实验方法及思想

实验方法及思想（精选6篇）

实验方法及思想 篇1

力学实验在高考中是“重头戏”之一，尤其是使用人教试用版新课标的省份，由于热学、光学等实验内容也随相关章节纳入了选修部分，力学实验在高考中的重要性相应提高，也是每年高考的必考内容，如江苏自2008年以来高考实验考题总分均为18分(满分120分)，电学8分，力学10分。但许多考生往往重电学轻力学，虽然力学部分总体难度不大，考题常是原实验题或其改型，但每年的得分情形却很不乐观。那么，复习中该注意哪些问题，采取哪些方法，才能取得较好的效果呢?

一、注重物理思想的挖掘，注重物理规律的复习，注重实验模型的构建。

1. 力学实验考查的本质是运动学和动力学规律的运用，综合性要求较高。

近几年许多高考电学实验题的考查突出了灵活性和技巧性，考出了能力，一直是高考实验考查的大热门。但从知识的结构来说，很多实验题体现的还是单一的伏安法的“大思想”[1]，加一些函数分析、数据处理等数学方法，再加一些如“等效电源、等效替换、转换测量、半偏法”等物理方法，使电学实验具有多样性和复杂性。相比之下，力学实验体现的多是物理知识、物理规律，所以对力学实验的复习，其实是以对力学知识、力学规律的牢固掌握、综合运用为前提的。如在验证“加速度与力、加速度与质量的关系”的实验中，只有对连结体正确运用牛顿第二定律，从立式中熟练分析加速度和小车质量、砂桶重力、摩擦力(当出现未平衡或平衡不足或平衡过度等情形时)相互之间关系，才能对诸如图线为何弯曲、如何弯曲、何时不过原点、与哪个量成线性等问题加以分析，得出正确的结论。更为重要的是，很多时候考题中出现的不是课本上的原型实验，而是其变型或拓展。

2. 注重力学习题与实验模型的转化。

近年来的许多力学实验题，总是和力学习题有千丝万缕的联系，有的更是直接由习题变化而来。因此，从这一点上来讲，力学实验出新题很容易，其灵活性和多样性也很容易做到，许多题目都可以转型为实验题，一样可以考出能力。(如2008年江苏高考第11题)

3. 挖掘实验中的物理思想，总结实验方法。

2008年高考第11题中的物理思想和方法，所体现的是转换测量的方法。其实与之相似的物理模型有很多，如图1所示装置，为了测定在光滑桌面上的被压缩了x的弹簧中储存的弹性势能，同样可通过平抛运动规律测出离开桌面的动能，进而可知弹簧中储存的弹性势能。

再如图2，在验证碰撞中的动量守恒时，体现的依然是转换测量的物理思想，不过这里需要的是碰后速度(动量)而不是速度平方(动能)，故最后表达式中只有OP、ON、O′M等代表碰前或碰后速度的位移量，这里不再一一展开。

二、重对比、重扩充，在对每个实验巩固掌握的基础上，引导学生对同一器材去扩充不同的实验，同一实验去用不同的器材（或不同的设计）。

物理解题中注重一题多解、一题多变、多题归一，其实，在力学实验的复习中也要注重这种思想，不过在形式上稍有不同。针对高考中力学实验有许多是原题的改型，复习中可让学生思考同一器材可开展多少实验?并加以区别、对比。

例如：图3为探究牛二定律实验的装置图，但这一装置还可以用来做其他很多实验，命题人可以多角度多方位来考，如：研究匀变速直线运动、验证机械能守恒(M和m构成的系统)、测定动摩擦因数等。

在不同的实验中，看上去相似的东西有许多不同的本质，如图4为探究加速度与物体受力的关系时画出的a-F图，图6为研究匀变速直线运动时画出的v-t图。两图都发生了弯曲，且实验装置图也一样，许多同学在分析弯曲原因时就可能搞不清楚二者的区别。图5是该实验在研究某一次匀变速(即一根纸带)时的情形，v-t图告知我们后来a在变小，主要原因是滑轮高度不适当，从而使小车在末端时拉线与板不平行，合力变小，使a变小。这样的对比训练，必然使学生受益匪浅。值得注意的是，在2010年江苏高考卷中，这个装置又被用来探究空气阻力对物体运动速度的影响。

三、对力学分组实验的复习应注重实际操作，熟悉过程，把握细节。

在力学实验的复习中，许多老师为了节约时间，热衷于“纸上实验”，以为这样做是省时高效的，其实不然。让所有同学进入实验室，亲手做一下，重温过程，体验细节，对提高复习的有效性是大有裨益的。

1.力学实验的遗忘甚于电学实验, 由于力学实验是学生在高一时所学, 再加上较多同学平时不重视, 进入高三, 已时隔两年, 遗忘是必然的事情, 而亲手操作、亲历过程是最好的记忆重现手段, 这些时间是值得“浪费”的。当然, 可以将实验进行某些归类, 如按器材分类有:打点计时器类、平抛类、单摆类, 可以几个实验一起做, 分类复习。

2.有利于细节的把握。有许多实验题其实是实验中细节的重现, 如在验证机械能守恒定律的实验中, 要选取起始二点间距约为2mm的纸带, 许多同学都知道“2mm”的来历, 即, 但实验中按正确步骤操作 (即先开打点计时器后释放纸带) 不一定能得到满足条件的纸带。这一点, 不亲历, 是不会体会的, 只有去实际操作, 才会发现有多条根本不接近2mm, 其实这是由于打点计时器的打点针不容易恰好和手的动作同步, 所以实验中要求多打几条, 所以才有了挑选纸带这一步骤 (当然还要挑选点迹清晰的低带) 。

3.有利于互动合作, 有利于培优补差。由于个体的差异, 在课堂上不可能每个学生都能达到良好的实验复习效果, 进入实验室后的分组实验, 有利于他们取长补短, 合作探究, 互相促进, 大面积提高复习效率。另外, 实验中的小组分作、互动探究也有助于物理品质的培养, 有助于合作探究思想的养成, 而这正是我们物理学科教学的最终目的。

参考文献

[1]吴政.电学实验大思想与小方法[J].物理教师, 2009, 7, 20.

