基于全国大学生物理实验竞赛命题导向的物理实验教学探索

综合分析了历届全国大学生物理实验竞赛命题的特点和导向,从学生培养、实验室建设和实验教师能力提升等方面探讨物理实验教学改革的方向.全国大学生物理实验竞赛的基础题命题立足于基本知识点的考核,其衍生内容为实验改进提供了思路和素材;综合题的命题体现了聚焦经典物理理论、国际前沿性、技术引领性和综合性的特点,对学生阅读文献能力、融会贯通的物理思维能力、团队合作能力进行了考核.物理实验教学应在一定程度上融入通识教育的内涵,培养学生科学的操作习惯、科学的思维方式.基础物理实验室的建设在注重高精尖测量设备的配套同时,应该保持传统的开放和自组的经典实验,保持一定的通用测量仪器的更新率.专题式实验教学对实验教师的知识体系有了更高的要求,教师既要熟悉基础测量,又要了解科研前沿,紧跟行业进步.

角色反演,探索大学物理实验教学质量提升途径——全国大学生物理实验竞赛教师交流会总结

在2020年1月举行的全国大学生物理实验竞赛教师交流会上,参会教师以学生的角色走进实验赛场,以模拟学生参加竞赛流程的形式,通过实验操作、完成竞赛试卷、试卷批阅、分组讨论、总结汇报五个环节来进行交流。本文总结此次角色反演式教师交流会的情况,从实验课程设置、实验教师综合能力提升、学生培养、交流互促等方面探讨物理实验教学改革的方向,探索提升大学物理实验教学质量的途径。

第21届亚洲物理奥林匹克竞赛虚拟实验第1题的介绍与解答

介绍了2021年亚洲物理奥林匹克竞赛的虚拟实验题目“悬臂梁弹性”,给出了竞赛组织者公布的标准解答与软件实际操作结果.微悬臂梁传感广泛应用于纳米材料的力热性质检测,本虚拟实验模拟了各种抖动因素对微悬臂梁传感的影响,利用单层和双层微悬臂梁实现了对纳米结构应力、温度、分子吸附力的检测,对国内相关虚拟仪器设计、中学竞赛以及大学虚拟实验教学具有借鉴意义.

知识图谱技术在物理实验教学中的应用探讨

目前,在新工科建设和课程思政建设的背景下,物理实验课的教学设计也需要不断提升。不同于传统搜索方式,科学知识图谱技术采用对分析对象的共词进行分析并找到它们之间的亲疏关系,从而揭示相关学科的演进关系。本文以声速的测量、转动惯量等物理实验为例,利用引文可视化软件CiteSpace进行科学知识图谱分析,并结合目前物理实验课程标准化的具体要求,探讨其对实验课程标准化的辅助功能及在基础物理实验教学中的应用。

运动声源的多普勒效应——第22届亚洲物理奥林匹克竞赛实验试题第二题介绍与解析

第22届亚洲物理奥林匹克竞赛实验试题共两道,其中第二道是声学黑匣子。该题目是一道虚拟实验题目,在二维平面上通过探测器对于运动声源的频率信号探测,判断声源的初始位置以及相关运动学参数等。该题目设计新颖,解法巧妙,综合了声波的传播与测量、声学多普勒效应等相关知识。在疫情形势下,非常适合物理专业学生进行线上虚拟实验学习。本文详细介绍了竞赛试题的内容,并给出试题的分析和解答。

第22届亚洲物理奥林匹克竞赛实验试题1的介绍与解答

第22届亚洲物理奥林匹克竞赛实验试题1为磁学黑盒子(Magnetic black box),试题利用智能手机中的磁力计测量磁感应强度随时间的变化,从而研究磁铁在无磁性空心管中的运动及空心管的材料.本文详细介绍了实验试题1的内容,并给出详细解答.

