PASCO实验系统在工科物理实验课程中的应用

1、    pasco实验系统在工科物理实验课程中的应用    周爱平摘 要：针对传统工科物理实验教学对学生创新思维能力培养不足的问题，本文提出了应用pasco物理实验系统进行创新物理实验教学的改革举措，结合pasco系统的基本特性，着重讨论了该系统在教学中的优势和重要作用，探索出了有效可行的教学模式。关键词：pasco系统；工科物理实验教学；创新思维能力：o4-41 引言随着时代的发展，大学工科专业的教学越来越重视对学生创新思维能力和动手操作能力进行培养，以期造就出一大批能够根据生产需求研发新技术、新工艺和新产品的工程技术人员，从而满足现代化建设的需要。大

2、学物理实验作为工科学生入校以来遇到的第一门实验课程，不是简单地对物理理论课程进行实验延伸，而是针对工科学生的实验技能和良好素质的培养而独立开设的，具有非常重要的作用。但由于条件的限制，我们长期以来一直采用传统的实验教学方式，即教师讲授实验原理和测量方法，学生按部就班地操作并完成实验报告。整个过程学生不需要多少思考，更不用说进行创新设计。同时，学生本身对这門课程也往往不够重视，多是抱着应付课程拿学分的态度，没有多少兴趣，积极性也不高。针对这种状况，我们积极响应学校关于加强实验教学的号召，开展了物理实验教学的创新改革。其中一个重要举措，就是引入了美国pasco公司开发生产的专门用于物理实验的计算机

3、数据采集与分析的系统，建立了pasco物理实验室，开设了创新物理实验课程。2 什么是pasco物理实验系统该系统设备主要由各类传感器、计算机接口系统和数据采集与分析软件三个部分组成。实验中各物理量的实时数据可通过传感器利用传感技术转化为电信号，再经过计算机接口系统传入计算机中，由此实现准确、高效的数据采集，最后通过data studio软件对数据进行分析、处理和呈现。目前可选用的传感器有力、运动、压强、温度、声级、光、电荷/电压/电流、磁场等50余种，采用纯数字化信号，传输速度快。数据采集接口可根据需要采用不同的采样速率，最高可达250khz。而data studio软件以图表的形式可实时记录

4、并显示物理量变化中的数据情况。除了与传统实验仪器结合使用，pasco公司自身也开发了一系列配套的实验项目，从普通物理的基础实验到近代物理的拓展课题实验，涵盖了典型物理课程的大部分内容。相应的仪器配件具有很强的组合性，可与其它的部件灵活组合出多个不同的实验项目。3 pasco系统在教学上的优势我们首先在13级电力专业学生的大物实验课程中采用pasco系统来进行试点教学。和之前操作传统实验仪器相比，学生的兴趣明显增加。pasco系统不同于以往实验的新仪器和新实验方法引起了学生的好奇。他们不自觉地想去弄明白这些仪器是做什么用的、怎么操作、怎样才能组合出一套完整的实验装置。但是，单纯地靠实验方法和仪器

5、的新颖性只能短时间内让学生觉得新鲜。要激起他们对物理实验持续的兴趣并从中真正得到能力的锻炼，需要我们对pasco系统如何应用于物理实验教学之中进行深入的探索和思考。目前，我们已顺利搭建了pasco系统物理实验室，可开设牛顿定律、理想气体定律、欧姆定律、光的干涉/衍射等几十个实验项目，包括了力、热、光、电、磁和近代物理各方面，也是传统物理实验课程中常见的实验项目。通过对比学生分别使用传统仪器和pasco系统设备的情况，可以看到pasco系统在教学上的功能主要体现在：（1） pasco系统改变了数据的采集方式，使物理量的测量变得简便以往实验中我们用仪器直接只能测出一些基本的物理量，其它很多物理量需

6、要通过与若干个能直接测出来的物理量之间的函数关系才能计算出来。在这个过程中，需要掌握多种测量工具的使用，相应的测量方案很复杂，数据计算过程也比较繁琐。pasco系统改变了这样的测量方式，利用传感技术，借助各类传感器去直接采集实验中各物理量的数据。特别是对于随时间变化的物理量，能够做到实时测量。比如，使用了pasco系统装置中的运动、位置和加速度传感器后，物体的位移、速度和加速度可以很方便地在运动全程中被监控。采用了pasco系统后，不再需要诸多的仪器来配合测量，减少了对实验装置的要求，变间接测量为直接测量，简化了操作步骤，降低了实验操作的难度。传统实验仪器很难或无法测量的物理量在采用了pasc

7、o系统装置后能够很方便就测出来。这也拓宽了实验能够研究的范围。比如，传统的单摆实验主要是通过测量单摆周期和摆长来计算当地的重力加速度。而利用pasco系统仪器中的力和转动传感器，可以直接并连续地测量单摆运动的向心力和角速度的大小，直观地看到向心力随时间周期变化的趋势，进而可研究向心力与质量、角速度、转动半径之间的关系。（2） pasco系统利用计算机软件对实验数据进行处理和显示，简化了数据处理的过程传统实验中，学生课后还要花大量时间来数据处理。这个过程不仅繁琐耗时，还往往使学生形成了只要计算出最终结果实验就完成了的错误认识，造成对实验结果的分析和思考非常欠缺。采用pasco系统后则可以改善这一

