競(jìng)賽與教學(xué)相融合開(kāi)放式物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索-鐘菊花

1、競(jìng)賽與教學(xué)相融合的開(kāi)放式競(jìng)賽與教學(xué)相融合的開(kāi)放式物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索鐘菊花，顧英俊，章登宏，房毅，朱云霞鐘菊花，顧英俊，章登宏，房毅，朱云霞華東理工大學(xué)華東理工大學(xué)2017.8.24 2017.8.24 桂林桂林 2017年全國(guó)高等學(xué)校物理基礎(chǔ)課程教育學(xué)術(shù)研討會(huì)年全國(guó)高等學(xué)校物理基礎(chǔ)課程教育學(xué)術(shù)研討會(huì)引言引言開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，激發(fā)思維開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，激發(fā)思維CUPT競(jìng)賽，探索未知競(jìng)賽，探索未知競(jìng)賽與教學(xué)的融合，培養(yǎng)能力競(jìng)賽與教學(xué)的融合，培養(yǎng)能力一、引言一、引言如何引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新？如何引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新？ 教師如何進(jìn)行教育創(chuàng)新？教師如何進(jìn)行教育創(chuàng)新？u 理論與實(shí)踐結(jié)合能力較弱，不能用所掌握的理

2、論理論與實(shí)踐結(jié)合能力較弱，不能用所掌握的理論指導(dǎo)完成指導(dǎo)完成實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)；l 對(duì)儀器設(shè)備的工作原理不清楚；對(duì)儀器設(shè)備的工作原理不清楚；l 只會(huì)硬性按照操作步驟執(zhí)行，不明白每步含義，習(xí)慣于墨只會(huì)硬性按照操作步驟執(zhí)行，不明白每步含義，習(xí)慣于墨守成規(guī)，對(duì)創(chuàng)新能力培養(yǎng)不利。守成規(guī)，對(duì)創(chuàng)新能力培養(yǎng)不利。u 受課堂時(shí)間和實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的制約，課前預(yù)習(xí)無(wú)法接觸實(shí)驗(yàn)儀器；受課堂時(shí)間和實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的制約，課前預(yù)習(xí)無(wú)法接觸實(shí)驗(yàn)儀器；u 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式相對(duì)封閉，學(xué)生獲得的往往只是對(duì)課本知識(shí)的加實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式相對(duì)封閉，學(xué)生獲得的往往只是對(duì)課本知識(shí)的加深及基本技能的鍛煉；深及基本技能的鍛煉；u 學(xué)生將養(yǎng)成循規(guī)蹈矩的思維模式，缺乏想象力

3、和創(chuàng)造力。學(xué)生將養(yǎng)成循規(guī)蹈矩的思維模式，缺乏想象力和創(chuàng)造力。二、二、開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，激發(fā)思維開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，激發(fā)思維開(kāi)展以學(xué)生興趣為導(dǎo)向、學(xué)術(shù)競(jìng)賽開(kāi)展以學(xué)生興趣為導(dǎo)向、學(xué)術(shù)競(jìng)賽為載體開(kāi)放式物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式為載體開(kāi)放式物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式大大學(xué)學(xué)物物理理實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)CUPT競(jìng)競(jìng)賽賽有機(jī)融合有機(jī)融合每年每年17個(gè)貼近實(shí)際生個(gè)貼近實(shí)際生活的開(kāi)放性物理問(wèn)題活的開(kāi)放性物理問(wèn)題涵蓋大學(xué)物理基礎(chǔ)知涵蓋大學(xué)物理基礎(chǔ)知識(shí)，實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容豐識(shí)，實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容豐富，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案，富，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案，可自由發(fā)揮，極可自由發(fā)揮，極富挑富挑戰(zhàn)性與創(chuàng)造性戰(zhàn)性與創(chuàng)造性！銅板銅板鋁板鋁板玻璃板玻璃板大理石板大理石板冷凍水滴冷凍水滴 Free

