CCD技術(shù)在光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

趙玉連　左穎　周長(zhǎng)宏

摘 要 本文討論了在光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入CCD技術(shù)的必要性，介紹了CCD技術(shù)在光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示與講解中應(yīng)用的兩個(gè)實(shí)例，認(rèn)為CCD技術(shù)在光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示與講解中起到十分重要的作用，提出將CCD技術(shù)引入其它傳統(tǒng)光學(xué)實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)更完善。

關(guān)鍵詞 CCD技術(shù) 光學(xué)實(shí)驗(yàn) 教學(xué)演示 分光計(jì)

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.02.057

Abstract The need to use CCD technique in optics experiment teaching is discussed. Two examples of CCD technique in optics experiment teaching demonstration and explanation are introduced. Conclusion that CCD technique in optics experiment teaching demonstration and explanation plays an important role is drawn. The paper proposes to improve other traditional optics experiments by the use of CCD technique.

Keywords CCD technique； optics experiment； teaching demonstration； spectrometer

0 引言

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理教學(xué)的重要組成部分，物理實(shí)驗(yàn)課是學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的一門基礎(chǔ)課程，是學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后接受實(shí)驗(yàn)方法、技能訓(xùn)練的開(kāi)端，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰哂惺种匾淖饔?。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)包括力、熱、光、電等方面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，光學(xué)實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)重要組成部分。光學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是：必須掌握光學(xué)原理才能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而且光學(xué)儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難于調(diào)節(jié)，因此做光學(xué)實(shí)驗(yàn)需要在理論指導(dǎo)下，耐心地反復(fù)操作，難度較大。對(duì)于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，在學(xué)生做實(shí)驗(yàn)之前，教師一般會(huì)介紹實(shí)驗(yàn)所用到的儀器，簡(jiǎn)單講解實(shí)驗(yàn)步驟。有些實(shí)驗(yàn)，眼睛可以直接觀察到，比如力學(xué)實(shí)驗(yàn)，教師就比較容易講解，學(xué)生也容易理解。而對(duì)于一部分光學(xué)實(shí)驗(yàn)，需要用眼睛貼近顯微鏡的目鏡去觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生不能直接觀察，教師講解時(shí)要把實(shí)驗(yàn)想象用語(yǔ)言描述，所以這類實(shí)驗(yàn)教師難講，學(xué)生也難懂，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)很困難，容易造成對(duì)光學(xué)實(shí)驗(yàn)的畏懼心理。近幾年，CCD技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，將CCD技術(shù)引入到光學(xué)實(shí)驗(yàn)中來(lái)，通過(guò)顯示器可以讓每個(gè)學(xué)生直接觀看實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，使其更具直觀性。這種方式讓每個(gè)人都感受到現(xiàn)場(chǎng)操作，學(xué)生更容易理解，有助于提高實(shí)驗(yàn)的效率。

1 在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中引入CCD技術(shù)的必要性

隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，教師根據(jù)自己的教學(xué)內(nèi)容自制教學(xué)課件，通過(guò)屏幕展示出來(lái)，學(xué)生通過(guò)屏幕進(jìn)行觀看。一些枯燥、難懂的知識(shí)變得生動(dòng)、直觀，不僅節(jié)省了時(shí)間，也提高了教學(xué)效果。在大學(xué)物理課程教學(xué)中，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的應(yīng)用獲得了良好的教學(xué)效果，不僅知識(shí)更容易理解，教師在課堂上有更多的時(shí)間增加更豐富的知識(shí)，開(kāi)闊了學(xué)生的視野。在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)也得到了一定的應(yīng)用。應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教師編制實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件，在學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)之前，教師先用課件對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行講解，如：實(shí)驗(yàn)的儀器調(diào)節(jié)及需要注意的實(shí)驗(yàn)步驟等，教學(xué)內(nèi)容都通過(guò)大屏幕顯示，每位學(xué)生都能通過(guò)大屏幕進(jìn)行觀看，之后學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作，對(duì)于操作簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)可以取得良好的效果。但對(duì)于一些光學(xué)實(shí)驗(yàn)，儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且難于調(diào)節(jié)，學(xué)生沒(méi)有看到真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)操作，僅憑教學(xué)課件很難理解實(shí)驗(yàn)，課堂效率不高，因此，傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)操作演示與講解是非常必要的。但是，現(xiàn)場(chǎng)操作有其不可避免的缺點(diǎn)，即直觀性差。采用現(xiàn)場(chǎng)操作演示與講解，有一些光學(xué)實(shí)驗(yàn)，需要用眼睛靠近顯微鏡的目鏡去觀察現(xiàn)象，如果教師每講一步學(xué)生都依次去直接觀察，需要的時(shí)間較多，后面做實(shí)驗(yàn)的時(shí)間就少了，因此很難做到讓每個(gè)學(xué)生觀看。這就要求教師講解時(shí)要把實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象用語(yǔ)言描述出來(lái)，所以這類實(shí)驗(yàn)教師講起來(lái)比較難，學(xué)生在頭腦中也不容易建立起清晰的圖像，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)遇到問(wèn)題，雖然已經(jīng)講過(guò)，但仍然要用很長(zhǎng)時(shí)間解決，或無(wú)法解決而向他人求助，錯(cuò)誤操作也比較多，這樣就使學(xué)生對(duì)做光學(xué)實(shí)驗(yàn)逐漸失去了信心。而CCD技術(shù)可以彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)。CCD是電荷耦合器件的簡(jiǎn)稱，具有光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)存儲(chǔ)與傳輸功能，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。將CCD技術(shù)引入到光學(xué)實(shí)驗(yàn)中來(lái)，光學(xué)儀器的目鏡與CCD連接，通過(guò)彩色監(jiān)視器可以讓每個(gè)學(xué)生直接觀看。教師操作實(shí)驗(yàn)的每個(gè)步驟，所有學(xué)生都能通過(guò)顯示器觀看。這種方式不僅讓學(xué)生感受到現(xiàn)場(chǎng)操作，而且每個(gè)人都能觀察到，學(xué)生更容易理解，大大提高了課堂效率。

