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摘要：實驗設計、誤差分析是科學實驗思想的重要內容，本文以“冷卻法測量金屬比熱容”為例，闡述如何在基礎性實驗的教學中進行科學實驗思想學習、訓練，實現培養學生創新能力的教學目標。

關鍵詞：實驗設計;誤差分析;課堂教學方法;創新能力;培養

大學物理實驗的課程體系包括基礎性實驗、綜合性實驗、研究探索性實驗三個循序漸進的教學層次。基礎性實驗所涉及的原理比較簡單，多為驗證性實驗或者某個物理規律的簡單應用，因此基礎性實驗的教學目標定位于基本物理量測量、常見儀器的使用、基本實驗技能訓練和規范數據處理方法的掌握。基礎性實驗采用的方法具有典型性和示范性，在實驗設計、誤差分析等方面具有豐富的內容，對于初次學習科學實驗的理工類大學生而言，這一點無疑彌足珍貴。因此精選優化基礎性實驗的內容，強調基礎性實驗教學中的科學實驗思想學習應該受到更多的重視[1]。本文以“冷卻法測量金屬比熱容”為例，闡述在基礎性實驗的教學中如何貫徹體現科學實驗思想這一問題。

1基礎性實驗中的實驗設計思想

“冷卻法測量金屬比熱容”是大學物理實驗課程中的基礎性實驗，其實驗原理是冷卻定律：高溫物體的放熱速率由散熱環境、散熱面積、物體與周圍環境的溫差這三個因素決定，與物體的材料組成無關。根據這個定律，如果將不同材料制成幾何形狀完全相同的樣品，置于相同的環境中，它們的放熱速率必然相等。冷卻定律本身并未對散熱物體內部的溫度分布作出規定。要測量散熱物體的比熱容，需要把物體放出熱量用其質量、比熱容和溫度改變量三者表示出來，這就要求降溫過程中樣品的溫度是指樣品的整體溫度。為了保證實驗過程中樣品內部的溫度時時均勻、處處均勻，樣品應該具有較小的幾何尺寸和良好的導熱性能。樣品的尺寸小，才容易達到熱平衡，保證其內部溫度的均勻。嚴格說來，樣品的放熱降溫過程，不可能是一個熱平衡的過程，其內部必然會出現溫度的不均勻。但對導熱性能良好的材料，其內部熱量流動迅速，達到熱平衡的時間（弛豫時間）非常短，因而在宏觀的測量時間內，其內部溫度可以視為處處均勻。金屬具有良好的導熱性能，可以滿足這一條件。實驗中的樣品由銅、鐵、鋁三種金屬制成，其中銅樣品作為比熱容已知標準物體。三種材料都作成相同的長為十幾個毫米、直徑為幾個毫米的小圓柱體。這種形狀設計使它的側面積相對于底面積大得多，實驗中，樣品安裝在底座上，降溫過程中，散熱的絕大部分是通過樣品的側面和上底面進行的，大大減少了降溫過程中樣品與底座之間的熱傳遞引起的實驗誤差（詳見后文），最大程度地保證它們的放熱條件完全相同。物理實驗中的實驗設計，在這里體現為：確定測試對象的性質，即樣品的幾何特征；確定測試方法，樣品在什么環境下降溫？怎樣才能保證符合實驗原理和實驗目標的要求？怎樣才能盡量減少可能的實驗誤差？雖然在基礎性實驗階段還不可能對學生作出這方面的要求，但實驗教師應該就每個具體實驗的設計思想作出評估，哪怕是簡單地把它指出來。要讓學生真正站在理解科學實驗的高度看待他所做的實驗，而不是僅僅簡單重復教材的操作步驟。多數物理實驗教師的共識是基礎性實驗要少講，實驗原理的詳細推導，實驗內容于步驟的細致描述，應該作為學生預習的主要任務，教師要少講甚至不講，而對于實驗的設計思想部分，則應從科學方法的角度加以概括總結，并在可能的情況下作出適當的引申發揮。在實驗課堂上我們就以啟發式教學方式向學生提出下述問題：本實驗為什么要保證樣品內部溫度均勻？如果樣品具有較大的幾何尺寸，能保證它內部溫度均勻嗎？如果樣品不是熱的良導體，能用這種方式測量嗎？實驗中我們固定樣品的溫度降來測量降溫時間，如果固定降溫時間來測量樣品的溫度降，你能給出怎樣的測量方案？概括起來，物理實驗中的實驗設計總的特征是圍繞既定目標、綜合各類因素、達成有效解決方案，它體現了系統化思維的特點，是創新能力培養的一個重要因素。

