曹京曉，唐苗苗，李秋澤，李新忠

（河南科技大學(xué)物理工程學(xué)院，河南 洛陽 471000）

0 引言

對(duì)理工科大中專院校來說，大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理課程是獨(dú)立設(shè)置的必修基礎(chǔ)課程。通過該課程的學(xué)習(xí)，大一、大二學(xué)生可以得到初步系統(tǒng)化的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練，夯實(shí)科學(xué)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的重要基礎(chǔ)。因此，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革和思政探討在課程建設(shè)和學(xué)科建設(shè)中愈發(fā)重要[1-5]。本文以大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理課程中固體密度測(cè)定實(shí)驗(yàn)為例，從實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、基本測(cè)量工具的介紹方面融入思政元素。進(jìn)行局部分層次教學(xué)方案設(shè)計(jì)的改革嘗試，以期實(shí)現(xiàn)學(xué)生個(gè)性化的學(xué)習(xí)目標(biāo)。學(xué)生選擇適合自身的數(shù)據(jù)分析方案，完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，提高解決實(shí)際問題的能力，體驗(yàn)創(chuàng)新性地戰(zhàn)勝困難的成就感和滿足感，增強(qiáng)專業(yè)學(xué)習(xí)的自信心。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡慕榻B

固體密度測(cè)定實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)主要考慮到密度是物質(zhì)的基本屬性之一，與物質(zhì)的純度有關(guān)，在工業(yè)上通過對(duì)物質(zhì)密度的測(cè)定做成分分析和純度鑒定[6]。該實(shí)驗(yàn)作為基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)之一，其目的不單是測(cè)量物體的密度。我們還希望學(xué)生學(xué)會(huì)規(guī)范使用基本測(cè)量工具，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。這是理工科學(xué)生應(yīng)具有的“科學(xué)精神”和“工匠精神”[1]之一。數(shù)據(jù)處理是本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，希望學(xué)生通過數(shù)據(jù)分析加深對(duì)不確定度的理解，學(xué)會(huì)科學(xué)分析數(shù)據(jù)的方法,激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的好奇心和創(chuàng)新性地解決問題的熱情[2-3]。

2 基本測(cè)量工具的介紹

2.1 關(guān)于物理天平

隨著技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)展了很多測(cè)量物體質(zhì)量的工具，例如桿秤、磅秤、案秤、臺(tái)秤公斤稱、托盤天平、物理天平等。建議學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)查閱資料了解物體質(zhì)量的測(cè)量工具的設(shè)計(jì)原理及使用方法，體會(huì)人類文明發(fā)展的獨(dú)特魅力。

大部分學(xué)生對(duì)物理天平的工作原理是比較熟悉的。通過對(duì)物理天平的最大稱量、感量和靈敏度等性能參數(shù)的介紹向?qū)W生說明物理天平的讀數(shù)規(guī)則。針對(duì)物理天平的使用，詳細(xì)介紹其非工作狀態(tài)和工作狀態(tài)及使用之前的調(diào)平操作方法。提醒學(xué)生在測(cè)試過程中物理天平要“常止動(dòng)”。即取放物體、加減砝碼、撥動(dòng)游碼、調(diào)節(jié)平衡螺母前及使用完畢后，必須轉(zhuǎn)動(dòng)制動(dòng)旋鈕，止動(dòng)天平，使橫梁靜放在制動(dòng)架上，避免刀口受沖擊而損壞，同時(shí)防止刀口離開刀口墊使橫梁掉下。只有在判斷物理天平是否平衡時(shí)才啟動(dòng)天平。完成全部稱量后將物理天平的秤盤摘離刀口。即將物理天平恢復(fù)到非工作狀態(tài)[7]。

同時(shí)向?qū)W生明確提出：有更精密、操作更簡(jiǎn)單的儀器測(cè)量物體的質(zhì)量，例如電子秤等。為什么還要學(xué)習(xí)規(guī)范使用物理天平呢？因?yàn)槲覀兿Ｍㄟ^物理天平的使用培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真謹(jǐn)慎的科學(xué)態(tài)度和規(guī)范操作的習(xí)慣。這是合格的理工科學(xué)生應(yīng)具備的優(yōu)秀品質(zhì)和素養(yǎng)。

2.2 關(guān)于游標(biāo)卡尺和螺旋測(cè)微器

游標(biāo)卡尺和螺旋測(cè)微器對(duì)學(xué)生來說是比較陌生的。通過向?qū)W生介紹游標(biāo)卡尺的由來，使學(xué)生了解一般認(rèn)為法國(guó)數(shù)學(xué)家維尼爾·皮爾在1631年發(fā)明的。但是1992年5月?lián)P州市邗江區(qū)甘泉鎮(zhèn)出土的東漢原始銅卡尺早于歐洲的游標(biāo)卡尺1600多年[6]。這一發(fā)現(xiàn)極大增強(qiáng)了中國(guó)人的民族自豪感，激勵(lì)學(xué)生勇攀科技高峰的信心。

