基于目標導向的分光計實驗分步教學法*

楊偉志

嘉應學院物理與光信息科技學院 廣東梅州 514015

基于目標導向的分光計實驗分步教學法*

楊偉志

嘉應學院物理與光信息科技學院 廣東梅州 514015

通過分析分光計調節(jié)和使用中的重點、難點，以及傳統(tǒng)實驗教學中存在的問題，提出基于目標導向的分步教學法。該法將分光計實驗教學分成四大模塊，講解與學生訓練穿插，循序漸進，并在每一模塊中提出訓練目標。

大學物理實驗；分光計；目標導向；分步教學

Author’s address School of Physics and Optical Information Sciences, Jiaying University, Meizhou, Guangdong, China 514015

1 引言

分光計是一種常用的光學儀器，主要用來測定棱鏡角、光束的偏向角等，加上分光元件（棱鏡、光柵）可作為分光儀器，用來觀察光譜，測量光譜線的波長等[1]。大學物理實驗課是學生進入大學后系統(tǒng)學習科學實驗知識和技能的開端，通過對物理實驗的觀察、分析、測量，培養(yǎng)學生從事科學實驗的初步能力。大學物理實驗項目涵蓋力學、熱學、電磁學及光學四大板塊。分光計的調節(jié)和使用實驗既能夠培養(yǎng)學生的基本實驗技能，又能培養(yǎng)學生應用理論知識解決實際問題的能力。無論從教學還是學生訓練的角度看，分光計實驗都具有典型性[2]。然而，筆者在教學實踐中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的教學法使分光計實驗并未充分發(fā)揮其培養(yǎng)學生實驗能力的目標，教學效果不佳。

2 分光計實驗教學中存在問題及難點

2.1 結構復雜，調節(jié)精度高，實驗步驟多

分光計是大學物理實驗和專業(yè)光學實驗中廣泛應用的精密儀器，其結構復雜，零部件較多。本文以浙江光學儀器制造有限公司生產的JJY型分光計為例，根據(jù)其結構外形圖[3]可知，其外形結構總共有31部分，還未包括光源、平面鏡、光柵等光學元件。其中，分光計的調節(jié)螺釘達到14個之多，它們的位置和功能各不相同。在調節(jié)及使用過程中，有些螺釘根據(jù)不同要求需要作鎖定或松動的變換，而有些螺釘需要作比較精細的調節(jié)。在實驗過程中，有些學生找不到需要調節(jié)的螺釘而束手無策，有些學生調錯了螺釘導致前功盡棄。

圖1 調望遠鏡光軸與儀器中心轉軸相垂直

分光計的調節(jié)一般分為粗調和細調兩大部分，每部分又分多個調節(jié)步驟。在調節(jié)平行光管使其產生平行光，并使其光軸與望遠鏡的光軸重合的過程中，需要調節(jié)狹縫的寬度，狹縫像的清晰度、豎直度及平行光管的傾斜度等。有些步驟需要進行多次反復的調節(jié)，如用逐次逼近法調望遠鏡光軸與中心轉軸垂直[1]，需要用“各半法”[4-5]反復調節(jié)，使平面鏡任一面反射回來的十字叉絲像均能和調整叉絲重合，如圖1所示，標示1和標示2重合。同時，調節(jié)過程是學生手、眼、腦并用和協(xié)調的過程，是學生邊操作邊觀察邊思考再調節(jié)的一個反復過程。這對學生來說，容易把前后部分實驗步驟搞混淆。

2.2 概念多，理論深，原理不直觀

分光計的調節(jié)和使用實驗過程中，涉及到較多的概念，如同軸、阿貝目鏡（高斯目鏡）、自準直、視差、偏心差及偏向角等。同時也涉及較深的理論知識，如正確理解望遠鏡的光路、反射和折射的光路分析、自準直、削除視差以及利用游標原理測角度等。開展大學物理實驗的目標之一是在物理實驗中培養(yǎng)學生應用理論知識解決實際問題的能力，在教學中哪些概念理論要講解，哪些概念理論要深入講解，將直接影響學生實驗的開展情況及學生能力的培養(yǎng)。所以，這也是分光計實驗教學的難點之一。