2基礎性實驗中的誤差分析思想

物理理論來源于實踐，是在實踐的基礎上突出主要因素、忽略次要因素，經過理想化、抽象化而得到的。理論用之于實踐，那些次要的因素的影響就會產生作用，物理測量不可能理想化，這就是誤差的主要原因。對于初次學習科學實驗的理工類大學生，誤差往往還只是一個空洞的概念，克服傳統教育中“重理論，輕實踐”的弊端，應用誤差分析思想對具體的物理實驗現象、結果進行分析，是培養學生實踐能力的重要方面，也是基礎性實驗的主要任務[2]。在“冷卻法測量金屬比熱容”中，樣品在“完全相同的環境中降溫”就是一個理想化的表述。實際上，樣品是安裝在底座上進行測量的，樣品和底座之間，不可避免具有熱接觸。在實驗設計上采用了兩條措施來減小這種熱接觸的影響，第一，樣品和底座的接觸面積很小，散熱主要通過相對大得多的圓柱體側面和上底面進行；第二，底座材料導熱性差，同時，底座與樣品間溫差小，根據付立葉熱傳導定律，溫度梯度小，傳熱就小。但盡管如此，實驗中還是會出現某些儀器加熱時間長、散熱慢、實驗結果誤差大等問題。學生面對此類問題，往往不知如何著手。我們在指導實驗時，抓住誤差分析這一關鍵點。檢查儀器，發現底座上有導熱硅脂堆積（導熱硅脂本來用于改善加熱和增強熱電偶與樣品之間的熱接觸的），這增加了樣品和底座之間的熱傳遞。加熱時，相當于對樣品和底座整體進行，所以加熱時間長，降溫時，樣品和底座整體降溫，所以散熱慢，降溫時間長。這個效應增大到一定的程度，就不滿足“樣品在完全相同的環境中通過表面向外散熱降溫”這一條件了。找出原因后，對樣品和底座進行徹底清理，再做實驗，一切正常。測量儀器（元件）的狀態是測量誤差產生的另一個主要原因。本實驗采用熱電偶進行溫度的測量。熱電偶是科研、工程領域廣泛使用的測溫元件。不同金屬相互接觸時會產生接觸電勢差，接觸電勢差對溫度有非常規律的依賴關系，利用它可以把溫度差轉變為熱電勢進行輸出，從而實現對溫度的測量。熱電偶的狀態不正常，直接表現在它輸出的熱電勢上。具體表現為加熱或降溫過程中，熱電勢變化緩慢、不規律、變化異常，有時甚至出現熱電勢值反號等令人困惑的現象。學生面臨這些問題，往往不知所措，或者雖然能想到這是儀器的故障，卻不知如何著手解決，所以他們一般是要求教師更換儀器。我們在基礎性實驗的教學中，就是要幫助學生克服依賴性，鍛煉分析問題解決問題的能力。指導學生檢查熱電偶的工作狀態，一般能找出問題的端倪。當熱電偶的冷端或測溫端的接頭出現松脫，就會出現熱電勢值異常甚至反號等令人不解的怪象，用夾鉗將熱電偶的冷端或測溫端的接頭擰緊，使兩個接頭具有足夠的接觸面積和良好的電接觸，問題就得到解決。加熱或降溫過程中，熱電勢變化緩慢，一般是由于熱電偶的冷端或測溫端的環境不正常引起。樣品安裝在底座上，熱電偶的測溫端穿過底座插入樣品內，理論上要求測溫端的溫度即樣品的溫度，但實際上，熱電偶的測溫端不可避免和底座有所接觸，它感受到的溫度其實是樣品溫度和底座溫度的某種平均值，要使熱電偶的測溫端的溫度主要反映樣品內部的實際溫度，就必須使熱電偶的測溫端充分深入樣品內部并盡量減少和底座的接觸。熱電偶冷端的情況與此類似，或者是熱電偶冷端沒有很好地插入冰水混合物內，或者是杜瓦瓶內冰塊完全融化，基準溫度不準，從而不能正常測溫。學生在實驗中就發生過這種情況，開始實驗很順利，測量最后一個樣品時，降溫時間大大增加了，考慮到實驗已經進行了比較長的時間，我們提示學生檢查冰水混合物的情況，果然杜瓦瓶內冰塊已經完全融化，加入冰塊，重置冷端，實驗又能正常進行了。我們看到，當學生們經過了自己的觀察、分析，找到并解決了問題之后，會油然生起一種成就感和自豪感，這應該是每一個從事物理實驗教學的老師都樂于見到的吧。基礎性實驗教學是大學物理實驗課程的基礎，沒有基礎性實驗打下的良好基礎，后續的綜合性實驗、研究探索性實驗就達不到預期的教學效果。創新是發展的源動力，培養具有創新精神和創新能力人才是大學教育的主要目標。欲達成此目標，不僅需要科學完善的、與時俱進的教學體系，也需要務實求真、一絲不茍的教學態度。實驗課堂上，要充分體現學生的學習主體地位，讓學生去面對實踐問題，又要發揮教師的指導作用，在適當的時機，以適當的方式幫助學生克服困難，做到既不大包大攬，也不放任不管。基礎并不意味著簡單，更不等同于乏味無趣。好的實驗課堂，應該能讓學生感受到面臨問題的困惑、解決問題的艱辛以及收獲成功之后的愉悅。

參考文獻：

[1]黃凱，曹進，常峰.大學物理實驗教學的思考[J].內江科技，2018.9:106.

[2]郭有能，王國友.大學物理實驗教學培養科研思維的探索[J].產業與科技論壇，2018.17(12):160-161.

作者:劉大衛 單位:貴州大學物理學院