实验方法及思想 篇2

一、研究目的、意义

数学是文化的一部分，数学教育从某种意义上来说就是数学文化教育。它不仅具有使学生掌握、运用数学知识、技能等功利性的功能，而且应该具有使学生受到良好的数学思想方法的训练，提高学生数学文化素养等质性的功能。一个受过良好数学教育的人，在数学方面的学习和训练所形成的科学素质，无论干什么工作，都会起到重要的作用。

美国将有“学会数学思想方法”作为有数学素养的五项标志之一；由此看来，强调数学思想方法教学早已成为各发达国家的一致共识。在我国，初中、高中在数学教学中进行数学思想方法的教学已有深入地研究，并且成果显著。如何在小学数学教学中有意识、有序地渗透数学思想方法为学生顺利升入中学打好基础已成为目前急需探索解决的问题。

二、研究过程

（一）从教材分析入手，提高教师对数学思想方法的认识。

以往的课堂教学，教师对数学思想方法的重视不够，学生的基础知识比较扎实，但缺少对数学思想方法的认识。长此以往，学生的数学素养难以得到质的飞跃。我们对一些教师进行访谈，有的教师说：“备课中考虑知识点多一些，数学思想方法考虑较少。”有的教师说：“教参上、大纲上都谈到过要适当渗透数学思想方法，但对此没有清晰完整地认识。”还有的教师说：“有些教学内容中蕴藏的数学思想方法比较明显，课堂上就渗透一些，但有些内容蕴藏的数学思想方法不太清晰，就没有深入挖掘。”„„教师的备课中、业研活动中对数学思想方法的挖掘、研究都不够。面对现状，我们从提高教师对渗透数学思想方法重要性的认识及对数学思想方法的学习入手。从分析一个个小小的案例入手，让教师在尝试体验中感悟到对学生渗透数学思想方法的重要性，引起教师思想上的重视。思想上达成共识后，我们又系统的学习了小学数学思想方法，明确了小学阶段应对学生渗透哪些主要的数学思想方法：符号化的思想方法、极限的思想方法、化归的思想方法、数形结合的思想方法、集合的思想方法、函数的思想方法、对应的思想方法、归纳的思想方法、统计的思想方法、量化的思想方法、建模的思想方法。

同时，我们对现行教材人教实验版（2年级）内容进行了具体分析，并对数学思想方法和数学知识的结合点整理，进一步提高了教师对数学思想方法的认识水平，并编写《数学新思维》一书，经过一系列实践，取得阶段性成果

（二）抓住课堂教学的主要环节，突出数学思想方法。

1、课前的把握

作为教师首先要更新观念，把数学思想方法教学的要求融入备课环节，其次要深入钻研教材，努力挖掘教材中可以进行数学思想方法渗透的各种因素，对每一章每一节，都要考虑如何结合具体内容进行数学思想方法渗透，渗透哪些数学思想方法，怎样渗透，渗透到什么程度，应有一个总体设计，提出不同阶段的具体教学要求。

2、课中的渗透

①在探索知识的发生、形成过程中渗透数学思想方法。数学思想方法呈隐蔽形式，渗透在学生获得知识和解决问题的过程中，如果能有效地引导学生经历知识形成的过程，让学生在观察、实验、分析、抽象、概括的过程中，看到知识背后蕴涵的思想，那么学生所掌握的知识才是可迁移的，学生的数学素质才能得到质的飞跃。在在探索知识的发生、形成过程中渗透数学思想方法，要注意不简单下定义，规律公式教学中不要过早给结论。

②在解题思路的探索过程中渗透数学思想方法。

课堂教学中，学生是学习的主人。在学习过程中，要引导学生积极主动地参与，亲自去发现问题、解决问题、掌握方法。对于数学思想方法的学习也不例外。在数学教学中，解题是最基本的活动形式之一。数学习题的解答过程，是数学思想方法亲身体验和获得的过程，也是通过运用加深认识的过程。

③在解决实际问题中领悟数学思想方法。加强数学应用意识，鼓励学生运用数学知识去分析解决生活实际问题，引导学生抽象、概括、建立数学模型，探求问题解决的方法，使学生把实际问题抽象成数学问题，在应用数学知识解决实际问题的过程中进一步领悟数学。

3、课后的反思

数学思想方法的获得，一方面是课中有意的渗透，但更多的是靠学生在反思过程中领悟，教师要引导学生自觉地检查自己的思维活动，反思自己是怎样发现和解决问题的，运用了哪些基本的思考方法、技能和技巧，走过哪些弯路，有哪些容易发生的错误，原因何在，该记住哪些经验教训等等。只有这样，才能对数学思想方法有所认识，对数学的理解一定会由量的联系发展到质的飞跃。

(三)进行教学研讨和反思总结，提炼数学思想方法教学的主要教学模式

数学思想方法的教学不能游离于提出问题和解决问题的过程之外，不能离开活生生的教学活动。那种把数学思想方法教学变成空洞的说教，变成华丽的名词、术语的堆砌的做法是不足取的。因而，有必要研究数学思想方法课堂教学的模式.两年来，我们不断学习理论，学习名师的上课思路、执教方法，反思自己教学行为的不足，做到了实验教师及时自我反馈，教研组一月一小结反馈，学校一期一活动一反馈，以促进自身专业水平的提高和教学模式的形成。

在建构主义的理论指导下，我们经过“课题引路课

骨干教师引领课

课题示范课

实验教师研究课”等一系列特色与实效相结合的研究形式，提出了突出数学思想方法的“发现探究式”教学模式，主要为以下基本程序：创设情境——自主探究——建立模型——解释运用——专项检测——拓展延伸具体阐述如下：

