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摘要：系统阐述了大学物理设计性实验的特点、开发过程、种类，并介绍了北京建筑工程学院开设大学物理实验设计性实验的实际情况、教学实例。
关键词：设计性实验；实验教学；开发
作者简介：曹辉耕（1960-），男，北京人，北京建筑工程学院理学院，讲师。（北京 100044）
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）16-0137-02
北京建筑工程学院（以下简称“我校”）大学物理实验是面向全校学生开设的唯一独立设课的公共必修实验课程，共有19个基本实验项目，多数是以观测性的实验为主，其实验的原理、方法、数据处理等都具有经典性的特点，这是给学生传授基础实验知识和实验技能非常重要的环节。但是，这些实验内容采用固定的教学方法和教学时间，对培养学生的独立思考和综合设计能力是不利的。针对我校大学物理实验教学的现状，对学生进行具有科学实验全过程训练性质的设计性实验教学是十分必要的。所以，设计性实验的开发对培养学生的独立思考和综合设计能力有着重要意义。教育部在大学本科教学评估指标中，对设计性实验提出了明确的要求，因此，在教学中研究和运用设计性实验是必不可少的，本文结合我校大学物理实验教学实践及笔者对设计性实验的研究，阐述了大学物理实验设计性实验开发的有关问题。
一、设计性实验的特点
大学物理实验设计性实验区别于普通的大学物理实验，它具有自己的特点。它是在学生具备一定的物理实验基础知识及相关能力之后进行的一种较高层次的教学实践活动；是指学生在教师的指导下，根据给定的实验设计要求，自己查阅资料、设计实验方案、选择实验仪器，独立完成实验并对结果进行分析处理的实验。
二、大学物理实验设计性实验的开发过程
一个大学物理实验设计性实验的开发有一个完整的过程。（1）选题。设计性实验课题太难或太易都不能充分调动学生的学习积极性，也就达不到培养学生的独立思考和综合设计能力的目的，因此，选题是否合适必然影响教学的实际效果，应从以下几个方面考虑。第一，选题不能只考虑课题的前沿性，否则，学生会由于课题太难而丧失积极性；当然，选题太容易学生也会失去兴趣。因此，根据学生已有的知识和实验技能，应当选择学生经过努力可以达到的实验课题。第二，要考虑实验室具备的仪器条件，尽量选择那些实验室能够提供相关仪器（仅需购置少量配件）的实验，使学生能够自己实际操作以检验和修正自己的设计方案，这一过程对培养和提高学生的综合设计能力是尤为重要的。第三，还要考虑相关资料学生能否从某个途径顺利获取。所以，教师应根据实际情况选择合适的设计性实验课题。（2）搜索资料并分析。教师根据实验课题查阅有关资料，收集各种相关实验内容，然后通过分析、比较、综合，选择制订出一个实验上可行、实验条件允许的初步实验设想。（3）拟定实验方案。为达到实验要求而制定的理论根据、实验方法和实施步骤。对实验方案进行论证，有两个方面：一是理论论证，要论证实验方案是否具有科学性、合理性和可行性，二是初步实验检验论证，从初步实验中发现没有考虑到的漏洞并及时修正，以观察实验现象为主，适当测量重点数据，判断实验能正常进行即可。（4）确定实验要求和教学方案。设计性实验的实验方案确定后，可以采取多种不同的教学形式，通常由实验室准备好实验仪器，学生根据实验方案动手进行实验操作并获取实验数据、完成实验数据处理；对实验室不具备实验条件的课题，可以采取学生分别设计实验原理和方案然后进行讨论的方式。要根据实际情况制定出设计性实验的实验要求（学生用）和教学方案（教师用）。
三、设计性实验的种类
