大学生物理学术竞赛的创新实验探究<br/>——以CD气垫船为例

大学生物理学术竞赛的创新实验探究
——以CD气垫船为例

2017-12-15李业凤

实验室研究与探索 2017年11期

关键词：气垫船喷气大学物理

武翔, 李业凤

(1. 电子科技大学机械电子工程学院, 成都 611731; 2. 电子科技大学物理电子学院，成都 610054)

大学生物理学术竞赛的创新实验探究——以CD气垫船为例

武翔1, 李业凤2

(1. 电子科技大学机械电子工程学院, 成都 611731; 2. 电子科技大学物理电子学院，成都 610054)

全国大学生物理学术竞赛是一项面向本科生、以团队对抗为形式的全国性物理竞赛。针对大学物理实验教学中存在的问题，提出了基于该项赛事的创新物理实验教学方法，尝试利用该项赛事的先进理念和独特的竞赛模式进一步完善大学物理实验教学体系。在分析国内物理实验教学现状基础上，结合相关研究成果，以CD气垫船为例，探究了该项赛事在题目分析，实验装置制作，理论建模，实验对比，交流展示5个阶段对学生能力的培养，并同时阐明了教师的指导作用。教学实践表明，该项赛事的创新实验能够激发学生的参与热情，培养学生自主系统地解决问题的能力，强化参赛学生的理论水平和实验技能，提高动手能力与合作交流能力，促进创新人才的培养。

大学生物理学术竞赛; 创新能力; 自主学习; 气垫船

0 引言

创新型人才的培养是我国教育的重点，也是高校义不容辞的责任。我校长期致力于本科生创新精神、创新能力、创新素质的培养，取得了丰硕的成果[1-7]。但是，由于大学物理实验课程课时和设备的限制，教学方式主要采用老师讲解和演示，学生在已准备好的实验设备上进行操作。这就使得部分优秀同学的实验能力没有得到充分拓展，创新能力的培养受阻。

学科竞赛对大学物理及实验教学具有促进作用[8-11]，伴随着全国大学生物理学术竞赛(China Undergraduate Physics Tournament，CUPT)的兴起，大学物理实验中心积极探索与CUPT相结合的创新实验教学方法，加强本科生的创新实验能力，逐步建立面向学生自主学习的物理实验教学体系。很多学者对CUPT对大学生的促进作用进行过研究[12-14]，但尚无针对一个题目，贯穿赛事始终的研究。本文以2015年CUPT第9题“Hovercraft”(中文名“CD气垫船”)为例，分5个阶段探究在结合CUPT的实验教学模式下学生创新能力的培养过程。

1 CUPT简介

CUPT自2010年开始举办，是面向全国大学生的大规模竞赛，旨在锻炼学生解决复杂科学问题的能力，并且能够针对这些问题给出令人信服的解决方案。CUPT每年共17道赛题，均来自当年的国际青年物理学家锦标赛。题目均为开放性问题，要求学生自主确定研究方向进行理论分析并设计实验，最终以团队辩论的方式进行比赛。

该项赛事至今已举办六届，清华大学，北京大学，复旦大学，电子科技大学等40余所高校参加了比赛。我校多次取得全国一等奖和二等奖的好成绩，积累了丰富经验。

2 题目理解与分析

CUPT问题均为开放性问题，没有固定模式和唯一答案。学生首先需要从17道题目中选定一道自己感兴趣的题目，然后分析问题，自主确定研究方向。

CD气垫船中文题目为：使用CD光盘和一个充满气的气球制作一个简易气垫船装置，通过气球放气可以使气垫船装置以低摩擦状态悬浮起来，探究相关因素对气垫船低摩擦悬浮时间的影响。

由题意可知，该题研究对象为CD气垫船，研究过程中通过放气使CD气垫船悬浮起来，要研究影响悬浮时间的相关参量。于是可以提出3个问题：①低摩擦状态是什么？②低摩擦状态下装置是否离开试验台？ ③对低摩擦状态持续时间的影响因素有哪些？怎样影响？

对于问题①和②，可以通过设计预实验进行探究。问题③是该题的核心问题，喷出气体体积，气垫船质量，喷气口大小，气垫船半径，气球材料，表面粗糙度，温度，大气压强等都可能对悬浮时间造成影响，选择可能作为主要影响因素且便于进行实验的喷出气体体积、气垫船质量、喷气口大小、气垫船半径4个参量进行理论分析和实验探究。

在该阶段，教师还应指导学生检索并阅读相关文献。学生可以通过中国知网，万方数据，Web of science等相关数据库和网站进行文献学习，对已有的研究成果进行了解并加深自身对题目的理解与把握。

学生在自主选择和分析问题，最终确定研究方向的过程中，从以往“模仿式”的物理实验转换到“自主式”的物理实验[15]。题目的研究内容由原来现成的，甚至答案唯一的模式转换成了开放式的，不设定具体参数的模式。这一模式的变换增强了学生自主思考问题的能力，极大提高了学生的实验兴趣和参与性。

3 实验装置制作及预实验

物理实验教师指导学生根据自己选定的研究方向自主设计实验，实验装置也由学生自己制作和改进。

3.1 实验装置制作及预实验

CD气垫船装置的制作需要不同半径的CD光盘，不同大小的气球，塑料片，灌注器，水管接口，塑料管，美工刀，圆规，纸板，游标卡尺，电子天平等材料和工具。

图1为学生在比赛期间不断改进的3种版本的气垫船装置。先后克服了CD气垫船悬浮状态不稳定，气密性不好，尺寸参数难以改变等缺点。

图1 不同版本CD气垫船装置

3.2 喷气与否对低摩擦状态的影响

根据在题目分析中提出的问题①进行预实验。将两个CD气垫船放于相同实验台上，其中一个底部具有喷气口，另一个不具有喷气口。多次轻触两个装置，发现没有喷气口的装置没有明显移动，而具有喷气口的装置有明显移动，且撞到障碍物能够反弹。