第4届欧洲物理奥林匹克竞赛实验试题2的介绍与解答

第4届欧洲物理奥林匹克竞赛实验试题2为黑盒子(Black box),试题考查了学生对振动及振动模式、冲击响应等物理知识的理解.本文介绍了实验试题2的命题、虚拟实验考试流程和解答,结合物理背景知识和实际应用介绍了命题动机.

第5届欧洲物理奥林匹克竞赛实验试题1介绍与解答

第5届欧洲物理奥林匹克竞赛实验试题1为隐藏的导线,试题采用虚拟仿真实验,利用小磁针作为测量装置,由其在不同坐标下的输出转角反推产生磁场隐藏的导线的位置分布.本文较全面地介绍了该试题的内容及其解答,试题涉及电磁学基础知识,能提高考生的空间想象能力,可开设为电磁学黑盒子综合实验.

居家实验:硬币弹跳

本文给出了居家环境下基于智能手机研究硬币弹跳的声学频率和产生的共振模式一种方案。理论上首先根据圆板的振动方程,给出了硬币固有振动频率的表达式。之后结合特定边界条件,利用有限元的方法分析了三种类型硬币的固有振动模式及对应频率。实验上利用智能手机测量了不同硬币在自由振动时产生的声音频率,并与模拟计算结果进行比较,给出了合理的误差分析。该居家实验方案简单有趣,物理原理丰富,易于在基础物理实验教学中推广。

第3届欧洲物理奥林匹克竞赛实验试题介绍与解答

第3届欧洲物理奥林匹克竞赛的实验试题为无线电波的传输,试题利用1组无线电波发射器与接收器,探讨了等厚干涉、介质对波的吸收、波导中波的衰减、介质的折射率和倏逝波等物理现象.本文介绍了该实验试题内容和详细的解答.实验试题设计新颖,可开设为电磁波的综合性实验.

第1届欧洲物理奥林匹克竞赛实验试题的介绍与解答

第1届欧洲物理奥林匹克竞赛实验试题为发光二极管.试题利用万用表、热敏电阻和自组的简易压力计等作为测量工具,设计实验并测量发光二极管的伏安特性、串联寄生电阻、发光效率和光功率极大值.本文详细介绍了实验试题的命题及其解答,并简单分析了命题背景和参赛选手的答题情况.命题基于发光二极管在不同温度下的光电特征,可作为基础物理实验中发光二极管相关实验的拓展.

第4届欧洲物理奥林匹克竞赛实验试题1的介绍与解答

第4届欧洲物理奥林匹克竞赛实验试题1为隐藏的电荷,本文详细介绍了试题1的命题、虚拟实验考试流程和解答,结合物理背景知识和实际应用介绍了命题目的,并分析了参赛学生的答题情况.试题1通过测量电子的初动能和入射、出射位置,计算出待测电荷的位置和电量,可用于理论力学、原子物理等教学内容.

启发式的多层次居家物理实验设计探索

居家实验是特殊疫情时期应对基础物理实验教学困境的有效途径.进行多层次的启发式教学设计,是保障学生"停课不停学"、教师"停课不停教",形成特殊时期的师生共同体的必要因素.启发式的居家实验命题设计贯穿于全实验过程中,包括命题、选材、实验设计、数据处理方式和实验优化.以光学为例,介绍了现阶段光学居家实验的内容.在居家实验教学过程中课程育人作用不能忽视.启发式的实验教学不能照本宣科,需要实验教师积极探索.特殊时期的实验教学,亦对实验师资建设、实验室建设和课程建设等提出了有效启示.

