本科毕业设计（论文）
外文翻译
通过实验项目进行物理教学
作者：Catalina Sterna*, Carlos Echeverriacute;aa, David Portaa
国籍：墨西哥
出处：C Procedia IUTAM 20 ( 2017 ) 189–194
摘要
对于任何层次的学生来说实验设计都是学习物理的一种有趣的方式。实验活动可以帮助学生以友好的方式获取，整合和构建知识。在过去的15年里，我们在理论课程中推进实验工作。学生们对此表现出了热情，即使他们不得不花费很多额外的时间，但对比他们厌恶的传统的实验课程来说，他们更喜欢这个。在本文中，我们介绍了最初的项目及其它对其他课程和新课程中的影响。我们不会讨论认识论方面[1]，只是略微概述这种方法的教学优势。
关键词：实验课程;物理教学;科学实验
1.简介
墨西哥国立大学理学院的物理课程自创立以来就就非常重视理论课程。实验课程大多与理论课程挂钩，在很多情况下，实验室报告甚至没有考虑到最终成绩。为了解决这个问题，在课程的最后修订版中，实验室课程变得独立。不幸的是，他们使用旧方法保留了旧设备，在那里，学生收到了关于如何进行某项实验的一系列说明，以及分析数据所需的确切程序。大多数学生觉得这些课程很无聊;他们声称他们没有学到任何东西，并且很多人都希望自己成为优秀的理论物理学家。有一个传言就是我们系物理专业的学生不喜欢实验。
在过去的十五年里，我们甚至在理论课程中也推进了实验工作。我们深信，让学生们对这些项目进行设计、开发和展示，不仅有助于他们更好地理解具体课程，而且学生通过整合和组织在以前课程中学过的知识，为其使用不同的资料处理数据提供理论依据，并有助于提高学生的书面语和口语水平。
我们的大多数实验都在流体中进行，因为这是我们的研究领域。流体力学在两门必修课的物理课程中都有出现，分别是大二(第三学期)的“集体现象”和大四(第七学期)的“连续介质力学”。在这两者中，学生可以选择一个进行实验或者是处理实验数据或理论的期末项目。令人惊讶的是，百分之八十五选择了进行一个实验项目。在某些情况下，特别是在高级阶段，会组织团进行实验和模拟。近年来，地球科学和生物医学物理等其他专业的学生也同时选修了这两门课程。除此之外，我们还可以教几门选修课。
许多项目都是在流体动力学和湍流学或声学实验室中完成的，其他学生正在进行研究，完成他们的本科或研究生论文，这些都与课程无关。所有学生之间都有很强的互动。他们相互学习，更优秀的学生会讨论项目的可行性并提出建议，这营造了一种大多数学生都喜欢的非常友好的氛围。值得注意的是，有些学生选择在课程结束后继续他们的工作。
2.基本思想和方法
来自高中的学生经常相信有一种科学的方法。在传统的实验课程中，我们强化了这一理念;我们希望学生做许多事情，例如：观察，测量，理解测量过程，确定发生的变量和过程，确定测量的不确定性，计算误差传播，做出假设，进行计算和绘图，找出变量之间的关系，将它们与以前的知识联系起来，总结并提出更好的实验建议，使用完美的西班牙语来描述这些，并在三个小时内完成为了简化流程，我们为他们提供了一系列说明。每个学期的实验组都是一样的。即使实验很有趣，学生也会觉得这个过程很无聊，因为我们没有足够的自由去思考和提出建议。这不是我们做研究的方式。
在项目体系中，学生从课程开始就被告知，他们成绩的30%或40%将取决于他们必须选择的项目。他们有几周的时间来决定他们要做什么。他们通常选择重复文献中报道的实验或在实验室中继续现有的项目，但有时他们会有自己的想法。他们必须提交一份有参与者姓名的提案，并说明他们将如何提出自己的想法。每个小组由三名学生组成，但如果他们将实验与数值模拟相结合，则可以有更多的学生参与;有些学生喜欢自己工作；但有些学生更喜欢独自工作。
在和实验室的助教和高中生讨论了这些建议，以确定其考虑空间，设备和时间的可行性。对于教学团队来说，这有时非常复杂，因为解决每个问题的方法是不同的。
一旦项目被接受并且与团队讨论程序，他们就可以在我们的一个实验室或家中进行工作;他们经常需要制造简单的设备。如有必要，我们会向其他同事寻求建议和帮助，特别是在获得数据部分。激光和高速摄像机是一个用来使非常复杂的流体行为可视化的一个很好的工具，但普通摄像机也给出了很好的结果。我们还有足够的材料来获取纹影和阴影图像。我们经常向其他实验室要设备和空间。
