大學(xué)物理實驗課堂教學(xué)探索

孫存英， 王宇興， 王錦輝， 沈?qū)W浩， 賀莉蓉， 劉嘉濱

（上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院，上海200240）

0 引 言

在學(xué)校大力提升本科人才培養(yǎng)質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的倡導(dǎo)下，本研究著眼于大學(xué)物理實驗課的各個教學(xué)環(huán)節(jié)，以光學(xué)類物理實驗為切入點，梳理具體存在的問題并探討可行性解決方案，致力于提升大學(xué)物理實驗課的課堂整體培養(yǎng)效果。

1 實驗選課現(xiàn)狀

隨著教學(xué)環(huán)境、教學(xué)條件的改變，上課方式也由原來的固定班級改為網(wǎng)上選課的方式。在以往，學(xué)生按固定班級、確定的課程上課；而今，學(xué)生按照自己的意愿自主選擇要完成的實驗項目。學(xué)生在選擇時多關(guān)注眼前利益，事先了解哪些實驗容易做，哪些實驗容易得分。選課結(jié)果是，相對簡單容易完成得分高的實驗總是幾乎滿額，而復(fù)雜一些的實驗選課率只有50%左右。為有效遏制學(xué)生選課時的避重就輕現(xiàn)象，2017 ～2018 年度秋季學(xué)期工科實驗根據(jù)實驗內(nèi)容本身的復(fù)雜程度大致分為A、B 兩類。學(xué)生被要求在A、B 兩類實驗中各完成3 個實驗。秋季學(xué)期共有14 個實驗，12周，每周有6 個時間段可選，每個實驗整個學(xué)期的最大容量為1 152 人次，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)選課數(shù)據(jù)，該學(xué)期每個實驗實際選課人次如圖1 柱狀圖所示。

圖1 2017 ～2018年度秋季學(xué)期實際選課人次分布

由圖1 可見，不同實驗的實際選修明顯不均衡，傅里葉綜合實驗和光柵的特性研究選修人次最少。光學(xué)類物理實驗共有3 個：偏振光學(xué)實驗，光柵特性的研究，全息干涉技術(shù)，選課率整體偏低。

光學(xué)類物理實驗是大學(xué)物理實驗的基本組成部分，光學(xué)元器件的使用，光路的調(diào)整，是工科大學(xué)生必須掌握的實驗技能，所有高校都開設(shè)相關(guān)的光學(xué)類實驗項目。為了改善學(xué)生選課分布不均衡的現(xiàn)狀，提高學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量，從光學(xué)類物理實驗作為探索起點，梳理具體實驗自身的存在問題，逐一進(jìn)行解決。

2 光柵的特性研究實驗課堂情況

選取本學(xué)期工科學(xué)生的光柵的特性實驗進(jìn)行課堂情況調(diào)查。該實驗在暗室中進(jìn)行，涉及分光計的光路調(diào)整，且與實驗項目相關(guān)的光學(xué)內(nèi)容，大學(xué)物理課程還沒有講到，實驗前需補(bǔ)充與實驗內(nèi)容相關(guān)的知識背景，加上復(fù)雜的儀器調(diào)節(jié)技巧等內(nèi)容，正常講授要比一般實驗所需時間較長，且該實驗講授時間大部分老師需要35 ～40 min，在人數(shù)較多時，拖堂現(xiàn)象比較嚴(yán)重。

3 光柵實驗存在的問題及改進(jìn)

光柵實驗的主要設(shè)備是分光計。分光計是一種精確測量光線偏折角度的常用光學(xué)實驗儀器。光在傳播過程中，遇到不同媒質(zhì)的分界面（如平面反射鏡、三棱鏡、光柵等光學(xué)表面）發(fā)生反射、折射或衍射，從而改變傳播方向，入射光和反射光、折射光或衍射光之間有一定的夾角，它們的關(guān)系遵循反射定律、折射定律和衍射規(guī)律。借助分光計并利用反射、折射、衍射等物理現(xiàn)象，可完成全偏振角、晶體折射率、光波波長等物理量的測量，其用途十分廣泛。近代攝譜儀、單色儀等精密光學(xué)儀器也都是在分光計的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的［1-10］。所以，分光計的調(diào)整與使用是相關(guān)實驗的主要課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容。

3.1 分光計的調(diào)節(jié)問題

分光計的調(diào)節(jié)是各相關(guān)實驗項目完成的基礎(chǔ)，調(diào)整的依據(jù)是刻劃板上的各刻線及十字像、狹縫像即中央亮線或零級條紋是否清晰。當(dāng)刻劃板上的各刻線及十字像、零級條紋清晰時，就判斷對應(yīng)調(diào)節(jié)完成。實驗時，有許多學(xué)生與老師反映，平行光管調(diào)好后，即刻劃板上的零級條紋清晰，而當(dāng)光柵置于載物臺后，發(fā)現(xiàn)各級衍射條紋不清晰，給測量帶來極大困擾。經(jīng)過反復(fù)實驗發(fā)現(xiàn)，光柵放置于載物臺后，微調(diào)狹縫的前后位置，能使刻劃板上零級條紋再度清晰，同樣可以通過微調(diào)，可使高級次衍射條紋清晰，并且高級次衍射條紋清晰時，所有衍射條紋清晰。顯然光柵的放入影響了狹縫的像位置，所以，調(diào)節(jié)過程應(yīng)在高級次條紋清晰后結(jié)束，然后進(jìn)行測量。光柵放入光路對狹縫像位置的影響原因還在探索中。