（1）创设情境（感悟数学思想方法）在课堂教学之始，首先创设引人入胜的情境，激发学生的学习兴趣和探究欲望，因为建模学习下的情境要为建立模型服务，因此情境的创设不仅是为了引入新信息激发学生的顺序学习兴趣，而是为了累加信息使学生学会用数学知识解决实际问题的方法，加强学生学习数学知识也应用数学知识之间的联结。所以教师在引入情境之前，要认真创设情境，不要让情境如同昙花一现，而应创设一个与教学内容机密结合、有拓展性的，最好横贯穿教学始末的情境，这为学生明确学习目标、建立数学模型，并运用数学模型解释生活现象提供了条件，也为学生数学应用意识和创新意识的发展提供了空间。

（2）自主探究（体验数学思想方法）建构主义的核心观点是“给学生提供思维活动的时间和思维空间，让学生主动构建自己的认知结构、培养创造力”，在学生自主探究过程中，学生进入了独立思考状态，学生对问题的独立研究和探索是其运用数学思想方法经历数学知识的形成过程，也是掌握数学本质的过程，是提供相对于自己来说的知识创新、思维创新和观念创新的空间。在这个阶段，教师应该做的是给学生提出处于学生最近发展区的问题，当学生对所学新知识有了初步认识之后的变式问题。

（3）建立模型（揭示数学思想方法）这一环节是对学生自主探究后知识的梳理和归纳，在师生共同的交流、分析中，去伪存真、去粗取精，使零乱的知识系统起来，也是对本课中所主要渗透的数学思想方法的揭示和归纳，使学生初步实现由表象到本质的飞跃。

（4）解释运用（运用数学思想方法）建立数学模型后，对模型的解释和运用主要是回应课前的情境问题，让学生明确顺序模型的建立是为了更好地解释生活、服务生活。

（5）专项检测（强化数学思想方法）这个环节要注意知识目标和数学思想方法目标的达成训练，并进行这两方面的简单测试，测试题要面向全体，兼顾不同层次的学生。

（6）拓展延伸（延伸数学思想方法）主要是指对学生进行数学知识的拓展和数学思想方法的迁移和延伸。教师在实施这一模式的过程中，要充分体现出模式的特征和过程，通过教学实践的检验，针对不同情况有所变换，进行建模评价，将设计与实践进行归纳总结，从而获得建模成功与否的结论，以便改进。做到有模但无定式，从而形成了一系列更为具体灵活的子模式群。

子模式群：教学模式一：观察猜想式。教师引导学生恰当运用观察与实验来获取经验材料，进行大胆猜想，发现新事物。操作程序可设计为：情境——观察­——猜想­——实验­——验证­——应用。此模式适用于规律课（公式、性质）、计算课的教学，在教学中强调从特殊到一般的方法。

教学模式二：比较归纳­­式。运用类比、对比帮助学生找出相关数学概念、相关数学命题之间的联系与区别，从而确切地去理解数学 概念系统，澄清一些易于混淆的概念、公式。情境导入——集中呈现——提出假设——分析比较归纳验证——巩固运用”此模式适用于概念课，新授与复习课。在教学中强调，结构思想、最优化思想、比较与分析、归纳与类比等方法。

教学模式三：抽象建模­式。在数学实际应用问题中经过逐步抽象，概括而得到数学模型、其程序是：创设情境——抽象数学问题——理清数量关系——建立数学模型——解答——专项检测——拓展延伸。此模式适用于数学实际应用问题教学，在教学中强调建模思想。

教学模式四：化归转化式。借助旧知识、旧经验来处理面临的新问题。其程序是：情境——对问题观察——联想——回忆旧知识——问题解决。此模式适用于“规律”课，复习课，在教学中强调化归思想、转化思想、数形结合思想。

没有模式，就没有特色，当然，不能为模式为模式，把本应生动活泼的课堂教学变成僵化的模式操作。

三、对比分析

在减负的呼声一浪高过一浪的时候，我们老师很委屈，因为我们总是觉得时间不够用，题海战术在老师中仍大受吹捧，并美其名曰：我们是对学生负责，可是自从参加了数学思想方法的试验研究以后，有些老师说这句话不在理直气壮，因为他们终于知道了差距在哪里，问题出在哪里。校领导提了几年的“要深挖教材、集体教研要落到实处”的要求终于得到了认同。大家一致发自内心的感到：提高成绩要从提高学生能力，全面掌握教法抓起。过去研究教法、学法是被动的，而现在老师主动要求教导处组织大家进行教法交流、学法交流。大家在实践中逐步认识到学法的重要性，尝到了学生掌握学法后举一反三、一劳永逸的甜头。

实验方法及思想 篇3

1在课堂教学中，变教师讲实验为学生做实验

在实际教学中，由于缺乏实验器材，或者由于实验操作比较麻烦，要占用较多的授课时间等原因，很多教师往往将教师演示实验变为教师讲解实验，教师依照课本上提供的图片等素材给学生讲解实验的操作过程、实验所产生的现象、由实验现象所得出的结论等.还有些教师认为，做实验不如讲实验，讲实验可以节约很多的时间，通过大量练习可以有效地提高学生的考试成绩.其实，这样做教师虽然完成了教学任务，给学生传授给了知识，学生也许也明白了实验所揭示的物理概念或物理规律，但由于学生不能亲历实验的全过程，学生对实验现象的认识、对实验操作方法的领悟都远不及教师的实际操作印象深刻，同时，也不利于学生实验操作能力和科学探究精神的培养，这与新课标对物理实验教学的要求是相违背的，所以，教师在教学中要千方百计创造条件，根据教材切实开展好演示实验，让教师的演示实验真正发挥示范作用.

