趣味實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理光學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

楊鶴，劉曉軍，莊文漪

趣味實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理光學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

楊鶴，劉曉軍，莊文漪

（齊齊哈爾大學(xué) 理學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

分析了大學(xué)物理光學(xué)課堂教學(xué)的現(xiàn)狀，結(jié)合光學(xué)學(xué)科特點(diǎn)以及教學(xué)中存在的薄弱環(huán)節(jié)，提出將趣味實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到大學(xué)物理光學(xué)教學(xué)中的教學(xué)方式．針對(duì)光學(xué)教學(xué)中的抽象物理規(guī)律以及重點(diǎn)和難點(diǎn)，分別從幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)2方面列舉了趣味實(shí)驗(yàn)的實(shí)例，為學(xué)生隨堂進(jìn)行趣味實(shí)驗(yàn)提供了參考．通過這種教學(xué)方式引導(dǎo)學(xué)生對(duì)光學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行觀察和思考，達(dá)到良好的教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)了課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的有效融合．

大學(xué)物理；光學(xué)；趣味實(shí)驗(yàn)

大學(xué)物理具有豐富的物理知識(shí)和技能，同時(shí)包含大量的社會(huì)科學(xué)知識(shí)，蘊(yùn)含豐富的科學(xué)思維、科研方法、科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神．因此，大學(xué)物理教學(xué)不僅傳授科學(xué)技術(shù)知識(shí)，也培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)[1]．光學(xué)作為物理學(xué)的一個(gè)重要分支，其教學(xué)手段和方法也正在向多樣化方向發(fā)展．激發(fā)大學(xué)生對(duì)光學(xué)學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)積極思考的習(xí)慣，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)是大學(xué)物理的教學(xué)目標(biāo)．為了改變傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)模式，在教學(xué)中應(yīng)用趣味物理實(shí)驗(yàn)，使教學(xué)氛圍更加適合大學(xué)生的心理特點(diǎn)，達(dá)到理想的教學(xué)效果．

1 大學(xué)物理光學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀

在大學(xué)物理光學(xué)教學(xué)中，學(xué)生面對(duì)繁雜的光學(xué)原理和難解的題目，其情緒有時(shí)多變且易產(chǎn)生厭煩心理．趣味實(shí)驗(yàn)利用最常見的生活物品設(shè)計(jì)簡單的物理實(shí)驗(yàn)或物理模型，教師通過引導(dǎo)學(xué)生課上操作、布置動(dòng)手作業(yè)等方法，激發(fā)學(xué)生對(duì)光學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生投入更多的精力學(xué)習(xí)光學(xué)課程，更透徹地理解其抽象的概念和原理．物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，利用小實(shí)驗(yàn)這種直觀且簡單的方式進(jìn)入到課堂中，使學(xué)生真正感受物理學(xué)的魅力且接受知識(shí)．

1.1 光學(xué)學(xué)科特點(diǎn)

從原始社會(huì)的篝火到現(xiàn)今各種復(fù)雜儀器下的光學(xué)現(xiàn)象，人類對(duì)光學(xué)的探索隨著人類文明的進(jìn)步而不斷深入．大學(xué)課堂中的光學(xué)主要研究的是光自身在傳播過程中的各種現(xiàn)象以及光和其他物質(zhì)之間的相互作用．大框架下分為幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)以及量子光學(xué)3部分，在教學(xué)過程中把幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)作為教學(xué)的重點(diǎn)．波動(dòng)光學(xué)，即以光的本性——波動(dòng)性為基礎(chǔ)，研究光的傳播及其規(guī)律；幾何光學(xué)則是運(yùn)用幾何知識(shí)處理光的折射、反射、色散等光學(xué)問題．在光學(xué)的教學(xué)內(nèi)容中存在大量的光路和豐富的光學(xué)圖像，而且光學(xué)圖像大多復(fù)雜多變，采用手工黑板作圖或者通過多媒體投影顯示的光學(xué)圖像都不夠形象、逼真，并帶有主觀意識(shí)[2]．

