全国大学生物理实验竞赛(创新)自选类比赛的思考与总结

何九宁,邓邦林,田荣刚,刘 双

(成都理工大学 数理学院,四川 成都 610059)

在当今科学技术快速发展的时代,培养创新能力和实践技能已成为大学教育的重要目标. 为推动学生在物理领域的创新能力和实验技能的培养,全国大学生物理实验竞赛(创新)应运而生. 该赛事为大学生提供了全面发挥个人才能、挑战创新极限的平台[1-4],旨在通过实验设计与探究来培养学生的科学研究能力和解决问题的能力. 该竞赛能够让学生亲身经历科学探索的过程,培养学生的观察力、实验设计能力和团队合作精神,进一步提升物理实验教学质量和高素质创新人才的培养质量[5-8]. 此项赛事于2020年首次举办,竞赛分为“命题类创新作品”“自选课题类创新作品”和“大学生物理实验讲课比赛”3个类别. 笔者团队已连续2届参加该竞赛,并取得了出色的成绩,积累了一定的竞赛经验. 在第7届竞赛(创新)中,笔者团队共有5支代表队参赛,获得一等奖3项、三等奖1项和优秀奖1项. 在第8届竞赛中,笔者团队再次获得一等奖3项,二等奖和三等奖各1项. 本文主要针对竞赛第2类别——自选课题类创新作品,从研读比赛细则标准、构思参赛作品、体现特色和亮点、数据智能化采集等环节总结了此类赛事的参赛经验,对如何高效且有针对性地完成参赛作品进行了具体论述.

1 研读比赛细则标准

参赛前要仔细研读组委会制定的比赛细则. 自选类题目分为2类:a.实验仪器制作和改进;b.物理教学资源的开发. 实验仪器制作和改进类题目要求参赛作品能够提升物理实验教学效果或仪器性能,提交的作品在实际操作中应具有可调控的实验过程和直观可测的参量,以便实验者对内容有更清晰、直观地理解和掌握. 此外,作品还要使物理图像和规律更加直观,具有拓宽研究和应用范围的作用.

例如,笔者团队在第7届比赛中提交的作品“涡旋电流制动装置”(图1),是研究涡流制动的原理与效果的实验教学仪器. 在该作品中,首先进行了仪器的建模与搭建,并提供了详细的设计说明,确保参赛评委和观众能够清晰地理解仪器的结构和工作原理. 随后,对影响涡流制动效果的5个关键参量进行了实验研究,包括磁铁间距、铜盘厚度、制动方向、制动杆个数等,观察到这些参量对涡流制动效果的直接影响,进而深入揭示了涡流制动现象的本质. 此外,该作品借助清晰的物理图像使得物理规律更加直观,拓宽了涡流现象的研究和应用范围.

图1 涡流制动装置

再如,笔者团队在第8届比赛中提交的作品 “电磁场分布的测定与分析系统”(图2),通过将自动化数据采集与测量结果可视化相结合,成功解决了传统物理实验中电磁场图像不清晰的问题. 该作品突出了电磁场的测量与分析,为学生提供了更直观、清晰的电磁场图像. 在该作品中,首先通过精确的实验设计和仪器搭建,实现了对电磁场的测量. 然后,将测量到的数据以图像形式展示,并通过自动化控制程序实现了图像的实时显示和调节. 该设计能够让学生直观地观察和分析电磁场的分布情况,更好地理解电磁现象的本质和规律,更深入地理解电磁场的特性,并能够通过调整实验条件和参量来观察电磁场的变化趋势. 这种直观的呈现方式有助于提高学生的实验参与度和学习效果.

图2 电磁场的测定装置

物理教学资源的开发类题目要求实验设计者在对有关教材内容有了更深地理解和掌握后,对相关内容有自己独特的见解,并能够利用信息技术开发具有良好教学效果或参考价值的教学资源. 在完成此类作品时务,必做到物理原理正确,且能够启发学生独立思考,激发学生进一步学习和探究相关内容的兴趣.

此外,参赛前还要认真学习组委会制定的作品评审标准. 参赛队伍需提供完整的参赛资料,包括教学资源设计报告、PPT、介绍视频等,明确了解自选类比赛的形式和视频剪辑的要求,尤其是视频剪辑的要求和时长,如果不仔细研读可能会违规扣分甚至被判出局. 2022年,大学生物理实验自选类竞赛评审分5个评价维度、11个评分标准,共计100分.