2变动画演示为实际操作

现代多媒体教学手段的运用给教师的教育教学工作带来[HJ1.1mm]了极大的便利，也大大提高了课堂教学的效果，但在实际的物理教学中，有些教师为了教学的方便或者增强实验现象的可视性，利用动画模拟或实验视频来代替教师的实验教学，这比起教师讲实验来效果有所增强，但还是有诸多的弊端.动画模拟虽然形象直观，但带有很强的主观因素，动画模拟所展现的场景都是教师预先设计好的，教师想要什么样的效果它就能展现什么样的效果，这与实验操作相比缺乏真实性.教师利用多媒体向学生播放实验操作的视频，学生虽然对实验现象和实验操作过程有了一定的感受，若但学生不能多角度观察实验，教师也不能适时地对学生进行提示和点拨，这将不利于學生实验操作能力的提高.所以，这种教学形式在实际教学中尽可能少用.

3变验证性实验为探究性实验

目前，在物理教学中，一些教师还是在积极开展实验教学，但大多数实验还停留在验证性实验的层面上，教师还没有积极组织学生开展探究性实验.无论教师的演示实验、还是学生实验，都是为了再现某一物理现象或验证某一物理规律，教师和学生都是按照一定的程式有板有眼地来完成实验，实验现象、实验结论都是事先预设好的，这样的实验教学不利于培养学生的创新能力和创新精神.所以，教师要积极引导学生多开展探究性实验，让学生自主选用实验器材，自主确定实验方案，自主开展实验探究活动，甚至鼓励学生提出不同的观点和看法.

实验方法及思想 篇4

一、对某重点工科大学物理实验教学现状的调研

为了调查当前一些工科大学生的实验能力情况, 了解实验思想方法在物理实验教学中被师生重视与否的现状, 笔者设计了15个相关问题进行问卷调查, 每个题目都给出固定的选项, 让调查对象选择最符合自己实际情况的答案。

1. 调查对象。

随机抽取某工科大学2013级本科专业电子科学与技术、地质学、应用物理学、电子信息工程、信息安全、交通工程、能源与动力工程、电子信息工程、自动化等理工科9个专业共350名学生作为本次问卷调查的对象, 于2014年11月做了此次问卷调查。

2. 调查过程。

为了保证本次问卷调查的可行性和有效性, 笔者在大规模调查前进行了试验性调查, 在该工科大学12级本科学生中邀请10名学生参与问卷调查, 在预调查的过程中, 注意观察调查问卷的设置是否妥当, 如有不完善地方可以进行调整。参与调查的10名学生都在20分钟内按要求做完了问卷调查, 说明该问卷内容设置相对合理, 可以正式展开调查。

正式调查选在13级本科学生在大学物理实验课的课前展开, 在各实验教师和学生的配合和帮助下, 共计发放问卷360份 (加预调查的10份) , 回收352份, 经过问卷中测谎题的设置筛选出有效问卷高达348份, 符合高样本数, 可以进行相关的数据分析, 该次调查顺利完满地结束。

3. 调查结果与分析。

笔者对调查问卷的15个问题进行统计并输入excel表格中进行汇总分析。物理实验是物理知识的先驱, 物理实验的思想和方法、实验手段等是其他学科实验的基础。大学物理实验在培养创新型人才的科学素养、科学方法、科学思维和科学精神等科学素质方面具有不可替代的作用, 它本应该是工科生非常喜欢的一门课程, 然而在调查问卷中, 48.8%的学生并不是很喜欢实验课, 甚至有78.2%的学生反映当前的大学物理实验教学并不能满足他们的学习要求。值得欣慰的是, 50%以上的学生认为实验中的物理思想方法同物理知识一样重要, 问卷第6题中, 只有13.5%的教师会重点介绍实验设计思想, 12.3%的教师会重点介绍实验方法。究其原因不难发现在传统的教学观念中, 大学物理实验普遍被认为是一种实践课程, 在实验课上要求学生按实验教材给出的步骤测量出数据, 实验结束后完成实验报告, 让学生学会操作实验就算达到教学目标了。问卷调查结果显示, 只有将近54%的同学对做过实验中的仪器和实验操作进行简单的描述或图示, 在实验课上, 只有10.6%的同学肯定自己能理想地操作实验, 20.4%的同学比较善于做好实验记录并对结果进行分析, 在实验中遇到故障只有11.2%的学生能自己独立解决, 对实验中经常涉及的模拟法、补偿法等基本研究方法, 只有24%的同学比较熟悉, 能熟练使用列表法、作图法等基本的实验数据处理方法的同学只有6.6%。通过上述一系列的数据显示, 大学物理实验课程并没有切实达到培养学生的基本科学实验技能、培养学生的科学思维和创新能力等目标。结合此次调查结果, 笔者也查阅了大量文献资料, 得出以下结论:当前的物理实验教学在学生的科学素质培养方面重视不够, 在物理实验的课堂教学中, 大部分教师在讲解实验时, 都是对实验的操作步骤和数据处理进行着重介绍, 而忽视了实验中蕴含的科学精神、科学方法等宝贵的物理思想。学生关心的也仅仅是测量数据和撰写实验报告, 基本不去思考实验的思想和方法, 只知道按教材步骤做, 不理解也不去探究这样做的原因, 导致在做完一系列的大学物理实验课后, 学生不仅出现对基本的实验方法完全不知, 还有实验兴趣下降、个人动手操作能力也没有提高的尴尬现象。更别提让学生掌握物理实验的丰富内涵、培养创新思维和提高学生科学素质了。这种忽略物理实验思想方法的教学理念割裂了物理现象和物理知识之间的内在逻辑联系, 对培养学生的创新能力不仅没有促进作用反而会起到一定的阻碍作用, 因为思想才是每一个具体实验的灵魂, 只有掌握了灵魂才能真正地学以致用。笔者大量查阅资料几乎没有见到有大量涉及实验思想方法教学的物理实验教材, 足以证明当前教育界对实验思想方法教学的重视程度远远不够。