根据设计性实验的教学目的和要求，主要从以下几方面进行开发。（1）以测量某个物理量为目的而开发的设计性实验。例如：透明薄膜折射率的测量、用补偿法测量电流，针对具体要测量的物理量选择和设计实验方案。这一类设计性实验是培养学生发散性思维能力的一种思路。（2）以验证物理规律为目的而开发的设计性实验。例如：分压与限流电路特性研究，学生要考虑分压与限流电路各自适用的条件，这一类设计性实验对于培养学生科学实验能力是非常重要的内容。（3）以制作实验装置为目的而开发的设计性实验，这一类设计性实验既能培养学生的设计创新能力，又能培养学生的动手制作能力；设计制作的内容要适合学生的实际情况和实验室的条件，不能脱离实际。例如：搭建太阳能电池性能测试装置，实验教学效果很好，该实验在设计性实验实例中会详细介绍。
四、我校开设大学物理实验设计性实验的情况
多年来，我校物理实验室只能开出六个设计性实验，内容覆盖面很窄，远不能满足教学需要，由笔者负责的教研项目“大学物理实验设计性实验的开发”已经完成，该项目根据实验室现有设备适当补充部分配件，开发出八个新的设计性实验项目。实验一，分压与限流电路特性研究；实验二，用补偿法测量电流；实验三，用劈尖法测量薄膜的厚度；实验四，测定未知光波长及角色散率；实验五，透明薄膜折射率的测量；实验六，搭建太阳能电池性能测试装置；实验七，掠入射法测三棱镜玻璃及液体折射率；实验八，白光再现全息图。使内容覆盖面更全面，促进学生的全面复习，锻炼学生的意志，强化对学生的实验技能及实验设计思想的培养，是一次再学习、再深化的过程。设计性实验作为期终考试，在考试前，实验室统一制定每个设计性实验项目的目的和要求，采用抽签方法，学生们抽到哪道题，就设计哪个实验，让学生们查阅有关资料，互相讨论，初步构思设计性实验方案，并到实验室试做、熟悉仪器及元器件使用，最后完成设计性实验的实验方案、操作、测量、数据处理等全过程。设计性实验教学是一个长期的、不断改进、不断提高完善的过程，相信在大学物理实验教学中，设计性实验教学过程会越来越科学、合理，在人才培养中会发挥越来越显著的作用。
五、设计性实验实例
由笔者指导的三名学生在2010年北京市大学生物理实验竞赛中获得三等奖，参赛题目：太阳能电池性能测试。在此基础上，笔者开发了设计性实验：太阳能电池性能测试。该实验作为一个综合设计性实验，联系科技开发实际，有一定的新颖性和实用价值，能激发学生的学习兴趣；设计制作太阳能电池性能测试装置，使学生对直流电路的综合设计能力和测量方法的灵活运用都得到很好的锻炼和提高。
设计要求（学生用）：实验六太阳能电池性能测试
实验目的。（1）学习太阳能电池基本原理。（2）掌握太阳能电池基本特性、测试方法及应用。
设计要求。（1）搭建太阳能电池性能测试装置。（2）测量太阳能电池基本性能参数。
教学方案（教师用）：实验六太阳能电池性能测试。
简介：
1.搭建太阳能电池性能测试装置，并测量太阳能电池基本性能
测试装置设计电路如图1，用替代开关完成检流计和电流表及滑线变阻器和电阻箱的变换，实现测量太阳能电池基本性能：常数I0，；参数：短路电流ISC，开路电压UOC，最大输出功率Pmax，填充因子FF。补偿法测开路电压简单准确。程序处理数据使测量结果快捷准确。
2.以太阳能电池为基本部件，搭建小型实用装置太阳能电扇（教师演示作品）
用太阳能板带动小电扇转动。因为电扇转动时电流需求大，所以当电扇起动时用5号电池带动，然后换到电池板（光照）带动，则可以实现太阳能电池的应用。太阳能电扇组装巧妙，废旧部件利用经济实用，效果很好。
3.设计原理
太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收的光子的能量转化为电能。在没有光照时，可将太阳能电池视为一个二极管，其正向偏压U与通过的电流I的关系为：
其中常数I0是二极管的反向饱和电流，n是理想二极管参数，理论值为1。K是玻尔兹曼常量，q为电子的电荷量，T为热力学温度。常数。
太阳能电池的基本技术参数除短路电流ISC和开路电压UOC外，还有最大输出功率Pmax和填充因子FF。最大输出功率Pmax也就是IU的最大值。填充因子FF定义为：
FF是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数。FF值越大，说明太阳能电池对光的利用率越高。
4.实验仪器与装置