由此可以得知，在喷气状态下，CD气垫船与实验台摩擦力减小，形成低摩擦状态。

3.3 低摩擦状态是否离开实验台

使用上述两种CD气垫船进行对比实验，用水平激光束照射装置底部。发现喷气的装置在底部和另一端均能观察到明显的激光，而没有喷气的装置几乎没有激光通过。

由此得到，喷气的装置底部形成一层气垫，使装置悬浮在实验台之上，降低了装置与实验台的摩擦力，形成“低摩擦”状态。

在实验装置的制作和实验设计过程中，学生需要自己寻找实验材料并进行实验装置制作和改进。这需要充分调动开放性思维，多次尝试不同实验条件，采用不同设计方案。这一过程不仅增强了学生的动手能力，而且培养了学生的实验设计能力。

4 理论模型的建立与优化

在以上阶段，学生已经确定了研究方向并且对问题进行了初步探究，逐步将对问题的感性认识转变为理性认识。在此基础上，教师指导学生继续进行相关文献的学习和理论模型的建立。由于推导过程较为繁琐，且推导过程非本文研究重点，以下仅列出主要结论进行讨论。

气垫船悬浮时相关参量(见图2)之间的关系为[16]：

(1)

式中：μ为空气动态粘滞系数；m为装置质量；Q为流量；h为悬浮高度；R1为气垫船半径；R0为喷气口半径。

图2 理论模型参数示意图

将气球底部与喷气口连接部分视为一段中空细管。由于空气的黏滞效应不明显，此处忽略其黏滞效应并视其为不可压缩，并且考虑气球内部压强与体积的关系。得到喷出气体流量与相关参量关系：

(2)

式中：ρ为空气密度；V为气球体积；V0为气球橡胶膜未拉伸时对应的体积；K为与气球材料相关的常数，m为装置质量；g为重力加速度。

由式(2)可知，气垫船悬浮过程中流量随着气球体积变化而变化，悬浮过程是一个非稳态过程。将非稳态过程中的任一瞬态视为稳态，则该瞬态的悬浮时间为该瞬态喷出气体的体积与该瞬态对应的流量的比值，但由于流量表达式中含有不可积分非线性项，不能得到非稳态悬浮时间的解析解。故采用Matlab数值模拟得到不同初始条件下的悬浮时间，将其表示为图3中理论值。

在此阶段，学生需要针对自己的研究方向建立物理模型并提出合理的假设，运用数值计算与仿真工具软件对自己的理论加以分析。这一过程能够使学生将平时学习的理论知识与实际问题相结合，学有所用，学以致用，在物理模型的完善过程中不断强化自身系统化解决问题的能力。

5 实验探究

学生经过以上阶段已经完成了理论模型的建立与优化，那么通过实验来检验自己的理论成果并将理论结果与实验结果进行对比分析就成为了实验探究阶段的关键。

采用控制变量法进行实验，得到悬浮时间分别与4个参量的变化关系如图3所示。

实验探究部分学生需要将自己建立的理论模型用科学的实验进行检验，并通过比较理论与实验的偏差修正理论，再次讨论理论模型中假设的合理性与偏差的来源。学生在此过程中质疑和修正自己的理论模型，将会对自己的研究题目有更为深刻和更加全面的认识，同时这一过程也培养了学生敢于质疑，敢于创新的科学精神。

6 题目交流与展示

CUPT的学术交流以现场辩论赛的方式进行，选手分别以正方、反方或评论方的方式参与题目的交流。正方以正方陈述的方式对题目和自己的研究内容进行汇报，反方对正方报告中的问题进行提问并和正方进行交流，评论方最后对正反双方进行提问与点评。

在题目的交流与展示过程中，学生充分锻炼了自己的沟通交流能力，团队协作能力以及随机应变能力。这个过程也给同学们提供了相互交流，相互学习，相互促进的机会。

7 结语

结合CUPT的创新物理实验能够显著提高学生的自主学习能力，动手能力，创新能力，逻辑思维能力，数据处理能力，团结协作能力以及沟通交流能力。对大学生的综合素质的培养大有益处。

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ExplorationonInnovativeExperimentBasedonChinaUndergraduatePhysicsTournament——AnIllustratingCaseofCDHovercraft

WUXiang1,LIYefeng2

(1. School of Mechatronics Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu, 611731, China; 2. School of Physical Electronics, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu, 610054, China)

China Undergraduate Physics Tournament is a tournament for undergraduate, is takes the team competition model. Facing on the teaching model of innovative physical experiment based on the current teaching condition, we attempt to further improve the teaching system of physics experiment in university by adopting the advanced ideas and unique pattern of this tournament. The effects of this tournament for undergraduate are explored by five stages, i.e., analyzing the question, making experimental apparatus, building theoretical model, experimental investigation, and discussion. Teaching experiment indicates that the innovative experiment based on tournament can stimulate participate enthusiasm of undergraduates, cultivate the ability of independent and systematical problem-solving for undergraduates, improve practical ability and cooperative ability for undergraduates, accelerate the process of cultivating innovative personnel.

undergraduate physics tournament; innovative ability; self-directed learning; hovercraft