由此可见, 当前的大学物理实验教育改革应该重点考虑的问题之一应是如何加强实验思想方法教学, 引导学生注重实验研究方法, 在实验中培养学生的创新能力, 锻炼学生成才从而推动我国的科学技术创新步入一个新的辉煌。在大学物理实验教学中, 着重探讨实验思想方法的教学, 把握大学物理实验的精髓对于培养学生的创新能力和科研精神, 造就一批高素质的卓越工程人才有着重大的现实意义。

二、重视实验思想方法教学在大学物理实验教学改革中的必要性

重视实验物理思想方法在大学物理实验教学过程中的运用, 对培养大学生的创新精神有很大作用, 回顾物理学史, 从古代物理学、近代物理学到现代物理学, 它的产生和发展, 都是科学前辈们运用创造性思维的成果。纵观历史, 有哪一项重大的科学创新不是和科学思想的应用与发展有关?在物理学史上, 牛顿创立了万有引力定律得益于他造诣颇深的数学思维, 卢瑟福基于自己灵活的类比思维提出原子的“行星式模型”, 伦琴发现X射线的最大助力是她的直觉和灵感, 爱因斯坦创立相对论得益于理想化思维方法等。在物理学的发展长河中, 几乎每一个物理实验的诞生都有一定的历史渊源和时代背景, 尤其是历史上一些重大的物理实验所蕴含的丰富物理思想。在实验教学中向学生展示物理学家设计实验的思考过程以及物理学家所散发的科学精神, 物理学家们在团体合作、思维的发散基础上完满解决科学难题的事例给学生培养团队合作意识和创新意识树立榜样。物理实验的思想方法方法不但适用于自然科学的研究, 也适用于其他科研探究。在物理实验操作中经常会应用到分析、综合、抽象、概括、演绎等思维方法, 这些思维方法更是学生进行思维活动所不能缺少的。“授人鱼, 不如授人渔”, 素质教育的核心要求是创新教育, 是让学生知道为什么要这样去做。所以说学习实验的物理思想方法在培养学生的科学素质方面有更加长远的意义, 远比仅仅学习实验的操作步骤受益深远。例如, 实验方法中的控制变量法可以培养学生初步分析问题、研究问题的能力, 转换法有利于培养学生思维的灵活性, 替代法有利于培养学生思维的变通性, 模拟法有利于培养学生的科学想象力。对于学生来说, 科学思想、科学方法、科学精神和科学态度, 将会影响着他们未来的事业和生活, 不管他们将踏入什么样的工作岗位, 即便是忘记了具体的物理实验, 但掌握的物理思想方法可以指导他们作为社会人, 应用他们已经内化了的物理思想方法形成善于分析、归纳、分类、综合等的工作思维, 从而思考并解决问题。可以说实验思想方法的学习和掌握是他们在汲取科学研究中最高层次层、最有迁移价值的财富。对于教师来说, 重视实验思想方法的教学也有利于他们的创新发明, 在实验教学的过程中, 教师只有充分挖掘出实验中典型的科学思想和科学方法才能更好地教导学生学习, 同时教师可以对实验的程序和设备进行探究, 如果能有所突破并应用到教学中, 也有利于激发出学生的创新意识。

三、结束语

物理实验思想方法凝聚了物理学家们的巧妙构思, 是他们创新智慧的结晶。当前的物理实验教学改革可以在教材中突出物理实验思想方法的介绍及讨论, 教师要注意引导学生认真分析实验中所涉及到的实验思想方法, 尤其是一些典型的方法要着重讲授, 同时要求学生在实验报告中探讨该实验思想方法的合理性。比如测量金属材料杨氏模量的实验要让学生掌握光杠杆镜尺法;分光计实验中让学生掌握自准直法;电位差计实验中要让学生知道补偿法的应用等。教师还可以从实验的目的和现有条件出发, 指引学生探索实验思想方法, 从具体要求出发, 探究哪种方法最适用, 在“探究、实践、交流”的实验教学中彰显学生的主体地位, 提高学生的实验兴趣, 激发创造性思维, 培养出符合时代发展要求的创造型人才。

参考文献

[1]刘电芝.教育与心理研究方法[M].重庆:西南师范大学出版社, 2002.

[2]谢宜臣, 潘维济.普物实验物理思想浅析[J].大学物理, 1998, 17 (12) :20-21.

[3]兰燕.重视实验思想方法, 提高学生科学素质[J].大学物理, 2007, 26 (3) :46-48.

电能质量设备实验方法及实验平台 篇5

电能质量设备用于改善电能质量,为用户提供优质电力。应用现代大功率电力电子和控制技术实现电能质量控制,为用户提供满足特定要求的电力供应技术,称为定制电力技术(custom power)。因此,电能质量设备考核、实验本质上是对大功率电力电子装置进行实验。国内目前对定制电力设备进行考核、实验的方法及平台的研究属起步阶段,迄今为止国内尚无类似的综合实验系统。“十一五”国家科技支撑计划重点项目之一“电能质量复合控制技术及装置”的重要内容之一就是电能质量实验方法及装置的研究。近年韩国LG Industrial Systems公司建立了定制电力设备实验场(Korea custom power plaza,KCPP)。KCPP由动态电压恢复器(DVR)、配电网静止无功补偿器(D-STATCOM)、固态转换开关(SSTS)、有源电力滤波器、谐波发生器、负载箱等构成。通过电能质量监测系统实现对定制电力设备性能的评估[1]。KCPP属于动模仿真系统,用于评估定制电力设备的性能。KCPP无法模拟被实验设备运行的电网环境,且造价较昂贵。

根据国家相应标准,电能质量设备的考核内容不仅包括测试电能质量设备本身固有的各种电气参数和性能,而且包括电能质量设备在电力系统环境运行时综合衡量设备的运行功能和各项性能指标。目前,无源/有源电力滤波器、静态和动态无功补偿设备、各种电能质量改善设备在工业供电系统和电力系统中广泛使用,但是,对这些设备缺乏有效可行的考核、实验方法。电能质量问题复杂性决定了其实验方法的多样性,如谐波、不平衡度、电压闪变、电压暂升、暂降等,构建如此复杂的实验电源存在困难。因此,有效的办法是将电能质量设备的考核建立在模拟电力系统环境的实时仿真平台上,并提供具有高电压、大电流的实验环境。