2 CCD技術(shù)在光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 CCD技術(shù)在分光計(jì)中的應(yīng)用

分光計(jì)是一種基本光學(xué)儀器，掌握分光計(jì)的基本結(jié)構(gòu)和基本調(diào)節(jié)方法，對(duì)學(xué)習(xí)其它光學(xué)儀器具有指導(dǎo)作用，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)光學(xué)實(shí)驗(yàn)的操作能力有重要作用。分光計(jì)是一種測(cè)定光線偏轉(zhuǎn)角度的儀器，可以測(cè)量三棱鏡的頂角，還可以通過(guò)測(cè)量最小偏向角求三棱鏡的折射率等。它主要由四部分組成：望遠(yuǎn)鏡、 平行光管、載物臺(tái)和讀數(shù)圓盤。分光計(jì)在測(cè)量之前要進(jìn)行調(diào)節(jié)，分光計(jì)的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，調(diào)節(jié)過(guò)程步驟也比較多，而且對(duì)調(diào)節(jié)的要求很高。調(diào)整要求：望遠(yuǎn)鏡能接收平行光、平行光管能發(fā)出平行光、望遠(yuǎn)鏡光軸與載物臺(tái)轉(zhuǎn)軸垂直及平行光管光軸與載物臺(tái)轉(zhuǎn)軸垂直，其中望遠(yuǎn)鏡光軸與載物臺(tái)轉(zhuǎn)軸垂直是最難調(diào)節(jié)的。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，教師現(xiàn)場(chǎng)演示并講解時(shí)，僅依靠語(yǔ)言描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生在頭腦中很難想象出來(lái)，而如果讓每個(gè)學(xué)生輪流觀察，實(shí)驗(yàn)步驟較多，每一步都這樣做，耗時(shí)太長(zhǎng)，影響后面的實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間。因此，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到問(wèn)題，特別是調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸與載物臺(tái)轉(zhuǎn)軸垂直這一步，有的用很長(zhǎng)時(shí)間不能調(diào)整好，還要求助他人。學(xué)生普遍感覺(jué)此實(shí)驗(yàn)難度大。如何讓這個(gè)實(shí)驗(yàn)更容易學(xué)習(xí)是一個(gè)需要解決的問(wèn)題，將CCD系統(tǒng)引入此實(shí)驗(yàn)，讓這個(gè)問(wèn)題得到了解決。將CCD系統(tǒng)與分光計(jì)連接，教師邊操作儀器邊講解，學(xué)生在彩色監(jiān)視器上可以同時(shí)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生更容易理解，做實(shí)驗(yàn)比較順利，最難調(diào)節(jié)的望遠(yuǎn)鏡光軸與載物臺(tái)轉(zhuǎn)軸垂直，經(jīng)過(guò)耐心地調(diào)節(jié)也能做好。采用CCD系統(tǒng)，提高了課堂效率，也增強(qiáng)了學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)光學(xué)實(shí)驗(yàn)的信心。