1.2 教學(xué)現(xiàn)狀分析

大學(xué)物理課堂具有班額較大、各個(gè)專業(yè)混合、學(xué)生程度參差不齊等特點(diǎn)，所以在光學(xué)課堂上教師為了便于管理主要是采用講授法作為教學(xué)方法，這種方法雖然讓整個(gè)物理課堂結(jié)構(gòu)完整、思路清晰，但是缺乏一定的趣味性且學(xué)生參與感不強(qiáng)．這就導(dǎo)致在大班額的課堂環(huán)境下學(xué)生很容易分散注意力并失去興趣，一個(gè)學(xué)生失去了學(xué)習(xí)的興趣就會(huì)影響其身邊的人，這樣的連鎖反應(yīng)將導(dǎo)致整個(gè)班級(jí)學(xué)習(xí)氛圍不高．學(xué)生對(duì)光學(xué)是否感興趣，對(duì)學(xué)好光學(xué)部分就顯得尤為重要，而趣味實(shí)驗(yàn)可以提高學(xué)生興趣．從提高學(xué)生注意力和學(xué)生學(xué)習(xí)興趣出發(fā)，繼而帶動(dòng)整個(gè)課堂．光學(xué)實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理理論課程學(xué)習(xí)的一個(gè)重要補(bǔ)充，它使學(xué)生通過實(shí)際操作和觀察獲得比理論學(xué)習(xí)更直觀的印象，加深對(duì)知識(shí)的理解[3]．本文選取現(xiàn)象較為明顯的小實(shí)驗(yàn)穿插在課堂中，為真實(shí)的光學(xué)教學(xué)提供一定的參考．

2 趣味實(shí)驗(yàn)在光學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 趣味實(shí)驗(yàn)在幾何光學(xué)中的應(yīng)用

幾何光學(xué)作為人類最早形成的光學(xué)理論，以在同種均勻介質(zhì)中光沿直線傳播為物理依據(jù)，運(yùn)用一定的幾何知識(shí)解釋一些光學(xué)現(xiàn)象和光學(xué)問題．大學(xué)物理光學(xué)中最重要的幾何光學(xué)問題就是全反射，光的全反射作為幾何光學(xué)中非常重要的部分，是對(duì)反射與折射的深化．全反射在教學(xué)過程中，學(xué)生盡管掌握了全反射的形成條件，但在實(shí)驗(yàn)中不易理解全反射的真實(shí)現(xiàn)象，所以教師在教學(xué)中存在一定的障礙．在講授這一內(nèi)容時(shí)教師在介紹完理論背景后，布置學(xué)生利用生活中觸手可得的實(shí)驗(yàn)儀器，在課堂中讓每個(gè)學(xué)生都進(jìn)行全反射簡易實(shí)驗(yàn)，教師簡要介紹且督導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)，并對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行總結(jié)和解釋，幫助學(xué)生更直觀地理解這一光學(xué)問題，激起學(xué)生求知欲，有助于對(duì)概念的理解并為后續(xù)學(xué)習(xí)做扎實(shí)鋪墊．

關(guān)于全反射小實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，利用了當(dāng)光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，若入射角大于或者等于臨界角，會(huì)將光全部再反射回光密介質(zhì)中，不會(huì)發(fā)生折射[4]．因此，選擇水作為光密介質(zhì)，空氣作為光疏介質(zhì)非常合適，不僅可以觀察到光路，還可以實(shí)現(xiàn)全反射現(xiàn)象．當(dāng)水從小孔中流出時(shí)，在水流與空氣的邊界處會(huì)形成一個(gè)“全反射”面．在水流里傳播的光線，只要與全反射面的夾角小于它的全反射角，就不會(huì)穿出水流，而是沿著它傳播（見圖1）．進(jìn)行全反射小實(shí)驗(yàn)時(shí)的裝置主要由塑料瓶、激光筆、釘子、水等組成．首先，用釘子在塑料瓶中間位置扎個(gè)小洞．瓶身打的小孔不易過小或者過大，過小的小孔會(huì)使水流太小不易觀察，過大則水流失過快，不宜觀察到現(xiàn)象．向塑料瓶中注入適量的水，加水時(shí)水位要超過小孔一定高度，否則水無法從小孔流出．所以注水過程中用手按住小孔，防止水流出．其次，在瓶子小孔的另一側(cè)用激光筆對(duì)準(zhǔn)小孔，激光筆照射時(shí)一定要與小孔位置對(duì)準(zhǔn)，否則將小孔松開則不會(huì)有光路流出．此時(shí)將手指松開，讓水流出，觀察到當(dāng)激光筆從瓶子小孔的另一側(cè)照射小孔時(shí)，可以看到一條光亮的通路，將手指放在流出的水柱，會(huì)發(fā)現(xiàn)用手指接住了流出來的激光（見圖2）．

