分光計實驗教學(xué)的改進(jìn)

黃劍平 張小英

摘要 ???“分光計的調(diào)整與使用”是大學(xué)物理中重要的實驗，也是難度比較大的實驗。結(jié)合教學(xué)實踐經(jīng)驗，從教學(xué)措施和實驗技巧兩方面，針對分光計實驗存在的問題和難點進(jìn)行了教學(xué)改進(jìn)。教學(xué)措施包括：加強(qiáng)預(yù)習(xí)、攝像頭輔助教學(xué)、分階段教學(xué)、課后重視實驗補(bǔ)做。實驗技巧有：采用水準(zhǔn)儀輔助調(diào)光和避免兩個游標(biāo)讀數(shù)混淆的方法。這些改進(jìn)措施簡單、實用、有效，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的效率，改進(jìn)了實驗教學(xué)的效果。

關(guān)鍵詞??? 分光計;三棱鏡;調(diào)節(jié);改進(jìn)

中圖分類號：G424??? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2022.04.038

Improvement of Spectrometer Experiment Teaching

HUANG Jianping，ZHANG Xiaoying

（Physics Teaching Experiment Center of Xiamen University of Technology，Xiamen，F(xiàn)ujian 361024）

Abstract “Adjustment and use of spectrometer”is not only an important experiment in college physics experiment，but also a difficult experiment. Combined with the author's teaching experience for many years，the teaching improvement is made for the problems and difficulties existing in the spectrometer experiment from the two aspects of teaching measures and experimental skills. Teaching measures include：strengthening preview，camera assisted teaching，phased teaching，and paying attention to supplementary experiment after class. The experimental skills are：using level to assist dimming and avoiding the confusion of two vernier readings. These improvement measures are simple，practical and effective，which improves the efficiency of students' learning and the effect of experimental teaching.

Keywords spectrometer;prism;adjustment;improvement

引言

分光計是精確測定光線偏轉(zhuǎn)角的儀器。通過將分光計中的望遠(yuǎn)鏡、載物臺、準(zhǔn)直管和各種光源搭配使用，可用于測量折射率、光柵常數(shù)、光波波長、光線偏轉(zhuǎn)角、色散率等基本光學(xué)參量。[1-3]

“分光計的調(diào)整與使用”是各高校大學(xué)物理實驗課都會開設(shè)的重要實驗。分光計本身的結(jié)構(gòu)特點和使用方法包含了許多光學(xué)基礎(chǔ)知識、基本概念和基本調(diào)光技巧。[4]分光計實驗可以讓學(xué)生掌握精密光學(xué)裝置的系統(tǒng)調(diào)整方法，很好地培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、動手能力和思考能力。[5]掌握好分光計的調(diào)節(jié)和使用有助于進(jìn)一步操作更復(fù)雜的光學(xué)儀器，如攝譜儀、單色儀、分光光度計等。[6]

但另一方面，分光計的構(gòu)造精密、控制部件多、操作步驟復(fù)雜、調(diào)節(jié)精度要求高，對于學(xué)生的掌握和教師的教學(xué)都有很大的難度。學(xué)生普遍會比較“抵觸”這個實驗，老師也經(jīng)常為教學(xué)效果不佳而“聲嘶力竭”。這個問題也引起了廣泛的重視，目前關(guān)于分光計的教學(xué)手段、調(diào)光技巧和儀器改進(jìn)措施都有不少文獻(xiàn)。本文根據(jù)作者十多年來的分光計教學(xué)經(jīng)驗結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)，針對該實驗的難點，從教學(xué)措施和實驗技巧兩方面進(jìn)行了改進(jìn)，取得了良好的效果。

1??? 教學(xué)措施的改進(jìn)

1.1??? 加強(qiáng)預(yù)習(xí)工作

預(yù)習(xí)是實驗取得主動的關(guān)鍵，對于分光計實驗，預(yù)習(xí)更是實驗?zāi)芊耥樌瓿傻闹刂兄?。除了常?guī)要求的閱讀實驗教材，撰寫預(yù)習(xí)報告之外，我們還要求學(xué)生上高校邦網(wǎng)站觀看實驗視頻。我們利用網(wǎng)絡(luò)精品課程建設(shè)經(jīng)費，錄制了分光計實驗的操作講解視頻，上傳到高校邦網(wǎng)站。學(xué)生通過觀看視頻會對整個實驗過程有更直觀的印象。