然后，最有趣的过程就开始了，因为学生习惯于黑板或总是成功的演示实验。这一次他们必须要做一些事情是他们必须思考当他们得到的结果与他们预期的不同时。在每一个步骤中，他们都能更好地理解问题，并且通常会修改程序。这是一个假设、实验和结果之间不断互动的动态过程。新的知识建立在先前的知识和获得的能力之上。这个过程可以帮助学生整合他们已经知道的知识，认识到力学并不是与光学、电学和磁学分离的。他们对数学的了解也很有用，因为他们经常不得不使用他们从以前的物理和数学课程中知道的所有内容来进行实验。他们在解决问题的同时也学习到了很多知识。他们理解了确定测量的不确定性和数据分析的重要性。当然，这种学习过程不仅仅在实验室才有，实验室只不过是提供了一个更友好的环境，在那里学生们可以与其他学生阐述自己的想法。每个人都在学习，包括老师。
最后，他们必须准备15分钟的陈述。他们必须选择项目中最重要的方面，并将其在课堂中呈现。他们还必须提交一份学期论文，其中包括他们提出的所有内容、结果、结论和参考书目。助教和教授一起分析了每个小组的程序后给项目打一个等级。
我们相信，在实验室中的学生将获得足够的信心来寻找他或她自己的答案。
3.一些例子
其中的一些项目需要进行跨学科合作。例如，对蒙氏剑尾鱼——一种具有长刚性尾巴的小鱼（图1a）的逃逸操纵的分析，帮助了一名生物学学生完成了博士论文。本论文的目的是确定这种尾巴作用是起装饰作用的，还是它对动物的生存有其他用途。学生已经知道尾巴较长的鱼需要更多的氧气才能直线游泳。因此我们设计了一个实验来观察它被扰动时的逃逸机动。我们班的学生根据尾巴大小测量逃生的角度和速度。最后得出的结果是尾巴只是起装饰性作用。
来自不同专业的学生提出了不同类型的项目，所以现在正在组建跨学科团队。他们研究应用于大气的涡旋动力学，或者不同直径的管道或非牛顿流体的湍流。他们也展示自己的个人兴趣。游泳爱好者还研究了在靠近海豚时自身周围的速度场（图2），和水球比赛后的热混合，或者从不同位置开始跳水时产生的洞。
图1 a）蒙氏剑尾鱼是一种尾巴刚性的小鱼。 b）实验表明尾部长度对逃逸机动的影响
图2底部：游泳者穿过气泡幕。 顶部：速度和涡度场。 这名学生继续她的项目，最近获得了同一科目的硕士学位。
如果项目非常好，学生可以继续工作，并将其呈现给墨西哥物理学会流体动力学部或国家物理学大会的教育部门。
有时，这个项目会成为一篇本科论文或一项社会服务。(在墨西哥，所有学生在获得本科学位前必须花六个月时间从事社会服务。)已经有几篇国会报告被接受发表(图3)[2,3]，另外一些在上述国会流体运动画廊获奖，一些视频在美国物理学会流体运动画廊展出(图4)[4,5]
图3左：凯伊效应，右：在乒乓球后面唤醒
图4 a）用粉末可视化的Ranque-Hilsch管，b）通过球体飞溅形成的空腔和射流c）用瑞利散射可视化的冲击波
我们有一个名为“流体的激情”(Pasion por los Fluidos)的网页，我们希望不久就能制作出双语版本，还有一个用来展示项目的youtube频道。学生们很高兴能在网上看到他们的工作，并一起帮助设计，所以我们在不断重建。值得注意的是，这个过程意味着许多小时的额外工作，因为它们必须满足理论课程的所有要求。
3.1对新课程的影响
这些思想已经渗透到其他具有不同结构的课程中。高级实验室课程没有足够的空间和设备，但每学期接收学生的数量却比较多。这种情况造成了一个严重的问题——许多学生无法按时拿到他们的学分。我们能够说服该部门在本学期，研究实验室中的一组三个项目足以代替当代物理实验室。许多教师都是校园物理研究所的研究人员，所以他们接受两个学生团队四周的短期实验并不复杂。学生和教授对这种安排非常满意。
现在许多本科实验室都在进行项目研究。在初中的电子课程中，一个团队设计了一个机器人，它能够在地上钻一个洞，能种植一定数量的西红柿种子，具体过程是：移动所需的距离钻一个新洞。
最后，生物医学物理新专业根据项目方案的变化，设计了前四门实验课程。一个由两名学生组成的团队花了四周的时间来完成一个项目，然后转向另一个项目。然而，第二组并没有从头开始，而是继续了前一组的工作，第三组继续了第二组的工作。这需要所有参与同一项目的学生之间进行沟通和讨论。在学期结束时，在每个项目结束时工作的团队展示了所有的东西。最后呈现的结果令人惊讶，例如，第三学期的学生能够建立一个血氧计。
