分层次实验教学方法研究
来源:用户上传
作者:
摘 要：实验教学与理论教学是相辅相成的，实验教学的形式百花齐放、百家争鸣。实验教学采用分层次教学，体现了实验内容的系统性;体现了由理论到实际、由基础到综合、由综合到探究的不同阶段，遵从了学生的认知规律，有利于对学生的动手能力、观察能力、综合应用的能力、探究问题的能力、创新能力培养。
关健词：分层次实验 测量精度 理论联系实际 教学方法 探究性 创新性
中图分类号：G71 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）03（a）-0154-02
实验是大学物理教学中一个重要的教学环节，它在培养学生的动手能力、观察能力、分析探究能力、创新能力、协同合作等能力中起着不可低估的作用。因此，实验教学方法的探究，对培养学生的综合能力意义深远。下面以“牛顿环实验”为例，研究分层次实验教学方法，以达到提高实验教学效果的目的。
1 牛顿环实验的基础理论知识层次研究
结合大学物理的理论课知识，讲解牛顿环实验的实验原理，具体的教学方式采用预习作业和提问相结合的方式完成，目的就是为实验教学打好理论基础。
1.1 牛頓环实验原理简介
牛顿环即将一曲率半径R很大（一定要强度很大）的平凸透镜放在一个光学平面玻璃板上，凸面与玻璃板相切于O点，则构成了一个牛顿环装置。
1.2 牛顿环实验的实际应用方法分析
分析理论公式（1）和（2），公式中有rk、K、R、四个变量，结合实际应用，由此公式可知，只要有3个变量已知，就可以求出第4个变量，即用此公式可以就进行实际的测量，至少可以测量4个物理量。
1.3 “理论联系实际”的准确度分析
虽然由公式（1）和（2）看似可以对至少4个物理量进行间接测量，以测量平凸透镜凸面的曲率半径为例，要想测量准确，还存在很多问题，如：对rk、K的直接测量很容易存在较大的误差，其中K的级次很难准确确定，不能保证圆心处的空气膜厚度一定是零。可能存在两种情况：第一，接触点的压力引起了局部变形，使得接触点变成了一个接触平面，干涉环的中央出现一个暗斑;第二，由于接触点的空气间隙有尘埃等，产生了附加的光程差，干涉环的中心出现了明（或暗）斑，条纹中心难以确定。这两种情况均使得级次无法准确地确定。
1.4 提高测量精度的方法分析
以上分析是在物理实验、物理测量中常见到的问题，我们解决的方法就是，实验时采用暗环的测量（明环同理），设第m级暗环和第n级暗环的半径分别为rm和rn，则分别代入暗环公式，然后两式相减即得：
Dm和Dn为m和n环的直径，公式中把具体的级次变成了级次的差，把绝对变成了相对，解决了级次难以准确的问题。
2 实验教学层次的实施阶段
我们把实验教学分为3个层次或者说是3个阶段，即基础性阶段、提高与综合性阶段、探究性阶段。下面还是以牛顿环实验为例进行讲解。
2.1 基础性阶段
此阶段是进行基本实验技能[1]和基本测量方法的系统训练，培养学生的数据处理能力和误差分析能力，为后续的实验教学打好基础。
针对牛顿环实验，就是要让学生了解误差理论，熟悉基本仪器和设备，学会基本的使用方法，如读数显微镜的使用、牛顿环装置的调节、钠光灯的使用、45°角平面镜的使用等。
误差理论要理解基本的物理实验误差名词的含义;要学会数据处理的基本方法如：有效数字的表示和计算、数据的公式计算及表示方法、列表法、图表法等表示方法及注意事项。
读数显微镜要了解其结构及工作原理，熟悉读数显微镜各部件的作用，如目镜、调焦手轮、标尺、测微鼓轮等，熟练读数显微镜的操作方法。
牛顿环，不仅要了解其结构，还要会对其进行调节，不要用力太大，否则会使透镜变形，使环的位置要适中。
了解钠光灯和平面镜的作用，能正确使用。
2.2 综合实施阶段
此阶段要巩固理论知识和基础性实验阶段学习的知识，开阔学生的思路和眼界，提高学生对实验方法和实验技能的综合运用能力。针对牛顿环实验如下。
任务布置：应用以上仪器结合牛顿环的原理，测定平凸透镜凸面的曲率半径。
要求学生：能够把以上仪器综合使用，组成正确的光路图，尽量准确地读出数据，能正确地进行数据处理，对误差进行合理的分析。
2.2.1 搭建正确的光路图
正确地选择实验仪器，合理摆放，构成正确的光路图，使得牛顿环出现清晰的干涉条纹，并能在读书显微镜中准确地读出。
2.2.2 准确地读取数据并进行数据处理
在读取数据时，为了避免回程差，每组测量的数据要保证手轮向一个方向转动，中途不能反向移动，镜筒内十字叉丝竖直线对准干涉圆环线中心，读取数据并进行数据处理
2.3 探究性阶段
此阶段就是培养学生自我设计问题的能力[2]，学生能自己提出问题并解决问题的能力，用自己所学的知识和科学实验的方法，理论联系实际，用自己设计的实验来解决实际的问题。
任务布置：提出问题。
要求学生：用自己设计或改进实验，来解决实际的问题。
发现问题、探究问题：
（1）开始没能调出清晰的牛顿环干涉条纹。
分析及解决方法：①可能光路出现问题，检查光路图;②可能牛顿环的螺丝松动，使得干涉条纹偏离;③调节目镜，使之出现在焦平面上。
（2）干涉条纹疏密不均匀。
分析及解决方法：牛顿环干涉属于等厚干涉，出现干涉条纹疏密不均，可能出现两种情况：①牛顿环安装不正，需要重新调整;②牛顿环中的平凸透镜或平面玻璃受损，需要更换。
（3）数据处理的结果误差较大。
分析及解决方法：①仪器有误差，不可避免;②读数有误差，读数时要避免回程差，读数显微镜的旋钮始终向一个方向旋转;③计算要准确;④读数显微镜中的纵向叉丝位置要适当。
（4）使用此装置还能解决的问题。
①由公式可知，应用此装置还可以测量光的波长。
②应用此装置，通过观察干涉条纹的形状可以检查平凸透镜或平面玻璃有无凸凹;用标准的平面镜来检测平凸透镜，或用标准的平凸透镜检测平面玻璃等。
3 结语
分层次实验教学，适合学生的认知过程，该实验方法体现了实验过程由理论到实际、由基础到综合、由综合到探究的不同阶段，适合各层次学生的学习，给不同层次的学生留有学习的空间，既注重了理论联系实际[3]，又培养了学生的动手能力、综合应用的能力、探究问题的能力，值得在应用型本科院校推广。
参考文献
[1] 金雪成，宋红燕.大学物理实验[M].上海：上海交通大学出版社，2014.
[2] 朱湘萍，文元.用科研项目推进大学物理实验教学改革的研究与探索[J].大学物理实验，2011（3）：110-113.
[3] 李宏荣，王小力.以创新人才培养为目标的大学物理教学改革[J].中国大学教育，2013（8）：19-21.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-14828240.htm
