●张志芹

(武警学院基础部，河北廊坊 065000)

针对基础课实验教学内容和教学方法，加强对设计性实验的研究和开发，对提高实验教学质量，培养学生实验能力和创新能力有很大的作用。设计性实验是以基本知识、基本方法、基本技能的灵活运用和提高学生学习主动性，激发创新精神为目的的—种教学实验。这类实验课程具有以前实验的延续性、综合性、典型性、探索性和部分设计性任务。设计性实验的教学目的是提高学生实验素质和科学研究能力，进行创造性能力的培养。设计性实验的特点是教师提出实验课题和研究项目，实验室提供条件。学生自行推证有关理论，自行确定实验方法，自行选择和组合配套仪器设备，自行拟订实验程序和注意事项等。做出具有一定精度的定量的测试结果。设计性实验的要求是在完成设计性实验的整个过程中，充分反映自己的实际水平与能力，力求有创新。设计性实验的核心是设计、选择实验方案，并在实验中检验方案的正确性与合理性，设计时一般包括:根据研究的要求、实验精度的要求以及现有的主要仪器，确定应用原理，选择实验方法与测量方法，选择测量条件与配套仪器以及测量数据的合理处理等。在进行设计实验时，应考虑各种误差出现的可能性，分析其产生的原因，以及从众多的测量数据中检验系统误差的存在，估计其大小并消除或减小系统误差的影响。设计性实验的一般程序是:确定实验方法→选择测量方法→选择实验仪器→确定测量条件与最佳参数→拟定实施方案→实验操作→处理数据→撰写实验报告。

1 最优化原则确定实验方法

根据所研究的题目，查阅有关资料收集各种可能的实验方法，一般的，同一个研究题目有多种实验方法，例如重力加速度的测量方法有单摆法、复摆法、自由落体法和气垫导轨法。各种方法均有优缺点，这要根据研究的要求和实验精度要求进行综合分析与比对。根据一定的实验原理，确定被测量与可测量之间的关系，推证出有关测量公式，通过分析与对比，比较各种方法可能引起的系统误差以及将采用的消除方法，同时考虑测量的精确度，选择出一种实验上可行、实验条件允许、能够保证测量精度的最佳方案。

2 误差最小原则选择测量方法

实验方法选定后，为使各测量量的结果不确定度最小，需要进行不确定度来源及不确定度传递的分析，并依据提供的仪器，确定合适的测量方法。例如用单摆法测量重力加速度(如图1所示)，在测量摆长时，有三种方法，即:，其中和用毫米刻度的米尺进行单次测量，D用0.1mm的游标卡尺进行多次测量，测量结果的B类不确定度为由不确定度计算可得三种方法的不确定度分别为:(1)为0.042cm;(2)和(3)一样0.061cm。可见，采用方法(1)的不确定度最小，因此应用(1)测量和计算摆长。

图1

3 误差均分原则选择测量仪器

在选择测量仪器时，应考虑仪器的分辨率、精确度、实用性、经济性。由有效数字运算法则可知，所选测量仪器的测量精度(有效数字位数)应大致相同。比如，测量摆长时，用米尺就能达到测量精度要求，就不要用游标卡尺;测量时间用秒表能够满足精度，就不要使用数字毫秒表。

为了合理使用仪器，达到相应的测量精度，在选择仪器时应根据实际情况，兼顾仪器的等级和量程，使仪器的量程略大于测量值即可。例如，待测电流为60mA，现有0.5级量程为300mA和1.0级量程为75mA的两块电流表，用0.5级的表测量时，其仪器示值误差限为:，误差限值的相对值为;用1.0 级的表测量时，其仪器示值误差限为。比较其结果可见，由于待测量的量值与仪器的量程不匹配，用0.5级的表测得的结果反而不如1.0级的表好。

4 最有利原则确定测量条件与参数

确定测量的最有利原则，就是确定在什么条件下进行测量引起的误差最小，根据高等数学知道，这个条件可以由各自变量对误差函数求导等于0得到。如用单摆测重力加速度时，选用的实验装置必须满足:球要小，使小球可看成质点;线要轻，可忽略摆线质量;摆角要小，以满足公式的要求。

5 最详细原则拟定实施方案

按所选的物理模型及实验方法，画出实验原理图。拟定详细的实验步骤:包括仪器的安装、调整、实验操作的先后次序，数据记录的方法等。列数据表格:数据表格是实验者在做实验时将所测试的数据记录在案的—项重要依据。列出所用器具详细清单，包括仪器名称、规格、使用条件等，以备组配实验装置时查对。同时记录好环境条件如日期、天气、气温、气压、温度等。

6 数据处理及撰写报告

数据处理及撰写报告一般应包括5个部分:(1)引言:简明扼要的说明实验的目的要求、内容及对实验结果的评价。(2)实验方法描述:介绍实验基本原理，简明扼要地进行公式推导，简述基本方法、实验装置、测试条件等的选择。(3)数据及处理:列出数据表格，进行计算及不确定度处理，给出最后结果。(4)实验总结:评价实验结果;分析实验过程中观察到的异常现象及其可能的解释;分析误差来源及消除措施;详细介绍实验中遇到的故障及解决的办法;也可以对实验方案及其改进意见进行讨论;还可以谈实验的心得体会等等。(5)参考资料。

由于物理实验的内容十分广泛，实验的方法和手段非常丰富，同时还由于误差的影响是错综复杂的，是各种因素相互影响的综合结果，因此要很概括地分析或总结出一套实验方案的选择和系统误差分析的普遍适用的方法是不现实的。笔者在这里根据多年的学习和教学经验，就如何做好设计性实验谈一些想法。