在分光計中，平行光管和望遠鏡進行了封裝。尤其是望遠鏡組，內部裝配有阿貝目鏡或高斯目鏡、物鏡、棱鏡等，自身是一個相對復雜完善的光學系統(tǒng)，學生只能通過圖片來了解其內部構造及光路，較難形成清晰的物理圖像。分光計的調節(jié)要求之一是讀值平面、觀察平面和待測光路平面這三個平面調節(jié)成相互平行。而在后面的調節(jié)步驟中，是要調節(jié)望遠鏡光軸和儀器中心轉軸垂直，最終通過判斷反射的“十”字像與雙十字“╪”準線上部調整叉絲的重合來達到調節(jié)要求，如圖1所示。這相互之間的轉化，若不通過幾何光學分析光路，學生很難“轉過彎”來，不能把調節(jié)要求和調節(jié)目標聯(lián)系結合起來，只是按實驗步驟“依葫蘆畫瓢”。

2.3 課時少，內容多，學生物理基礎較差

一般大學物理實驗都設定在兩個學時，這對于一些如長度測量、單擺實驗等相對簡單的實驗來說時間綽綽有余。分光計實驗包含分光計的調節(jié)及用調節(jié)好的分光計測量棱鏡角等，內容較多，調節(jié)繁瑣。在兩個學時內完成分光計實驗，對于物理專業(yè)的學生來說尚且勉為其難。大學物理實驗一般面向非物理專業(yè)的理工科學生，學生物理基礎較差，只具備中學物理的基礎和從大學物理課程學到的一些物理理論知識，面對分光計這樣復雜全新的儀器，常常會有無從下手的感覺。從實驗目的到實驗儀器，從儀器的構造到儀器的調節(jié)，從粗調到細調，從分光計的原理到儀器的使用和測量，為了使學生能順利地開展實驗，一般教師的講解都比較詳細，而這占用了兩個學時近30%的時間。大部分學生調節(jié)分光計的時間占了實驗課時間的50%以上，有的甚至最后也沒有完成分光計的調節(jié)工作。為了趕時間，交實驗數(shù)據(jù)，在分光計不在工作狀態(tài)下就進行測量，草草了事，實驗效果不理想。有的可能碰巧把狀態(tài)調出來了，卻沒有進一步思考就趕著進行測量，導致只知其然不知其所以然，實驗過后收獲甚微。

2.4 人數(shù)多，交流少，教與學相脫節(jié)

縱觀目前高校物理實驗教學現(xiàn)狀，實驗資源相對有限，師資力量相對不足[6]。目前嘉應學院大學物理實驗的教學方式為：一個班同時教學，由兩名教師負責，分成兩大組，各組分別完成一個實驗。這樣，每個實驗每個教師要帶領二十幾個甚至更多的學生在兩個學時內完成教學。在有限的教學時間內，教師很難做到為每個學生專門輔導。分光計的調節(jié)可以說“難者難，易者易”。在分光計的調節(jié)中，每位經驗豐富的教師都有自己的“訣竅”“秘方”，但是這些方法是建立在多年的實驗經驗基礎上的，初次上課的學生不易掌握，甚至聽不明白[4]。傳統(tǒng)的大學物理實驗教學步驟是，先由教師講解實驗原理、實驗儀器及操作、數(shù)據(jù)測量和實驗過程中的注意事項，然后由學生按照教師的講解完成實驗，對實驗過程中出現(xiàn)的問題由教師進行輔導。這樣的教學方法，教與學與練的過程是相對獨立、脫節(jié)的，對于一些簡單的實驗是適合的，但對于像分光計實驗這樣的教學，往往會出現(xiàn)學生“瞻前”而不能“顧后”的情況。講解到后面時學生已經忘記前面講到的操作方法和操作過程中的注意事項，最終操作時學生還是感覺無從下手或漏洞百出，教師只好不厭其煩地反復講解、示范。這樣，學生也失去了思考探索和應用理論知識分析問題、解決實際問題的機會。