4．结论
我们可以得出的结论是学生喜欢通过项目学习。报名参加我们课程的学生人数继续增加。我们相信，设计和实现项目所需的学习过程给学生在其他的研究领域和现实生活中都提供了帮助。然而，我们和我们的研究生投入的时间是巨大的，因为学校环境没有为这种类型的教学做好准备。
感谢印度农业总局和印度国立大学理学院物理系通过PAPIME PE105716项目提供的支持。我们其中的一员斯特恩(C. Stern)还要特别感谢几代在声学、流体动力学和湍流实验室工作的本科生和研究生，感谢他们的支持与帮助。
参考文献
[1] Koponen, I.T. amp; Mauml;ntylauml; T. Generative Role of Experiments in Physics and in Teaching Physics: A Suggestion for Epistemological Reconstruction, T. Sci Educ 2006; 15: 31.
[2] Ramiacute;rez de la Torre R.G, Vargas Ortega D.C, Centeno SierraM.S. , Meacute;ndez Fragoso R. and Stern Forgach C., Characterization of a Bubble Curtain for PIV Measurements; Selected Topics of Computational and Experimental Fluid Mechanics; Klapp Ruiacute;z-Chavarriacute;a, Medina Ovando, Loacute;pez Villa amp; Sigalotti, Springer Environmental Science and Engineering, 2015, pp-261-270.
[3] Ochoa Morales J.E., Ramiacute;rez Guerra C. amp; Stern Forgach C. New Experiments on the Kaye Effect, Experimental and Theoretical Advances in Fluid Dynamics, 2012 pp.433-441, Ed. J. Klapp, A. Cros, O. Velasco, C. Stern y M.A. Rodriacute;guez–Meza, Environmental Science and Engineering, Springer Verlag.
[4] Porta Zepeda D., Echeverriacute;a Arjonilla C., Stern Forgach C amp; Ley Koo M. Visualization of Flow Inside a Ranque Hilsch Tube. J. Klapp et al. (eds.), Fluid Dynamics in Physics, Engineering and Environmental, Applications, Environmental Science and Engineering, SpringerVerlag Berlin Heidelberg. 2013 pp. 523-525.
[5] Gutieacute;rrez Quijada S.V., Salazar Romero M.Y. amp; Stern Forgach C. Splashing of a Solid Sphere Impinging on Various Fluids. J. Klapp et al. (eds.), Fluid Dynamics in Physics, Engineering a
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