2.2 趣味實(shí)驗(yàn)在波動(dòng)光學(xué)中的應(yīng)用

圖1 全反射原理

圖2 全反射實(shí)驗(yàn)

2.2.1 光的干涉實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì) 光的干涉是學(xué)生在學(xué)習(xí)完光波及其相干條件后接觸的第一個(gè)特殊現(xiàn)象，在本節(jié)課之前，學(xué)生對(duì)幾何光學(xué)中同種均勻介質(zhì)中光沿直線傳播牢記于心．所以在教學(xué)過程中將趣味實(shí)驗(yàn)放到引課部分，讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與學(xué)生前概念背道而馳，使學(xué)生在學(xué)習(xí)知識(shí)前產(chǎn)生強(qiáng)烈的求知欲．

此部分趣味實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是利用生活中簡單的器材來演示楊氏雙縫干涉．課前讓學(xué)生自行分好學(xué)習(xí)小組，每個(gè)小組準(zhǔn)備一支激光筆和一把美工刀，課前教師給每個(gè)學(xué)生分發(fā)一張錫箔紙．首先，固定激光筆的位置，利用一個(gè)白紙作為光屏，打開激光筆目測(cè)激光筆在白紙上形成光斑的直徑．然后，在錫箔紙上用美工刀刻出遠(yuǎn)小于光斑直徑的2條足夠細(xì)的縫（最好不超過1 mm），如果縫細(xì)過寬，激光將直接透過縫隙打在光屏上不會(huì)形成干涉圖樣．根據(jù)學(xué)生的前概念光沿直線傳播，他們會(huì)認(rèn)為在光屏上會(huì)出現(xiàn)2個(gè)光斑．此時(shí)操作實(shí)驗(yàn)，介紹著名的楊氏雙縫干涉，說明激光在透過雙縫后并沒有沿直線傳播．通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)光斑明暗相間的特點(diǎn)，畫出激光傳播的光路圖并計(jì)算光程差．

2.2.2 光的衍射實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì) 除了光的干涉現(xiàn)象外，由于波動(dòng)性光也會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象．衍射現(xiàn)象主要分為菲涅爾衍射和夫瑯禾費(fèi)衍射兩大類，且菲尼爾衍射光強(qiáng)分布計(jì)算較復(fù)雜，在教學(xué)過程中把較為簡單的單縫衍射、夫瑯禾費(fèi)衍射和光柵衍射作為教學(xué)的重點(diǎn)．在光柵衍射的實(shí)驗(yàn)中明條紋亮度高且界限清晰，并且生活中常見的物品光盤就可以作為光柵，不同光盤的光柵常量也不同，可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力．該部分設(shè)置的趣味小實(shí)驗(yàn)是在學(xué)習(xí)完整個(gè)光柵衍射后，在課上，每個(gè)學(xué)習(xí)小組利用光盤和一個(gè)激光筆設(shè)計(jì)一個(gè)光的衍射實(shí)驗(yàn)，計(jì)算最終所選定光盤的光柵常量，撰寫完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告并將實(shí)驗(yàn)報(bào)告得分計(jì)入期末成績．

在趣味實(shí)驗(yàn)的儀器選擇上，為了更貼近大學(xué)生生活讓器材更易獲得，讓學(xué)生課前準(zhǔn)備一個(gè)光盤．由于光盤軌道間距很小，所以在一定區(qū)域可將光盤視為反射光柵．在實(shí)驗(yàn)開始前，調(diào)平整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，首先，固定光盤位置使其垂直于桌面．將激光調(diào)到常亮狀態(tài)并水平射出激光，若發(fā)射激光不水平，后續(xù)對(duì)點(diǎn)調(diào)平困難，調(diào)節(jié)固定的光盤使光盤和激光筆處于同一平面，并且發(fā)射的激光處于光盤的適中位置．然后，調(diào)整光盤位置，使激光正好可反射回發(fā)射點(diǎn)．調(diào)平光學(xué)系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)最關(guān)鍵的一步，看似簡單但需要學(xué)生足夠耐心細(xì)心，調(diào)平后可以開始觀察衍射現(xiàn)象．這一步需要學(xué)生自行制作一個(gè)適當(dāng)大小的光屏，可以選用大小合適的硬紙板，若選用A4紙?zhí)洸焕跀?shù)據(jù)的記錄，若紙板太小不能承接足夠多的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，選取合適的光屏后在紙板中央用鐵絲扎一個(gè)小洞，調(diào)整硬紙板小孔位置使發(fā)射激光恰巧通過紙板打在光盤上，此時(shí)固定光屏位置，可以在白紙板光盤一側(cè)觀察到衍射現(xiàn)象．