3 基于目標為導向的分步教學法

通過分析分光計調節(jié)和使用中的重點、難點，以及傳統(tǒng)實驗教學中存在的問題，本文提出基于目標為導向的分步教學法。首先，將整個實驗教學過程分成四大模塊，分步實施，循序漸進。這樣使學生在頭腦中清晰構建整個教學過程，有助于指導學生實驗操作的開展。簡單明了，學生易于接受，而不至于聽到一大堆理論、方法、步驟和注意事項，從而產生畏懼心理。其次，每個模塊講解完成后，穿插學生訓練。分光計的調節(jié)和使用過程是一個“有機”過程，學生只有在掌握前一模塊的操作并調節(jié)好儀器后才能順利進行下一模塊的操作。教師講解、學生訓練和教師示范相結合，使整個教學過程有序輕松地進行。同時可以在下一模塊講解中解決前一模塊訓練中普遍存在的難點問題。第三，在每一模塊中提出訓練目標，以目標為導向，使學生的操作有的放矢。同時，目標的提出也是為下一模塊的講解和實施作好鋪墊。通過提出訓練目標，引導學生思考探索，在實驗過程中培養(yǎng)學生應用知識分析問題、解決問題的能力。基于目標為導向的分步教學法改變傳統(tǒng)“填鴨式”教育方式，增強師生之間教與學的交流，給學生保留一定的空間，是一種相對開放的教學模式。

4 教學策略的實施

【模塊一教學】了解分光計結構及基本操作功能。目標：調節(jié)螺釘，使載物面、平行光管和望遠鏡三者和中心轉軸目測垂直，平行光管和望遠鏡在同一直線上。

分光計一般由底座、讀數(shù)圓盤、載物平臺、平行光管和望遠鏡這五大部分組成。首先讓學生了解到分光計是幾何光學中常用的測角儀器，并在頭腦中快速構建分光計的基本光路，即鈉（汞）燈光經平行光管后出射平遠光并照射在載物平臺上的光學元件（或空氣），轉動望遠鏡找到經直射、反射或折射后的光線，從而測定角度等相關量。只有讓學生頭腦中形成基本光路的簡圖，才能更好地指引學生去理解儀器結構、操作及測量等。在講解過程中，對于每部分的具體結構可作略講，主要是講解其功能和作用。此模塊重點要作講解和示范的是分光計中螺釘?shù)恼{節(jié)。由于調節(jié)螺釘數(shù)量較多，可引導學生對螺釘作適當?shù)臍w類和類比。講解、示范后，由學生進行操作訓練，并提出訓練目標：調節(jié)螺釘，使載物面、平行光管和望遠鏡三者和中心轉軸目測垂直，平行光管和望遠鏡在同一直線上。要完成該目標，學生基本上要動用調節(jié)螺釘中的大部分。通過該目標的訓練使學生了解儀器的主要構造，熟悉其基本操作，同時為后面調節(jié)讀值平面、觀察平面和待測光路平面這三個平面相互平行這一分光計調節(jié)要求的講解和訓練作好鋪墊。

【模塊二教學】望遠鏡和平行光管的調節(jié)。目標：轉到平面鏡任一面都能看到反射十字叉絲并嘗試調節(jié)使反射十字叉絲均能與調整叉絲重合。

分光計是在平行光中觀察有關現(xiàn)象和測量相關角度，因此調節(jié)要求之一是分光計的光學系統(tǒng)能適應平行光，即望遠鏡能接收平行光和平行光管發(fā)出平行光。望遠鏡和平行光管都是相對完善獨立的封裝光學系統(tǒng)，在講解過程中，可配圖講解其內部構造，并用光路加以分析。望遠鏡和平行光管的調節(jié)主要涉及透鏡的“聚焦”[6]。平行光管的調節(jié)還需要調節(jié)狹縫的寬度、狹縫像豎直度及平行光管的傾斜度等。平行光管的調節(jié)是以調好的望遠鏡為基準的。在這里，望遠鏡還沒有完全調節(jié)好，還需要在模塊三中細調其高低調節(jié)螺釘。但這并影響教學和學生的操作訓練。在這一模塊中提出訓練目標：轉到平面鏡任一面都能看到反射十字叉絲并嘗試調節(jié)，使反射十字叉絲均能與調整叉絲重合。雖然完成該目標的方法是在下一模塊中講解，但望遠鏡調節(jié)中已分析講解了反射十字叉絲成像的光路，所以完成轉到平面鏡任一面都能看到反射十字叉絲這一目標是可能的，也可以引導學生分析光路去解決問題。要調節(jié)使反射十字叉絲均能與調整叉絲重合，可以激發(fā)學生嘗試用不同的方法去解決問題。學生在調節(jié)過程必然會碰到一系列問題，而這也可以引起學生進一步去思考和探索的興趣。

