●張志芹

(武警學院基礎部，河北廊坊 065000)

針對基礎課實驗教學內(nèi)容和教學方法，加強對設計性實驗的研究和開發(fā)，對提高實驗教學質(zhì)量，培養(yǎng)學生實驗能力和創(chuàng)新能力有很大的作用。設計性實驗是以基本知識、基本方法、基本技能的靈活運用和提高學生學習主動性，激發(fā)創(chuàng)新精神為目的的—種教學實驗。這類實驗課程具有以前實驗的延續(xù)性、綜合性、典型性、探索性和部分設計性任務。設計性實驗的教學目的是提高學生實驗素質(zhì)和科學研究能力，進行創(chuàng)造性能力的培養(yǎng)。設計性實驗的特點是教師提出實驗課題和研究項目，實驗室提供條件。學生自行推證有關理論，自行確定實驗方法，自行選擇和組合配套儀器設備，自行擬訂實驗程序和注意事項等。做出具有一定精度的定量的測試結果。設計性實驗的要求是在完成設計性實驗的整個過程中，充分反映自己的實際水平與能力，力求有創(chuàng)新。設計性實驗的核心是設計、選擇實驗方案，并在實驗中檢驗方案的正確性與合理性，設計時一般包括:根據(jù)研究的要求、實驗精度的要求以及現(xiàn)有的主要儀器，確定應用原理，選擇實驗方法與測量方法，選擇測量條件與配套儀器以及測量數(shù)據(jù)的合理處理等。在進行設計實驗時，應考慮各種誤差出現(xiàn)的可能性，分析其產(chǎn)生的原因，以及從眾多的測量數(shù)據(jù)中檢驗系統(tǒng)誤差的存在，估計其大小并消除或減小系統(tǒng)誤差的影響。設計性實驗的一般程序是:確定實驗方法→選擇測量方法→選擇實驗儀器→確定測量條件與最佳參數(shù)→擬定實施方案→實驗操作→處理數(shù)據(jù)→撰寫實驗報告。

1 最優(yōu)化原則確定實驗方法

根據(jù)所研究的題目，查閱有關資料收集各種可能的實驗方法，一般的，同一個研究題目有多種實驗方法，例如重力加速度的測量方法有單擺法、復擺法、自由落體法和氣墊導軌法。各種方法均有優(yōu)缺點，這要根據(jù)研究的要求和實驗精度要求進行綜合分析與比對。根據(jù)一定的實驗原理，確定被測量與可測量之間的關系，推證出有關測量公式，通過分析與對比，比較各種方法可能引起的系統(tǒng)誤差以及將采用的消除方法，同時考慮測量的精確度，選擇出一種實驗上可行、實驗條件允許、能夠保證測量精度的最佳方案。

2 誤差最小原則選擇測量方法

實驗方法選定后，為使各測量量的結果不確定度最小，需要進行不確定度來源及不確定度傳遞的分析，并依據(jù)提供的儀器，確定合適的測量方法。例如用單擺法測量重力加速度(如圖1所示)，在測量擺長時，有三種方法，即:，其中和用毫米刻度的米尺進行單次測量，D用0.1mm的游標卡尺進行多次測量，測量結果的B類不確定度為由不確定度計算可得三種方法的不確定度分別為:(1)為0.042cm;(2)和(3)一樣0.061cm?？梢?，采用方法(1)的不確定度最小，因此應用(1)測量和計算擺長。

圖1

3 誤差均分原則選擇測量儀器

在選擇測量儀器時，應考慮儀器的分辨率、精確度、實用性、經(jīng)濟性。由有效數(shù)字運算法則可知，所選測量儀器的測量精度(有效數(shù)字位數(shù))應大致相同。比如，測量擺長時，用米尺就能達到測量精度要求，就不要用游標卡尺;測量時間用秒表能夠滿足精度，就不要使用數(shù)字毫秒表。

為了合理使用儀器，達到相應的測量精度，在選擇儀器時應根據(jù)實際情況，兼顧儀器的等級和量程，使儀器的量程略大于測量值即可。例如，待測電流為60mA，現(xiàn)有0.5級量程為300mA和1.0級量程為75mA的兩塊電流表，用0.5級的表測量時，其儀器示值誤差限為:，誤差限值的相對值為;用1.0 級的表測量時，其儀器示值誤差限為。比較其結果可見，由于待測量的量值與儀器的量程不匹配，用0.5級的表測得的結果反而不如1.0級的表好。

4 最有利原則確定測量條件與參數(shù)

確定測量的最有利原則，就是確定在什么條件下進行測量引起的誤差最小，根據(jù)高等數(shù)學知道，這個條件可以由各自變量對誤差函數(shù)求導等于0得到。如用單擺測重力加速度時，選用的實驗裝置必須滿足:球要小，使小球可看成質(zhì)點;線要輕，可忽略擺線質(zhì)量;擺角要小，以滿足公式的要求。

5 最詳細原則擬定實施方案

按所選的物理模型及實驗方法，畫出實驗原理圖。擬定詳細的實驗步驟:包括儀器的安裝、調(diào)整、實驗操作的先后次序，數(shù)據(jù)記錄的方法等。列數(shù)據(jù)表格:數(shù)據(jù)表格是實驗者在做實驗時將所測試的數(shù)據(jù)記錄在案的—項重要依據(jù)。列出所用器具詳細清單，包括儀器名稱、規(guī)格、使用條件等，以備組配實驗裝置時查對。同時記錄好環(huán)境條件如日期、天氣、氣溫、氣壓、溫度等。

6 數(shù)據(jù)處理及撰寫報告

數(shù)據(jù)處理及撰寫報告一般應包括5個部分:(1)引言:簡明扼要的說明實驗的目的要求、內(nèi)容及對實驗結果的評價。(2)實驗方法描述:介紹實驗基本原理，簡明扼要地進行公式推導，簡述基本方法、實驗裝置、測試條件等的選擇。(3)數(shù)據(jù)及處理:列出數(shù)據(jù)表格，進行計算及不確定度處理，給出最后結果。(4)實驗總結:評價實驗結果;分析實驗過程中觀察到的異常現(xiàn)象及其可能的解釋;分析誤差來源及消除措施;詳細介紹實驗中遇到的故障及解決的辦法;也可以對實驗方案及其改進意見進行討論;還可以談實驗的心得體會等等。(5)參考資料。

由于物理實驗的內(nèi)容十分廣泛，實驗的方法和手段非常豐富，同時還由于誤差的影響是錯綜復雜的，是各種因素相互影響的綜合結果，因此要很概括地分析或總結出一套實驗方案的選擇和系統(tǒng)誤差分析的普遍適用的方法是不現(xiàn)實的。筆者在這里根據(jù)多年的學習和教學經(jīng)驗，就如何做好設計性實驗談一些想法。