通過衍射現(xiàn)象的觀察并測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算出光柵常量．根據(jù)學(xué)過的知識(shí)可知光柵方程為

實(shí)驗(yàn)?zāi)M見圖3．

圖 3 實(shí)驗(yàn)?zāi)M圖

由圖3可知

3 趣味實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果及建議

3.1 趣味實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

光學(xué)萌芽于人們對(duì)自然現(xiàn)象和生活中的光現(xiàn)象的探索和研究[6]．人們之所以能看見物體，是因?yàn)橛泄膺M(jìn)入到人們的眼睛．物理小實(shí)驗(yàn)在光學(xué)課堂中正是運(yùn)用了光這一直觀的特性，展開了實(shí)驗(yàn)和理論的交叉式教學(xué)．這樣的教學(xué)安排提高了學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，使其嘗試用具體的小實(shí)驗(yàn)分析理論問題，在實(shí)驗(yàn)過程主動(dòng)思考、發(fā)現(xiàn)問題，并促進(jìn)對(duì)相關(guān)理論知識(shí)要點(diǎn)的學(xué)習(xí)和理解[7]98．大多數(shù)學(xué)生體驗(yàn)到了趣味實(shí)驗(yàn)課堂的快樂后，其考試成績以及對(duì)復(fù)雜知識(shí)的接受程度也證實(shí)了該趣味實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到課堂中具有較好的教學(xué)效果．

由理論分析和實(shí)踐教學(xué)可知，通過引入實(shí)驗(yàn)推動(dòng)理論教學(xué)以及將理論與實(shí)際應(yīng)用充分結(jié)合的策略，可以在很大程度上激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，加深對(duì)知識(shí)的理解和應(yīng)用，有效地提高學(xué)習(xí)效率并提升學(xué)生的創(chuàng)新思維能力[8]．并且本文的光學(xué)小實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)的大學(xué)物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)相比，其實(shí)驗(yàn)儀器均來自于日常生活且易得，實(shí)驗(yàn)步驟簡單實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象易觀察．通過操作完整的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的完成度和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理也可以達(dá)到學(xué)生走進(jìn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的效果，所以光學(xué)小實(shí)驗(yàn)在課堂上的應(yīng)用對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的提高有著事半功倍的效果．與演示實(shí)驗(yàn)相比，小實(shí)驗(yàn)主要提倡學(xué)生動(dòng)手操作，將演示實(shí)驗(yàn)的教師演示、學(xué)生觀察這一模式進(jìn)行了升華，使實(shí)驗(yàn)的操作和數(shù)據(jù)處理全權(quán)落到學(xué)生手中，實(shí)現(xiàn)真正的集趣味性、操作性、探究性為一體的師生共進(jìn)的課堂．

3.2 應(yīng)用趣味實(shí)驗(yàn)的教學(xué)建議

為了在課堂上高效合理地利用光學(xué)小實(shí)驗(yàn)，在小實(shí)驗(yàn)自身設(shè)置上需要注意一些問題．首先，要明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，引入這種操作性較強(qiáng)的小實(shí)驗(yàn)，是為了讓課堂更直觀、生動(dòng)和新穎，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的興趣．如果能夠很好地利用實(shí)驗(yàn)的趣味性、獨(dú)特性和可變性，就可以設(shè)計(jì)制作出生動(dòng)的場(chǎng)景，發(fā)展學(xué)生的思維[7]99．在不同的課堂上根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容和要求，設(shè)計(jì)和制作合理的小實(shí)驗(yàn)．所以說要明確做趣味實(shí)驗(yàn)的目的，不要為了做實(shí)驗(yàn)而做實(shí)驗(yàn)，這樣學(xué)生只會(huì)觀察到實(shí)驗(yàn)的表面，不能更深刻地理解實(shí)驗(yàn)規(guī)律，就更談不上更好地掌握物理知識(shí)．