建立电能质量设备综合实验平台需要解决如下关键问题:①为被考核测试设备(以下简称被测设备)建立符合实际运行条件的电网环境,将被测设备置于模拟电网环境中,进行各种接近实际工况的运行考核;②将被测设备的各种运行状态反馈到模拟电网中,实时考核和评价被测设备在电网中的运行和控制情况,并根据其结果进行评估;③为实验平台提供高电压、大功率电力电子接口装置;④构建大功率电力电子负载,用于模拟任意负载特性,该负载应能受控于实时数字仿真系统,并可模拟各类负载特性,为实验平台提供负载环境。

大功率电力电子装置实验主要有物理模拟和数字仿真2种方式。物理模拟除了模拟效果的等效性问题外,建立相应的电力系统环境需不菲的投资。数字仿真由软件建立电力电子装置及其所运行的电力系统环境,成本低,易于实现,但其效果与建模精度密切相关,而理想化的模型无法完全真实反映电力电子装置的性能[2,3]。采用数字—物理混合仿真方法,即在数字仿真系统中建立电网环境,由模拟样机或原型装置再现实际装置,将两者结合,是解决大功率电力电子装置仿真难题的有效方法[4,5,6,7,8,9]。

1 理论依据

由物理器件对真实系统的行为进行仿真,两者之间的关系必须满足相似定理。物理仿真系统的过程可以用微分—代数方程组进行描述。数字仿真系统则是从描述实际系统行为的微分—代数方程出发,实时求解微分—代数方程,输出结果即为被仿真系统的行为。因此,物理模拟和实时数字仿真都再现了实际系统的行为,两者统一在描述系统行为的微分—代数方程组上。电力系统的微分—代数方程就是系统运行状态方程:

$\begin{array}{l}\dot{\mathit{x}}=\mathit{f}(\mathit{x},\mathit{\mu },\mathit{y})(1)\\ \mathit{g}(\mathit{x},\mathit{\mu },\mathit{y})=0(2)\end{array}$

式中:x为微分方程组的状态向量;μ为输入向量;y为输出向量。

式(1)主要有如下几类微分方程:发电机暂态、次暂态电势变化过程;发电机转子运动、励磁系统暂态过程;原动机及其调速系统暂态过程;负荷或感应电动机暂态过程;网络电感、电容元件;线路暂态过程的偏微分方程;等等。式(2)描述上述微分方程以外的其他内在联系。

2 实验平台方案及实验方法

2.1 基本结构

综合实验平台结构原理示于图1,由实时数字仿真子系统、动态物理模拟子系统、监控单元等组成。实时数字仿真子系统包括数字仿真单元、数字等效受控源、输出端口、监控设备等,数字仿真单元采用目前国际上广泛应用的实时数字仿真仪(RTDS)[9]。动态物理模拟子系统包括大功率接口装置、被测试设备、监控设备等。

实时数字仿真子系统通过输入边界点的电压、电流信号,经A/D转换后变成数字量,形成数字仿真子系统的边界条件,称为软件接口;动态物理模拟子系统在读入信号的控制下,在其网络端口上形成相应的模拟电压和电流信号,称为硬件接口。实时数字仿真子系统的输出端口信号通过软件接口控制大功率电力电子接口装置的运行,即将输出端口信号放大到实际现场水平。被考核设备与接口装置相连,所产生的补偿信号通过硬件接口传给实时数字仿真子系统进行仿真;该补偿信号作为等效受控源反馈到输出端口。动态物理模拟子系统、实时数字仿真子系统、接口、信号传输等所有必需的系统运行信号,通过监控设备传送至监控单元的数据库和全局控制单元,供存储、分析、显示。

实时数字仿真子系统建立被测设备所运行电网的实时仿真模型。在已知端口电流或电压的条件下,实时数字仿真子系统的边界条件由动态刷新的电流源或电压源代替。大功率电力电子接口装置为被测设备提供电源,或作为大功率非线性负荷。被测设备由基本电路和控制单元组成。控制单元分析来自监控系统的运行数据,指导基本电路的运行。全局控制主要由人机界面、数据库和数据分析3部分组成,配合监控设备对平台的运行状态进行监控,消除接口时滞和放大误差。

2.2 体系结构

综合实验平台在功能上采用人工智能机器人体系结构(见图2),即按功能分为感知、规划和执行单元3个部分。感知部分作为机器人的信息来源是基础;规划部分主要包括监控单元中的全局控制单元,通过一定的规则,处理由感知单元得到的信息,指导执行单元的操作;执行部分主要包括接口控制单元,一方面根据感知信息和预先设定的程序动作,另一方面接受来自规划部分的指导。规划部分通过建立独立全局控制单元实现。通过建立平台机器人自学机制,利用实验的可重复性,通过对感知的外界信息进行多次学习、分析和处理,对平台仿真控制参数进行调整,逐渐达到实验所要求的运行状态和参数。

2.3 全局控制机制

全局控制系统由数据总线、人机界面、数据库、数据分析(状态监控、学习控制)组成,如图3所示。来自监控设备的系统运行参数通过数据总线传输到数据库;数据分析单元负责平台运行状态的监控和学习任务;人机界面为用户提供必要的图文信息,方便用户及时了解平台的运行状态。

2.4 实施流程

机器人的自学习能力体现在全局控制单元数据分析子单元内。全局控制的目的是分析数据库中已有的历史数据,通过对历史数据的学习,对平台当前运行参数进行修正,即修正接口装置逆变电路的输出。其流程如图4所示。