4、zing droplets氣泡晶體 bubble crystal油油星星星星 oil star距離維距離維持一定持一定案例案例1-1-實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置搭建裝置搭建裝置案例案例1-1-數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集1、題目中描述的聲音、題目中描述的聲音2、少量噪音、少量噪音3、氣流導(dǎo)致的麥克風(fēng)內(nèi)部空氣柱振動(dòng)引起、氣流導(dǎo)致的麥克風(fēng)內(nèi)部空氣柱振動(dòng)引起的聲音的聲音氣流氣流聲強(qiáng)聲強(qiáng)時(shí)間時(shí)間采集數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)案例案例1-1-數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集真實(shí)頻率真實(shí)頻率時(shí)間時(shí)間聲強(qiáng)聲強(qiáng)數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)獲取案例案例1-1-聲音來(lái)源（可能原因）聲音來(lái)源（可能原因） 卡門(mén)渦旋聲卡門(mén)渦旋聲 當(dāng)氣流遇到障礙物，在障礙物后產(chǎn)生卡門(mén)渦旋時(shí)輻射當(dāng)氣流遇到

5、障礙物，在障礙物后產(chǎn)生卡門(mén)渦旋時(shí)輻射的聲音的聲音 卡門(mén)渦旋卡門(mén)渦旋( (渦街渦街) )現(xiàn)象與現(xiàn)象與ReRe密切相關(guān)密切相關(guān)理論探究理論探究案例案例1-1-聲音來(lái)源（實(shí)驗(yàn)判別）聲音來(lái)源（實(shí)驗(yàn)判別）ABCDEABCDE粗繩子粗繩子細(xì)繩子細(xì)繩子+ +小重物小重物n 麥克風(fēng)位置的放置麥克風(fēng)位置的放置實(shí)驗(yàn)探究實(shí)驗(yàn)探究案例案例1-1-聲音來(lái)源聲音來(lái)源粗繩粗繩 隨著隨著Re的的增加，聲音的大小遞增。對(duì)應(yīng)與不同的增加，聲音的大小遞增。對(duì)應(yīng)與不同的位置，聲音頻率是不同的位置，聲音頻率是不同的細(xì)繩細(xì)繩 繩子處幾乎測(cè)不到聲音，聲音主要出現(xiàn)在小重物繩子處幾乎測(cè)不到聲音，聲音主要出現(xiàn)在小重物處。旋轉(zhuǎn)面?zhèn)让媛曇艉茌p處。旋

6、轉(zhuǎn)面?zhèn)让媛曇艉茌p聲音的來(lái)源聲音的來(lái)源不是不是繩子的繩子的弦振動(dòng)弦振動(dòng)初步認(rèn)為初步認(rèn)為發(fā)聲原因是發(fā)聲原因是卡門(mén)渦旋聲卡門(mén)渦旋聲分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果案例案例1-1-聲音來(lái)源（理論分析）聲音來(lái)源（理論分析）理論分析理論分析Re=10Re=50Re=100Re1000沒(méi)有出現(xiàn)渦街沒(méi)有出現(xiàn)渦街渦街較穩(wěn)定，沒(méi)渦街較穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)明顯脫落有出現(xiàn)明顯脫落Re200Re200時(shí)，渦街就時(shí)，渦街就會(huì)周期性脫落會(huì)周期性脫落渦街較穩(wěn)定，沒(méi)渦街較穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)明顯脫落有出現(xiàn)明顯脫落案例案例1-1-聲音來(lái)源（理論分析）聲音來(lái)源（理論分析）理論模擬理論模擬案例案例1-1-影響因素影響因素v卡門(mén)渦旋聲的理論對(duì)現(xiàn)象解釋得很

