大学物理实验教学考核中原始数据重要性的探索

吴晶晶，高 辉

(江南大学 理学院，江苏 无锡 214122)

大学物理实验是绝大多数高等院校理工类专业必修的基础课程，通常在大学低年级开设。作为一门基础实验操作课程，大学物理实验课不仅能加强学生对经典物理理论的理解，还能培养学生的科学实验素养和创新创造能力，为学生以后开展科学研究奠定基础[1-2]。

大学物理实验课程一般包括三个部分：课前预习、课堂操作、和数据处理[3]。课前预习是指学生在上课前，需根据教材在实验报告中整理和归纳出本次实验的物理原理，并初步了解实验设备和设计过程；课堂操作则是学生在实验老师的指导下，根据预习的内容对实验设备进行动手操作，并得到测试数据；数据处理是将课前预习的物理原理和课堂操作得到的实验数据进行结合，以便对物理原理进行验证并加深理解。整个实验过程中，课堂操作是最为重要的一环，不仅可以将书本上的物理概念转变为科学的实验过程，而且可以培养学生规范安全操作实验和合理记录数据的习惯，同时也培养了学生实事求是的精神等。正是由于实验课程的特殊性和复杂性，课程的考核形式必须多元化，才能够做出全面的评价[4-6]。

1 对实验操作过程考核的困难性

虽然基础型物理实验的操作是非常重要的[7]，然而，当前的大学物理实验成绩的考核评价中，课程操作却是最容易被忽视的一环。这是因为：课前预习环节，可以根据学生的实验报告查看其实验原理是否是照搬课本、逻辑是否清晰、是否有关键性的公式和图表等；课后的数据处理环节，可以根据数据处理方式和步骤、有效数字、量纲等进行打分；但课程操作部分的评分需要教师对学生的操作过程进行检查[8]。然而，绝大多数实验课是30人左右的课堂，因为学生人数较多，老师很难同时观察到每个学生的操作细节，更无法及时获知学生是否存在操作不规范的情况。

因此，对实验操作部分进行有效评价，既是必要的又是困难的。本文根据本校大学物理实验的教学经验，提出必须要重视原始数据的重要性，通过分析学生的原始数据来对其实际操作进行评价。这种方法不仅可以客观且量化地评价学生的实操过程，又能将老师从观察学生的操作细节中解放出来，使其有更多精力指导每一名学生。

2 以拉伸法测金属丝杨氏模量实验为例分析原始数据的重要性

2.1 拉伸法测金属丝杨氏模量实验原理

本文以拉伸法测金属丝杨氏弹性模量实验为例[9]，来阐明从原始实验数据记录中考查学生实验操作水平的可行性。

图1 杨氏弹性模量原理图

图2 杨氏弹性模量测试仪[9]

杨氏弹性模量是描述金属形变的重要参量。在大学物理实验中，通常采用静态拉伸法和光杠杆原理来测量金属丝的杨氏弹性模量。其实验过程如图1所示：首先在金属丝前方放置的平面镜，在其下方放置的砝码。将平面镜的后足尖放置金属丝下方的下夹头上。从图2中光路图可以看出，测量时激光从光路图左侧的望远镜处射出，光线经过平面镜的反射后到达望远镜上方的标尺。当金属丝下方的砝码增加时，拉伸的金属丝会通过平面镜后足尖带动起上下翻转，从而改变光斑在标尺上的位置，通过测量各器件位置可计算出金属丝的杨氏弹性模量。

在本校实验室的杨氏模量实验中，杨氏弹性模量Y的计算公式如下：

(1)

其中，F为砝码的重量，为1 kg每个，L为金属丝的长度，D为平面镜到标尺的距离，L和D由毫米刻度尺测量，d为金属丝的直径，由螺旋测微计测量，N为加砝码前后标尺读数的变化量，为毫米刻度尺，K为平面镜后足到前足连线的垂直距离，由50分度游标卡尺测量。可以发现，该实验涉及的测量长度的工具较多，且测量精度不相同。因此从原始数据的记录中就可以判断该学生的实验操作水平。在下一节将以真实的实验数据为例来进行论证。

2.2 真实实验数据分析案例

通过分析学生测量的原始数据，可以评价学生整个实际操作过程。下面以某位学生的实验数据记录为例进行分析。实验数据记录如下：

第一步，依次将1 kg的砝码加到砝码托盘上，记录各次的标尺读数，共8次；然后依次取下砝码，记下相应标尺读数，共8次，记录如表1。：

表1 不同拉力下标尺读数

第二步，测钢丝直径d。依次在金属丝上、中、下三个不同位置用螺旋测微计测钢丝直径6次，记录如表2。

表2 钢丝直径/mm

第三步，用毫米刻度尺测量上、下夹头之间钢丝长度L以及光杠杆镜面到标尺距离D；用50分度游标卡尺测光杠杆后足到两前足连线的垂直距离K，记录如表3。

表3 单次测量数据

评价标准如下：

(1)原始数据的精度是否正确

不同测量仪器对应的原始数据的精度不同。依据原始数据的精度、单位和有效数字，可以判断学生在实验操作中能否正确使用测试设备。是否读取了零点读数来判断对螺旋测微器的正确操作；根据读数的精度来判断是否正确使用了米尺、游标卡尺和螺旋测微计等。例如，在表2中，未对螺旋测微计的零点读数进行记录、且未记录单位；在表3中，L和D的测量是使用毫米刻度尺，因此读数的精度不正确；表3中K的测量是使用50分度游标卡尺，读数精度不正确。表2和表3中的原始数据说明该学生对于螺旋测微计的使用、对游标卡尺和毫米刻度尺的精度都没有正确的认识，因此可以进行的扣分。

(2)原始数据的合理性

能否正确获得光杠杆标尺的变化量N可以判断学生是否正确操作光杠杆和望远镜；

判断学生原始数据是否在合理的范围内。不仅可以验证学生在实验操作中的正确性，同时也能判断学生对于所测参数的理解是否准确。例如，本实验中，金属丝的直径范围为0.4～0.8mm。若有学生测量的原始数据偏离较大，甚至差一个量级，则说明该学生在实际操作中不规范或对测量参数理解有误。表2中d的测量结果处在正常的范围内，因此不需扣分。

(3)原始数据的变化趋势的合理性

在实验中，某些参数的测量结果存在一定变化趋势。根据这些变化趋势也可判断学生在实验操作过程中是否存在不规范。例如本实验中，当金属丝下方的砝码逐渐增加时，从望远镜中读取的示数应该也是均匀增加的。如果学生原始数据的变化是不均匀的，甚至其变化趋势与理论相悖，则说明学生在实际操作过程中存在误操作。例如，表1中第1个标尺读数存在偏差，说明该学生在测第1个数据时，钢丝有可能并没有处于自由下垂的状态。可以进行的扣分。

3 结 语

本文结合大学物理实验教学经验，以拉伸法测金属丝杨氏模量为例，提出了通过分析学生原始数据来判断其在实验操作环节是否规范的判断方法。通过分析原始数据的精度、合理性和变化趋势的正确与否，可以得知学生在实际操作中某个具体步骤理解不到位或操作失误。该方法不仅解决了教师在实验操作环节无法兼顾每个学生的问题，更可以使教师和学生同时细化实验操作的各个步骤，进一步加深学生对实验原理和过程的理解。