3.2 綠十字像問題

載物臺放上光柵后，經(jīng)光柵前后表面及其前后保護(hù)玻璃片的各反射面反射的多個綠十字像形成重影，影響視野里譜線的測量。從綠十字像的功用來說，當(dāng)載物臺和望遠(yuǎn)鏡調(diào)好后，綠十字已經(jīng)完成使命，這時可以考慮關(guān)掉十字照明小燈，使視野里的觀察條紋更清晰，有利于觀察和測量譜線位置。

3.3 實驗講義內(nèi)容問題

第2 冊講義沒有分光計的調(diào)整內(nèi)容，給學(xué)生的預(yù)習(xí)帶來不便，雖然有30% ～40%的學(xué)生用過分光計，但大部分都已忘記。所以應(yīng)該將分光計的調(diào)整內(nèi)容及光柵放入光路后的相關(guān)細(xì)節(jié)調(diào)整寫進(jìn)講義，使學(xué)生在預(yù)習(xí)時能預(yù)先了解調(diào)節(jié)內(nèi)容及注意事項，有利于學(xué)生上課時掌握調(diào)節(jié)技巧，減少拖堂現(xiàn)象。

4 目前的授課模式，需求及其改善工作

4.1 當(dāng)前授課模式

目前實驗課授課主要是老師結(jié)合掛圖講解、演示操作，學(xué)生圍著老師聽講。對于調(diào)節(jié)步驟復(fù)雜的實驗，學(xué)生只能看清自己一側(cè)的調(diào)節(jié)操作，很難將掛圖上的結(jié)果與各調(diào)節(jié)操作對應(yīng)起來、全面理解所有調(diào)節(jié)過程，人多時，效果更差。目前的上課模式如圖2 所示。

圖2 目前的授課模式

4.2 新需求及其解決辦法

為了使學(xué)生能將大學(xué)物理所學(xué)的理論知識和實驗結(jié)合起來，相輔相成，提高學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量，學(xué)校設(shè)立了匹配項目。新項目要求物理實驗也按力、熱、電、光的順序和大學(xué)物理的講授基本同步，試行階段參與學(xué)生的實驗課改為必修，每個實驗從目前的每次最多16人調(diào)整為每次20 人，在確定時段完成對應(yīng)模塊的實驗。單次實驗人數(shù)的增加，對實驗教學(xué)過程和手段提出了更高要求。

為了滿足教學(xué)需求，改善教學(xué)環(huán)境與條件，申請并獲批了學(xué)校2018 咨詢決策項目的實驗技術(shù)重點項目。項目的目標(biāo)是為Φ30 mm 分光計配備或改制配件，完成一套實驗儀器，使教師的課堂演示操作過程和分光計的目鏡視野里看到的畫面雙畫幅同步顯示于顯示終端，使學(xué)生能坐在自己的實驗桌前，跟隨老師的講解找到對應(yīng)操作的部件，讓學(xué)生能清晰地了解調(diào)節(jié)操作與視野里看到的現(xiàn)象的對應(yīng)關(guān)系，更好地掌握實驗調(diào)節(jié)技巧，高效地掌握實驗技能。該項目所需主要硬件已經(jīng)完成購置，進(jìn)一步的工作是找到適合分辨率的圖像捕獲裝置并將圖像實時傳輸于終端，該部分工作計劃在2019 年8 月前完成。2019 年9 月起投入實驗課堂試用，并根據(jù)試用結(jié)果優(yōu)化設(shè)備，項目將在2020 年6月完成，該項目的完成有望推廣至其他課堂演示教學(xué)實踐工作。

5 結(jié) 語

本研究以改善物理實驗課堂教學(xué)效果為出發(fā)點，以光學(xué)類物理實驗為切入點，從課堂教學(xué)的不同環(huán)節(jié)，探討了實驗課堂存在的問題并針對性地給出了對應(yīng)解決方案與措施。具體包括：從選課環(huán)節(jié)而言，為了使學(xué)生的實驗知識與技能盡可能全面，實驗需要進(jìn)一步根據(jù)完成難易、技能要求等分類，自由度限制在每一類實驗中；從實驗安排角度，盡可能與大學(xué)物理課程的進(jìn)度匹配，同步開設(shè)不同類型的實驗，使學(xué)生能將在大學(xué)物理課上所學(xué)理論知識和大學(xué)物理實驗結(jié)合起來，有利于學(xué)生對所學(xué)知識深入理解并運(yùn)用所學(xué)知識解釋實驗現(xiàn)象，研究實驗規(guī)律，識別實驗結(jié)果的正誤及分析異常結(jié)果的可能原因；從講義的角度，盡可能使講義與實驗內(nèi)容無縫結(jié)合，便于學(xué)生通過預(yù)習(xí)了解實驗內(nèi)容；從儀器角度，盡可能使儀器及測量方法完備，保證學(xué)生順利完成實驗設(shè)計內(nèi)容。所有工作為大學(xué)物理實驗課程的全面優(yōu)化提供了思路，課堂演示設(shè)備的研發(fā)有望推廣至其他有課堂演示環(huán)節(jié)的教學(xué)實踐，有利于切實促進(jìn)學(xué)校關(guān)于提升本科教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)。