1)科学性:选题有意义、物理原理正确;设计思路清晰、技术方案合理有特色;参赛文档及视频质量高. (30分)

2)创新性:选题内容是以往教学实验中缺少但有益学生长远发展的方向. (10分)

3)学生参与程度:学生的贡献比例,且在文档中有明确说明. (10分)

4)先进性:演示操作熟练且规范;测量准确、精度高及可行性论证充分;预期教学效果良好. (30分)

5)现实意义:实验装置简便,易于操作;推广价值高;作品的成熟程度. (20分)

2 确定选题角度

按照竞赛要求构思参赛作品题目是非常重要的步骤. 自选类竞赛的选题相对开放,参赛队伍可以根据不同的思路和实践经验确定作品题目.

2.1 改进和应用传统实验项目

该类选题有2个关键点需要注意:a.创新的实验装置设计和改进;b.实验参量的可调控和直观可测性. 在创新的实验装置设计和改进方面,可以考虑对传统光学实验装置进行改进,以提高测量精度或者拓展实验功能. 例如,通过引入新的材料或优化结构设计,可以减少实验误差并提高测量精度. 另外,可以增加附加组件或改变光路布局拓展实验功能,使其具有更多的研究或应用价值. 而在实验参量可调控和直观可测的设计中,可以考虑设计具有可调控参量的实验装置,使实验者能够直观地观察和测量实验过程中的关键参量. 通过调节这些参量,实验者可以实时观察到参量变化对实验结果的影响,从而深入理解物理原理. 以上的改进和设计思路将有助于提高实验效果和教学价值.

2.2 虚拟仿真和课件开发

此类选题可考虑采用虚拟仿真技术开发交互式的物理实验模拟软件以及制作教学课件和动画. 例如,可以开发模拟电路实验的虚拟实验室,让学生能够在计算机上进行实验操作和观察. 虚拟实验室能够提供安全、可控的环境,让学生通过模拟实验来理解物理原理和实验过程. 同时,学生可以根据自己的兴趣和需求调整实验参量,加深对物理概念的理解. 通过制作富有创意和互动性的教学课件和动画,可以向学生展示物理概念和现象激发学生的学习兴趣和独立思考能力,让学生更好地理解抽象的物理概念,并进行实际的应用和探究.

2.3 科研成果转化

参赛团队可以基于指导教师的科研项目将科研成果转化为实验装置或应用,展示其在物理教学中的应用价值. 或者应用科研成果中的新理论、新方法或新技术,对传统实验进行改进,从而使实验结果更加准确、可靠.

2.4 深化和拓展学术竞赛内容

参赛选手可以以中国大学生物理学术竞赛(CUPT)相关内容为基础进行深入研究和拓展,将其作为选题的切入点. 例如,在光学竞赛项目的基础上,可以设计出更复杂的实验装置,以进一步研究光的干涉和衍射. 通过增加实验的广度性和深度,参赛选手可以探索更深层次的物理现象和理论,并展示出对光学领域的深入理解和创新思维. 这种深化和拓展的研究方向可以为竞赛作品带来更高水平的学术价值和创新性.

3 装置设计与搭建

大学生物理实验竞赛(创新)自选类作品的实验属于综合设计性实验,没有内容详尽的标准教材可供参考,需要充分发挥参赛选手的主观能动性和科学探索精神. 从调研参考文献、拟定实验方案、开展预实验、购买实验耗材、设计搭建实验装置,再到开展实验、采集并分析实验数据,以及撰写实验报告和录制视频,该过程模拟了科学实验的全过程. 整个过程要求竞赛指导教师和参赛队员具备扎实的基础知识、实验技能和有效的科学方法,同时要具备团队合作、创新思维和解决问题的能力,这也对指导教师和参赛队员提出了更高的要求.

特别在装置设计与搭建的环节中,为确保实验装置的科学性和实用性,在正式搭建实验装置前,应首先开展预实验以验证相关猜想的可行性. 开展预实验可以帮助学生了解实验中可能出现的问题,并采取适当的措施进行改进. 其次,在正式搭建装置前应利用计算机辅助设计软件进行装置模拟搭建. 通过3D建模和虚拟装置搭建,可以模拟实验装置的搭建和运行过程,并进行结构优化和参量调整(图3). 装置的虚拟搭建环节能够使学生能够更好地理解实验原理和实验过程,从而在实际搭建中减少误差和时间成本. 因此,通过预实验和虚拟搭建环节,学生能够在实验设计阶段发现潜在问题并进行改进,提高实验的准确性和可行性.