7、好，分析影卡門(mén)渦旋聲的理論對(duì)現(xiàn)象解釋得很好，分析影響因素也從這個(gè)角度進(jìn)行思考響因素也從這個(gè)角度進(jìn)行思考頻率與線速度呈正比，與障礙物直徑呈反比，與小頻率與線速度呈正比，與障礙物直徑呈反比，與小重物質(zhì)量無(wú)關(guān)重物質(zhì)量無(wú)關(guān)另外，在細(xì)繩甩動(dòng)小重物的模型下，正對(duì)著小重物測(cè)量另外，在細(xì)繩甩動(dòng)小重物的模型下，正對(duì)著小重物測(cè)量聲音最為明顯，分析影響因素的實(shí)驗(yàn)中，聲音最為明顯，分析影響因素的實(shí)驗(yàn)中，位置都選在正位置都選在正對(duì)小重物的地方對(duì)小重物的地方分析影響因素分析影響因素案例案例11實(shí)驗(yàn)研究與分析實(shí)驗(yàn)研究與分析實(shí)驗(yàn)研究與分析實(shí)驗(yàn)研究與分析案例案例1-1-結(jié)結(jié) 論論dLf21.0 影響因素：影響因素：聲強(qiáng)：聲強(qiáng)：

8、Re, ,渦街脫落明顯，聲壓渦街脫落明顯，聲壓，聲，聲強(qiáng)強(qiáng)聲音頻率：聲音頻率：速度小于速度小于14m/s時(shí)，基本時(shí)，基本滿足下式：滿足下式：結(jié)論結(jié)論此題包含此題包含振動(dòng)與波的知識(shí)，還與流體力學(xué)相關(guān)。振動(dòng)與波的知識(shí)，還與流體力學(xué)相關(guān)。要求學(xué)生要求學(xué)生：l 查閱相關(guān)資料與文獻(xiàn)查閱相關(guān)資料與文獻(xiàn)l 通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和理論分析通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和理論分析l 確定聲音產(chǎn)生的原因確定聲音產(chǎn)生的原因l 得到聲音的頻率與相關(guān)參量的表達(dá)式得到聲音的頻率與相關(guān)參量的表達(dá)式l 通過(guò)濾波等技術(shù)從實(shí)驗(yàn)采集的聲音信號(hào)中獲取其頻率數(shù)據(jù)通過(guò)濾波等技術(shù)從實(shí)驗(yàn)采集的聲音信號(hào)中獲取其頻率數(shù)據(jù)l 驗(yàn)證驗(yàn)證聲音聲音頻率頻率與小重物直徑與小重物直

9、徑、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)角速度、雷諾數(shù)等的關(guān)系角速度、雷諾數(shù)等的關(guān)系案例案例11研究思路研究思路三、三、CUPTCUPT競(jìng)賽，探索未知競(jìng)賽，探索未知lCUPT賽題源于日常生活及生產(chǎn)與工賽題源于日常生活及生產(chǎn)與工程技術(shù)程技術(shù)。學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到物理學(xué)不是學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到物理學(xué)不是抽象的理論體系，而是活生生的、非抽象的理論體系，而是活生生的、非常有用和有趣的。常有用和有趣的。lCUPT賽題只給出了現(xiàn)象性描述，學(xué)賽題只給出了現(xiàn)象性描述，學(xué)生必須從現(xiàn)象入手發(fā)現(xiàn)和提出科學(xué)性、生必須從現(xiàn)象入手發(fā)現(xiàn)和提出科學(xué)性、理論性問(wèn)題。理論性問(wèn)題。l進(jìn)行理論分析時(shí)需要運(yùn)用抽象、簡(jiǎn)化進(jìn)行理論分析時(shí)需要運(yùn)用抽象、簡(jiǎn)化等科學(xué)方法將真實(shí)的物理問(wèn)