电源、白炽灯、太阳能电池、遮光罩、万能电压表、万能电流表、电阻箱、滑线变阻器、捡流计、单刀（替代）开关若干。线路如图2。
5.测试方法
（1）在没有光源（把太阳能电池板遮住）的条件下，测量太阳能电池正向偏压时的1-U特性（直流偏压从0-6.0V）。1）把滑动变阻器调到最下端，合上a和b，合上e和f，合上A和B，则电路联通。调节滑动变阻器分压使电流表电流为5~50μA变化，分别测定电压的对应值。2）利用测得的正向偏压时1-U关系数据，画出1-U曲线并求出常数和I0的值。
（2）用白炽灯光照射太阳能板，测量太阳能电池的一些特性。光源到太阳能电池距离保持为20cm。1）本实验运用补偿法进行开路电压的测量。合上a和b，e和d，合上 B，合上A，测量开路电压。调节滑动变阻器分压，点接通检流计，使之指针指零，滑动变阻器分压与电池开路电压补偿，则可准确的测定开路电压，即为此时电压表的值。2）测量短路电流。合上b和c，e和f，合上B，断开A。把电阻箱调到0，此时电流表读书为短路电流。3）调节电阻箱，使电流和电压发生变化，做出I-U图像，并求出最大输出功率Pmax。4）通过公式，计算填充因子。
6.太阳能电扇
旧仪器部件组装：太阳能电池板，拆除所得废旧电脑小风扇（含电机），手工底座，导电管，连接插头（见图3，4）。
参考文献：
[1]教育部.关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见教高[Z].2005.
[2]毛杰健,王仁炎.物理实验教学的探讨[J].上饶师范学院学报,2005,25(3):42-44.
[3]郑鹤松.大学物理设计性实验的教改实践与思考[J].实验技术与管理,2004,21(5):101-107.
[4]周殿清.普通物理实验中综合性、设计性实验的开设[J].物理实验,2005,25(1):31-33.
[5]张锐波.大学物理实验项目的系统设计[J].大学物理实验,2003,16(2):84-86
（责任编辑：苏宇嵬）
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词：设计性实验；实验教学；开发
作者简介：曹辉耕（1960-），男，北京人，北京建筑工程学院理学院，讲师。（北京 100044）
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）16-0137-02
北京建筑工程学院（以下简称“我校”）大学物理实验是面向全校学生开设的唯一独立设课的公共必修实验课程，共有19个基本实验项目，多数是以观测性的实验为主，其实验的原理、方法、数据处理等都具有经典性的特点，这是给学生传授基础实验知识和实验技能非常重要的环节。但是，这些实验内容采用固定的教学方法和教学时间，对培养学生的独立思考和综合设计能力是不利的。针对我校大学物理实验教学的现状，对学生进行具有科学实验全过程训练性质的设计性实验教学是十分必要的。所以，设计性实验的开发对培养学生的独立思考和综合设计能力有着重要意义。教育部在大学本科教学评估指标中，对设计性实验提出了明确的要求，因此，在教学中研究和运用设计性实验是必不可少的，本文结合我校大学物理实验教学实践及笔者对设计性实验的研究，阐述了大学物理实验设计性实验开发的有关问题。
一、设计性实验的特点
大学物理实验设计性实验区别于普通的大学物理实验，它具有自己的特点。它是在学生具备一定的物理实验基础知识及相关能力之后进行的一种较高层次的教学实践活动；是指学生在教师的指导下，根据给定的实验设计要求，自己查阅资料、设计实验方案、选择实验仪器，独立完成实验并对结果进行分析处理的实验。
二、大学物理实验设计性实验的开发过程
