分層次實驗教學方法研究
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摘 要：實驗教學與理論教學是相輔相成的，實驗教學的形式百花齊放、百家爭鳴。實驗教學采用分層次教學，體現了實驗內容的系統性;體現了由理論到實際、由基礎到綜合、由綜合到探究的不同階段，遵從了學生的認知規律，有利于對學生的動手能力、觀察能力、綜合應用的能力、探究問題的能力、創新能力培養。
關健詞：分層次實驗 測量精度 理論聯系實際 教學方法 探究性 創新性
中圖分類號：G71 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）03（a）-0154-02
實驗是大學物理教學中一個重要的教學環節，它在培養學生的動手能力、觀察能力、分析探究能力、創新能力、協同合作等能力中起著不可低估的作用。因此，實驗教學方法的探究，對培養學生的綜合能力意義深遠。下面以“牛頓環實驗”為例，研究分層次實驗教學方法，以達到提高實驗教學效果的目的。
1 牛頓環實驗的基礎理論知識層次研究
結合大學物理的理論課知識，講解牛頓環實驗的實驗原理，具體的教學方式采用預習作業和提問相結合的方式完成，目的就是為實驗教學打好理論基礎。
1.1 牛頓環實驗原理簡介
牛頓環即將一曲率半徑R很大（一定要強度很大）的平凸透鏡放在一個光學平面玻璃板上，凸面與玻璃板相切于O點，則構成了一個牛頓環裝置。
1.2 牛頓環實驗的實際應用方法分析
分析理論公式（1）和（2），公式中有rk、K、R、四個變量，結合實際應用，由此公式可知，只要有3個變量已知，就可以求出第4個變量，即用此公式可以就進行實際的測量，至少可以測量4個物理量。
1.3 “理論聯系實際”的準確度分析
雖然由公式（1）和（2）看似可以對至少4個物理量進行間接測量，以測量平凸透鏡凸面的曲率半徑為例，要想測量準確，還存在很多問題，如：對rk、K的直接測量很容易存在較大的誤差，其中K的級次很難準確確定，不能保證圓心處的空氣膜厚度一定是零。可能存在兩種情況：第一，接觸點的壓力引起了局部變形，使得接觸點變成了一個接觸平面，干涉環的中央出現一個暗斑;第二，由于接觸點的空氣間隙有塵埃等，產生了附加的光程差，干涉環的中心出現了明（或暗）斑，條紋中心難以確定。這兩種情況均使得級次無法準確地確定。
1.4 提高測量精度的方法分析
以上分析是在物理實驗、物理測量中常見到的問題，我們解決的方法就是，實驗時采用暗環的測量（明環同理），設第m級暗環和第n級暗環的半徑分別為rm和rn，則分別代入暗環公式，然后兩式相減即得：
Dm和Dn為m和n環的直徑，公式中把具體的級次變成了級次的差，把絕對變成了相對，解決了級次難以準確的問題。
2 實驗教學層次的實施階段
我們把實驗教學分為3個層次或者說是3個階段，即基礎性階段、提高與綜合性階段、探究性階段。下面還是以牛頓環實驗為例進行講解。
2.1 基礎性階段
此階段是進行基本實驗技能[1]和基本測量方法的系統訓練，培養學生的數據處理能力和誤差分析能力，為后續的實驗教學打好基礎。
針對牛頓環實驗，就是要讓學生了解誤差理論，熟悉基本儀器和設備，學會基本的使用方法，如讀數顯微鏡的使用、牛頓環裝置的調節、鈉光燈的使用、45°角平面鏡的使用等。
誤差理論要理解基本的物理實驗誤差名詞的含義;要學會數據處理的基本方法如：有效數字的表示和計算、數據的公式計算及表示方法、列表法、圖表法等表示方法及注意事項。
讀數顯微鏡要了解其結構及工作原理，熟悉讀數顯微鏡各部件的作用，如目鏡、調焦手輪、標尺、測微鼓輪等，熟練讀數顯微鏡的操作方法。
牛頓環，不僅要了解其結構，還要會對其進行調節，不要用力太大，否則會使透鏡變形，使環的位置要適中。
了解鈉光燈和平面鏡的作用，能正確使用。
2.2 綜合實施階段
此階段要鞏固理論知識和基礎性實驗階段學習的知識，開闊學生的思路和眼界，提高學生對實驗方法和實驗技能的綜合運用能力。針對牛頓環實驗如下。
任務布置：應用以上儀器結合牛頓環的原理，測定平凸透鏡凸面的曲率半徑。
要求學生：能夠把以上儀器綜合使用，組成正確的光路圖，盡量準確地讀出數據，能正確地進行數據處理，對誤差進行合理的分析。
2.2.1 搭建正確的光路圖
正確地選擇實驗儀器，合理擺放，構成正確的光路圖，使得牛頓環出現清晰的干涉條紋，并能在讀書顯微鏡中準確地讀出。
2.2.2 準確地讀取數據并進行數據處理
在讀取數據時，為了避免回程差，每組測量的數據要保證手輪向一個方向轉動，中途不能反向移動，鏡筒內十字叉絲豎直線對準干涉圓環線中心，讀取數據并進行數據處理
2.3 探究性階段
此階段就是培養學生自我設計問題的能力[2]，學生能自己提出問題并解決問題的能力，用自己所學的知識和科學實驗的方法，理論聯系實際，用自己設計的實驗來解決實際的問題。
任務布置：提出問題。
要求學生：用自己設計或改進實驗，來解決實際的問題。
發現問題、探究問題：
?。?）開始沒能調出清晰的牛頓環干涉條紋。
分析及解決方法：①可能光路出現問題，檢查光路圖;②可能牛頓環的螺絲松動，使得干涉條紋偏離;③調節目鏡，使之出現在焦平面上。
?。?）干涉條紋疏密不均勻。
分析及解決方法：牛頓環干涉屬于等厚干涉，出現干涉條紋疏密不均，可能出現兩種情況：①牛頓環安裝不正，需要重新調整;②牛頓環中的平凸透鏡或平面玻璃受損，需要更換。
?。?）數據處理的結果誤差較大。
分析及解決方法：①儀器有誤差，不可避免;②讀數有誤差，讀數時要避免回程差，讀數顯微鏡的旋鈕始終向一個方向旋轉;③計算要準確;④讀數顯微鏡中的縱向叉絲位置要適當。
?。?）使用此裝置還能解決的問題。
?、儆晒娇芍?，應用此裝置還可以測量光的波長。
?、趹么搜b置，通過觀察干涉條紋的形狀可以檢查平凸透鏡或平面玻璃有無凸凹;用標準的平面鏡來檢測平凸透鏡，或用標準的平凸透鏡檢測平面玻璃等。
3 結語
分層次實驗教學，適合學生的認知過程，該實驗方法體現了實驗過程由理論到實際、由基礎到綜合、由綜合到探究的不同階段，適合各層次學生的學習，給不同層次的學生留有學習的空間，既注重了理論聯系實際[3]，又培養了學生的動手能力、綜合應用的能力、探究問題的能力，值得在應用型本科院校推廣。
參考文獻
[1] 金雪成，宋紅燕.大學物理實驗[M].上海：上海交通大學出版社，2014.
[2] 朱湘萍，文元.用科研項目推進大學物理實驗教學改革的研究與探索[J].大學物理實驗，2011（3）：110-113.
[3] 李宏榮，王小力.以創新人才培養為目標的大學物理教學改革[J].中國大學教育，2013（8）：19-21.
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