大学物理实验中的创新设计方法及应用研究

张俊玲

(中国人民武装警察部队学院,河北廊坊 065000)

大学物理实验中的创新设计方法及应用研究

张俊玲

(中国人民武装警察部队学院,河北廊坊 065000)

大学物理实验运用原理应用设计法、联想类比设计法、改进设计法、变异设计法、组合设计法等创新设计方法。掌握这些方法可以提升大学生的创新设计能力,为后续课程的学习和将来的工作打下良好基础。

大学物理实验;创新设计;创新能力

大学物理实验是对大学生进行科学教育,强化工程意识和创新意识,进行工程基本训练,提高工程实践能力和创新能力的重要阶段。通过大学物理实验,可以培养学生树立正确的设计思想,掌握现代设计方法,提升运用所学基本知识和基本理论分析、解决实际问题的能力,提高创造能力,增强创新设计水平。总之,大学物理实验是对工程类学生综合运用能力的全面、系统的训练。

1 创新设计主要方法

目前,对创新较为一致的看法是:创新是新设想(新概念)发展到实际和成功应用的阶段[1]。

通过分析大学物理实验的教学目标、教学大纲资料可知,现开设的大学物理实验项目的设计主要从原理创新,方法创新、仪器创新等方面入手,其设计方法可以归纳为:原理应用设计法、联想类比设计法、改进设计法、变异设计法、组合设计法等。

1.1 原理应用设计法

原理应用设计法的主要内容是在理解所做实验项目的实验原理的基础上,分析其原理使用的条件、实验的设计思想等特点,提出新颖的、与实践相结合的设计方案。此法可以用于拓展实验和科技小制作。

要成功地进行原理应用创新设计,必须具备三种能力:一是“综合应用能力”,即善于综合应用实验原理中涉及的理论知识和实验的设计思想,通过巧妙整合,形成新的成果;二是“思维统摄能力”,即在分析原理使用条件的基础上,与相关实验理论相结合,形成新的概念;三是“辨证分析能力”,它是一种综合性思维能力,即把大量的实验现象、实验方法和实验数据进行综合、分析,加以概括整理,形成科学的思想和方法。

1.2 联想类比设计法

联想类比设计法是由一个实验的实验原理、实验方法、实验仪器等,联想到另一个实验的实验原理、实验方法、实验仪器,或者由一个实验项目联想到另外一个类似的实验项目,由此可以产生新的设想。拓展实验大多采用这种方法。

联想类比设计法具有以下特点:(1)推理性。就是“由此及彼”的思维能力,它通常表现为三种形式:一是“纵向推理”,即发现一种现象后,立即纵深一步,探究其产生的原因;二是“逆向推理”,即看一到种现象后,立即想到它的反面;三是“横向推理”,即发现一种现象,便联想到特点与之相似、相关的事物。例如,用电位差计测电动势实验,根据电流一定时,电压与电阻成正比,可以联想到用电位差计测电阻。(2)相似性。即发现几种实验方法、实验思想、实验原理服从的规律具有相似性,便想到它们之间的联系,设计出新的实验方案。

1.3 改进设计法

为消除原有方案的缺点或者为满足新的工作要求,在原有设计方案基础上,从仪器设备的结构、原理、性能等方面进行一定改进,设计新设备以适应实验的需求,提高实验的效果。改进设计相对难度较小,只是在原有设计方案的基础上进行改进创新,稍微进行改进、提高,同时避免和原设计雷同即可。改进设计相对比较容易产生出新方案。

改进设计法主要分为两类:一是仪器设备的改进,二是实验方法的改进,包括实验条件和实验环境。

1.4 组合设计法

组合设计法就是将现有技术、原理、方法、仪器等按一定的科学规律和实验方法有效的组合在一起,使之产生新的实验效果。组合设计法是实验中创新设计的重要方法之一。在实验中,对一个或多个原有设计方案进行分析,总结出各个设计的新颖性和设计思路,然后对这些设计特点进行组合,充分利用各仪器的工作原理和性能,得到互补的新型方案。如果有多个新的设计方案,需要对这些方案进行评价和筛选,最终确定最佳设计方案。

进行组合时,一般从以下几个方面入手:(1)把不同的实验方法组合在一起而产生新的实验方案。如比较法和补偿法组合在一起,可以组成电位差计测量电动势。(2)把几种不同的实验原理的仪器组合在一起研制新的仪器。如游标卡尺和螺旋测微计的原理组合,可以制成精度更高的测量仪器。(3)现有技术与高新科技的组合,产生新的实验方案或提高实验的效果。如现有技术与传感技术、计算机技术组合,提高测量的精度或实验现象的直观性。

1.5 变异设计法

针对现有仪器设备的设计,进行深入分析研究,探索掌握其关键技术,在消化、吸收的基础上,对其作用原理、机构等进行变异,开发出新型实验方案和仪器设备。如在基本型仪器的基础上,开发出不同作用原理或不同仪器的变型系列产品就是变异设计的结果。学生科技小制作大多采用此法。