图3 电磁场测定装置的预实验与虚拟搭建

图4 数据采集系统模块

4 体现特色和亮点

在设计实验时,参赛选手可以着重考虑设计自动化数据采集系统和可视化系统,以展现其创新和特色. 自动化数据采集系统和可视化系统相较于传统的人工采集和处理方式具有较多优点. 首先,自动化数据采集系统能够显著提高数据采集的准确性和可靠性. 通过实时采集数据,避免了人工记录中可能存在的误差和遗漏的问题,确保了数据的精确性和可信度. 其次,自动化数据采集系统能够极大提升数据采集的效率,节省时间. 学生能够专注于实验操作和结果分析,而不必花费过多时间在数据记录上. 这些优点能够使学生更加便捷、准确地获取和分析实验数据,提高数据处理和科学思维能力. 因此,自动化实验数据采集系统和可视化系统在教学改革中具有重要的应用价值和意义. 下面以笔者团队在第8届比赛中的获奖作品 “电磁场分布的测定与分析系统”为例,详细介绍自动化数据采集和可视化过程.

4.1 数据采集系统

在搭建电磁场测定与分析装置的电机电路子系统时,采用了INA219电压检测模块、Arduino UNOMEGA2560 R3开发板、V-154限位开关、42步进电机、A4988及CNC 拓展板和同步带轮组等组件组成数据采集系统模块,如图 4 所示. 电场可视化使用的探测装置为铂材质mm级探针,稳恒磁场可视化使用的探测装置为3个正交放置的霍尔元件,同步带轮组、电机和限位器可直接控制探针的移动.

单片机由 PC 端供电,使用 Arduino 的IED 编写程序后,单片机接收并储存 PC 端输入的控制程序, 并为 CNC 拓展版提供上升沿信号和步进方向信号. 探测装置将探针收集到的信号传到INA219 电压检测模块,进行模数转化,信号由模拟量转为十六进制的数字量后传输到单片机上,再通过串口通信将数据传输到 PC 端进行处理,电路图如图5所示.

图5 电机电路系统运作示意图

4.2 可视化系统

可视化系统是“电磁场分布的测定与分析系统”作品的重要组成部分,它能够将采集到的电磁场数据转化为直观的图像,以便学生更好地理解和分析实验结果. 在该系统中,首先通过Arduino开发板将采集到的数据导入Excel表格;其次,使用Python编程语言读取并处理Excel表格中的数据,并利用Python自带的数据库(如NumPy和SciPy库)[9-10]进行数值计算、统计分析和拟合;最后,绘制图像,将静电场和稳恒磁场测量结果的趋势和关系进行可视化展示.

图6展示了在长方体容器的水环境中,2根尺寸相同的铜棒(20 cm×0.9 cm)被固定成“=”形,施加6 V电压时,通过本系统测量得到的电场分布结果.

图6 电场测量结果与仿真结果对比图

图7展示了在长方体容器中,通过本系统测量得到的圆柱形磁铁在空气环境中的磁场分布情况.

图7 磁场测量结果与仿真结果对比图

5 结束语

全国大学生物理实验竞赛(创新)对教学改革和学生发展具有重要的影响和启示. 参与竞赛的学生通过全面而深入的实践锻炼,提高了实验技能和创新思维能力,不仅可以让学生在实验操作和数据处理方面取得显著进步,还加深了学生对物理学科的理解,团队合作和交流增强了学生的协作能力和沟通能力. 竞赛的举办促进了实践教学的重视和推广. 高校对竞赛给予了高度关注,并提供了更优质的实验设备和充分的资源支持,从而为学生创造了良好的实践环境. 竞赛进一步促进了跨学科合作,培养了学生的综合能力和创新思维,推动了学科之间的交叉融合. 竞赛鼓励学生独立思考、设计实验方案,并将所学的理论知识应用到实践,在解决实际问题的过程中探索物理学的前沿领域. 这种培养学生探索和创新意识的方式为学生未来的科学研究和应用能力奠定了基础.