8、状态。该系统利用data studio软件强大的分析工具来处理计算采集到的数据，最终的结果以图表的形式同步显示在计算机窗口中。这就使学生从繁重的数据处理工作中解放了出来。此时，可以引导学生将注意力转向对实验现象的观察和实验结果的分析上 ，培养观察和分析的能力。而且由软件处理得到的结果保证了计算过程的准确性，更有助于学生对实验结果作出正确的判断。pasco系统直接图表形式显示最后结果的处理方式，可以给予学生生动直观的感受。譬如，单缝衍射实验，学生可以很方便地当场观察到衍射图形，对实验现象的理解也更为深刻。又比如，牛顿定律的实验中，小车受到的外力和加速度之间的不仅有关系曲线描述，函数关系也直接被拟

9、合出来。 （3） pasco系统配套实验部件种类多，可灵活组合，有助于设计型创新实验的开设pasco系统开发的实验项目涵盖的物理范围比较广，配套的实验仪器种类非常丰富。这些仪器部件由先进技术制成，构造小巧精密，共用性强，单个部件可参与到同系列多个实验中。最常见的就是各类传感器的重复使用。例如，转动传感器可用在单摆向心力、转动惯量、扭摆等一系列实验中。此外，其它仪器的使用也不局限于单个实验中。例如电学实验中常用到的rc电路板，可用来研究电容器的充放电过程，也可用来验证欧姆定律，还可以考察lrc谐振电路的电流电压响应以及基尔霍夫定律有效性的证明。一些pasco系统部件本身结构设计得就非常精巧，集成

10、度比较高，可以完成多种情况的测量。比如，pasco系统提供的狭缝附件组，本身就包含了多种宽度和间距的单缝、双缝和多缝，以及不同形状的小孔。采用这一配件，不仅可以研究单缝衍射现象，还可以观察双缝和多缝的干涉现象。pasco系统部件强大的组合性，非常适合学生自己动手设计实验，有利于创新思维能力的培养。例如，利用pasco干涉仪系统仪器，学生可以借助传统实验课上做过的迈克尔逊干涉仪实验的知识，去测量空气和玻璃片的折射率。这需要学生开动脑筋，查阅资料，制定测量方案，选择合适的仪器部件搭建实验装置。4 采用pasco系统教学的方法我们认为在所有实验中都引入pasco系统是不太现实且没有必要的。pasco

11、系统操作简便、仪器组合灵活的特点，更适合用于工科学生创新和实践能力的培养上。基于此，我们采取传统实验装置与pasco系统仪器结合使用、传统实验为主与pasco创新实验为辅的教学方式。学生在课程学习的前期需要以传统的方式和实验装置来完成大部分的实验，在后期则使用pasco系统仪器来进行创新实验项目的设计操作。其中，采用pasco系统进行创新实验教学的过程，我们大体上分为三步来实施：第一步，让学生了解如何使用pasco系统来进行实验操作，结合具体实物介绍pasco系统各部件的工作原理和使用方法。再演示如何用pasco系统完成一个简单实验的测量。通过这样的讲解和演示，使学生对pasco系统有初步的认

12、识。第二步，让学生根据在前期传统实验中已完成的实验项目，结合现有的实验装置和pasco系统设备，自主选择实验项目进行操作。通过动手操作来熟练掌握pasco系统的使用方法，做到正确地采集和处理实验数据。经过这一步动手的训练，学生对pasco系统加深了了解。最后一步則是要求学生独立完成一个实验课题的研究，对学生的自主学习和创新能力进行训练。学生根据已掌握的物理知识以及自行查阅各种资料，结合已有的仪器设备，确定实验研究的对象，设计合理的实验方法，制定详细可行的实验方案。在此基础上动手操作，观察实验现象，获得正确的数据结果并进行思考分析，得出现象背后蕴藏的规律并撰写出完整的研究报告，最终完成课题研究。

13、通过设计型创新实验的训练，学生不仅了解到科学研究的基本方法，而且化被动为主动学习，养成了独立思考的习惯，培养了探索的精神和创新的能力。5 结语pasco系统不同于传统实验仪器的数据采集和处理方式，使得其在物理实验教学上表现出诸多的优势，有利于设计型创新实验的开设。一年多来的试点教学研究表明，pasco系统给物理实验教学带来了极大的便利，有助于工科学生主观能动性的提升、科学探索精神和创新思维能力的培养。因而将pasco系统引入物理实验教学当中是非常有必要且具有重要作用，符合现今教学改革的趋势要求。参考文献1 周恒智，谢国波. 试析智能化大学物理实验特点及优势j. 读与写：教育教学刊，2007，4（7）：72-73.2 耿爱丛，赵慈，李宝河. 浅析在大学开设pasco物理实验的重要性. 中国电力教育，2010（33）：158-159.3 高志锋. 解放思想，改革实验教学模式pasco实验教学模式的探索. 今日科苑，2009（16）：20