一个大学物理实验设计性实验的开发有一个完整的过程。（1）选题。设计性实验课题太难或太易都不能充分调动学生的学习积极性，也就达不到培养学生的独立思考和综合设计能力的目的，因此，选题是否合适必然影响教学的实际效果，应从以下几个方面考虑。第一，选题不能只考虑课题的前沿性，否则，学生会由于课题太难而丧失积极性；当然，选题太容易学生也会失去兴趣。因此，根据学生已有的知识和实验技能，应当选择学生经过努力可以达到的实验课题。第二，要考虑实验室具备的仪器条件，尽量选择那些实验室能够提供相关仪器（仅需购置少量配件）的实验，使学生能够自己实际操作以检验和修正自己的设计方案，这一过程对培养和提高学生的综合设计能力是尤为重要的。第三，还要考虑相关资料学生能否从某个途径顺利获取。所以，教师应根据实际情况选择合适的设计性实验课题。（2）搜索资料并分析。教师根据实验课题查阅有关资料，收集各种相关实验内容，然后通过分析、比较、综合，选择制订出一个实验上可行、实验条件允许的初步实验设想。（3）拟定实验方案。为达到实验要求而制定的理论根据、实验方法和实施步骤。对实验方案进行论证，有两个方面：一是理论论证，要论证实验方案是否具有科学性、合理性和可行性，二是初步实验检验论证，从初步实验中发现没有考虑到的漏洞并及时修正，以观察实验现象为主，适当测量重点数据，判断实验能正常进行即可。（4）确定实验要求和教学方案。设计性实验的实验方案确定后，可以采取多种不同的教学形式，通常由实验室准备好实验仪器，学生根据实验方案动手进行实验操作并获取实验数据、完成实验数据处理；对实验室不具备实验条件的课题，可以采取学生分别设计实验原理和方案然后进行讨论的方式。要根据实际情况制定出设计性实验的实验要求（学生用）和教学方案（教师用）。
三、设计性实验的种类
根据设计性实验的教学目的和要求，主要从以下几方面进行开发。（1）以测量某个物理量为目的而开发的设计性实验。例如：透明薄膜折射率的测量、用补偿法测量电流，针对具体要测量的物理量选择和设计实验方案。这一类设计性实验是培养学生发散性思维能力的一种思路。（2）以验证物理规律为目的而开发的设计性实验。例如：分压与限流电路特性研究，学生要考虑分压与限流电路各自适用的条件，这一类设计性实验对于培养学生科学实验能力是非常重要的内容。（3）以制作实验装置为目的而开发的设计性实验，这一类设计性实验既能培养学生的设计创新能力，又能培养学生的动手制作能力；设计制作的内容要适合学生的实际情况和实验室的条件，不能脱离实际。例如：搭建太阳能电池性能测试装置，实验教学效果很好，该实验在设计性实验实例中会详细介绍。
四、我校开设大学物理实验设计性实验的情况
多年来，我校物理实验室只能开出六个设计性实验，内容覆盖面很窄，远不能满足教学需要，由笔者负责的教研项目“大学物理实验设计性实验的开发”已经完成，该项目根据实验室现有设备适当补充部分配件，开发出八个新的设计性实验项目。实验一，分压与限流电路特性研究；实验二，用补偿法测量电流；实验三，用劈尖法测量薄膜的厚度；实验四，测定未知光波长及角色散率；实验五，透明薄膜折射率的测量；实验六，搭建太阳能电池性能测试装置；实验七，掠入射法测三棱镜玻璃及液体折射率；实验八，白光再现全息图。使内容覆盖面更全面，促进学生的全面复习，锻炼学生的意志，强化对学生的实验技能及实验设计思想的培养，是一次再学习、再深化的过程。设计性实验作为期终考试，在考试前，实验室统一制定每个设计性实验项目的目的和要求，采用抽签方法，学生们抽到哪道题，就设计哪个实验，让学生们查阅有关资料，互相讨论，初步构思设计性实验方案，并到实验室试做、熟悉仪器及元器件使用，最后完成设计性实验的实验方案、操作、测量、数据处理等全过程。设计性实验教学是一个长期的、不断改进、不断提高完善的过程，相信在大学物理实验教学中，设计性实验教学过程会越来越科学、合理，在人才培养中会发挥越来越显著的作用。
五、设计性实验实例
由笔者指导的三名学生在2010年北京市大学生物理实验竞赛中获得三等奖，参赛题目：太阳能电池性能测试。在此基础上，笔者开发了设计性实验：太阳能电池性能测试。该实验作为一个综合设计性实验，联系科技开发实际，有一定的新颖性和实用价值，能激发学生的学习兴趣；设计制作太阳能电池性能测试装置，使学生对直流电路的综合设计能力和测量方法的灵活运用都得到很好的锻炼和提高。
