竞赛与教学相融合的开放式物理实验教学探索-钟菊花

竞赛与教学相融合的开放式物理实验教学探索钟菊花，顾英俊，章登宏，房毅，朱云霞华东理工大学2017.8.24桂林2017年全国高等学校物理基础课程教育学术研讨会汇报内容引言开放式实验教学，激发思维CUPT竞赛，探索未知竞赛与教学的融合，培养能力更新教学观念，改进教学方法，提高教学效果。以学生为中心，为学生创建学习情境，充分发挥学生作为学习过程主体的主动性、积极性与创造性。激发学生的好奇心，培养具有科技创新素质的人才。一、引言如何引导学生创新？教师如何进行教育创新？理论与实践结合能力较弱，不能用所掌握的理论指导完成实验；对仪器设备的工作原理不清楚；只会硬性按照操作步骤执行，不明白每步含义，习惯于墨守成规，对创新能力培养不利。受课堂时间和实验地点的制约，课前预习无法接触实验仪器；实验教学模式相对封闭，学生获得的往往只是对课本知识的加深及基本技能的锻炼；学生将养成循规蹈矩的思维模式，缺乏想象力和创造力。大学物理实验教学中存在的问题二、开放式实验教学，激发思维开展以学生兴趣为导向、学术竞赛为载体开放式物理实验教学模式大学物理实验CUPT竞赛有机融合每年17个贴近实际生活的开放性物理问题涵盖大学物理基础知识，实验研究内容丰富，没有标准答案，可自由发挥，极富挑战性与创造性！这里有汗水，这里有收获。铜板铝板玻璃板大理石板冷冻水滴Freezingdroplets气泡晶体bubblecrystal油星星oilstar题目：当一根线(如尼龙)的自由端系上一个小重物，并绕另一端旋转的时候，会发出明显的响声。请研究这个声音的来源以及相关参数。案例1－－课题分析距离维持一定案例1--实验装置搭建装置以44.1kHz的采样率采样声音，得声波图案例1--数据采集1、题目中描述的声音2、少量噪音3、气流导致的麦克风内部空气柱振动引起的声音气流声强时间采集数据滤波处理后得到脉冲案例1--数据采集真实频率时间声强数据获取案例1--声音来源（可能原因）绳子的弦振动对于线密度、长度一定的绳子，转速一定，弦振动频率f弦在各点为定值卡门涡旋声当气流遇到障碍物，在障碍物后产生卡门涡旋时辐射的声音卡门涡旋(涡街)现象与Re密切相关理论探究案例1--声音来源（实验判别）ωABCDEωABCDE粗绳子细绳子+小重物麦克风位置的放置实验探究案例1--声音来源粗绳随着Re的增加，声音的大小递增。对应与不同的位置，声音频率是不同的细绳绳子处几乎测不到声音，声音主要出现在小重物处。旋转面侧面声音很轻声音的来源不是绳子的弦振动初步认为发声原因是卡门涡旋声分析实验结果气流案例1--声音来源（理论分析）理论分析Re=10Re=50Re=100Re1000没有出现涡街涡街较稳定，没有出现明显脱落Re200时，涡街就会周期性脱落涡街较稳定，没有出现明显脱落案例1--声音来源（理论分析）理论模拟案例1--影响因素卡门涡旋声的理论对现象解释得很好，分析影响因素也从这个角度进行思考频率与线速度呈正比，与障碍物直径呈反比，与小重物质量无关另外，在细绳甩动小重物的模型下，正对着小重物测量声音最为明显，分析影响因素的实验中，位置都选在正对小重物的地方分析影响因素案例1—实验研究与分析实验研究与分析声音来源：卡门涡旋声案例1--结论dLf21.0影响因素：声强：Re↑,涡街脱落明显，声压↑，声强↑声音频率：速度小于14m/s时，基本满足下式：结论此题包含振动与波的知识，还与流体力学相关。要求学生：查阅相关资料与文献通过实验设计和理论分析确定声音产生的原因得到声音的频率与相关参量的表达式通过滤波等技术从实验采集的声音信号中获取其频率数据验证声音频率与小重物直径、转动角速度、雷诺数等的关系案例1—研究思路三、CUPT竞赛，探索未知CUPT赛题源于日常生活及生产与工程技术。学生充分认识到物理学不是抽象的理论体系，而是活生生的、非常有用和有趣的。CUPT赛题只给出了现象性描述，学生必须从现象入手发现和提出科学性、理论性问题。进行理论分析时需要运用抽象、简化等科学方法将真实的物理问题转化为物理和数学模型。端咖啡的学问让叶片唱起歌无损检测鸡蛋熟度题目：让液体流向一个表面，当接触点被激光照明的时候，可观测到环绕液柱的光环。请研究这些光环，并确定它们如何受到整个系统相关参量的影响。案例2－－课题分析“驻波”是如何产生的？光环又是如何形成的？与哪些因素有关？如何才能观察到稳定图像？查阅文献资料，综合运用伯努利方程、表面毛细波模型、光的漫反射、全反射和折射原理等相关知识，将问题简化处理，通过实验研究，进行理论分析，得出结论。案例2—研究思路案例2—理论分析“驻波”的形成案例2—理论分析光环的产生使用高位槽以控制流速恒定原理：根据流体静力学平衡定律，在液面降至通大气的管口A之前，管口B处的流速将保持恒定。实验装置示意图AB案例2—构建实验装置案例2—实验研究与分析案例2—结论1.水波产生条件：水柱向下的流速与向上反射的波（扰动）流速相同，产生驻波2.液体高度对毛细波的影响：毛细波kr与水柱高度H成正比关系；高度越大接触面波长越短，波数越大3.液体的流量对毛细波kr的影响：a.层流状态下：流量越大，毛细波kr越大b.湍流状态下：不能产生“驻波”4.深水面波长较长，波数较小；浅水面波长较短，波数较大；加入表面活性剂，笔直液柱段高度随液柱高度增加而减小5.光环产生：波节附近折射；不同高度波节处出射角不同四、竞赛与教学的融合，培养能力CUPT课题作为一、二年级学生“自主设计研究型实验”选题引入物理实验教学。课题内容大大拓展保持了教学内容趣味性先进性创造性有效性提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决问题也许仅仅是数学上或实验上的一个技能而已，而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看就的问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步——爱因斯坦、英菲尔德《物理学的进化》谢谢！