10、題轉(zhuǎn)化為等科學(xué)方法將真實(shí)的物理問(wèn)題轉(zhuǎn)化為物理和數(shù)學(xué)模型物理和數(shù)學(xué)模型。端咖啡的學(xué)問(wèn)端咖啡的學(xué)問(wèn)讓葉片唱起歌讓葉片唱起歌無(wú)損檢測(cè)無(wú)損檢測(cè)雞蛋熟度雞蛋熟度題目：題目：讓讓液體液體流向流向一個(gè)一個(gè)表面表面，當(dāng)，當(dāng)接觸點(diǎn)被激光照明的時(shí)候，接觸點(diǎn)被激光照明的時(shí)候，可觀測(cè)到可觀測(cè)到環(huán)繞液柱環(huán)繞液柱的的光環(huán)光環(huán)。請(qǐng)研究這些光環(huán)，并確定請(qǐng)研究這些光環(huán)，并確定它們?nèi)绾问艿秸麄€(gè)系統(tǒng)它們?nèi)绾问艿秸麄€(gè)系統(tǒng)相相關(guān)參量關(guān)參量的影響的影響。案例案例2 2課題分析課題分析l “駐波駐波”是如何產(chǎn)生的？是如何產(chǎn)生的？l 光環(huán)又是如何形成的？光環(huán)又是如何形成的？l 與哪些因素有關(guān)？與哪些因素有關(guān)？l 如何才能觀察到穩(wěn)定圖像？如何

11、才能觀察到穩(wěn)定圖像？查閱文獻(xiàn)資料，查閱文獻(xiàn)資料，綜合運(yùn)用伯努利方程、表面毛細(xì)波模型綜合運(yùn)用伯努利方程、表面毛細(xì)波模型、光的漫反射、全反射和折射原理等相關(guān)知識(shí)，將光的漫反射、全反射和折射原理等相關(guān)知識(shí)，將問(wèn)題簡(jiǎn)化問(wèn)題簡(jiǎn)化處理處理，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)行理論分析，得出結(jié)論研究，進(jìn)行理論分析，得出結(jié)論。案例案例22研究思路研究思路案例案例22理論分析理論分析“駐波駐波”的形成的形成案例案例22理論分析理論分析光環(huán)的產(chǎn)生光環(huán)的產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)裝置示意圖實(shí)驗(yàn)裝置示意圖AB案例案例22構(gòu)建實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)建實(shí)驗(yàn)裝置案例案例22實(shí)驗(yàn)研究與分析實(shí)驗(yàn)研究與分析案例案例22結(jié)論結(jié)論1. 1. 水波水波產(chǎn)生條件：水柱向下的

12、流速與向上反射的波（擾動(dòng)）產(chǎn)生條件：水柱向下的流速與向上反射的波（擾動(dòng)）流速相同，產(chǎn)生流速相同，產(chǎn)生駐波駐波2. 2. 液體液體高度高度對(duì)對(duì)毛細(xì)波的毛細(xì)波的影響影響：毛細(xì)波：毛細(xì)波 krkr 與與水柱水柱高度高度H H成正成正比比關(guān)系；高度越大接觸面波長(zhǎng)越短，波數(shù)越大關(guān)系；高度越大接觸面波長(zhǎng)越短，波數(shù)越大3.3.液體的液體的流量流量對(duì)對(duì)毛細(xì)波毛細(xì)波 kr kr 的的影響：影響：a.a.層流層流狀態(tài)下?tīng)顟B(tài)下：流量越大，毛細(xì)波流量越大，毛細(xì)波 kr kr 越大越大b.b.湍流湍流狀態(tài)下：不能產(chǎn)生狀態(tài)下：不能產(chǎn)生“駐波駐波”4. 4. 深水面深水面波長(zhǎng)較長(zhǎng)，波數(shù)較小；波長(zhǎng)較長(zhǎng)，波數(shù)較??；淺水面淺水面波長(zhǎng)較短，波數(shù)較大；波長(zhǎng)較短，波數(shù)較大；加入加入表面活性劑表面活性劑，筆直液柱段高度隨液柱高度增加而減小，筆直液柱段高度隨液柱高度增加而減小5. 5. 光環(huán)產(chǎn)生光環(huán)產(chǎn)生：波節(jié)附近折射；不