实验前对平台进行初始化;第n(n=1,2,…)次运行后,需检测全系统的状态是否符合测试、考核条件和要求;若不符合,进一步判断是否进行过第n次全局控制,以决定是否进行全局控制干预,即调整相应单元的参数,并记录运行情况;n=1时全局控制不介入;若已进行过第n次全局控制,则分析第n次运行状况,得出第n+1次的控制参数,指导第n+1次运行控制,为进入第n+1次循环做准备。重复上述步骤,在检测到运行参数满足实验条件和要求时结束实验。通过对最后一次运行结果进行分析,完成对被测设备的考核评估。

3 时滞和时变性问题及其解决措施

综合实验平台需要解决不同仿真系统之间的配合这一关键问题,其难点在于处理系统之间信号转换和传输引起的延时,以及不同算法之间的协调问题[10,11,12]。由于物理系统存在很大的能量流动,信号转换和传输延时较大;同时,物理仿真系统可以假设为步长无限小的数字仿真系统,即基本上不用考虑数字仿真系统与物理仿真系统之间的步长同步问题,只需重点考虑信号转换和传输延时的影响,接口设备的延时要尽可能小,存在延时的情况下通过全局控制等手段消除延时的影响,即机器人通过监控单元对平台运行进行全局监控,消除大功率电力电子接口装置的延时和放大误差。

实验平台采用连续—离散模型分离(CDMS)法解决高频开关引起的模型时变性、计算复杂程度高及误差大等问题(见图5)。将电路模型中的开关器件用理想电流源替代,然后用开关模型G(VSW)描述开关器件的电压、电流关系,从而将开关器件从整个电路模型中分离出来。由G(VSW)计算出开关电流,作为输入注入电路方程F(VSRC,ISRC,ISW,X)中;由电路方程计算出开关电压,亦作为输入注入开关模型G(VSW)中。因此,在大规模电路模型方程F中不再含开关器件,所以不受开关动作影响;开关动作时只需对G(VSW)进行更新,减少了计算量。

综合实验平台需解决不同模拟系统之间的配合问题。除了接口精度外,还要考虑各环节的传输和控制延时。实验平台延时主要由物理接口延时τf=τf1+τf2和数字接口延时τd=τd1+τd2组成。其中:τf1为数字仿真系统输出数据传输至接口装置控制单元所需的时间,主要取决于A/D、光隔等环节;τf2为接口装置接收数字仿真系统输出数据到形成相应输出所需的时间,包括控制系统采样、计算、下发命令和功率回路的固有延时;τd1为被测设备的返回功率信号经互感器、A/D、光隔等单元后到达数字仿真系统输入端口的延时;τd2为返回信号由数字仿真系统输入端口到写入寄存器所需的时间,主要取决于采样环节。信号采样延时主要由传感器相移造成,τf1≤20 μs,τd1≤20 μs;控制延时包括处理器计算延时和信号传递延时。接口装置采样和通信频率为96 kHz,考虑主控与驱动2部分的光纤通信,τf2为40 μs~60 μs。τd2主要由RTDS的采样和光隔环节决定,为20 μs~40 μs。因此,平台的混合仿真预计总延时为100 μs~140 μs。

采用PSCAD联合MATLAB对实验平台结构进行仿真,分别设置延时100 μs和200 μs进行仿真。测试对象为有源电力滤波器,负载为不可控整流桥,电压380 V,频率50 Hz。图6为接口装置输出的电压波形。结果表明,当总延时控制在100 μs以内时,仿真平台具有良好的性能;而当总延时达到200 μs时,输出电压发生振荡。

4 大功率电力电子接口装置

综合实验平台的大功率电力电子接口装置受控于虚拟数字电力系统,为被测设备所需的电力系统环境提供能量并完成所需能量的输入和回馈。大功率电力电子接口装置应具有响应快速、波形可任意设置等特点。大功率非线性负荷受控于实时数字仿真系统,并可模拟各类负载特性,为实验平台提供负载环境。大功率电力电子接口装置应能实现能量交换和回馈,使整个实验系统所需能耗最小。

大功率电力电子接口装置采用全控器件——绝缘栅双极晶体管(IGBT)和续流二极管等构成三相整流加逆变结构,主要由隔离变压器、整流电路、逆变电路及控制单元组成,如图7所示。

整流电路通过隔离变压器接交流电源,逆变电路接被测设备基本电路。为能提供稳定的直流电源,整流电路采用独立控制方式;考虑直流侧负荷变化的影响,采用脉宽调制整流控制策略减小注入电网的谐波,并实现单位功率因数的控制。逆变单元要求快速跟踪端口信号,采用响应快速无差拍控制技术,并与平台全局控制相结合,实现端口信号的精确跟踪。被测设备接到逆变器的交流输出侧,因而所需的无功能量通过逆变器进行实时交换和分配。由逆变器开关死区时间产生的电压波形校正、控制延时等问题均可通过人工智能机器人解决。

当需要大功率非线性负荷时,将三相整流电路变换成逆变电路,而将逆变电路变换成整流电路。非线性负荷由被测设备驱动,而负荷的性质、参数则由实时数字仿真子系统控制。

在以上研究的基础上,目前已完成100 kVA/380 V综合实验平台样机。样机接口装置输入为三相380 V市电电源,额定输出为三相380 V线电压,最大输出电流150 A,在接口装置的输出端接无源滤波器,对输出波形进行滤波。对电压380 V、补偿电流100 A的有源滤波器进行测试,效果接近有源滤波器实际运行效果。以A相为例,实验结果的电压波形见图8,可见输出电压与控制电压基本重合,实验平台输出电压总谐波畸变率不大于3%。

