写了实验原理，但是却不知究竟，归其原因可能有以下两点：① 理论教学部分尚未涉及到实验所需的知识及内容；② 对实验过程中所述的较为复杂的现象无法进行思维分析。基于这两点原因，本实验系统在设计时考虑将实验现象或实验结果以比较形象的方法先切入，学生通过实验现象或实验结果出发，回头来对实验原理部分进行预习，这样可达到事半功倍的效果[8]。

(3) 引导学生了解实验目的。 因大学物理实验中的一部分实验设计了比较巧妙的测量方案，导致有些学生在测量及计算的过程中过于注重过程计算量，而忽略了最终结果的求解，本系统在设计时考虑，一些结果可以一种并不是很精确的方法给出并引起学生对结果的注意[9]。

(4) 引导学生认识待测量及测量方法。 实验课程的最终目的并不是要求学生学会物理量的测量，但是对待测量的了解却是在预习过程中不可缺少的一个重要环节。课前，学生应很好地了解实验目标、待测量、测量仪器、测量精度等。充分了解待测量后，学生在课堂听讲时才能对实验原理及仪器设计的精度等有清晰的认知[10]。

本预习系统的组建通过Matlab及单片机等硬件实现，暂未推出网络服务版，后期将逐渐完善。基于对初期实验开设时学生对实验过程不熟悉的情况，推出以现象、结果演示为主的A类大学物理实验系统，基于对实验过程及测量较为复杂的实验进行更深入了解的要求及期望，推出以实验过程、结果演示为主的B类大学物理实验系统。

2 A类(引导类)预习系统

2.1方案论证

A类预习系统的主要作用是根据大学物理实验绪论课后第一次正式实验之前及之后的预习引导，针对学生刚参加实验课，还不知道预习该如何操作的情况，设置与预习报告需要完成的任务相类似的实验系统。预习实验系统的步骤及顺序：① 实验名称(系统中设定与教材相同的实验名称及章节，以供学生在目录中快速查阅)；② 实验目的(根据教材中提到的实验训练目的部分进行精简，以简洁文字的形式清晰明了的告知学生实验的目的所在)；③ 实验原理(实验原理部分是实验中所用到的物理原理以及仪器原理部分，篇幅较大，故在此处安排直接给出教材对应页码，引导学生直接进行教材和仪器的结合阅读)；④ 实验步骤(本部分通过简洁有序的描述，简要介绍学生在实验过程中的操作程序，以加深学生对操作的了解，教材的实验步骤部分描述会比较细致，而系统在本部分的描述旨在做全面系统的了解)；⑤ 实验表格(本部分通过按钮调用预习表格，这里的预习表格与教材中的实际实验表格不同，此处的实验表格旨在罗列出待测量，提高学生对待测量的进一步了解，避免在上课过程中出现的测错、测漏等现象的发生)[11]。学生通过对该实验系统的操作，了解预习的步骤，同时为增加学生对即将做的实验有比较好的感性认识，在系统中可同时显示实验装置的实际照片及实验中即将看到的比较有趣的实验现象，以此来引导学生认识装置，提高兴趣。

2.2A类系统示例

本系统以大学物理实验中经典的牛顿环实验为例，软件编程利用Matlab的GUI设计，初始界面如图1所示。

在系统的界面右侧，拟提供本实验所用实验仪器的实际照片，让学生与仪器见“第一面”，有了图形的印象后，学生会更加了解仪器介绍部分所介绍的内容及结构。

A类系统界面中，安排了实验结果或现象显示按钮，通过点击按钮，学生可以获得在实验过程中应该看到的实验现象，目的是为了让学生对该有的现象有第一印象和心里准备，同时也提高了学生仪器调节的目的性，避免盲目调节以及因对实验现象不了解而找到的一些错误“现象”的情况发生。

图1 牛顿环预习系统设计图

2.3结果显示

通过界面中的提示，学生按顺序、步骤完成后，通过按钮结果查看，实验预习内容也均应大致掌握，通过类似的1～2个预习实验的练习，预习过程即可掌握得比较熟练。系统运行后的图像如图2～4所示。

图2 系统运行图

图3 实验现象调用图

图4 表格调用图

3 B类(促进类)预习系统

3.1方案论证

B类预习系统应用于大学物理实验(下)的教学过程中，即大学物理第二学期的教学过程。学生通过大学物理实验(上)的学习，已基本了解学生实验环节与过程，所以第二学期的实验教学会提升学习的深度，采用更为深入的训练方法来进行，第二学期的实验难度会有所加大，大量的综合性实验会出现。学生虽然已经对实验过程了然于胸，但是对于综合性实验依然会有力不从心的感觉，综合性实验通过不止一项内容及方法，或通过多个实验仪器的结合，来获得一个或多个结果，有时会使学生有思路不清晰的感觉[12]。

B类系统的主要目的是为了明确学生的实验目的，理清操作思路，了解多个量之间的关系，做到在实验中稳步操作，以不变应万变。本文在研究过程中采用实物与软件结合的方式进行。