三相交流电路自制实验及扩展教学设计

利用自制的三相交流电路实验装置,我们在传统的三相交流电路电压、电流等的测量之外,增加了利用示波器直接观测三相电波形以及交流电动机等实验内容,有助于同学们更直观地理解三相电特性。由于强电实验的特殊性,我们在市电接入和实验电路之间加入了接触器保护装置以及手控开关,并在实验中规定同学必须遵守“单人单手”操作规则,多重安全设计确保了实验安全。结合生产生活实际,我们还设计了电力传输,生活中的三相电常识,安全用电知识等实验讨论内容,并以我国在特高压输电领域的发展历程为切入点,进行“课程思政”的教学,增强同学们的爱国主义观念。

基础实验题B:滤波电路的研究

介绍了第5届全国大学生物理实验竞赛基础实验题B的实验内容,给出了参考解答,并分析了竞赛结果.实验试题B为滤波电路的研究,包括4个小题:一阶RC滤波电路、二阶RC滤波电路、串联谐振选频电路和电学黑盒子.实验既有常规内容,同时也在常规实验的基础上进行了拓展.该试题比较全面地考察了考生的电学基础知识、实验操作能力和利用所掌握的知识解决实际问题的能力.

基础实验试题A-2和A-3:毛细管中液体的流动及风洞实验

介绍了第7届全国大学生物理实验竞赛基础实验试题A“流体的流动”中的第二部分“毛细管中液体的流动”和第三部分“风洞”的内容,并给出了参考答案及竞赛结果分析.第二部分试题包括基于泊肃叶定律的倾斜毛细管测量液体黏度及根据毛细管中液体流动的物理状态与雷诺数的关系进行的实验拓展.第三部分涵盖研究乒乓球在风洞内受到的摩擦阻力与风速的关系,以及曳力系数与雷诺数的关系.该部分试题包括基础物理量的测量和对实验原理的灵活运用,不仅考查了学生对物理基本规律的理解和常用测量仪器的使用,也考查了学生对实验原理的应用能力以及对实验现象的分析和总结能力.

基础实验试题A-1:水钟计时

介绍了第7届全国大学生物理实验竞赛基础实验试题A“流体的流动”第一部分“水钟计时”的实验内容,并给出了参考解答以及竞赛结果分析.通过阅读材料,学生了解基于质量守恒和能量守恒的伯努利方程,利用简单的居家实验器材自组实验装置,探究水钟计时现象.试题考查了学生对水钟计时的理论、随机误差、精度及准确度、表面张力、雷诺数和层流状态等的掌握情况,以及从简单的生活现象发现物理问题及解决问题的能力.

基础实验试题B:直流电路的研究

介绍了第7届全国大学生物理实验竞赛基础实验试题B的实验内容,给出了参考解答,并分析了竞赛结果.基础实验试题B为直流电路的研究,试题包含电阻的测量、二极管的伏安特性曲线、直流单臂电桥、直流电源的输出特性和电学黑盒子等实验内容.试题在常规实验的基础上,进行了综合、扩展以及提升,比较全面地考查了考生的电学基础知识、实验操作水平和利用所掌握的知识综合解决实际问题的能力.

第52届国际物理奥林匹克竞赛实验试题2的介绍与解答

第52届国际物理奥林匹克竞赛实验试题2为柱状二极管(Cylindrical diode),试题主要考查了学生设计实验和数据处理能力.考试采用远程线上虚拟实验形式,利用计算机辅助完成实验.本文绍了实验试题2的命题和虚拟实验考试流程,并且给出了试题解答.结合物理背景知识和实际应用介绍了竞赛的命题动机,并且分析了参赛选手的答题情况.

康奈尔大学的“实验室中的批判性思维”开放课程简介

2020年秋季,受新冠疫情影响,康奈尔大学的基础物理实验课程通过远程方式实现。本文介绍了康奈尔大学的“实验室中的批判性思维”(Thinking Critically in Physics Labs)开放课程。该课程包括远程力学实验室(Remote Mechanics labs)、远程电磁学实验室(Remote E&M labs)和课后作业(Lab homework)三个模块。除了课程内容,我们还将简要介绍其在疫情期间的教学实施,并与南开大学基础物理实验课程概况作对比分析。希望这些探讨能为基础物理实验教学提供参考。