此外，我們還特別要求學(xué)生在上課前完成分光計的仿真實驗。我們利用仿真實驗建設(shè)經(jīng)費，購買了科大奧銳公司的虛擬仿真實驗平臺，可在個人電腦上運行。如圖1（p118）所示，通過模擬操作，特別是實驗的核心部分：利用平面鏡調(diào)光和用自準(zhǔn)法、反射法測量三棱鏡頂角，同學(xué)們可以對實驗原理和步驟有進(jìn)一步的認(rèn)識，知道實驗重點和難點在哪里，處理的方法是什么。這樣同學(xué)們在聽課時會更有針對性，實際動手操作時也會避免盲目和慌亂。

1.2??? 采用攝像頭輔助教學(xué)

課堂教學(xué)時，需要對分光計的實驗操作進(jìn)行演示和講解。與其他物理實驗儀器不同，分光計望遠(yuǎn)鏡的視場只能夠單人觀察，這導(dǎo)致老師演示的效果有限，同學(xué)們看不到望遠(yuǎn)鏡視場中的實驗現(xiàn)象，不能很好地理解講課內(nèi)容，會影響后面動手操作的效果。為解決這個問題，有文獻(xiàn)采用專門的分光計示教儀來進(jìn)行演示。[7]這里，我們用普通分光計加裝攝像頭的辦法，達(dá)到同樣的效果。在分光計望遠(yuǎn)鏡的目鏡端，通過固定裝置裝上一個USB攝像頭。這樣目鏡里的視場就可以在電腦屏幕上顯示，并通過投影儀投影出來，如圖2所示。這樣，每一步示范操作產(chǎn)生的實驗現(xiàn)象都可以讓所有同學(xué)看得清清楚楚，提高了課堂演示的效果。

1.3??? 上課分階段講解

平時大部分的物理實驗教學(xué)都是老師先講解示范，然后學(xué)生再開始動手操作。對于分光計實驗，儀器旋鈕多，操作步驟復(fù)雜且難度大，需注意的事項較多。根據(jù)以往經(jīng)驗，如果一開始就把所有內(nèi)容都一次性講完再讓學(xué)生動手操作，部分同學(xué)容易遺漏或混淆一些步驟。對此，我們改用分階段教學(xué)的方法，把整個實驗內(nèi)容分解成幾個階段，每次只講解并操作一個部分，完成后再講解下一階段的內(nèi)容。

我們將整個實驗根據(jù)內(nèi)容和難度劃分成以下幾個階段：（1）了解實驗背景和實驗原理;（2）熟悉各旋鈕和部件的作用并完成粗調(diào);（3）調(diào)整望遠(yuǎn)鏡光軸與分光計中心軸嚴(yán)格垂直，調(diào)整載物臺水平;（4）用自準(zhǔn)法測量三棱鏡的頂角;（5）調(diào)節(jié)平行光管并用反射法測量三棱鏡的頂角。

開始講解第1、2部分，有了預(yù)習(xí)和仿真的基礎(chǔ)，這2個部分可以講得快些，把時間留給后面的難點。同學(xué)們大約用3-5分鐘就可以熟悉分光計的各個旋鈕和部件，并順便完成分光計的粗調(diào)。接著，結(jié)合老師示范，詳細(xì)講解第3部分，這也是整個實驗最難的地方，完成這一部分大約需要30分鐘甚至更長的時間。待大部分學(xué)生調(diào)光完成后，講解第4部分，重點講分光計游標(biāo)盤的讀數(shù)和一些注意細(xì)節(jié)。最后，講解第5部分，平行光管的調(diào)節(jié)和反射法測量三棱鏡頂角。有了前面階段的調(diào)節(jié)基礎(chǔ)，后面的階段會越來越順利。

通過分階段教學(xué)，把實驗內(nèi)容分解，老師可以根據(jù)學(xué)生的操作情況把控上課進(jìn)度，把課堂大部分時間留給最重要和最難的部分。如果某個階段用時過長，可以及時加強(qiáng)指導(dǎo)并督促同學(xué)抓緊。同學(xué)們在每一個階段里只集中聆聽這部分的講解，完成該階段的任務(wù)。每個階段安排的內(nèi)容和難度都適中，便于掌握，學(xué)生在操作時可避免一些內(nèi)容和細(xì)節(jié)上的遺漏，最后有序地完成整個實驗。

1.4??? 重視課后補(bǔ)做

盡管我們做了改進(jìn)，但難免有少數(shù)同學(xué)還是無法在課堂上完成實驗的全部內(nèi)容。為此，我們要求同學(xué)在一周內(nèi)與老師預(yù)約補(bǔ)做實驗。為了保證質(zhì)量，補(bǔ)做時，老師盡量在場指導(dǎo)。如果老師無法在場，為避免個別同學(xué)編造數(shù)據(jù)，我們要求同學(xué)自己用手機(jī)拍攝調(diào)光效果和游標(biāo)盤讀數(shù)的視頻，過后給老師檢查。經(jīng)過補(bǔ)做，基本上所有的同學(xué)都掌握了分光計的課程內(nèi)容。