为了让学生更清晰、直接地看到实验过程中的现象，了解大致实验情况，本系统拟采用实际仪器结合单片机测量数据并在电脑上显示数据变化过程的方式给出。系统以最直观的方式给定待测量，待测量在测量过程中的变化，待测量在变化过程中的规律。通过PC显示出具体的数据点供学生查看，并完成数据的可计算结果[13]。

3.2B类系统示例

B类系统利用综合性实验金属电阻温度系数进行示例。本例中，首先，温度数据的采集通过温度传感器18B20进行，利用单片机采集数据并传送至上位机PC；电阻数据的采集利用恒流源进行电源供电，利用OP07运放对小电压进行放大，其后通过PCF8591模数转换芯片将数据传送至单片机，再由单片机将采集到的数据同时传送至上位机PC，其中温度数据传输采用UART通信方式进行，电阻数据采集部分采用I2C方式进行。其次，硬件程序的编写利用Keil软件进行，采用C语言的编写方式，再通过STC_ISP_V480软件将所编程序烧录至单片机中，然后通过改变待测电阻的温度获得变化的电阻数据和温度数据，利用串口调试助手观察其变化情况及具体数值。再次，编写软件程序，在前续工作完成后，PC串口通信部分通过Matlab里的serial函数建立串口对象，set函数设置串口属性并定义回调函数，fopen函数来打开串口数据并对数据进行采集。最后，设计界面，在界面中演示温度在升温过程或降温过程中的温度变化趋势及电阻阻值变化趋势，通过界面按钮对数据进行取点，再通过所取数据点进行作图；作图后，利用Matlab软件程序编写计算出直线的斜率K，反向延长数据线获得电阻对应的0 ℃电阻值R0，再通过R0和K及计算公式和polyfit函数获得最终的金属电阻温度系数的大小。通过对本系统的使用，学生能够清晰看见数据变化趋势，提高感性认识，了解待测量、测量方法以及待测量之间的联系，并深入了解各测量设备的选择与使用[14]。

3.3结果显示

接通电源后，打开单片机工作电源，打开电阻测量的工作恒流源，PC开始接受数据并显示，其中温度、电阻部分以300 s为一个周期，循环记录测量数据并显示于GUI界面中，学生可从此变化过程看到电阻随时间的变化，温度随时间的变化，形成直观概念。虽然教材中介绍了很多复杂的仪器设备和实验原理，但目的是为了测量这两个较为熟悉的物理量，通过对实时温度框和实时电阻框的观察也能够大致得出简单规律。

数据测量范围从室温至大于95 ℃即可，测量可通过升温或者降温两种方向进行，若测升温，加热电流不宜过大；若测降温过程，则可大电流加热至100 ℃左右，再缓慢降温，根据仪器的设计要求，须降温至20 ℃以下。

达到上述要求后，可获得电阻和温度关系图，如图5所示，系统中按照实际获得结果的顺序将结果获得过程分为4步：① 作图点获取(包含获得选取的作图点及直线获得)；② 获取R0(即图形的截距，系统所选为Cu50电阻，实际实验所用电阻与之不同)；③ 获取K(及图示中斜率的大小)；④ 获取温度系数(及本实验的最终结果)。通过以上4个步骤的训练，学生可以较为清晰地了解实验报告中图示的大致形态，最终结果的求解以及为获取最终结果前期需要获得的数值[15]。

图5 金属电阻温度系数计算图

4 结 语

本文提出的A类和B类两大实验预习系统，目前已应用于成贤学院课程中，平均每位学生的实验室预习时间为20～30 min，开设过程中有答疑教师，以保证预习系统的正常使用和学生的问题答疑。

与使用前的情况相比较，使用后的效果比较理想，大部分学生对实验的兴趣增加，对实验的操作更为顺畅，同时对实验的理解深度有所增加，部分学生通过预习系统的使用，提出了较多有深度的想法及设计。下一步，将扩大系统的受益面，增加适应不同专业的预习系统，拓展系统的使用广度与深度。

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Development and Research of Preview System of College Physics Experiment in Independent Colleges

ZHANGLi1,ZUOYusheng2,CHENJie1,WUHong1

(1.Physics Experiment Center,Southeast University Chengxian College,Nanjing 210088,China；2.Office of Laboratory and Facility Management,Southeast University,Nanjing 210096,China)

We introduce a college physics experiment preview system in order to improve the physical experiment efficiency and achieve the goal of training high quality applied type talents in independent college.This project contains two parts: A system for guiding and B system for increasing.We bring the process and trend of the experiment from using SCM and peripheral control unit for real time measurement and transmission,and use GUI of Matlab to demonstrate preview processing,experiment phenomenon and data processing.Through the use of the system,we can guide students to understand the experimental specification correctly,promote anticipation of operation processing and sublimate application ability of students.

independent college; college physics experiment; preview system; Matlab; graphical user interface (GUI)

2016-09-07

东南大学成贤学院教改项目(物理实验中心应用型人才培养之“赛、创、专”联动模式探究：yjg1501)

张 礼(1982-)，男，江苏扬州人，硕士，实验师，主要从事物理实验教学及实验室建设工作。E-mail：116955271@qq.com

O 4-33

：A

：1006-7167(2017)07-0203-04