演示性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)在“物理光學(xué)”課程中的應(yīng)用

許周速 嚴(yán)金華 張航

浙江工業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系

一、概述

“物理光學(xué)”課程作為物理類和光電信息類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，起得承上啟下的銜接作用。[1-3]該課程主要講授基本光學(xué)現(xiàn)象、原理及工程應(yīng)用等內(nèi)容，具有理論性較強(qiáng)、物理規(guī)律較抽象、光學(xué)現(xiàn)象與規(guī)律講授難以生動(dòng)形象等特點(diǎn)，導(dǎo)致學(xué)生感覺學(xué)習(xí)比較困難，很多知識(shí)不容易理解。因此，對(duì)于任課教師來(lái)說，需要探索新型教學(xué)方式，提升教學(xué)內(nèi)容的趣味性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)樂趣。

理工科院校提出了要培養(yǎng)擁有扎實(shí)專業(yè)知識(shí)、突出實(shí)踐技能、良好綜合素質(zhì)的畢業(yè)生。專業(yè)知識(shí)來(lái)源于課堂理論教學(xué)，實(shí)踐技能來(lái)源于實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。[4]目前，高校主要教學(xué)方法是理論知識(shí)的講授，但僅通過理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，學(xué)生嚴(yán)重缺乏了實(shí)驗(yàn)的動(dòng)手能力和科研的探索精神。這對(duì)學(xué)生未來(lái)進(jìn)入社會(huì)工作和進(jìn)一步深造都是非常致命的。因此，迫切需要在“物理光學(xué)”課程教學(xué)中引入演示性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法，它是理論與實(shí)踐、抽象概念與具體現(xiàn)象相結(jié)合的教學(xué)方法。它既是理論學(xué)習(xí)的補(bǔ)充和深化，也是傳授實(shí)踐技能與經(jīng)驗(yàn)的教學(xué)方法。

二、堅(jiān)持演示性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

光學(xué)源于人們對(duì)自然現(xiàn)象的感官認(rèn)識(shí)，物理光學(xué)的很多理論都可以通過實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)。因此，在教學(xué)過程中，如何將物理公式和所描述的現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)，把抽象的公式轉(zhuǎn)化為清晰的實(shí)驗(yàn)圖像，這是非常有必要的?！拔锢砉鈱W(xué)”課程主要涉及干涉、衍射和偏振等理論知識(shí)，相關(guān)內(nèi)容都可以通過簡(jiǎn)單的光學(xué)器件將抽象公式所描述的光學(xué)現(xiàn)象直接展示在教室中，引導(dǎo)學(xué)生積極觀察和思考，加深對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解。例如，雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，通過設(shè)計(jì)不同實(shí)驗(yàn)條件（不同波長(zhǎng)、不同雙縫間距等），來(lái)理解雙縫干涉的理論公式以及影響條紋間距的因素。在衍射知識(shí)點(diǎn)中，通過演示愛里斑實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證波長(zhǎng)和圓孔直徑對(duì)愛里斑的影響。同時(shí)，還可以引出圖像分辨本領(lǐng)的概念。在偏振光知識(shí)點(diǎn)中，可以通過偏振片檢測(cè)手機(jī)或者電腦顯示屏的偏振特性，學(xué)生都可以檢驗(yàn)自己手機(jī)是不是線偏振光，同時(shí)可以思考為什么液晶顯示是線偏振光。

三、探索設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

“物理光學(xué)”課程是應(yīng)用性較強(qiáng)的課程。利用干涉原理可以進(jìn)行精密測(cè)量和檢驗(yàn)。利用衍射原理可以進(jìn)行物質(zhì)微結(jié)構(gòu)研究。偏振原理可以用于光通訊。目前，光學(xué)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用：基于衍射的傅里葉光學(xué)、基于全反射的光纖光學(xué)等等。因此，為了實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性人才培養(yǎng)，在“物理光學(xué)”課程教學(xué)中，需要引入設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)主要是基于“物理光學(xué)”的基本知識(shí)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行相關(guān)測(cè)量，引導(dǎo)學(xué)生將“物理光學(xué)”知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際應(yīng)用。在這樣實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系下，學(xué)生學(xué)習(xí)從被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)，學(xué)習(xí)積極性得到了很大提高。比如，光的衍射內(nèi)容，可以利用光學(xué)衍射的知識(shí)設(shè)計(jì)光纖光柵溫度傳感器，實(shí)驗(yàn)原理可從光纖光柵方程出發(fā)，將光纖光柵反射中心波長(zhǎng)與光纖纖芯有效折射率和光纖光柵常數(shù)聯(lián)系起來(lái)，通過溫度變化來(lái)改變光纖折射率和光柵常數(shù)，從而影響光柵反射波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)溫度傳感。光的偏振內(nèi)容，利用偏振光的布儒斯特定律設(shè)計(jì)玻璃折射率的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，利用光的旋光效應(yīng)設(shè)計(jì)糖濃度的測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

四、結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的課程教學(xué)一般將課堂理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)分隔開。但是，很多內(nèi)容應(yīng)該是理論知識(shí)和實(shí)踐內(nèi)容相統(tǒng)一。在“物理光學(xué)”教學(xué)過程中，基于光學(xué)器件體積小、光學(xué)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)可見度高等特點(diǎn)，將演示性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)引入課程教學(xué)環(huán)節(jié)中，使得課堂和實(shí)驗(yàn)演示有機(jī)結(jié)合起來(lái)，學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，使得物理現(xiàn)象和規(guī)律實(shí)現(xiàn)可視性，從而提高學(xué)習(xí)效率。另外，在課程教學(xué)中，引入設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生利用“物理光學(xué)”課程知識(shí)，設(shè)計(jì)具有實(shí)際應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新性。