2.2 CCD技術(shù)在牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)是光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，牛頓環(huán)儀由一個(gè)平凸透鏡和一個(gè)平面玻璃組成。此實(shí)驗(yàn)用讀數(shù)顯微鏡對(duì)干涉圓環(huán)進(jìn)行觀察與測(cè)量，經(jīng)計(jì)算得到光源的波長(zhǎng)或待測(cè)透鏡的曲率半徑。教師在實(shí)驗(yàn)講解過(guò)程中， 要介紹讀數(shù)顯微鏡的調(diào)節(jié)方法和牛頓環(huán)的測(cè)量步驟，因?yàn)橛行W(xué)生對(duì)顯微鏡接觸很少，因此對(duì)顯微鏡的調(diào)節(jié)要介紹得詳細(xì)些。用傳統(tǒng)的方法，要邊操作邊描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，即便如此，學(xué)生在頭腦中也很難建立清晰的圖像，由于時(shí)間限制也不能每個(gè)人都去現(xiàn)場(chǎng)觀察，在自己操作時(shí)就會(huì)遇到各種問(wèn)題。在調(diào)節(jié)讀數(shù)顯微鏡尋找干涉圓環(huán)時(shí)，有些學(xué)生經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間調(diào)節(jié)，仍然觀察不到干涉環(huán)。在牛頓環(huán)的測(cè)量過(guò)程中，要避免回程誤差，用傳統(tǒng)的方法，教師雖然已提示學(xué)生注意，但學(xué)生不能完全理解，測(cè)量時(shí)有的學(xué)生仍然會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，不得不重新測(cè)量。將CCD系統(tǒng)應(yīng)用到牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)中，這些問(wèn)題得到了有效解決。CCD系統(tǒng)與讀數(shù)顯微鏡的目鏡相連，學(xué)生在顯示器上觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在講解顯微鏡的調(diào)節(jié)方法時(shí)，教師操作的每一步，學(xué)生都能在監(jiān)視器上觀察到，學(xué)生更容易理解，學(xué)生自己操作就更順利。在講解牛頓環(huán)的測(cè)量時(shí)，對(duì)于如何避免回程誤差，教師通過(guò)實(shí)際操作并在監(jiān)視器上顯示出來(lái)，學(xué)生很容易理解，而且教師還可以把學(xué)生容易出現(xiàn)的錯(cuò)誤操作演示出來(lái)，提醒學(xué)生，這樣測(cè)量時(shí)的錯(cuò)誤也明顯減少了。通過(guò)將CCD系統(tǒng)應(yīng)用到牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)，不僅減少了錯(cuò)誤操作，節(jié)省了時(shí)間，也提高了學(xué)習(xí)效率。

3 CCD技術(shù)的應(yīng)用展望

CCD技術(shù)的優(yōu)勢(shì)使其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，我們將嘗試把其應(yīng)用在其它光學(xué)實(shí)驗(yàn)，例如：旋光儀。當(dāng)偏振光通過(guò)一些透明物質(zhì)時(shí)，光矢量的振動(dòng)面繞著光傳播的方向旋轉(zhuǎn)，此現(xiàn)象為物質(zhì)的旋光性，具有旋光性的物質(zhì)為旋光物質(zhì)。旋光儀用來(lái)研究物質(zhì)的旋光性，研究物質(zhì)旋光性的實(shí)驗(yàn)包括旋光儀的調(diào)整與測(cè)量。與分光計(jì)、牛頓環(huán)相比，旋光儀的調(diào)整比較簡(jiǎn)單，主要是調(diào)節(jié)目鏡，使視場(chǎng)清晰，容易出現(xiàn)問(wèn)題之處是數(shù)據(jù)測(cè)量。當(dāng)旋光儀調(diào)整好時(shí)，目鏡中能清晰看到“三分視場(chǎng)”，再轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片，觀察到“弱的零位視場(chǎng)”，就可以測(cè)量讀數(shù)了。雖然教師已經(jīng)詳細(xì)講解什么是“弱的零位視場(chǎng)”，但是實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，有的學(xué)生由于動(dòng)作太快仍然觀察不到“弱的零位視場(chǎng)”，有的學(xué)生則找的位置不夠準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)的誤差比較大。如果我們把CCD系統(tǒng)連接到旋光儀的目鏡，每位學(xué)生在大屏幕上觀看實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。教師邊操作邊講解如何調(diào)節(jié)“弱的零位視場(chǎng)”，學(xué)生既知道如何操作，也觀察到標(biāo)準(zhǔn)的圖像，必將提高實(shí)驗(yàn)的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

以上是CCD技術(shù)在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的幾個(gè)實(shí)例，通過(guò)應(yīng)用CCD技術(shù)，教師的講解更生動(dòng)、直觀，學(xué)生更容易理解、掌握，不僅提高了課堂效率，也增強(qiáng)了學(xué)生做光學(xué)實(shí)驗(yàn)的信心，對(duì)提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰τ忻黠@促進(jìn)作用。在其它光學(xué)實(shí)驗(yàn)中也可以引入CCD技術(shù)，讓先進(jìn)的教育技術(shù)在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步完善傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。

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