分层次实验教学方法研究

作者:未知

  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.
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