对比实验在大学物理实验教学中的意义

摘  要：物理实验作为高等学校的一门基础课，对培养学生系统化的实验技能有着重要的作用，本文以两个物理实验为例，从不同角度提出了做对比实验的途径及意义，总结了对比实验的设计方法。

关键词：物理实验  对比实验  测量结果

随着普通高校招生范围不断扩大，学生层次參差不齐，教学难度也在增大，我们在大学物理实验教学过程中深有体会，感觉学生普遍存在学习兴趣低、学习能力低、学习效果差等问题，且这些现象日益严重。物理实验作为高等院校普遍开设的一门理工类基础课，承担了大学初级阶段的实践训练任务，是进入大学后受到系统的实验方法和实验技能训练的开端，在培养科学素质和科学世界观的过程中扮演入门向导的角色^[1]。我们如果能在大学物理实验教学的内容设计上做一些特色化的改变，拓展一些实验的设计思路，对培养学生创新意识，理论联系实际、动手动脑能力、分析和解决实际问题的能力有一定的帮助。实验的目的不仅仅是为了测量某个量的大小，得到一个结果，而是通过实验训练让学生尝试体会实验设计思想，加强对实验影响因素的感知度，进而激发学生的科技创新能力，这也是我们重要的任务。实验过程中挖掘创新点，同时兼顾增加实验趣味性，那么做对比实验是较好的选择。教师在设计一个实验的教学内容时，有目的的安排设计一些对比性的实验内容，在做实验过程中能够让学生体会到不同实验条件对实验结果的影响，教学效果会有所不同。

一、实验设计思路及对比法

（一）实验设计思路

一个物理实验的设计过程应该大致遵循如下步骤：1.根据教学要求，确定实验目标后，先根据物理理论知识，考察待测量与哪些物理定义、定律、现象有联系，然后推导测量的计算公式。2.选择合适的实验方案，广泛联系，奇思妙想，尽量用原理简单、操作方便、各量易测的方法。3.对实验方案进行初步的误差分析，尽可能使用测量精度高的实验方案。4.拟定合理的实验步骤，确定测量条件，包括测量顺序，以及哪些量需要重复精确测量。5.做实验，记录数据，处理数据，给出结果，分析误差。

设计验证性教学实验时，还应该考虑使用的耗材廉价容易获得等方面因素，并且尽量在实验过程中能够直观的观察物理量的变化、展现物理现象，验证物理规律。

在实践教学中发现，虽然我们的实验设计非常好，测量精度也比较高，但学生可能是由于学习兴趣不大，心不在焉等原因，不但感悟不到实验设计思想，还总有很大一部分学生不注重细节，经常会出现一些低级错误，老师反复提醒强调效果也不明显，此时不如顺势而为，就让学生用“比较法”来试错，以达到对实验设计思想及实验规范性操作的体会。

（二）对比法应用实例

我们首先以“空气比热容比的测定”实验为例，比热容比在工业设计中是一个比较重要的技术参数，本实验以绝热膨胀法，利用温度传感器、压力传感器测量状态参量，只要测得、、就可求得空气的绝热指数，从而巧妙的规避了测量、T，使实验变得简单易实现。

这个实验中把握正常放气时间是实验成败的最关键因素之一。打开放气阀，听到“噗”的一声结束，需要迅速关闭放气阀。放气时间长了、短了，对实验结果影响都很大，学生经常是很随意，不严格把握放气时间。如果我们建议学生做三种放气情况，即正常关闭气阀、提前关闭气阀、推迟关闭气阀，让学生比较不同情况下测量结果有何不同，测量误差的大小差距是怎样的，从而理解测量条件对测量结果影响的重要性，可以达到事半功倍的效果。

误差分析是任何实验中的重要任务，应该重视，它可以使实验者对实验过程进行思考和回顾。如果看到误差大，会触动学生寻找问题所在，分析可能对结果产生影响的各种因素，反思哪里可能做得不够好，进而改进实验操作手法，对学生提高动手能力和判断能力起到促进作用。

本实验中除了引导学生通过比较不同放气状态下得到的不同测量结果来分析误差产生的原因以外，当然还有其他影响因素，如：实验中绝热过程不严格，放气过程中难免会吸热，使气体温度升高，向外膨胀放气量增加，瓶内剩余气体摩尔数减少，压强变低，使偏小，以及实验容器密封性差，轻微漏气，使减小等^[3]。这里不过多的做这方面的探讨。

再举例另一个实验，在“激光波长的测定”实验中，用杨氏双缝干涉测激光波长的过程中，因为测量公式中做了的近似，必须很小，所以对白屏和缝架的距离要求是要“足够长”。但实际情况是，学生经常是随意取值，若取值较小则不能满足测量条件。如果让学生做两组不同距离的实验，通过简单的相对误差E的计算，比较结果，即可看出测量结果的好坏，见表二：

结语

诸如此类的方法还可以在很多实验中应用，例如“惠斯登电桥测电阻”，实验中对测量状态下电桥的灵敏度是有要求的，不妨在不同灵敏度下测量几组比较结果;“三线扭摆测转动惯量”的实验中，对三线扭摆的转动角度要求是3-5度，學生对小角度转动没有什么概念，往往是以任意角度转动，且转动角度很大，此时可以提出做一组转角为5度左右的数据，再做一组转角为10度左右的数据，两组数据对结果的影响做对比，等等。教学过程中无论在哪个实验里学生容易出现有共性的错误，且是对测量结果有较大影响的环节，我们就可以把那个内容做对比实验，灵活布置比较内容，以此来加强学生对测量和实验结果的关系的理解，进而强化学生的实验技能，促进学生综合能力的发展。

我们的物理实验课每次一个实验用时三学时，抓紧时间做这些内容是能够完成的。经过三个学期做对比实验的实践，感觉教学效果明显比以前好很多。学生普遍反映说，提高了实验兴趣，避免了以前盲目不思考的坏习惯，对提升理论联系实际，提升动手动脑能力起到了一定的作用。

我们希望通过对物理实验教学方法和形式的不断研究探索，把课堂当作实施素质教育和培养学生科技素养的重要场所，通过点滴的努力，发挥对人才培养的积极作用，以达到高等学校输出高素质人才的目标。

参考文献

[1]王世建，富笑男.大学物理实验教学特点与方法的研究[J].河南教育学院学报，2017，9（16）：61-63.

[2]吕军，王景峰.大学物理实验[M].2015版高等教育出版社，2014-10.

[3]于永江.空气比热容比测定实验的系统误差分析及压强修正[J].实验室研究与探索，2005，24（12）：25-27.

[4]席美云，季振平.注重人才素质培养提高实验教学效益[J].大学化学，2000，15（04）：23-25.

作者简介

鲍伟华（1969—），女，籍贯：内蒙古呼和浩特市，内蒙古工业大学理学院副教授，硕士，理论物理。