2??? 實驗技巧的改進(jìn)

2.1??? 利用水準(zhǔn)儀輔助調(diào)光

分光計實驗最關(guān)鍵也是最難的地方就是前述的第3階段：調(diào)整望遠(yuǎn)鏡光軸與分光計中心軸垂直，調(diào)整載物臺水平。針對這個難點，有的文獻(xiàn)采用可以直觀觀測光路的激光輔助調(diào)節(jié)方法，[8]也有的采用加裝廣角系統(tǒng)，擴(kuò)大望遠(yuǎn)鏡視場[9]等方法。但這些方法需要額外的設(shè)備和成本。這里根據(jù)作者的教學(xué)經(jīng)驗并借鑒一些文獻(xiàn)的做法，采用水準(zhǔn)泡輔助調(diào)光，[10，11]可以達(dá)到不錯的效果。

分光計調(diào)光的第一步是目測粗調(diào)，但目測粗調(diào)沒有固定標(biāo)準(zhǔn)，易受實驗者主觀影響，因此調(diào)節(jié)程度不好把握。這里利用水準(zhǔn)儀或手機(jī)的水準(zhǔn)功能APP輔助調(diào)節(jié)，把水準(zhǔn)儀放置在載物平臺上，如圖3所示，調(diào)節(jié)3個支撐螺絲，使水準(zhǔn)儀的氣泡移到中央，這時載物臺達(dá)到水平。然后把水準(zhǔn)儀緊貼在望遠(yuǎn)鏡鏡筒上端，如圖4所示，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡俯仰螺絲，也使之水平。這樣操作后，再把平面鏡放在載物臺上，很容易就在兩個面都看到綠色的亮十字的像，然后就可以順利地進(jìn)行后繼的調(diào)光步驟。

2.2??? 避免兩個游標(biāo)窗口讀數(shù)混淆

在自準(zhǔn)法測三棱鏡頂角的時候，儀器有兩種讀數(shù)方法：一是固定望遠(yuǎn)鏡和刻度盤，轉(zhuǎn)動里面的載物臺和游標(biāo)盤，分別在三棱鏡兩個光滑面垂直于望遠(yuǎn)鏡光軸時讀數(shù);二是固定載物臺和游標(biāo)盤，而轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡和刻度盤來讀數(shù)。許多同學(xué)在讀數(shù)時，為了不用站起來，多采用第一種方法。結(jié)果發(fā)現(xiàn)不少同學(xué)在讀取三棱鏡第二個光滑面讀數(shù)的時候，容易把游標(biāo)盤“左”“右”游標(biāo)的讀數(shù)弄反。究其原因，是第一次位于左邊的“左游標(biāo)”在第二次讀數(shù)時有可能會轉(zhuǎn)到右邊;位于右邊的“右游標(biāo)”可能會轉(zhuǎn)到左邊，容易造成混淆。就此，我們強(qiáng)制要求學(xué)生采用第二種讀數(shù)方法，即固定載物臺和游標(biāo)盤，而轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡和刻度盤來讀數(shù)。這樣兩次讀數(shù)時，“左”“右”游標(biāo)盤都固定不動，就不會造成混淆了。

3??? 結(jié)束語

本文根據(jù)作者多年來分光計實驗的授課經(jīng)驗，從教學(xué)措施和實驗技巧兩方面提出了幾點簡單、實用、有效的改進(jìn)措施。這其中，充分利用了網(wǎng)絡(luò)課程和虛擬仿真實驗平臺，讓學(xué)生在課前可以更深入地預(yù)習(xí)。采用攝像頭輔助教學(xué)，使同學(xué)對實驗現(xiàn)象的觀察和了解更直觀。采用分階段教學(xué)，將整個實驗的難度和步驟分解，讓學(xué)生在每個階段都易于操作，整節(jié)課更高效有序。課后重視實驗補(bǔ)做，保證同學(xué)及時補(bǔ)缺補(bǔ)漏。另外，在調(diào)光時利用水準(zhǔn)儀輔助調(diào)整儀器水平，提高調(diào)光的成功率。在讀數(shù)時，采用固定游標(biāo)盤而轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡的讀數(shù)方法，避免讀數(shù)錯誤。經(jīng)過這些教學(xué)改進(jìn)，教師對教學(xué)進(jìn)度更易于把控，上課的質(zhì)量和效果明顯改善。學(xué)生的掌握程度也顯著提高，不再“抵觸”分光計實驗了。

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