針對(duì)游標(biāo)卡尺和螺旋測(cè)微器的設(shè)計(jì)原理和讀數(shù)規(guī)則，提醒學(xué)生游標(biāo)卡尺是利用主尺和游標(biāo)上每一分格之差，使測(cè)量精度得到進(jìn)一步提高。即對(duì)于10分游標(biāo)卡尺，分度值是0.1mm；對(duì)于50分游標(biāo)卡尺，分度值是0.02mm；對(duì)于100分游標(biāo)卡尺，分度值是0.01mm……相比于游標(biāo)卡尺，測(cè)微螺桿上的螺距為0.5mm，與測(cè)微螺桿連成一體的微分套筒圓周上均勻刻50分格，旋轉(zhuǎn)一分格對(duì)應(yīng)0.01mm[7]，即分度值為0.01mm。啟發(fā)學(xué)生思考：如何進(jìn)一步提高測(cè)量工具的精度？在主尺上加一個(gè)副尺便可提高測(cè)量精度，那么在第一級(jí)副尺上加第二級(jí)副尺且第二級(jí)副尺的最大量程對(duì)應(yīng)于第一級(jí)副尺的分度值，則測(cè)量精度可以進(jìn)一步提升。通過這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)，學(xué)生對(duì)測(cè)量工具的原理和使用方法有很清晰的認(rèn)識(shí)，體會(huì)到人類在研究未知上不斷探索的無畏精神。

尤其需要提醒學(xué)生注意：游標(biāo)卡尺和螺旋測(cè)微器在使用之前要進(jìn)行校準(zhǔn)，否則會(huì)造成實(shí)驗(yàn)中本可以避免的誤差。儀器校準(zhǔn)的操作使學(xué)生領(lǐng)悟嚴(yán)格要求、精益求精的工匠精神。

3 分層次處理數(shù)據(jù)的方案設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理是本實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的重點(diǎn)和難點(diǎn)。關(guān)于不確定度的理解，建議學(xué)生類比誤差的概念，區(qū)分直接測(cè)量量（質(zhì)量、與體積有關(guān)的線度）的不確定度與間接測(cè)量量（密度）的不確定度之間的聯(lián)系和區(qū)別。根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)，提供以下四種方案：

（1）通過C語言或Python語言環(huán)境編程處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。此方案對(duì)計(jì)算機(jī)編程能力要求很高，激發(fā)學(xué)生挑戰(zhàn)困難的勇氣和創(chuàng)新熱情，提高創(chuàng)新性地解決實(shí)際問題的能力。

（2）通過Matlab或Mathematic等數(shù)學(xué)軟件編寫命令完成數(shù)據(jù)處理。此方案對(duì)編程能力要求略微低一些，但仍需要學(xué)生有較高的學(xué)習(xí)熱情和好奇心。學(xué)生要有較強(qiáng)烈的意愿用全新的方法解決實(shí)際問題。

（3）通過Excel軟件處理相關(guān)數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析。此方案使學(xué)生能夠利用常用的辦公軟件處理數(shù)據(jù)，對(duì)其自學(xué)能力和使用軟件解決實(shí)際問題的能力要求較高。

（4）按傳統(tǒng)的方法處理數(shù)據(jù)。此方案所需時(shí)間較長(zhǎng)，要求學(xué)生在處理數(shù)據(jù)的過程中認(rèn)真、細(xì)心，培養(yǎng)堅(jiān)韌、不向困難屈服的品質(zhì)。

4 關(guān)鍵程序源代碼舉例

4.1 C語言代碼舉例

4.2 Python語言代碼舉例

5 總結(jié)

從學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告來看，學(xué)生認(rèn)可分層次數(shù)據(jù)處理教學(xué)方案的設(shè)計(jì)。學(xué)生根據(jù)自身的實(shí)際情況選擇適合自己的方式解決遇到的實(shí)際問題，學(xué)習(xí)積極性和熱情高漲。通過創(chuàng)新性地處理數(shù)據(jù)，他們獲得很強(qiáng)的成就感和專業(yè)自信感。大部分學(xué)生通過本次實(shí)驗(yàn)學(xué)到了認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實(shí)驗(yàn)態(tài)度，創(chuàng)新性地解決實(shí)際問題的能力得到一定的提高。