伏安法测电阻实验教学改革分析

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摘要:伏安法测量电阻的系统误差主要是由电流表的内阻/电压表的内阻引起的。设计用内接法和外接法测量大、中、小三个电阻的开放内容。结果表明，对于给定大和小的电阻，分别使用内接法、外接法测量时不确定度较小;而内、外接法测量中阻值的不确定度较大，说明伏安法测量特定阻值的电阻仍存在方法上的不足。引入的补偿法、电桥法等方法可以准确测量电阻，弥补了伏安法的不足。补偿法、电桥法等提供了电阻精确测量问题的任务驱动，有利于实验室的开放和学生自主学习。

关键词:自主学习;伏安法;补偿法;电桥法

在新工科背景下，大学物理实验作为工科大学生第一次系统学习基本实验技术、培养基本科学素养和能力的实验课程，大学物理实验课程旨在培养和提高学生的大学物理实验的综合技能，为工科学生学习技术基础课、专业基础课等自主学习打下良好的基础［1-4］。大学物理实验课程主要培养学生学习实验方法、设计实验方案，掌握基本实验仪器的调节和使用，培养学生敏锐的实验观察能力、分析汇总实验现象、精细的实验仪器调节能力与综合分析实验现象等独立思考能力等。通过大学物理实验各个环节的训练，培养和提高学生的科学实验能力和科学实验素养，要求学生具有理论联系实际和实事求是的科学作风，严肃认真的工作态度，主动研究的探索精神。根据学校的培养定位目标和大学物理实验课程的性质、目标，选取大学物理实验中内容比较简单，又可以适当拓展的“伏安法测量电阻”作为设计实验项目［5，6］，旨在培养学生的自主学习、任务驱动、实验室开放等问题导向的实验教学模式改革。

1递进的实验内容设计

1．1电流表和电压表内阻测定。使用半偏法测量电流表的内阻和电压表的内阻值，电流表在量程0～20mA时内阻RA约为1×102Ω，电压表在量程0～20V时内阻RV约为1×107Ω;1．2选择内、外接法测量。选择待测电阻Rx值约为9×104、3×104和2×103Ω的三个电阻［7］，要求使用伏安法测电阻的内、外接法如图1、图2所示，测量三个电阻以及确定系统误差和修正等。系统误差主要来源于内接法的RA/Rx比值和外接法Rx/RV的比值。实验内容设计上可以利用半偏法测量电流表、电压表内阻，以及利用伏安法的内、外接法测量三个电阻的阻值，内容设计有一定的递进性，有利于学生完成适合自己的实验内容。

2丰富的实验资源支撑

2．1实验指导书。在伏安法测电阻的实验内容设计时，首先考虑到学生的高中基础和所具备的基本素质、能力等因素，在提供伏安法测电阻的实验指导书时，重点考虑指导书中精练的理论叙述，清晰的图表和实验仪器的图片，以及详实、齐全的使用说明书和明确、具体的测量任务表格。学生通过课前的自主学习，大部分能够掌握实验基本原理、方法、实验仪器的使用与调节，明确实验任务与要求等;同时也考虑到学生个体差异的存在，小部分学生在学习上存在一定困难等，安排实验指导教师对学生在自主学习过程中存在的问题进行解答和说明，解决学生在课前自主学习遇到的困难。2．2实验微课。充分利用实验中心的人力、物力资源，在完成实验指导书、PPT基础上，组织骨干教师撰写实验微课、实验视频的脚本，并精心录制。将伏安法测电阻实验的微课视频、相关参考资料上传到课程网站，便于学生利用课外时间自主学习实验的原理、实验方法，熟悉实验仪器基本操作等。对于实验仪器，如数字式的电流表、电压表、电源、待测电阻、数字式万用表、开关等实物，学生可以在预习或自主学习时进到实验室进行了解和使用操作，实际连接电路。这有利于学生掌握实验原理、熟悉仪器使用等。2．3实验任务。使用半偏法进行电流表和电压表内阻的测量。在测定电流表和电压表的内阻后，根据具体要求的实验任务，针对待测量的三个阻值的电阻，能够恰当地选取内、外接法连接电路并能进行测量。实验任务明确、具体，且具有一定柔性和可拓展性，充分考虑了学生的学习上的差异，充分体现了个性化培养的要求。2．4评分标准。针对设置实验内容和具体的实验任务，大学物理实验中心制定了该实验项目的评分标准，学生可以结合评分标准的要求明确实验的重点考核项目，学生可以针对性地进行实验的准备和实验操作。评分标准的制定能够规范学生的实验操作，又调动了学生在实验过程中的主动性和积极性。