其次，光學(xué)小實(shí)驗(yàn)是通過學(xué)生操作觀察體現(xiàn)它的功能．因此，在設(shè)計(jì)制作演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須確保實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是可見的，進(jìn)而讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理有直觀的認(rèn)識(shí)．這需要在設(shè)計(jì)和制造過程中注意：為了使實(shí)驗(yàn)操作性更強(qiáng)，儀器必須盡可能地向生活靠攏，過程清晰，特別是在實(shí)驗(yàn)結(jié)果上現(xiàn)象必須要明顯，讓學(xué)生通過感受效果來得到滿足感．這樣學(xué)生能夠更直觀地了解物理現(xiàn)象的本質(zhì)，更好地探究物理規(guī)律．

最后，課堂教學(xué)時(shí)間是非常寶貴的，學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)所犯的錯(cuò)誤不僅會(huì)耽誤課程時(shí)間，還會(huì)讓學(xué)生對(duì)他們的結(jié)論產(chǎn)生懷疑．因此，教師在進(jìn)行課程規(guī)劃時(shí)，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整小實(shí)驗(yàn)的操作時(shí)間，例如：一些啟發(fā)性的光學(xué)實(shí)驗(yàn)可以布置學(xué)生在上課前完成，教師可以通過學(xué)生上交的實(shí)驗(yàn)視頻檢查學(xué)生的完成效果，這樣不僅保證了上課的時(shí)間還發(fā)揮了小實(shí)驗(yàn)的最大作用．一些創(chuàng)新探究型的實(shí)驗(yàn)，教師則可以在相應(yīng)理論學(xué)習(xí)后以課后作業(yè)的形式將實(shí)驗(yàn)布置下去，學(xué)生運(yùn)用相應(yīng)的理論自行探索實(shí)驗(yàn)過程，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性．

4 結(jié)語

小實(shí)驗(yàn)在光學(xué)課堂中的引入，學(xué)生能學(xué)到研究物理的各種實(shí)驗(yàn)方法，為以后的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，提前感受實(shí)驗(yàn)操作的魅力[9]．因?yàn)楣鈱W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量對(duì)于學(xué)生們學(xué)習(xí)光學(xué)方面知識(shí)十分重要，所以有關(guān)的高校和教育集團(tuán)要根據(jù)國家現(xiàn)在的光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的典型問題進(jìn)行高效的分析，然后進(jìn)行改進(jìn)[10]．總體來說，我國大學(xué)物理在課堂中普遍地加入小實(shí)驗(yàn)還是有一定困難的，但是以現(xiàn)在的形勢(shì)來看，它會(huì)受到高等物理教育研究者越來越多的重視，而對(duì)于理論和實(shí)踐相交叉的課堂研究也會(huì)加快腳步．經(jīng)過不斷探索，小實(shí)驗(yàn)的加入一定會(huì)促使大學(xué)物理課堂中逐漸形成一套具有特色的教學(xué)模式．

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[9] 黎芳，魏京花．大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)在光學(xué)中的探討與實(shí)踐[J]．教育教學(xué)論壇，2014（1）：198-199．

[10] 李瑞，劉鑫鵬，徐林軒，等．計(jì)算機(jī)仿真在光學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J]．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2020（5）：113-117．

Application of interesting experiments in university and college physics optics

YANG He，LIU Xiaojun，ZHUANG Wenyi

（School of Science，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

Analyzes the current situation of university and college physical optics classroom teaching，combines the characteristics of optics disciplines and the weak links in teaching，and proposes a teaching method for applying interesting experiments to university and college physical optics teaching．Aiming at the abstract physics laws and key points and difficulties in optics teaching，examples of interesting experiments are listed from the two aspects of geometric optics and wave optics，which provides a reference for students to carry out interesting experiments in class，and guide students to optical phenomena through this teaching method．Observe and think，and then achieve a good teaching effect，and realize the effective integration of classroom teaching and experiment．

university and college physics；optics；interesting experiment

O4∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.02.021

1007-9831（2022）02-0106-05

2021-08-07

楊鶴（2000-），女，黑龍江哈爾濱人，在讀碩士研究生，從事物理教學(xué)研究．E-mail：1055279889@qq.com

劉曉軍（1972-），男，黑龍江齊齊哈爾人，副教授，碩士，從事物理教學(xué)研究．E-mail：liuxiaojun@qqhru.edu.cn