进行变异设计时,要采取多元思考的方法,将直线式思维方式,改换成“视觉思维”、“空间思维”,即不是从实验的原理和方法入手,而是从实验要达到的结果入手。

2 应用实例

通过大学物理实验教学,利用创新设计方法,实验任课教师和学生以取得了一定的成绩,现举例说明。

2.1 科技小制作

利用原理应用设计法、联想类比设计法、变异设计法、组合设计法等创新设计方法,将多种仪器的工作原理进行组合、变异,通过联想类比设计出新的仪器。

(1)机械高精度长度测量仪的开发

《长度的测量》大学物理实验教学中最基础的实验项目,该实验中用到游标卡尺、螺旋测微计。游标卡尺是利用增加一个游标(带有均匀分度的刻度尺)来提高仪器的测量精度,见图1。螺旋测微计是利用套筒(套筒分为若干等分)每旋转一周,测微螺杆移动一个螺距的原理来提高仪器的测量精度,见图2。

图1 游标卡尺示意图

图2 螺旋测微计示意图

图3 机械高精度长度测量仪

“机械高精度长度测量仪的开发”科技小制作研究小组(武警学院2004级本科生),利用原理应用设计法和组合设计法,将游标卡尺和游标卡尺的原理进行整合、重组设计出新产品。在螺旋测微计的套筒上增加一个游标,提高测量精度,研制出更精密的测量仪器。见图3。

(2)灭火报警器的研制

《热敏电阻特性研究》实验中,负温度系数热敏电阻NTC(NegativeTemperaturecoefficient Thermistor)是被研究的热敏电阻之一,它的特征曲线是随着温度的升高而电阻值减小。利用这一特性,与学生所学专业联系起来,做过该实验项目的学生以科技小制作的形式研制出“灭火报警器”(武警学院2006级本科生),其原理是:当发生火灾时,现场温度较高,NTC的阻值减小,流过它的电流增大,与它串联的报警器开始工作发出响声来报警,同时开启消防装置开始工作,喷射洒水来灭火。这里用到组合设计法和变异设计法这两种创新设计方法。

(3)简易称重仪的制作

图4 压力与电压之间的关系图

图5 简易称重仪的示意图

通过《传感器特性研究》实验可以得出结论:在压力传感器上所加重量与输出电压成正比关系,见图4。根据这一特性,利用变异设计法,将电压表改装成简易称重仪,见图5。根据压力传感器的灵敏度,将图5中电压表的电压刻度改刻为重量值[2]。

2.2 拓展实验

利用联想类比设计法、变异设计法、组合设计法构想出新的实验项目、新的实验方法等。

(1)《用模拟法测绘静电场》的拓展实验《测绘机翼附近气流的流线和等流势线》

该实验用相似的电流场来模拟静电场,从而根据电流场得到对应的静电场的具体分布[3]。

(2)空气比热容比的测定

声音在空气中的传播速度与空气比热容比有关,学生(中国矿业大学物理系2001级本科生)提出通过测量空气中的声速,得到测定空气比热容比的另一实验方案。

从声速测量实验中可以知道,空气比热容比的大小直接影响到声速的大小,声速与空气比热容比的关系式为v=,该式中γ是空气比热容比,由此可以推想用测声速的方法测定空气比热容比[4];另外,根据传感器相应资料,可以设计一台声速温度计[3]。

2.3 改进实验

利用改进设计法和组合设计法对大学物理实验教学中传统的实验仪器、实验方法进行了改进,以提高教学质量。

(1)十一线电位差计测电动势实验的改进

惯用的实验方法导致在处理实验数据时,出现不合理性,而且对实验仪器的精密度要高,因此根据惯用的实验方法存在的不足,提出对惯用实验方法的改进措施[5]。

(2)超声波声速测量实验的改进

超声波声速测量实验,由于目前通常所用的实验装置比较简单,实验现象不能充分展示实验原理,为了解决这一难题,引进计算机技术,将目前的实验设备进行改进与计算机连接起来,设计出一套智能声速测量实验装置。

(3)落球法液体粘滞系数测定仪的改进

传统的仪器有诸多弊端,提出改进意见,保证了金属球沿容器中心下落,计时准确性也明显提高,从而使测量误差大大降低[6]。

3 结 论

在大学物理实验中,设计工作就是为了解决与实验有关的科技小制作、新实验方案设计、实验方法、实验仪器改进等环节中的技术难点,进行创新的重要实践。同学们可以开阔思路,大胆运用创新设计方法,有意识地去解决设计中所遇到的问题,创造出新的产品或设计出新的方案等。通过设计过程的各个环节的训练,能够掌握创新设计方法,提升学生的创新设计能力,为后续课程的学习和将来的工作打下良好的基础。

[1]刘晓宏.创新设计方法及应用[M].北京:化学工业出版社,2006.

[2]张俊玲.简易称重仪的制作[J].物理通报,2002(8):42-45.

[3]李学慧.大学物理实验[M].北京:高等教育出版社,2005:229-287.

[4]张武儒,崔亦飞.一种测量空气比热容比的实验方法[J].大学物理,2005(7):60-62.

[5]张俊玲.11线电位差计测电动势实验的改进[J].物理通报,2000(2):35-36.

[6]代伟,杨晓晖.落球法液体粘滞系数测定仪的改进[J].大学物理实验,2006(4):36-38.

Study of the Creative Design Method and Some AppliedCases in College Physics Experiment

ZHANG Jun-ling

(Armed Police Force Academy,Hebei,Lang fang,065000)

Incollege physics experiment , universityst udents canuse the creative design techniquemet hods such as the Principle of application creation ,the analog and legend creation ,the improve creation ,the variatio ncreation ,the portfolio creation ,etc. Masteringt hesemet hods can promotet heir creativedesign ability ,and make a good foundation fort heir after time works.

college physicsexperiment;innovation design;creative ability

G642.423

A

1007-2934(2011)04-0093-04

2010-12-13