设计要求（学生用）：实验六太阳能电池性能测试
实验目的。（1）学习太阳能电池基本原理。（2）掌握太阳能电池基本特性、测试方法及应用。
设计要求。（1）搭建太阳能电池性能测试装置。（2）测量太阳能电池基本性能参数。
教学方案（教师用）：实验六太阳能电池性能测试。
简介：
1.搭建太阳能电池性能测试装置，并测量太阳能电池基本性能
测试装置设计电路如图1，用替代开关完成检流计和电流表及滑线变阻器和电阻箱的变换，实现测量太阳能电池基本性能：常数I0，；参数：短路电流ISC，开路电压UOC，最大输出功率Pmax，填充因子FF。补偿法测开路电压简单准确。程序处理数据使测量结果快捷准确。
2.以太阳能电池为基本部件，搭建小型实用装置太阳能电扇（教师演示作品）
用太阳能板带动小电扇转动。因为电扇转动时电流需求大，所以当电扇起动时用5号电池带动，然后换到电池板（光照）带动，则可以实现太阳能电池的应用。太阳能电扇组装巧妙，废旧部件利用经济实用，效果很好。
3.设计原理
太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收的光子的能量转化为电能。在没有光照时，可将太阳能电池视为一个二极管，其正向偏压U与通过的电流I的关系为：
其中常数I0是二极管的反向饱和电流，n是理想二极管参数，理论值为1。K是玻尔兹曼常量，q为电子的电荷量，T为热力学温度。常数。
太阳能电池的基本技术参数除短路电流ISC和开路电压UOC外，还有最大输出功率Pmax和填充因子FF。最大输出功率Pmax也就是IU的最大值。填充因子FF定义为：
FF是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数。FF值越大，说明太阳能电池对光的利用率越高。
4.实验仪器与装置
电源、白炽灯、太阳能电池、遮光罩、万能电压表、万能电流表、电阻箱、滑线变阻器、捡流计、单刀（替代）开关若干。线路如图2。
5.测试方法
（1）在没有光源（把太阳能电池板遮住）的条件下，测量太阳能电池正向偏压时的1-U特性（直流偏压从0-6.0V）。1）把滑动变阻器调到最下端，合上a和b，合上e和f，合上A和B，则电路联通。调节滑动变阻器分压使电流表电流为5~50μA变化，分别测定电压的对应值。2）利用测得的正向偏压时1-U关系数据，画出1-U曲线并求出常数和I0的值。
（2）用白炽灯光照射太阳能板，测量太阳能电池的一些特性。光源到太阳能电池距离保持为20cm。1）本实验运用补偿法进行开路电压的测量。合上a和b，e和d，合上 B，合上A，测量开路电压。调节滑动变阻器分压，点接通检流计，使之指针指零，滑动变阻器分压与电池开路电压补偿，则可准确的测定开路电压，即为此时电压表的值。2）测量短路电流。合上b和c，e和f，合上B，断开A。把电阻箱调到0，此时电流表读书为短路电流。3）调节电阻箱，使电流和电压发生变化，做出I-U图像，并求出最大输出功率Pmax。4）通过公式，计算填充因子。
6.太阳能电扇
旧仪器部件组装：太阳能电池板，拆除所得废旧电脑小风扇（含电机），手工底座，导电管，连接插头（见图3，4）。
参考文献：
[1]教育部.关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见教高[Z].2005.
[2]毛杰健,王仁炎.物理实验教学的探讨[J].上饶师范学院学报,2005,25(3):42-44.
[3]郑鹤松.大学物理设计性实验的教改实践与思考[J].实验技术与管理,2004,21(5):101-107.
[4]周殿清.普通物理实验中综合性、设计性实验的开设[J].物理实验,2005,25(1):31-33.
[5]张锐波.大学物理实验项目的系统设计[J].大学物理实验,2003,16(2):84-86
（责任编辑：苏宇嵬）
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文