【模塊三教學】粗調和細調。目標：調節(jié)使經三棱鏡反射的十字叉絲與調整叉絲重合。

經過前兩個模塊的講解和訓練，粗調已基本完成。通過第二模塊中的目標引導，學生將會饒有興趣地聽教師講解如何調節(jié)使反射十字叉絲均能與調整叉絲重合，即細調。在各種教材和參考文獻中提到的細調方法各有差異[7-9]，這里主要講解用逐次逼近的“各半法”調節(jié)使望遠鏡光軸與中心轉軸垂直。在講解過程中，要重點分析望遠鏡與分光元件之間的幾何光路的特點。反射十字叉絲是否出現(xiàn)在視場中及其出現(xiàn)的位置是由望遠鏡光軸和分光元件的光學面所處的位置所決定的。當望遠鏡光軸與分光元件光學面垂直或接近垂直時，反射十字叉絲才出現(xiàn)在望遠鏡有限的視場范圍內。因此，望遠鏡的調節(jié)中，還必須同時調節(jié)載物臺，光學元件也應按調節(jié)及測量要求來放置，如圖2所示。本模塊的訓練目標是：調節(jié)使經三棱鏡反射的十字叉絲與調整叉絲重合。這一目標是在細調完成的基礎上提出的更高要求，也是棱鏡角測量方法之一——自準直法的主要步驟。教師可根據(jù)課堂時間及學生進度靈活處理這一模塊的訓練目標。

圖2 光學元件的放置

【模塊四教學】使用分光計進行測量。目標：采用不同方法測量棱鏡角。

細調好后，還需要對平行光管進一步微調。至此，分光計的調節(jié)工作全部完成，可以用調節(jié)好的分光計進行各種相關角度的測量。角度的改變最終轉化為望遠鏡和載物平臺的相對位置的變化，可由讀數(shù)圓盤上的讀數(shù)確定。讀數(shù)方法可指引學生參照游標原理。本節(jié)課主要完成棱鏡角的測量，教材中提供兩種參照測量方法，即自準直法和棱脊分束法。這里采用第一種方法，同時把第二種方法作為學生訓練目標。通過對比分析，使學生進一步熟練用分光計測量角度的技巧。

5 結束語

分光計實驗作為大學物理實驗的一個重要實驗內容，能有效培養(yǎng)學生的實驗能力。在教學實踐中，通過分析分光計調節(jié)和使用中的重點、難點，以及傳統(tǒng)實驗教學中存在的問題，提出基于目標為導向的分步教學法。該法將分光計實驗教學分成四大模塊，講解與學生訓練穿插，循序漸進，并在每一模塊中提出訓練目標，啟發(fā)學生對于實驗儀器和實驗方法進行反思，幫助學生加深實驗理解，順利完成操作。將新教法應用到實驗教學中，學生基本都能掌握分光計的調節(jié)和使用，同時也能帶動學生積極思考，提高學生實驗完成的質量，收到良好的教學效果，對教學實踐有著重要的參考價值和指導意義。

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Teaching Step by Step based on Object Oriented in Spect rometer Experimentation//

Yang Weizhi

Analysis the emphasis and dif ficulty of adjustment and use of spectrometers, and the problem of traditional experiment instruction, put forward teaching step by step based on object oriented. This teaching divides spectrometers experiment instruction into four modules, explaining and training alternately, advances gradual ly in due order, and raises training objective in each module.

university physics experiment; spect rometer; object oriented; teaching step by step

G642.423

B

1671-489X(2012)21-0107-03

10.3969 /j.issn.1671-489X.2012.21.107

廣東省高等教育學會實驗室管理專業(yè)委員會基金項目（No.2010065）。

作者：楊偉志，碩士，助教，主要從事物理實驗教學及光電技術應用研究。