5 结语

电能质量设备考核测试综合实验平台利用物理仿真方法具有的现象直观、物理概念清晰、可以用原型机(实际装置)进行仿真等优势,利用数字仿真系统能够灵活方便地更改设置参数、通用性强、模拟规模较大等优势,将物理模拟与数字仿真相结合,充分发挥这2种仿真系统的优势,并与大功率电力电子技术结合,在提高接口电气参数的同时,实现大容量功率吞吐,解决数字—物理混合仿真中功率放大器的性能限制及大功率非线性负荷等问题。目前已完成100 kVA/380 V综合实验平台样机,下一步将研制2 MVA/10 kV的实验平台。作为一种尝试,本文的研究目标是解决电能质量设备检测难题,也是对电能质量设备仿真技术的一次探索。

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实验方法及思想 篇6

一、新形势下实验管理员应该树立的服务理念

1. 实验管理中心为教学服务职能。

为教学服务是实验室最基本的职能。以前的实验室由教研室直接管理, 实验教学从属于理论教学, 实验技术人员归属教研室, 参加教研室的业务学习、布置教学任务、编排教学大纲、安排考试、监考等与实验无关的事情, 使得实验室独立活动能力弱, 缺乏应有的活力。体制改革后, 实验室脱离了原来的教研室, 实验项目设计和设置、实验教材的编写、实验教学研究就成为实验教学的重要内容, 实验室地位和独立性有所提高, 实验技术人员参加管理中心的业务学习和活动, 内容针对性强, 使实验技术人员有更多的时间和精力用于本职工作。提高服务意识, 营造奋发向上、不断进取的氛围。

2. 实验管理中心为科研服务职能。

单科教学实验室各自为政, 独立设置, 学校内部各实验室之间缺乏相互协作, 设备资源不能够充分利用, 不能为教师科研工作提供方便。改制后实验室的资源共享, 所有仪器管理中心统一调配, 进行科研的教师只要将自己的科研计划及所需仪器报给管理中心, 由管理中心协调各个仪器的管理员, 该仪器管理员充当科研教师的助手, 做出来的成果有实验员的一份, 达到多赢。实验员应该树立正确的服务意识, 做好辅助工作, 为教学和科研服务到位。

3. 实验管理中心为社会服务职能。

开放实验室为社会提供服务是原实验室体制所不能做到的。实验管理中心自身的独立性和管理上的灵活性是其为社会开放成为可能。实验室的资源共享不应该局限于校内共享。

充分发挥自身优势, 面向社会承接和提供技术服务, 能够面向校外开展职业技能培训, 专业技术、技能鉴定考核, 专业研究、技术开发、生产及新技术的应用推广等。实验管理中心是多学科综合性中心, 在社会服务方面有很大优势, 实验管理中心可以制定出一系列服务制度:实验项目、大型仪器的服务功能及收费标准、实验项目和大型仪器负责人的联系方法及预约方式等, 使仪器设备的使用率得以充分发挥。

二、新形势下实验教学工作方法

1. 实验教师充分备课, 课后认真总结。

实验专任教师收发仪器, 配制药品、试剂是分内之事, 要提高实验教学质量, 创造性地开展实验教学工作, 就要备好课, 要了解学生的知识水平, 才能因材施教。备好课是准备好实验的前提和保证, 只有备好课, 才能对学生在实验过程中易出现的问题做到心中有数, 才能保证实验的准确性和高效性。实验后根据实验过程中出现的问题和同学们的反馈信息, 协同任课老师认真探讨解决实验教学中的问题, 并对实验方法进行改进。

2. 让学生整理实验室, 提高动手能力, 培养统筹兼顾的思维。

实验室全面的设施、合理的布局, 能使人心旷神怡, 赏心悦目, 有助于陶冶人的情操, 对师生员工塑造美好心灵、激发开拓进取精神, 约束不良风气和行为, 增强学校的向心力、凝聚力起着重要作用。让学生动手整理实验室, 需要广大教师积极配合, 才能达到调动学生主动性和提高学生综合素质的教育目的。

3. 让学生准备实验, 提高思维能力, 培养预习习惯。

传统教育观强调学习是灌输, 学生是被动接受的过程, 以教师为主, 学生围着教师转。科学教育观强调学生是主体, 教师要围绕学生转。让学生准备实验, 让学生主动参与教学活动, 师生充分交流, 把化学实验的主动权还给学生, 师生的友好合作能使课堂气氛活跃、轻松、愉快, 能使学生不断充实自己、完善自己。在实验课上, 让学生自己准备、自己操作、自己分析、自己总结, 这样给学生一个科学实验全过程的训练, 初步了解科研工作的科学性、严肃性、奉献性。同时提高思维能力, 培养预习习惯。

4. 改革实验课程的考核方式, 提高教学效果。

实验教学是培养创新和实践人才的重要手段。由于传统的成绩考核方式的影响, 大部分学生在思想上重理论, 轻实验操作, 在实验课上不认真操作, 随随便便, 不总结实验成功或失败的原因, 实验报告互相抄袭, 在实验中没有达到能力的培养。在学生实验过程中实行跟踪考核, 对操作过程中出现的错误及时给予指导更正。在期末对实验进行口试与实际操作考试, 既考理论知识, 又考操作能力, 考试方法改进, 引起了学生对实验课的高度重视, 实验课真正达到了其教学目的。

三、总结

随着科技的飞速发展和社会的急剧变革, 教育目标、教学内容、教育方法等都在发生巨大的变化。通过实验管理中心的实验教学管理模式可以看出:高校要培养出高素质人才, 必须坚持“以服务为宗旨, 以就业为导向”的办学方针。实验管理中心作为独立的职能部门, 区别于依附于教研室的教学实验室, 被赋予了自身建设、自身管理以及其服务职能等诸多内容, 努力改革实验教学形式, 促进实验教学质量的提高。

摘要：实验室是高校育人的重要场所, 实验教学是培养人才的重要手段。本文从实验室的管理机制入手, 分析了实验室工作的服务功能, 总结了实验教学工作方法, 推动了实验教学与素质教育相结合, 使实验室工作及实验教学与新时期教育的发展相适应。

关键词：实验室,服务功能,实验教学

参考文献

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