3规范的实验过程考核

在实验测量过程中，明确实验测量任务(半偏法测量电流表\电压表的内阻、伏安法测量三个线性电阻)，学生能够根据实验自主学习实验原理、正确的实验仪器使用与调节，能够短时间进行正确的电路连接和调试后进行实验测量;教师可以主要评价学生实验操作过程中的规范性、实验仪器的调节、实验数据的获得与记录、坏数据的剔除、实验过程中异常现象及解决对策和实验过程中与学生交流等方面。学生完成伏安法测电阻实验数据的图形化处理，内、外接法实验结果、不确定度的计算和实验结果的评价，再进一步完成实验数据的拟合和相关系数的计算以及对实验内容设计、实验资源等的建议和意见等。撰写科学、规范的大学物理实验报告。

4交互的实验结果评价

结合实验过程评价学生的实验结果，充分考核学生实验任务是否明确，实验原理掌握，实验仪器正确使用与调节，实验现象的观察与思考，实验过程中异常问题的发现与解决方法;考察学生与教师主动交流与独立思考、实验任务明确、实验操作的规范等。自主学习的实验教学加强了实验过程中基于问题导向的师生交流与讨论，深入了实验结果的分析与评价，获得对实验内容、实验项目的较广泛、深入的建议和意见，包括对实验教师的指导、与实验教师的交流与讨论，对实验教师在实验过程的评价，对实验评分标准的反馈意见，对实验报告成绩的评语以及反馈意见等，对具有创新内容的实验报告的展示的示范作用等，营造良好的实验自主学习和实验研究的浓郁氛围，提高实验教学的效果和质量等。

5拓展的实验项目内容

在完成伏安法内、外接法测量电阻的基础上，可以尝试拓展如下的实验内容:1．测量方法的拓展———电桥法测量电阻和补偿法测量电阻;2．实验内容的拓展———伏安法测量非线性电阻(传感器测量等)，光电二极管———非线性元件的伏安特性测量;3．使用绘图软件Origin、MATLAB制图，利用最小二乘法实现曲线拟合成直线的处理方法;4．开放性实验———电流表/电压表的改装与校准等。

6创新的实验竞赛活动

结合每年的校内、省内大学生物理实验竞赛的开展，积极主动开展适合于物理实验竞赛的内容和题目，如利用电桥法测量热敏电阻随温度的变化关系，获得热敏电阻与温度的曲线规律，确定在不同的温度下的温度系数;也可以利用应力传感器在不同的压力下电阻不同的特点测量质量等。在提高学生的设计能力、创新能力的同时，也积极改进部分物理实验仪器的部分功能，丰富实验仪器等，增进实验室建设。7结论伏安法测电阻的实验采用任务驱动的教学内容设计，确立了以“学生为中心”的教学理念，充分体现学生在实验教学过程中的主体地位和教师的主导作用;微课、视频等教学手段与突出学生亲身体验的教学方法相结合，采用问题导向的实验指导方式，注重实验过程的评价进一步调动了学生自主学习的积极性和主体的参与性，形成了浓郁的实验教学氛围，提高了实验教学质量。

参考文献:

［1］邹辉，叶蓓，贺超凯，等．新工科背景下实践教学质量标准研究［J］．大学物理实验，2017，30(6):136-138．

［2］罗万成．虚拟现实技术与“新工科”人才培养———以重庆文理学院为例［J］．重庆高教研究，2018，6(1):65-77．

［3］杜娟，罗冰，宋鹏程．新工科背景下体验式教学模式构建与实践［J］．教育现代化，2017，4(45):24-26．

［4］曹霞，王波，张红剑．新工科背景下数字信号处理课程的改革［J］．学园，2017(25):23-24．

［5］罗明海，韩亚萍，王金鑫，等．最小二乘法在伏安法测电阻实验中的应用［J］．大学物理实验，2012，25(2):88-90．

［6］王静，王吉华．以伏安法测电阻为例谈大学中学物理实验教学的衔接［J］．大学物理实验，2009，22(2):109-112．

［7］敬晓丹，李义．伏安法与补偿法测电阻的实验研究［J］．大学物理实验，2014，27(3):47-49．

作者:敬晓丹 李久会 王文新 邱忠媛 张云竹 袁 泉 李 义 单位:辽宁工业大学